重力技术在地球自由振荡检测研究中的应用

地球自由振荡是一种十分重要的地球动力学现象,用重力技术检测地球自由振荡,结合地震技术可为获得地球内部精细结构提供一种重要手段.本文概要综述了地球自由振荡理论研究的发展和重力技术检测现状,详细讨论了利用我国武汉超导重力仪检测到的地球自由振荡本征周期和谱峰分裂现象,结合我国实际情况提出了研究展望,旨在给出需解决的学科问题和相应的策略探讨.     

地震激发的地球自由振荡研究综述

地球自由振荡的研究已成为探查地球内部结构的重要手段之一.影响地球自由振荡的因素有很多,如地球物理学结构横向不均匀性及径向不均匀性、地球自转、地球椭率、地球内部各向异性、非弹性性以及震源机制性质,还有地球外界如引潮力等.本文详细介绍和总结了近几十年来关于地球自由振荡理论研究、实验及观测资料方面的研究,重点是数值模拟方法方面的研究工作.通过观测和理论分析对比,以数值实验的方式推测地球内部更详细的结构分布,如地球内部密度分布以及波速度等特性;并从弹性波理论出发结合高性能并行计算对全球自由振荡过程进行数值模拟研究.     

基于辛-谱元方法的地球自由振荡保弥散衰减数值模拟

对大地震激发的全球自由振荡的研究是探查地球内部结构的重要研究方向之一.以地球自由振荡数值模拟高精度、长时程、全球模拟的需求为导向,本文提出了一种适用于地球自由振荡高精度模拟的辛格式-谱元保弥散数值模拟方法.真实地球介质中弹性波能量的衰减成因复杂,对于甚低频情形,地球自由振荡的弥散衰减不容忽视.本文将保结构数值方法拓展至非保守动力学系统,发展了适用于弥散-黏弹阻尼介质弹性波方程的保弥散低阶辛格式数值模拟方法,将其应用于全球尺度地球自由振荡衰减效应数值模拟.数值模拟结果表明等效弥散衰减为地球深部(地核)自由振荡衰减的重要成分,并得出地球外核的等效弥散衰减系数.本文提出的方法为通过自由振荡研究探索地核非均匀性提供了一条的新途径.     

基于分层结构参数变化的地球自由振荡简正模研究

大地震激发导致的地球自由振荡可为获得地球深部结构提供重要手段,通过理论计算自由振荡简正模的本征周期,并与实测结果进行比较,可为地球深内部结构和新地球模型的研究提供有效约束.采用微分方程数值积分技术和G-D1066A地球模型,本文计算了0~48阶的187个球型自由振荡简正模的本征周期,将计算结果与Gilbertt和Dziewonski等3组模型理论结果及Ness等4组观测结果进行比较,相对偏差在0.3%以内.分析说明由于考虑了地幔、外核和内核等不同分层密度和拉梅参数变化的影响,获得了较高精度的地球自由振荡简正模周期.本文提供的理论计算结果可为修正真实地球内部参数提供有效参考.     

钻孔差应变仪观测的苏门答腊大地震激发的地球环型自由振荡

我们率先用钻孔应变仪观测资料研究了地球自由振荡. 泰安地震台有差应变和体应变两种钻孔应变观测仪器，都观测到2004年12月26日苏门答腊大地震激发的地球自由振荡. 体应变仪观测到地球的球型振荡，而差应变仪观测到地球的环型振荡. 两种观测还记录到环型振荡与球型振荡相互的耦合作用. 观测也记录到明显的一些振型的谱线分裂现象. 用直接观测到的高质量的环型振荡资料求解了0T8～0T19等主要振型的Q值. 根据两个方向的剪应变观测数据，求解了环型振荡的最大剪应变方向，发现这个方向是相当稳定的. 这种研究表明，高精度钻孔应变观测仪是一种理想的地壳形变观测仪器，可以为地球自由振荡研究提供更丰富的信息.     

