DZW型重力儀觀測(cè)的2011日本大地震激發(fā)的地球自由振蕩

錢建秀 任佳

摘要：本文利用5個(gè)臺(tái)站（姑咱臺(tái)、黃梅臺(tái)、馬陵山臺(tái)、西昌小廟臺(tái)和宜昌臺(tái)）的DZW型重力儀的觀測(cè)資料首次對(duì)2011年3月11日的日本大地震激發(fā)的基頻球型自由振蕩進(jìn)行了全頻段提取，明確檢測(cè)到了0S3～0S76的基型球型振蕩頻率，同時(shí)把檢測(cè)到的振蕩頻率與PREM模型理論值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明實(shí)測(cè)頻率與理論振蕩頻率基本保持一致。

關(guān)鍵詞：重力資料;2011年日本大地震;地球自由振蕩;品質(zhì)因子

近年來(lái)，在我國(guó)越來(lái)越多的人關(guān)注地球自由振蕩研究，目前對(duì)于基頻球型振蕩，利用數(shù)字化前兆觀測(cè)資料最多僅能檢測(cè)到0S48。對(duì)于采樣率是分鐘值的數(shù)據(jù)，它能檢測(cè)到的基頻球型自由振蕩頻段應(yīng)是0S2～0S76。對(duì)于2011年3月11日的日本大地震，本文利用DZW型微伽重力儀的觀測(cè)資料，嘗試對(duì)其地球基頻球型自由震蕩信號(hào)進(jìn)行了全頻段提取，并利用重力資料進(jìn)一步計(jì)算自由振蕩的品質(zhì)因子Q值。

一、數(shù)據(jù)處理

DZW重力儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，計(jì)算精度為分鐘值。通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括：剔除觀測(cè)值中的一些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（如尖蜂、突跳、掉格等），對(duì)于有些數(shù)據(jù)可能由于監(jiān)測(cè)中途突然出現(xiàn)斷電、地震等外在因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不連續(xù)等情況，對(duì)于此情況，主要對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值計(jì)算，以保證能夠獲得更高精度的重力場(chǎng)。

二、結(jié)果分析

（一）地球自由振蕩譜分析

本文主要采用功率譜密度估計(jì)法來(lái)分析地球的自由振蕩信號(hào)。通過(guò)監(jiān)測(cè)5個(gè)臺(tái)站（姑咱臺(tái)、黃梅臺(tái)、馬陵山臺(tái)、西昌小廟臺(tái)和宜昌臺(tái)）的DZW型重力儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)球型振蕩的振型，經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在0.2～1.3mHz頻段內(nèi)，可檢測(cè)到的振型為0S3～0S7;在1.3～4.5頻段范圍內(nèi)，可檢測(cè)到的振型為0S8～0S37;在4.5～8.02mHz頻段范圍內(nèi)，可清晰的檢測(cè)到0S38～0S76的振型。通過(guò)5個(gè)臺(tái)站（姑咱臺(tái)、黃梅臺(tái)、馬陵山臺(tái)、西昌小廟臺(tái)和宜昌臺(tái)）DZW型重力儀的功率譜，我們計(jì)算得到了球型振蕩0S3～0S67等振型的觀測(cè)周期平均值。

通過(guò)對(duì)比振型為0S3～0S67的觀測(cè)均值和PREM模型理論值，計(jì)算得到0S3～0S67的偏差值和相對(duì)誤差值，發(fā)現(xiàn)除0S4、0S5、0S55振型的觀測(cè)周期和PREM模型理論值周期的相對(duì)誤差大于0.2%外，其他振型的觀測(cè)周期和PREM模型理論周期的相對(duì)誤差基本都在0.1%附近波動(dòng)，由于數(shù)據(jù)太長(zhǎng)，本文只選取了其中部分（0S3～0S14、0S55～0S66）典型的振型列出（見(jiàn)表1），由此說(shuō)明，觀測(cè)值和PREM模型的理論值是比較吻合的。

（二）球型振蕩的品質(zhì)因子分析

地球是一個(gè)非彈性介質(zhì)的球體，發(fā)生地震時(shí)，由于地震波的作用，使地球產(chǎn)生的自由振蕩產(chǎn)生的振幅會(huì)隨著地震波的傳播時(shí)間的增大會(huì)逐漸減小，這種介質(zhì)的非彈性屬性我們可以用品質(zhì)因子Q來(lái)描述。可根據(jù)公式Q=-2πf/k

即可求得該振型的品質(zhì)因子Q值。表2給出了5個(gè)臺(tái)站0S9～0S20的Q值。從表2中可知，0S10的PREM模型值空缺，因此無(wú)法計(jì)算0S10的偏差和相對(duì)誤差值。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，除0S16和0S20振型的偏差較大以外，分別為17.2和15.8，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，偏差值均小于10.5%。同理，除0S16和0S20振型的相對(duì)誤差較大以外，分別為6.19%和6.84%，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，相對(duì)誤差誤差的數(shù)值均小于3.5%?？傊?，5個(gè)臺(tái)站0S9～0S20振型的觀測(cè)平均Q值和PREM模型理論Q值的數(shù)值均在230～370之間，而相對(duì)誤差在0～6.2%之間，誤差非常小。因此，使用該方法計(jì)算得到的Q值是比較可靠的。

三、結(jié)論

1.本文主要采取5個(gè)臺(tái)站（姑咱臺(tái)、黃梅臺(tái)、馬陵山臺(tái)、西昌小廟臺(tái)和宜昌臺(tái)）的DZW型重力儀的監(jiān)測(cè)資料首次對(duì)2011年3月11日日本大地震激發(fā)的基頻球型自由振蕩信號(hào)進(jìn)行了全頻段提取，并把提取結(jié)果與PREM模型理論值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)振蕩頻率基本一致，表明本文采取的方法是切實(shí)可行的。

2.通過(guò)計(jì)算觀測(cè)平均Q值與PREM模型的理論Q值對(duì)比發(fā)現(xiàn)：除0S16和0S20振型的偏差較大以外，分別為17.2和15.8，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，偏差值均小于10.5%。同理，除0S16和0S20振型的相對(duì)誤差較大以外，分別為6.19%和6.84%，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，相對(duì)誤差誤差的數(shù)值均小于3.5%?？傊?個(gè)臺(tái)站0S9～0S20振型的觀測(cè)平均Q值和PREM模型理論Q值的數(shù)值均在230～370之間，而相對(duì)誤差在0～6.2%之間，誤差非常小。因此，使用該方法計(jì)算得到的Q值是比較可靠的。

3.雖然平均Q值與PREM模型的Q值比較接近，但5個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到的每個(gè)振型的Q值各不相近，有的差別較大，具體原因仍有待進(jìn)一步研究。

致謝：感謝中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給提供的重力數(shù)據(jù)和萬(wàn)永革老師提供的PREM模型數(shù)據(jù)，在Q值計(jì)算方面，唐磊老師給予了大力支持，在此一并感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊躍文，秦嘉政，任佳，等.利用云南水管儀觀測(cè)資料檢測(cè)地球自由振蕩[J].地震研究，2020，33（2）：189-194.