新疆鉆孔體應(yīng)變資料提取地球自由振蕩研究

楊紹富　張嘉敏　鄧明文

摘要：基于功率譜方法，利用新疆鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺3套鉆孔體應(yīng)變資料提取2011年3月11日日本9.0級地震激發(fā)的地球自由振蕩信息，將觀測值頻率與PREM模型理論值進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，實(shí)測值與理論值基本一致，驗(yàn)證了PREM模型的準(zhǔn)確性，顯示出利用體應(yīng)變資料提取地球自由振蕩信息的可行性。3個(gè)臺提取結(jié)果顯示出一些共性和差異，與震源條件及鉆孔所處地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

關(guān)鍵詞：? 新疆； 鉆孔體應(yīng)變； 功率譜密度； 地球自由振蕩； PREM模型

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.004

地球自由振蕩是從18世紀(jì)的理論研究開始的，1960年5月22日智利大地震的觀測中進(jìn)一步得到證實(shí)。地球局部受到大地震等因素激發(fā)后，會發(fā)生整體的數(shù)十秒至數(shù)十分鐘周期的振動。利用提取的地球自由振蕩信息，反推地震的震源破裂參數(shù)［1］、約束地球液體層和固體層之間的相互作用［2］等，對地球物理問題的研究具有重大意義。近年來，一些學(xué)者深入開展了地球自由振蕩的深入研究。唐磊等［3］利用TJ式鉆孔體應(yīng)變儀觀測資料，研究2004年12月26日印尼蘇門答臘地震激發(fā)的地球球型振蕩。姚家駿等［4］利用重力資料，成娜等［5］利用伸縮儀觀測資料，周江林等［6］利用gPhone重力資料，蔣翠榮等［7］利用井水溫觀測資料，呂永清等［8］運(yùn)用團(tuán)隊(duì)研制的超寬頻帶數(shù)字地震儀提取強(qiáng)震激發(fā)的地球自由振蕩信息。張嘉敏等［9］利用JCZ-1T地震計(jì)檢測小于8.0級的地震激發(fā)的地球自由振蕩。本文中選取新疆鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺3套TJ鉆孔體應(yīng)變資料提取2011年日本9.0級地震激發(fā)的地球自由振蕩，并將觀測值頻率與PREM模型［10］理論值進(jìn)行對比分析。

1資料選取

選取新疆目前運(yùn)行觀測質(zhì)量較好的鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺3套鉆孔體應(yīng)變觀測資料進(jìn)行研究。鐵門關(guān)臺構(gòu)造上位于北輪臺—興地?cái)嗔押托粮駹枖嗔呀粎R處，地質(zhì)構(gòu)造條件較好。臺址區(qū)有大面積基巖出露，臺基巖性為前震旦系花崗巖，巖石較完整，巖芯較硬。鉆孔深83.0 m，周圍200 km 歷史地震頻度高。雖然鐵門關(guān)體應(yīng)變觀測資料存在長趨勢零漂，但記錄到的應(yīng)變潮汐曲線光滑清晰，觀測資料內(nèi)精度在全國同類儀器中處于較高水平［11］。溫泉臺地質(zhì)構(gòu)造屬于準(zhǔn)噶爾界山與博羅霍洛構(gòu)造帶的交匯部位，以臺站為圓心半徑150 km范圍內(nèi)有多條活斷層通過。巖性為加里東期花崗片麻巖，巖石相對完整。鉆孔深80 m，探頭安裝在75 m處，溫泉臺體應(yīng)變觀測資料的內(nèi)精度、穩(wěn)定性都比較高，觀測資料滿足地震監(jiān)測預(yù)報(bào)要求［12］。烏什臺地質(zhì)構(gòu)造屬于柯坪斷塊的東北部，NE向的闊克沙勒斷裂分布在臺站北部，臺區(qū)基巖大面積出露，巖性為石炭系灰?guī)r夾石英砂巖。鉆孔深75.6 m，監(jiān)視區(qū)內(nèi)經(jīng)常發(fā)生5～6級中強(qiáng)地震，觀測受270 m的自來水廠抽水影響［13］。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心資料，2011年3月11日在日本東北部海域（38.1°N，142.6°E）發(fā)生9.0級地震，震源深度10 km。此次大地震為提取地球自由振蕩提供了基礎(chǔ)支撐。鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺均記錄到同震響應(yīng)和震后效應(yīng)（圖1），選取強(qiáng)震后5 d觀測數(shù)據(jù)，未進(jìn)行濾波及剔除固體潮處理，曲線清晰，連續(xù)性好，信噪比高。

2研究方法

3結(jié)果與分析

4結(jié)束語

提取結(jié)果驗(yàn)證前人的研究結(jié)論。值得注意的是，烏什臺檢測出的優(yōu)勢頻率，未對應(yīng)PREM模型振型，經(jīng)計(jì)算分析可以排除自來水廠的干擾，表明地球自由振蕩振型信息對于地震前兆資料異常甄別有幫助。此外，對于同一地震，不同方位的3個(gè)臺站檢測的地球自由振蕩振型頻率有所不同，這可能表明地球自由振蕩振型信息可以對地球介質(zhì)的橫向不均勻性或各向異性提供一種新的約束。地球自由振蕩振型信息還可以對地震震源機(jī)制做出一定約束，這需要做進(jìn)一步研究。

地球自由振蕩的簡正模型中，頻譜峰的位置可以用來確定球面上的平均地幔結(jié)構(gòu)［20］，3個(gè)臺體應(yīng)變觀測資料的功率譜密度結(jié)果表明，頻譜峰存在分裂現(xiàn)象，而這被認(rèn)為是地球自轉(zhuǎn)和橢率導(dǎo)致的正常譜線分裂，是大尺度的非球狀和非均勻地球的證據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］高原，Suzan L，Domenico G，等.應(yīng)用振型疊加方法研究1997年11月8日中國西藏瑪尼地震震源機(jī)制［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2001，44（Z1）：98-106.