利用本溪自流井水温观测资料检测地球自由振荡

用本溪自流井数字化水温观测资料,采用直接计算功率谱密度的方式对印尼苏门答腊9.0级大地震激发的球型自由振荡进行了提取,准确检测到了0S2～0S9低频基型球型振荡,并且还检测到了2个谐频球型振荡:1S2、1S3。用该井数字化水温观测资料提取了0S2、0S3、0S4共3个振型的分裂,虽然3个振型均只得到2个单峰,但地球自由振荡谱线分裂现象的检测为研究地球的深内部结构提供了新的、不同类型的观测资料。研究表明,用本溪自流井数字化水温观测资料可以提取到苏门答腊大地震激发的地球球型振荡,这就为地球自由振荡的研究提供了一种新的观测手段。     

核幔边界地幔侧不同尺度横向非均匀对地球自由振荡的影响

地球自由振荡携带着丰富的地球内部结构信息,地球内部核幔边界的横向非均匀性问题是当今地球物理学相关学科研究的热点和难点.为了研究不同尺度横向非均匀结构对地球自由振荡的影响,本文在PREM地球模型中分别引入具有横向非均匀结构的D"区和超低速异常带(ULVZ),构建了有针对性的、新的不同尺度横向非均匀结构地球模型,采用波动方程的谱元解法开展地球自由振荡与地震波传播的长时程数值模拟、频谱分析及功率谱密度分析,以评估不同尺度横向非均匀结构对地球自由振荡的影响,从而为研究地球自由振荡的影响因素、优化地球内部结构模型等提供参考.本文的数值结果及其分析显示,除0S27、0S28、0S29和0S30振型外,核幔边界的这两类横向非均匀结构对自由振荡大部分基频振型的特征频率几无影响,仅对幅值有不同程度的影响.这一结果表明:基频振型中0S27、0S28、0S29和0S30振型适合于利用地球自由振荡谱线分裂现象分析核幔边界地幔侧横向非均匀结构的研究,而其余基频振型则不适合此类研究.     

数字化水位仪观测的苏门答腊大地震激发的地球球型自由振荡

利用LN-3型数字化水位仪的观测资料,采用功率谱密度估计方法,在没有对资料进行去固体潮处理的情况下,获得了2004年12月26日苏门答腊大地震激发的0S3～0S30基频球型自由振荡,并检测到2S1、1S2、1S3、2S5和2S6等5个谐频球型振荡,同时记录到一些明显的振型的谱线分裂现象。用水位观测资料提取了0S3、0S4和2S1等3个振型的谱线分裂周期,虽然3个振型均只得到2个单峰,但地球自由振荡谱线分裂现象的检测为研究地球的深内部结构提供了新的、不同类型的观测资料。研究表明,用数字化水位仪的观测资料可以提取到苏门答腊大地震激发的地球球型振荡,为地球自由振荡的研究提供了一种新的观测手段。     

地球自由振荡弹性简正模研究进展与展望

在构建现代地球模型时,地球内部分层结构主要是根据地震波资料确定的;而地球内部密度及弹性参数,特别是地幔以下大尺度结构的密度分布,则主要是根据地球自由振荡的弹性简正模观测资料确定的.本文概述了地球自由振荡简正模本征值的求解理论和方法,介绍了球型和环型模态位移场表达式,讨论了地球自由振荡模态的衰减、分裂与耦合效应;总结了多线态分裂谱线探测和分裂参数估计的方法,综述了利用弹性简正模开展地震矩张量、地球三维非均匀性结构和内核超速旋转约束与反演研究的主要进展和存在的问题.最后作为展望,本文还讨论了地球自由振荡简正模的未来研究趋势.     

2016年12月25日智利M7.6地震球型自由振荡检测

智利M7.6的地震激发了地球自由振荡,利用中国数字台网(CDSN)的10个台站记录到7 d的VHZ波形数据,采用功率谱密度估计方法,在没有滤波的情况下,提取了2016年12月25日智利地震激发的地球球型自由振荡基频振型_0S_4～_0S₅₃和一系列的谐频振型,并与PREM模型的理论自由振荡频率峰值进行对比,发现2.5～4.5×10¹³Hz的频率值与PREM模型预测的球型自由振荡周期符合得很好,说明本次地震确实激发了全球范围内的自由振荡,而4.5～6×10¹³ Hz的频率值稍微有偏离,这是由于地壳的横向不均匀所致,可以用来研究地球内部的构造。     

