地球内核平动振荡的地震激发

本文利用球对称、非自转、弹性和各向同性地球模型(SNREI)理论模拟计算了地球内核平动振荡的地震激发.以2004年12月26日苏门答腊大地震为例,讨论震源机制解(标量地震矩、走向、倾角、滑动角和深度)对内核平动振荡振幅激发的影响;基于全球21个Mw8.0级以上的大地震,分别计算10个数据资料较好的超导重力台站理论上可以接收到的内核平动振荡信号的频率域振幅.结果表明标量地震矩对内核平动振荡振幅的影响最大,走向、倾角、滑动角和深度对内核平动振荡振幅也有一定影响,但是影响相对较小;不同区域获得的由大地震引起的内核平动振荡信号的幅度存在显著差异,此结果为频率域多台站加权迭积提供了计算基础.另外,只有武汉台站接收到的2011年日本Tohoku Mw9.1地震激发的内核平动振荡的振幅值达到了地球表面高精度、高灵敏度的超导重力仪检测水平,振幅值为0.0103 nm·s-2.结果说明地震激发的内核平动振荡的信号极其微弱,信号几乎淹没在背景噪声中,必须利用多台站迭积法才有可能将信号提取出来.     

利用超导重力数据探测Slichter模三重分裂信号

本文基于2004苏门答腊地震后全球地球动力学计划观测网中9台超导重力仪13200 h的连续重力观测数据,联合利用整体经验模态分解(EEMD)、最优序列估计(OSE)、积谱密度分析(PSA)和自回归估计(AR)方法,探测地球固态内核平动振荡模态(Slichter模)的三重分裂信号.利用EEMD提取常规预处理后的重力残差中包含目标频段的本征模态函数(IMFs)作为最终的重力残差之后,将每个台站的重力残差平均分成无重叠的3个子数据块,再应用OSE和PSA方法获取Slichter模三重分裂谱线的积谱密度,并采用AR方法估计各积谱中弱共振信号的中心频率及其误差.结果表明,结合OSE和PSA方法探测到三个清晰的谱峰,周期分别为5.8307±7.1×10-4 h、5.2161±8.1×10-4 h和4.7536±5.2×10-4 h,分别对应Slichter模三重分裂谱线m=-1、m=0和m=+1,且三个谱峰的周期与Crossley(1992)、Rochester和Peng(1993)、Peng(1997)和Rogister(2003)基于PREM地球模型给出的Slichter模理论周期非常接近,也与Ding和Shen(2013)建议的"可能的观测结果"较为接近.参考现有的理论和观测结果,本文认为这三个信号可能是Slichter模三重分裂谱线.     

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.     

Check of Earth’s free oscillations excited by Sumatra-Andaman Large Earthquake and discussions on the anisotropy of inner core

Sumatra-Andaman Large Earthquake on Dec. 26, 2004 generated not only the Indian Ocean Tsunami but also the Earth’s free oscillations (EFO). The signals of Earth’s free oscillations were perfectly recorded by the superconducting gravimeter C0-32 at Wuhan station in China. After the pre-treatment and spectral analysis on the observational data from Wuhan station, we obtained more than ninety EFO modes including 42 fundamental modes, 2 radial modes and 49 harmonic modes. On the basis of the discussions on some observed harmonic modes and abnormal splitting phenomena, we considered that the real rigidity might be lower than the theoretical prediction of PREM model in the inner core and however the anisotropy of compressive wave was brightly higher than the present estimations in the inner core. This suggested that the anisotropy of the inner core could be much more complicated than our present understanding, and there might be some new geophysical phenomena in the formation process of the inner core. Supported jointly by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40404005 and 40374029) and the Excellent Prize of President Scholarship and Hundred Talents Program of the Chinese Academy of Sciences     

