新疆钻孔体应变资料提取地球自由振荡研究_杨绍富.pdf

基于功率谱方法，利用新疆铁门关台、温泉台、乌什台 3 套钻孔体应变资料提取 2011 年 3 月 11日日本 90 级地震激发的地球自由振荡信息，将观测值频率与 PEM 模型理论值进行对比分析。结果表明，实测值与理论值基本一致，验证了 PEM 模型的准确性，显示出利用体应变资料提取地球自由振荡信息的可行性。3 个台提取结果显示出一些共性和差异，与震源条件及钻孔所处地质构造有关。关键词:新疆;钻孔体应变;功率谱密度;地球自由振荡;PEM 模型doi:1016256/jissn1001-8956202302004地球自由振荡是从 18 世纪的理论研究开始的，1960 年 5 月 22 日智利大地震的观测中进一步得到证实。地球局部受到大地震等因素激发后，会发生整体的数十秒至数十分钟周期的振动。利用提取的地球自由振荡信息，反推地震的震源破裂参数1、约束地球液体层和固体层之间的相互作用2 等，对地球物理问题的研究具有重大意义。近年来，一些学者深入开展了地球自由振荡的深入研究。唐磊等3 利用 TJ 式钻孔体应变仪观测资料，研究 2004 年 12 月26 日印尼苏门答腊地震激发的地球球型振荡。姚家骏等4 利用重力资料，成娜等5 利用伸缩仪观测资料，周江林等6 利用 gPhone 重力资料，蒋翠荣等7 利用井水温观测资料，吕永清等8 运用团队研制的超宽频带数字地震仪提取强震激发的地球自由振荡信息。张嘉敏等9 利用 JCZ1T 地震计检测小于 80 级的地震激发的地球自由振荡。本文中选取新疆铁门关台、温泉台、乌什台 3 套 TJ 钻孔体应变资料提取 2011 年日本 90 级地震激发的地球自由振荡，并将观测值频率与 PEM 模型10 理论值进行对比分析。1资料选取选取新疆目前运行观测质量较好的铁门关台、温泉台、乌什台 3 套钻孔体应变观测资料进行研究。铁门关台构造上位于北轮台兴地断裂和辛格尔断裂交汇处，地质构造条件较好。台址区有大面积基岩出露，台基岩性为前震旦系花岗岩，岩石较完整，岩芯较硬。钻孔深830 m，周围 200 km 历史地震频度高。虽然铁门关体应变观测资料存在长趋势零漂，但记录到的应变潮汐曲线光滑清晰，观测资料内精度在全国同类仪器中处于较高水平11。温泉台地质构造属于准噶尔界山与博罗霍洛构造带的交汇部位，以台站为圆心半径 150 km 范围内有多条活断层通过。岩性为加里东期花岗片麻岩，岩石相对完整。钻孔深 80 m，探头安装在 75 m第37卷第2期2023年6月内陆地震INLANDEATHQUAKEVol37No2Jun2023收稿日期:2022-02-09;修回日期:2022-03-21作者简介:杨绍富(1982)，男，高级工程师，硕士，2009 年毕业于新疆大学自然地理学专业，主要从事地球物理观测和仪器运维工作 E-mail:49846678 qqcom处，温泉台体应变观测资料的内精度、稳定性都比较高，观测资料满足地震监测预报要求12。乌什台地质构造属于柯坪断块的东北部，NE 向的阔克沙勒断裂分布在台站北部，台区基岩大面积出露，岩性为石炭系灰岩夹石英砂岩。钻孔深 756 m，监视区内经常发生 56 级中强地震，观测受 270 m 的自来水厂抽水影响13。据中国地震台网中心资料，2011 年3 月11 日在日本东北部海域(381N，1426E)发生90 级地震，震源深度 10 km。此次大地震为提取地球自由振荡提供了基础支撑。铁门关台、温泉台、乌什台均记录到同震响应和震后效应(图 1)，选取强震后 5 d 观测数据，未进行滤波及剔除固体潮处理，曲线清晰，连续性好，信噪比高。图 1新疆钻孔体应变记录日本 90 级地震曲线图(a)铁门关台记录日本 90 级地震曲线(b)铁门关台记录地震 5 天数据曲线(c)温泉台记录日本 90 级地震曲线(d)温泉台记录地震 5 天数据曲线(e)乌什台记录日本 90 级地震曲线(f)乌什台记录地震 5 天数据曲线Fig1Curves of Japan M90 earthquake ecorded by Borehole volumetric strain Stations in Xinjiang2研究方法功率谱估计目前较为广泛的应用于提取地球自由振荡14、地磁数据频段分析15、台基噪声计算16-17 等领域。本文中采用功率谱密度估计方法，提取日本 90 级地震激发的地球自由振荡。其定义为记录到的波形资料的自相关函数 n的 Fourier 变换，Sk=N1n=0nei2nkNk=0，1，2，N 1(1)其中，自相关函数 n可表示，641内陆地震37 卷n=1NN1j=0 xjxj+n(2)式(1)和(2)中:N 为所用数据的数目，x 为体应变观测数据，Sk为功率谱密度值。