中国数字地震台网记录的苏门答腊-安达曼地震激发的地球球型自由振荡的检测

利用中国数字地震台网 （CDSN）改造后的7个台站的VHZ波形资料， 提取了2004年12月26日苏门答腊-安达曼地震激发的0S2~0S54地球球型自由振荡，并与地球初步参考模型(PREM)的理论自由振荡频率进行了对比，发现与PREM模型预测的球型自由振荡周期符合得很好. 观测的该地震激发的0S2，0S3，0S4， 2S1和1S2振型自由振荡有明显的频谱分裂现象. 特别是2S1振型，是继Rosat等之后的第二次报道不叠加的情况下观测到的这种振型. 根据该地震的总体震源机制，试算了不同的地震矩，模拟了该地震0S2振型在CDSN 7个台上的自由振荡振幅， 并与记录资料进行了比较，得到该地震的地震矩可达1023Nmiddot;m；本文发现地球自由振荡记录包含了大量震源机制和地震位置的信息， 可用于地震震源破裂参数的精细研究.       

利用宽频带倾斜仪观测资料检测日本9．0级大地震激发的地球自由振荡

本文利用张家口台宽频带倾斜仪的数字化观测资料,采用功率谱密度估计方法,在没有对资料进行去固体潮处理的情况下,准确获得了2011年3月11日日本9．0级大地震激发的oS2～oS35,基频球型自由振荡,并与地球初步参考模型（PREM）的理论自由振荡频率进行了对比,发现实测振荡频率与PREM预测的振荡频率基本符合。宽频带倾斜仪的数字化观测资料的确可以提取到日本地震激发的地球自由振荡。     

汶川与昆仑山强烈地震激发的地球自由振荡频谱的对比分析

强烈地震激发的地震波信息非常丰富,高频信息能量部分会在小范围短时间内迅速衰减,而低频信息特别是较低频信息能量部分则衰减较慢,会绕地球很多圈后才会消耗殆尽,从而激发地球的自由振荡.虽然地球自由振荡的固有频率不变,但不同震源机制的地震激发的地球自由振荡频率成分会随着震级、震源机制、方位等的不同而有显著差别.本文利用2008年5月12日汶川(M_w7.9)地震与2001年11月14日昆仑山(M_w7.8)地震这两个能量震级相当但震源机制不同的地震,基于地震波传播理论,考虑横向各向同性PREM地球模型并融合Crust2.0地壳模型、S20RTS地幔模型及PREM径向衰减模型,利用谱元法结合高性能并行计算,对这两次强烈地震激发的全球地震波传播进行了数值模拟,计算它们激发的地球自由振荡频谱特征差异.计算结果显示了汶川地震的逆冲-走滑特性及昆仑山地震的水平左旋走滑特征.利用理论计算得到的地震波动记录进行功率谱密度估计对比分析,研究结果显示这两次强烈地震释放的低频信息能量大小相当,但总体上看昆仑山地震释放的能量略小于汶川地震的.对比分析表明,不同地震激发的地球自由振荡模式在同一台站处的发育程度不同;同一地震激发的地球自由振荡在不同台站处记录到的振型频率成分也有很大差异.对于不同地震激发的地球自由振荡,有一些频率成分共同出现,表现为地球自由振荡功率谱能量均较大;也有一些振型由于相长干涉,仅在某些地震中被激发而得以良好发育,表现为功率谱能量明显较大;而一些振型由于相消干涉,在一些地震激发方式下被压制,表现为功率谱能量明显很小,甚至接近于0.计算结果清楚地显示了不同地震激发方式下地球振荡模式丰富而复杂的特性,需要对不同地震激发的地球振荡信息进行综合深入的分析,才能对地球内部结构尤其横向不均匀特性给予全面的科学解释.     