［2］Courtier N，Ducarme B，Goodkind J，et al.Global superconducting gravimeter observations and the search for the translational modes of the inner core［J］.Physics of the Earth & Planetary Interiors，2000，（117）：3-20.

［3］唐磊，邱澤華，闞寶祥.中國鉆孔體應(yīng)變臺網(wǎng)觀測到的地球球型振蕩［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2007，27（6）：37-44.

［4］姚家駿，萬永革，王培玲，等.利用重力資料檢測日本9.0級地震激發(fā)的地球自由振蕩［J］.地震研究，2012，35（1）：53-58.

［5］成娜，翟健，李細(xì)順，等．利用伸縮儀觀測資料檢測日本9.0級大地震激發(fā)的地球自由振蕩［J］．山西地震，2011，（3）：21-24.

［6］周江林，沈萍.北京地震臺gPhone重力儀對尼泊爾8.1級強(qiáng)震所激發(fā)地球自由振蕩的探測［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2016，36（9）：829-832.

［7］蔣翠榮，任佳，陳華靜，等.利用本溪自流井水溫觀測資料檢測地球自由振蕩［J］.地震研究，2010，33（4）：313-317.

［8］呂永清，蔡亞先，周云耀．用JCZ-1超寬頻帶數(shù)字地震儀觀測地球自由振蕩［J］．地殼形變與地震，1997，17（3）：103-105.

［9］張嘉敏，張小飛.利用JCZ-1T地震計(jì)BB通道觀測數(shù)據(jù)檢測地球自由振蕩［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2017，37（12）：1 297-1 301.

［10］Adam M，Dziewonski，Don L.Anderson.Preliminary reference Earth model［J］.Physics of the Earth and Planetary Interiors，1981，（25）：297-356.

［11］徐長銀，楊紹富，孫海軍，等.庫爾勒鐵門關(guān)鉆孔體應(yīng)變觀測干擾異常分析［J］.內(nèi)陸地震，2017，31（1）：87-91.

［12］陳大柱，張新成，高守全，等.溫泉地震臺鉆孔體應(yīng)變觀測資料分析［J］.內(nèi)陸地震，2014，28（1）：63-69.

［13］楊紹富，徐長銀，孫海軍.新疆鉆孔應(yīng)變對汶川8.0和日本9.0級地震的同震響應(yīng)特征分析［J］.華南地震，2013，33（1）：43-48.

［14］郭明瑞，張肖，余雅文，等.利用易縣形變綜合觀測資料檢測日本地震所激發(fā)的地球自由振蕩［J］.內(nèi)陸地震，2013，27（2）：189-194.

［15］雷晴，丁新娟，翟世龍.基于Welch功率譜估計(jì)的地磁GM4秒數(shù)據(jù)頻段分析［J］.內(nèi)陸地震，2018，32（3）：229-236.

［16］許可，劉瑞瑞，孔繁旭.天津地區(qū)臺基背景噪聲特征分析［J］.內(nèi)陸地震，2015，29（2）：170-175.

［17］鄧明文，段紹鑫，劉青山，等.米蘭河水庫對若羌測震臺臺基噪聲的影響分析［J］.內(nèi)陸地震，2021，35（4）：391-398.

［18］萬永革．?dāng)?shù)字信號處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)［M］．北京：科學(xué)出版社，2007.

［19］萬永革，周公威，郭燕平.中國數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的昆侖山口西地震的球型自由振蕩［J］.地震，2005，25（1）：31-40.

［20］萬永革，盛書中，周公威，等.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(bào)，2007，29（4）：369-381.

EXTRACTION OF EARTH FREE OSCILLATIONS FROM

BOREHOLE VOLUME STRAIN DATA IN XINJIANG

YANG Shao-fu， ZHANG Jia-min， DENG Ming-wen

（Korla Seismic Station of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Korla 841000， Xinjiang，China）

Abstract： Using three sets of borehole volumetric strain data of Tiemengguan， Wenquan and Wushi stations in Xinjiang based on the power spectrum method， we extracts the information of Earth Free Oscillation excited by? Japan M9.0 earthquake on March 11，2011， compares the observed frequency with the theoretical value of PREM model. The results shows that the measured values are in good agreement with the theoretical values， and the accuracy of PREM model is verified. The results of three stations indicates some similarities and differences， which are related to the seismic source conditions and the geological structure of the borehole.

Key words： Xinjiang; Borehole dilatometer; Power spectral density; Free oscillations of the earth; PREM Model