赤城臺水位檢測基頻球型自由振蕩的再認(rèn)識

符澤宇，任 佳，趙建明，李 金，王 妍

（河北省地震局唐山中心臺，河北 唐山 063000）

赤城臺水位檢測基頻球型自由振蕩的再認(rèn)識

符澤宇，任 佳，趙建明，李 金，王 妍

（河北省地震局唐山中心臺，河北 唐山 063000）

針對印尼9.0級大地震，我們在既保證低頻自由振蕩信號的分辨率，又不對高頻自由振蕩信號產(chǎn)生抑制效應(yīng)的前提下，采取逐步增減樣本數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行試驗，首次用赤城臺的水位觀測資料較好地檢測到了0S2～0S76的基型球型振蕩，并與地球初步參考模型（PREM）的理論自由振蕩頻率進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)實測振蕩頻率與PREM預(yù)測的振蕩頻率基本符合。

赤城臺；水位資料；地球自由振蕩；印尼9.0級地震

0 引言

近年來，地球自由振蕩研究在我國已越來越受到關(guān)注，有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究［1-8］，其中一個重要的領(lǐng)域是對地球自由振蕩譜峰之頻率的研究與檢測。筆者檢索了相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)對于基頻球型振蕩，利用數(shù)字化前兆觀測資料最多僅能檢測到0S48，對于采樣率是分鐘值的數(shù)據(jù)，理論上它能檢測到的基頻球型自由振蕩頻段應(yīng)是0S2～0S76。如何能檢測到盡可能多的振型參數(shù)，一直是筆者關(guān)注的問題。由于利用地球自由振蕩波形資料，不僅可以約束地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)［11］，還可以反推地震的震源參數(shù)［12］，研究慢地震和靜地震等［10］，因此盡可能多的提取地球自由振蕩振型資料就有相當(dāng)重要的意義。針對這次地震，筆者采取逐步增減樣本數(shù)據(jù)的方法試驗，較好地檢測到0S3～0S76的基型球型振蕩，并與地球初步參考模型（PREM）的理論自由振蕩頻率進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)實測振蕩頻率與PREM預(yù)測的振蕩頻率基本符合。

1 資料

2004年12月26日印尼蘇門答臘島西部附近海域印度洋發(fā)生M9.0地震，針對這次地震，筆者對赤城臺水位觀測資料進(jìn)行重新處理，擬盡可能多的提取基頻球型振蕩。圖1是赤城臺水位儀記錄的印尼9.0級大地震分鐘值曲線，從圖中可清晰看到固體潮和地震波。

圖1 赤城臺水位儀記錄的蘇門答臘大地震的分鐘值曲線Fig.1 Minute-value curve of Sumatra earthquake recorded by Chicheng Station water level meter

2 水位觀測資料預(yù)處理

赤城臺水位觀測資料來源于中國地震臺網(wǎng)中心，參與計算的是采樣率。在處理數(shù)據(jù)之前，對原始數(shù)據(jù)作了預(yù)處理，剔除了混合在觀測值中的錯誤數(shù)據(jù)（如尖蜂、突跳等），對短時間的缺數(shù)進(jìn)行了內(nèi)插。

地球自由振蕩信號屬于非穩(wěn)態(tài)信號（瞬態(tài)信號），我們通常采用功率譜密度估計的方法來分析。由于功率譜密度的譜分辨率正比于數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)樣本應(yīng)有足夠的長度，頻譜圖才具有較高的質(zhì)量，如果采樣數(shù)據(jù)過少，就不能分辨出其中的頻率成分。地震產(chǎn)生的地球自由振蕩在地震發(fā)生后隨著時間的流逝振幅快速衰減，這就產(chǎn)生了一個矛盾，由于高頻自由振蕩信號的衰減較快，樣本數(shù)據(jù)多，就會對其產(chǎn)生抑制效應(yīng)，樣本數(shù)據(jù)少，對低頻自由振蕩信號就不能進(jìn)行有效識別。筆者在既保證低頻自由振蕩信號的分辨率，又不對高頻自由振蕩信號產(chǎn)生抑制效應(yīng)的前提下，采取逐步增減樣本數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行試驗，較好地解決了這一矛盾。試驗結(jié)果表明，針對這次地震，采用震后1100～2000個數(shù)據(jù)是比較合適的。

3 地球自由振蕩譜分析結(jié)果

本文采用功率譜密度估計的方法來分析地球自由振蕩信號，其定義為觀測數(shù)據(jù)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換［4］，參與計算的數(shù)據(jù)個數(shù)為1800個，振幅譜的絕對值代表功率譜。分析結(jié)果見圖2-3。圖中垂直虛線表示PREM模型給出的基型球型振蕩理論頻率值。

圖2為0.276～4.8mHz頻段，赤城臺水位在該頻段內(nèi)除0S32、0S33、0S37和0S41偏離PREM理論值外，其余均被清楚地檢測到，自由振蕩的相對幅度是10-5m量級。