本研究采用Hanning 窗来突出主瓣，抑制旁瓣18，以此消除因数据不能无限长而必须加窗造成的对功率谱密度估计的影响。3结果与分析按照上述计算方法，得到 3 个台钻孔体应变观测数据对日本 90 级地震后的功率谱密度估计结果(图 2)。根据地球自由振荡信号在频域的分布特点，将功率谱密度估计结果分成028103Hz178103Hz、176103Hz326103Hz、324103Hz43103Hz 共计 3 个频段进行分析，为避免分段造成检测信号的丢失，相邻频段保持 002103Hz 频域重叠。计算结果清晰地提取到了0S20S35之间绝大部分的基频振型系列。参考 PEM 模型理论值，为便于展示及统计观测值频率，在提取的各个谱峰对应的频率上标注相应的基频振型。图 2(a、c、e)为 028103Hz43103Hz 频段内提取的自由振荡功率谱总体结果，铁门关台提取的振型最多且在整个频率段内分布较均匀，能量随频率的增大呈频繁的高低起伏变化。温泉台在某些频段内提取的振型不突出，最大能量对应的频率与其他两个台不同，能量值在 14103Hz43103Hz 频段内呈正态分布特征。乌什台能量随频率增大逐步增大至最大值，而后总体呈逐步衰减的趋势变化。3 个台的总体形态各不相同，且温泉台能量比其他两个台小两个数量级，这可能和台站台基岩性、钻孔所处的地理位置的内部岩层结构有关。图 2(b、d、f)为028103Hz178103Hz 频段内提取的0S20S10基型振荡。铁门关台整个频段内无较大干扰，信噪比高，0S2相对于其他振型提取效果不明显，这可能由仪器幅频特性的限制造成。0S3、0S5、0S9振型存在谱线分裂的情况。温泉台0S2振型附近存在干扰，但可以提取。0S2、0S9振型存在谱线分裂，0S7、0S10振型能够识别，但未形成突出的谱峰。乌什台0S2振型附近存在干扰，但提取效果好。0S3、0S9振型存在谱线分裂，0S9、0S10振型提取效果不明显，谱峰特征不突出。从检测的结果差异性看，3 个台同时准确提取到了0S40S6基本振型，也提取到3S1、2S4、1S6、2S6等谐振型，0S9振型在 3 个台的频率值中均存在偏离的现象，温泉台提取的3S1振型存在谱线分裂的现象。这可能由于地球介质的横向不均匀性或各向异性导致地震在不同方位台站上的振荡频率值有所差异。图 2(g、i、k)为 176103Hz326103Hz 频段内提取的0S110S23基型振荡。铁门关台和乌什台整个频段内无较大干扰，信噪比高，部分振型存在谱线分裂的情况，如0S11、0S19、0S20等振型。但 2 个台也有差别，体应变台0S23提取效果不明显，未形成突出的谱峰;乌什台0S12、0S16、0S20振 型 谱 峰 特 征 不 突 出。温 泉 台 整 体 提 取 效 果 相 对 前 两 者 不 是 很 理想，0S13、0S17、0S19、0S22振型存在谱线分裂的情况，谱峰特征不突出的振型偏多。造成这样的差异性与台站所处的地理位置、地下构造及仪器本身的特性有关。图 2(h、j、l)为 324103Hz43103Hz 频段内提取的0S240S35基型振荡。在这个频段内，3 个台所能检测到的地球振荡能量都有明显的衰减，其中铁门关台检测到的能量级最7412 期杨绍富等:新疆钻孔体应变资料提取地球自由振荡研究图 2新疆钻孔体应变数据功率谱密度估计曲线(a)铁门关台 028103Hz43103Hz(b)铁门关台 028103Hz178103Hz(c)温泉台 028103Hz43103Hz(d)温泉台 028103Hz178103Hz(e)乌什台 028103Hz43103Hz(f)乌什台 028103Hz178103Hz(g)铁门关台 176103Hz326103Hz(h)铁门关台 324103Hz43103Hz(i)温泉台 176103Hz326103Hz(j)温泉台 324103Hz43103Hz(k)乌什台 176103Hz326103Hz(l)乌什台 324103Hz43103HzFig2Power spectral density estimation curve of borehole volumetric strain data in Xinjiang841内陆地震37 卷大，其余 2 个台所检测的能量级相当，不同台站检测到的地震造成的振荡能量大小与震中距有较大相关性。从振型频谱分布看，3 个台均能检测到0S250S30，但也存在不同程度的谱线分裂的情况，0S310S35提取效果均不明显，未形成突出的谱峰。同时，3 个台检测的振荡频谱又不完全一致，温泉台所检测的频谱明显存在干扰较多。乌什台0S270S28检测到较突出的优势频率，其周期比较接近5S7振型，不属于谐频振型。