探测一阶模态三重分裂的MSE技术和SHS方法的比较研究

完全剥离一阶模态_nS₁的三重分裂信号将有助于识别出其全部分裂谱线,进而更好地约束地球内部结构.理想情况下,球谐叠加法(SHS)与多台站实验技术(MSE)均可剥离一阶模态_nS₁的三重分裂信号,但部分学者持不同观点.本文基于对二者的理论分析进一步确认,在自耦合前提下,MSE方法可成功剥离_nS₁的三重分裂信号;而SHS方法在实际应用中无法成功剥离_nS₁的三重分裂信号,但可相对增强目标信号的振幅强度.此外,本文解释了MSE可剥离单线态信号的真实原因,并指出由于MSE未考虑全频段耦合影响,故仅适用于1 mHz以下的低频模态.鉴于超导重力(SG)数据在1 mHz以下比宽频地震数据具有更高的信噪比,因此,为验证本文结论并弄清MSE和SHS的实质,基于模拟数据及SG台站实测数据,本文利用MSE和SHS分别对一阶模态的合成信号及模态₃S₁进行了探测分析.实验结果表明,MSE可成功剥离一阶模态三重分裂信号,SHS则无法完全剥离,验证了我们的理论结论,表明前人部分结果需重新审视与评价.此外,本文基于三种不同方法并利用13个SG 台站数据给出的₃S₁的分裂宽度比分别为1.008, 1.000和1.001,远小于异常分裂判别临界值1.5, 因此,₃S₁应是正常分裂模态.     

Theoretical analysis of the spatio-temporal evolution of the bulk-strain field based on a rheologic inclusion model

ntroductionThe rock medium shows mainly elastic character under low-temperature, low-pressure and external force of short duration, but it shows rheologic property under high-temperature, high-pressure and long-time external force. It is right that rapid earthquake faulting process of only about ten seconds is analyzed by the elastic theory. But for the earthquake generating process continuing over hundreds or thousand years, the rheologic property of rock must be considered (ZHANG, 1987; YI…     

基于卫星数据和NRLMSISE-00模型的低轨道大气密度预报修正方法

NRLMSISE-00大气模型广泛应用于航天器定轨和预测等方面,但存在着较大的误差,尤其是在短期变化方面.为了提高低轨道大气密度短期预报的精度,我们提出了一种基于实测数据对NRLMSISE-00大气模型密度结果进行修正预报的方法:利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002—2008年大气密度探测数据对NRLMSISE-00模型进行误差分析,获得模型的修正因子,再对模型的大气密度结果进行修正.采用该修正方法对GRACE-A和CHAMP卫星轨道上的大气密度进行3天短期预报试验验证,结果表明可显著提高大气密度的预报精度,在太阳活动低年,修正后的大气密度预报误差比NRLMSISE-00模型误差降低50%以上.     

压力及流体对岩石孔隙结构与黏弹性的影响规律研究:理论模型及实验观测

地质成因和构造/热应力导致地壳岩石中的孔隙结构（裂隙和粒间孔）的变化.影响岩石黏弹性的因素包括压力、孔隙度、孔隙中包含的流体和孔隙几何形状等.相对于岩石中的硬孔隙,岩石黏弹性（衰减和频散）受软孔隙（裂隙）的影响更大.本文选取三块白云岩样本,进行了不同围压和流体条件下的超声波实验测量.利用CPEM（Cracks and Pores Effective Medium,裂隙和孔隙有效介质）模型获得了岩石高、低频极限的弹性模量,并通过Zener体（标准线性体）模型将CPEM模型拓展到全频带而得到CPEM-Zener模型,用该模型拟合岩石松弛和非松弛状态下的实验数据,本文得到平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度以及纵波速度和品质因子随频率的变化关系.结果表明,饱水岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度均高于饱油岩石,随着压差（围压和孔隙压力的差值）的增加,饱油岩石中的裂隙首先闭合.并且压差在70 MPa以内时,随着压差增大,岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度在饱水和饱油时的差值增大,此时流体类型对于岩石裂隙的影响越来越显著,此外,对饱水岩石,平均裂隙纵横比随压差增加而增大,这可能是由于岩石中纵横比较小的裂隙会随压差增大而逐渐趋于闭合.在饱水和饱油岩石中,裂隙孔隙度和裂隙密度都随着压差增加而减小.通过对裂隙密度和压差的关系进行指数拟合,本文获得压差趋于0时的裂隙密度,且裂隙密度随孔隙度增大而增大,增大速率随压差增加而降低.针对饱水和饱油的白云岩样本,CPEM-Zener模型预测的纵波频散随压差增大而减小,此变化趋势和实验测得的逆品质因子随压差的变化关系基本一致,由此进一步验证了模型的实用性.本研究对岩石的孔隙结构和黏弹性分析以及声波测井、地震勘探的现场应用有指导意义.     