圖3為4.8mHz～8.1mHz頻段，赤城臺水位在該頻段內(nèi)除0S42、0S45、0S48、0S54、0S60、0S63、0S64、0S68、0S71、0S75、0S76偏離PREM理論值外，其余振型仍可以較清楚地分辨出，自由振蕩的相對幅度是10-7m量級。

4 結(jié)論和討論

（1）對于赤城臺水位，任佳等針對2004年12月26日印尼M9.0地震，利用震后近5天的數(shù)據(jù)僅檢測到0S30。我們用赤城臺水位儀的觀測數(shù)據(jù)對這次地震較好地檢測到了0S2～0S76的基型球型振蕩，本文檢測到的振型明顯多于任佳等［7］的結(jié)果。

（2）本研究采取逐步增減樣本數(shù)據(jù)的方法，在既保證低頻自由振蕩信號的分辨率，又不對高頻自由振蕩信號產(chǎn)生抑制效應(yīng)的前提下，采用功率譜密度估計的方法提取地球自由振蕩的信息，結(jié)果表明這種方法是可行的。

（3）從圖2-3我們發(fā)現(xiàn)，0.276～4.8mHz部分的自由振蕩相對幅度遠(yuǎn)高于4.8mHz～8.1mHz部分，前者比后者大約高出近兩個數(shù)量級，這也可能是高頻部分不易準(zhǔn)確檢測的原因。在圖3的某些頻段附近存在另外一些峰值，這是由于信號截斷時采用的窗函數(shù)不可避免地使功率譜在窗口主瓣內(nèi)的功率向邊瓣部分泄漏，降低了分辨率，較大的邊瓣還有可能掩蓋譜中較弱的成分，或是產(chǎn)生假的峰值造成的，尤其在分析的數(shù)據(jù)越短時，這些影響更為突出。

圖2 赤城臺水位數(shù)據(jù)分析結(jié)果（0.276～4.8mHz）Fig.2 Analysis results of Chicheng Station water level data（0.276 mHz to 4.8 mHz）

圖3 赤城臺水位數(shù)據(jù)分析結(jié)果（4.8～8.1mHz）Fig.3 Analysis results of Chicheng Station water level data （4.8 mHz to 8.1 mHz）

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［2］雷湘鄂，孫和平，許厚澤，等.2007.蘇門達(dá)臘地地震激發(fā)的地球自由振蕩及其譜線分裂的檢測與討論［J］.中國科學(xué)（D輯），37（4）：504-511.

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［4］萬永革，盛書中，周公威.2007.中國數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的蘇門答臘—安達(dá)曼地震激發(fā)的地球球型自由振蕩的檢測［J］. 地震學(xué)報，29（4）：369-381.

［5］邱澤華，馬瑾，池順良，等.2007.鉆孔差應(yīng)變儀觀測的蘇門答臘大地震激發(fā)的地球環(huán)型自由振蕩［J］.地球物理學(xué)報，50（3）：797-805.

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［7］任佳，陳華靜，蔣翠榮，等.2009.數(shù)字化水位儀觀測的蘇門答臘大地震激發(fā)的地球球型自由振蕩［J］.地震研究，32（4）：333-338.

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［9］萬永革.2007.數(shù)字信號處理的MATLAB實現(xiàn)［M］.北京：科學(xué)出版社，252-279.

［10］Beroza G C、Jordan T H.1990，Searching for slow and silent earthquakes using free oscillations［J］.J Geophys Res，95（B3），2485～2510.

［11］Dziewonski A M、Anderson D L.1981， Preliminary reference Earth model （PREM） ［J］. Phys Earth Planet Inter， 25，297～356.

［12］Park J、Song T A、Tromp J et al.2005，Earth's free oscillations excited by the 26 December 2004 Sumatra Andaman earthquake［J］.Science，308，1139～1146.

RECOGNITION OF THE FOUNDATIONAL-FREQUENCY SPHEROIDAL FREE OSCILLATIONS DETECTED BY CHICHENG SEISMIC STATION WATER LEVEL

FU Ze-yu， REN Jia， ZHAO Jian-ming， LI Jin， WANG Yan

（Tangshan Central Seismic Station，Earthquake Administration of Hebei Province，Hebei Tangshan 063021， China）

In view of the 9.0 magnitude earthquake in Indonesia， this study conducted an experiment by adopting the method of gradually increasing or decreasing sample data under the premise of ensuring the resolution ratio of low frequency free oscillation signals and no inhibiting effect on high frequency free oscillation signals. For the first time， it fairly detected the foundational frequency spheroidal free oscillations of 0S2～0S76 with the water level observation data of Chicheng Seismic Station and the comparison with the free oscillation frequency of Preliminary Reference Earth Model（PREM）theory found that the measured oscillation frequency basically corresponds with the predicted oscillation frequency of PREM.

Chicheng Seismic Station；water level date； free oscillations of the Earth； the 9.0 magnitude earthquake in Indonesia

P315.72

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.020

1674-8565（2016）03-0105-04

2016-06-29

2016-07-26

符澤宇（1983-），男，河北省唐山市人，2007年畢業(yè)于寧夏大學(xué)，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測工作。E-mail：17123670@qq.com