经计算和分析，乌什台附近的自来水厂每年11 月至次年 4 月均为 24 h 不间断抽水，因供电原因造成的停泵、开泵会对体应变观测资料造成影响，其时间一般为瞬时，而检测到的信号周期为 278 s，且地震期间未有因供电导致的停泵、开泵事件，因而可排除自来水厂抽水的干扰，具体属性还需做进一步研究。由此也说明地球不单是内部介质不均匀的球体，也是一个不规则的球体。与万永革等19 研究认为的频谱分裂是大尺度的非球状和非均匀地球的证据结果一致。根据功率谱密度估计结果，统计铁门关、温泉、乌什台钻孔体应变提取的日本 90 级地震激发的0S00S35基型振荡频率值，并与 PEM 模型理论值进行对比(表 1)。由于0S2、0S3是低频低阶振型，且存在谱线分裂的情形，铁门关台、温泉台0S2观测频率值与模型理论值稍有偏差，均为 129%;铁门关、乌什台0S3观测频率值与模型理论值偏差均为 085%。3 个台0S4、0S6、0S12、0S16共 4 个振型的观测频率与理论值偏差近似为 0;绝大部分振型(各台至少 32 个)观测值频率与理论值偏差都在 020%以内，总体平均偏差均在 017%以内。这表明，对0S20S35基型振荡的提取结果与 PEM 模型理论值基本一致，即 3 台钻孔体应变仪对日本 90 级地震激发自由振荡的提取颇为成功。4结束语提取结果验证前人的研究结论。值得注意的是，乌什台检测出的优势频率，未对应 PEM模型振型，经计算分析可以排除自来水厂的干扰，表明地球自由振荡振型信息对于地震前兆资料异常甄别有帮助。此外，对于同一地震，不同方位的 3 个台站检测的地球自由振荡振型频率有所不同，这可能表明地球自由振荡振型信息可以对地球介质的横向不均匀性或各向异性提供一种新的约束。地球自由振荡振型信息还可以对地震震源机制做出一定约束，这需要做进一步研究。地球自由振荡的简正模型中，频谱峰的位置可以用来确定球面上的平均地幔结构20，3个台体应变观测资料的功率谱密度结果表明，频谱峰存在分裂现象，而这被认为是地球自转和椭率导致的正常谱线分裂，是大尺度的非球状和非均匀地球的证据。提取结果显示出一些共性，如 3 套资料在 028103Hz43103Hz 频域内除基型振型外，均提取到3S1、2S4、1S6、2S6振型;0S9、0S19、0S24振型均存在谱线分裂的现象;随着频率的增高，谱线分裂的现象增多，地球振动周期大，因而低频段提取效果更好。也存在一些差异，如 3套资料在 028103Hz43103Hz 频域内能量不同。0S2振型附近，铁门关台没有干扰但提取结果不理想，温泉台、乌什台存在干扰，但提取结果较好。同一振型，有的台提取效果好，谱峰特征突出，有的台提取效果不明显，未形成突出的谱峰，地球内部特性决定不同振型频率，该现象与钻孔所处地质构造及震源条件有关。想要通过地球自由振荡的频谱信息来分析地球内部结构以及地下介质的分布等相关信息，还需要深入研究不同频率振型的能量、衰减过程以及在不同方位表现出的差异性等，这有9412 期杨绍富等:新疆钻孔体应变资料提取地球自由振荡研究待于采用信号分离方法提取更高频率的球型自由振荡做进一步研究。表 1钻孔体应变基型振荡观测值及与 PEM 模型理论值的偏差振型PEM 频率/mHz铁门关观测值/mHz偏差(%)温泉观测值/mHz偏差(%)乌什观测值/mHz偏差(%)0S008140S203090313129031312903090000S304680472085046800004720850S406470647000064700006470000S508400834071083802408380243S109440944000092816909440000S610381038000103800010380000S712311229016122901612290162S413801379007137900713790070S814131413000141200714120071S615211514046151404615180200S915781575019157501915750192S616811681000168100016850240S1017261725006172901717210290S1118621868032186401118680320S1219901990000199000019900000S1321122112000211601921120000S1422312234013223000422300040S1523462348009234400923440090S1624582458000245800024580000S1725672563016256301625680040S1826732677015267300026730000S1927762779011277101827790110S2028