压力及流体对岩石孔隙结构与黏弹性的影响规律研究:理论模型及实验观测

地质成因和构造/热应力导致地壳岩石中的孔隙结构（裂隙和粒间孔）的变化.影响岩石黏弹性的因素包括压力、孔隙度、孔隙中包含的流体和孔隙几何形状等.相对于岩石中的硬孔隙,岩石黏弹性（衰减和频散）受软孔隙（裂隙）的影响更大.本文选取三块白云岩样本,进行了不同围压和流体条件下的超声波实验测量.利用CPEM（Cracks and Pores Effective Medium,裂隙和孔隙有效介质）模型获得了岩石高、低频极限的弹性模量,并通过Zener体（标准线性体）模型将CPEM模型拓展到全频带而得到CPEM-Zener模型,用该模型拟合岩石松弛和非松弛状态下的实验数据,本文得到平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度以及纵波速度和品质因子随频率的变化关系.结果表明,饱水岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度均高于饱油岩石,随着压差（围压和孔隙压力的差值）的增加,饱油岩石中的裂隙首先闭合.并且压差在70 MPa以内时,随着压差增大,岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度在饱水和饱油时的差值增大,此时流体类型对于岩石裂隙的影响越来越显著,此外,对饱水岩石,平均裂隙纵横比随压差增加而增大,这可能是由于岩石中纵横比较小的裂隙会随压差增大而逐渐趋于闭合.在饱水和饱油岩石中,裂隙孔隙度和裂隙密度都随着压差增加而减小.通过对裂隙密度和压差的关系进行指数拟合,本文获得压差趋于0时的裂隙密度,且裂隙密度随孔隙度增大而增大,增大速率随压差增加而降低.针对饱水和饱油的白云岩样本,CPEM-Zener模型预测的纵波频散随压差增大而减小,此变化趋势和实验测得的逆品质因子随压差的变化关系基本一致,由此进一步验证了模型的实用性.本研究对岩石的孔隙结构和黏弹性分析以及声波测井、地震勘探的现场应用有指导意义.

     

Analysis of a lower jurassic geomagnetic reversal based on a model that relates transitional fields to variations of flux on the core surface

Summary For the last 12 Myr the transitional virtual geomagnetic poles (VGPs) of different reversals lie close to two preferred and practically antipodal longitudinal paths. In spite of some controversies about these transitional paths, it has been pointed out that they are linked to geomagnetic phenomena. Jurassic transitional VGP paths are quite similar to those of the last 12 Myr. Paleomagnetic data recorded in Stormberg Lavas (195 ± 5 Ma) belonging to two sampling localities of South Africa have been rotated according to an absolute palaeoreconstruction of Africa for the lower Jurassic. In order to avoid the hypothesis about dipolarity implicit in the VGPs calculations, the transitional directions recorded in the lavas were compared with others that were simulated on the basis of a model that relates transitional fields to variations of flux on the Earth's core surface. They were quite similar. For both, recorded and simulated data, the VGPs showed similar paths. Similar conditions could thus have driven both late Cenozoic and Jurassic reversals.     

全球重力势能特征及其地质意义——基于Crust1.0模型的分析

重力势能及重力势能差是分析岩石圈内部密度变化所引起的岩石圈平均应力特征的主要方法之一.本文基于全球Crust1.0模型地壳结构, 结合常密度、横向变密度和三维变密度三种不同的地幔密度模型, 获得了全球尺度更为精细的重力势能及重力势能差分布特征并开展分析.研究结果表明, 在北美西部、安第斯山脉、东非、青藏高原等区域表现为重力势能高, 呈拉张应力状态; 在洋盆、高原周围的盆地等地区表现为重力势能低, 呈挤压应力状态.对比分析不同地幔密度模型结果, 发现大洋地区洋壳薄, 岩石圈地幔密度受构造及热影响变化较大, 对重力势能影响大; 大陆地区地壳厚度大, 对重力势能影响大, 地幔密度变化影响相对较小.采用三维变密度地幔模型获得的重力势能差分布和大地水准面异常计算获得的全球重力势能差分布具有相似特征, 表明该模型的计算结果更符合全球岩石圈尺度的应力分布特征.三维变密度地幔模型计算的重力势能差显示洋中脊轴部地区趋于零, 说明该处岩石圈密度变化对应力影响较小, 其拉张应力与洋中脊地区地幔上涌更为相关.

     

基于偶极子模型的潜航器异常重力场及探测平台需求分析

重力探潜是一种具有发展潜力的非声学探潜技术,目前仍处于理论探索阶段.本文推导了垂直偶极子模型的引力和引力梯度垂向分量的解析公式,分析了它们的空间分布特征.基于偶极子模型给出了一种潜航器异常重力场的仿真方法,并通过实例验证了方法的有效性,分析了潜航器重力异常和重力垂直梯度的空间变化,及其对重力探潜传感器精度和平台稳定性的...