利用JCZ-1T地震计LP通道数据检测斐济M W 8.2深震激发的地球自由振荡

JCZ-1T地震计LP通道数据可有效应用于地球自由振荡信号探测。利用泰安基准地震台JCZ-1T地震计LP通道120小时数据记录,获得2018年8月19日斐济M_W 8.2深源地震激发的地球自由振荡,检测到基频球型振荡₀S₆-₀S₅₈几乎所有振型、球型振荡部分零级振型和高振型以及环形振荡部分基振型和高振型,与地球初步参考模型（PREM）的理论自由振荡周期进行对比,结果表明,振荡周期观测值与PREM理论值基本一致,二者微小差值应由地球介质的横向不均匀性和各向异性所致。     

赤城台水位检测基频球型自由振荡的再认识

针对印尼9.0级大地震,我们在既保证低频自由振荡信号的分辨率,又不对高频自由振荡信号产生抑制效应的前提下,采取逐步增减样本数据的方法进行试验,首次用赤城台的水位观测资料较好地检测到了0S2~0S76的基型球型振荡,并与地球初步参考模型(PREM)的理论自由振荡频率进行了对比,发现实测振荡频率与PREM预测的振荡频率基本符合。     

苏门达腊大地震激发的地球自由振荡及其谱线分裂的检测与讨论

2004年12月26日的苏门达腊大地震不仅产生了印度洋大海啸, 还激发了地球自由振荡. 武汉台C0-32超导重力仪记录到这次大地震激发的地球自由振荡信号. 通过对C0-32超导重力仪观测资料的预处理和谱分析, 不仅检测到42个基频振型和2个径向振型, 还较系统地检测到49个谐频振型和12个振型的谱峰分裂. 通过对检测到的谐频振型及异常谱峰分裂现象的讨论, 发现内核顶部的刚度是低于目前地球模型的理论估值, 但内核顶部压缩波速的各向异性却是高于目前学者的估测值. 这表明地球内核的各向异性远比目前所认识的复杂, 可能在地球内核的形成及演化过程中还存在新的地球物理现象.     

中国数字地震台网记录的昆仑山口西地震的球型自由振荡

利用中国数字地震台网 (CDSN)改造后的7个台站的VHZ波形资料, 采用功率谱密度估计方法, 利用中国数字地震台网地震仪对低频信号压制的特点, 在没有对资料去除固体潮影响的情况下, 提取了2001年11月14日昆仑山口西地震激发的₀S₄~₀S₇₆地球球型自由振荡, 并与地球初步参考模型(PREM)的理论自由振荡周期进行对比, 结果表明与PREM预测的球型自由振荡周期符合得很好。 该地震的地球自由振荡信息, 可用于地震震源机制研究和地球内部结构研究。     

地球自由振荡的保结构模拟

大地震等诸多激励均能激发全球自由振荡现象,通常表现为驻波形式的全球整体振荡.现有的地震波数值模拟方法多为非保结构方法,无法压制长时程计算中的积累误差.本文采用优化的三阶辛格式谱元法,对地球自由振荡及全球尺度的地震波传播进行了长时程模拟.通过与传统的基于Newmark算法的谱元方法结果对比分析,明确验证了本文所得优化的三阶辛格式谱元法在模拟地球自由振荡等大规模长时程问题上的优越性和准确性.上述进展在方法论层面为今后探测、刻画全球尺度地球非均匀结构的驻波数值方法奠定了部分基础,并为相关研究领域提供了新的选择.     

JCZ－1型地震仪观测的地球环型自由振荡

我们首次采用JCZ－1型地震仪观测资料研究地球环型自由振荡,2011年日本9.0级地震、2010年智利8.8级地震和2005年印尼8.6级地震后武汉地震台JCZ－1型地震仪观测到了其激发的环型自由振荡,我们从中检测了基振型0T2 ~0T67和一次振型1T2 ~1T50等振型的本征周期,与PREM的理论值比较,误差比小于0.5%,补充了PREM中未提到的几次振型的本征周期：0T11、0T15、0T19、1T4、1T5、1T14,并观测到了日本地震0T2、0T6、0T7 和0T8振型的多峰值现象。研究结果也表明了JCZ－1型地震仪具有良好的观测超低频长周期地球自由振荡的能力。     

日本9.0级地震后云南短周期地震计通带外信号的解释

正2011年3月11日日本9.0级大地震在全球引发了长时间的地球自由振荡。云南所有台站的宽频带地震计和地倾斜观测仪器都记录到了同步出现的长周期信号,其中,地倾斜观测记录中的地球自由振荡持续到震后的第3天甚至更长时间。除此之外,多个水库台网所有台站的短周期地震记录数据中也出现了大量特征极为相似的低频长周期信号,这些信号的频率远远超出地震计的截止频率,完全处于短周期地震计的通频带之外,这一现象难以用经典的地震观测理论