782877003287700328850240S2129772974010297401029790070S2230753076003307201030760030S2331713170003317000331700030S2432653263006326300632630060S2533593357006336100633530180S2634513446014344601434510000S2735433540008354400335440030S2836343638011363801136380110S2937253723005371901637230050S3038153817005382101638170050S3139053906003390600339020080S3239943995003399600539920050S3340844081007408500240850020S3441734175005417500541710050S354263426400242600074260007参考文献:1高原，Suzan L，Domenico G，等应用振型叠加方法研究 1997 年 11 月 8 日中国西藏玛尼地震震源机制J 地球物理学报，2001，44(Z1):98-106 2Courtier N，Ducarme B，Goodkind J，et alGlobal superconducting gravimeter observations and the search for the translationalmodes of the inner coreJ Physics of the Earth Planetary Interiors，2000，(117):3-20051内陆地震37 卷 3唐磊，邱泽华，阚宝祥中国钻孔体应变台网观测到的地球球型振荡 J 大地测量与地球动力学，2007，27(6):37-44 4姚家骏，万永革，王培玲，等利用重力资料检测日本 90 级地震激发的地球自由振荡J 地震研究，2012，35(1):53-58 5成娜，翟健，李细顺，等利用伸缩仪观测资料检测日本 90 级大地震激发的地球自由振荡J 山西地震，2011，(3):21-24 6周江林，沈萍北京地震台 gPhone 重力仪对尼泊尔 81 级强震所激发地球自由振荡的探测J大地测量与地球动力学，2016，36(9):829-832 7蒋翠荣，任佳，陈华静，等利用本溪自流井水温观测资料检测地球自由振荡J地震研究，2010，33(4):313-317 8吕永清，蔡亚先，周云耀用 JCZ-1 超宽频带数字地震仪观测地球自由振荡 J 地壳形变与地震，1997，17(3):103-105 9张嘉敏，张小飞利用 JCZ-1T 地震计 BB 通道观测数据检测地球自由振荡 J 大地测量与地球动力学，2017，37(12):1297-1 301 10 Adam M，Dziewonski，Don LAndersonPreliminary reference Earth modelJPhysics of the Earth and Planetary Interiors，1981，(25):297-356 11 徐长银，杨绍富，孙海军，等库尔勒铁门关钻孔体应变观测干扰异常分析 J内陆地震，2017，31(1):87-91 12 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earthquake on March 11，2011，compares the observed frequencywith the theoretical value of PEM model The results shows that the measured values are in good a-greement with the theoretical values，and the accuracy of PEM model is verified The results ofthree stations indicates some similarities and differences，which are related to the seismic sourceconditions and the geological structure of the boreholeKey words:Xinjiang;Borehole dilatometer;Power spectral density;Free oscillations of the earth;PEM Model1512 期杨绍富等:新疆钻孔体应变资料提取地球自由振荡研究