栖霞鲁07井数字化水位仪观测的日本90级地震激发的地球球型自由振荡.DOC

栖霞鲁07井数字化水位仪观测的日本9.0级地震激发的地球球型自由振荡 大地震的震动产生地震波，其中体波直接通过地球传播，而其他波则沿地球表面传播。面波从震源向各个方向射出，由于地球是球体，这些不同方向的波最终产生相互干涉，这种干涉方式叫“自由振荡”。地球自由振荡存在两种基本振型: 环型振荡和球型振荡。 对地球自由振荡的认识是地球科学最重要的发现之一。19世纪末期，Lamb（1982）已经从理论上推出地球自由振荡包括球型振荡和环型振荡的真实存在。至今，曾经用于观测地球自由振荡的仪器主要包括：宽频带地震仪、基线应变仪、重力仪和倾斜仪。在国内，吕永清等（1997）论述了用JCZ-1超宽频带数字地震仪观测到的1994年玻利维亚地震的地球球型振荡。雷湘鄂等（2002,2004）发表了用超导重力仪观测地球球型自由振荡的成果。万永革等（2004,2005）利用中国数字地震台网的资料研究了2001年昆仑山口西地震的地球球型振荡和环型振荡。2004年12月26日苏门答腊发生的大地震后，很多专家用多种不同的仪器记录分别对这次地震激发的地球自由振荡进行了研究。 2011年3月11日，日本发生9.0级大地震，再次为研究地球自由振荡提供了难得的机会。本文将介绍栖霞鲁07井LN-3型数字化水位仪观测的此次地震激发的地球球型振荡资料的研究成果。 资料处理 观测记录断层活动区附近钻井内水（流体）的压力变化是测量深部弹性压力变化的可能方法之一，而测量钻井水位的变化是研究流体压力变化的一种简单方法。由于地下水具有的普遍性、流动性与难压缩性，当它形成一个封闭的承压系统时，井水位变化就能客观、灵敏的反映地壳中的应变状态。对于封闭良好的承压含水层来说，井—含水层系统相当于高灵敏度的体应变仪。目前，LN-3型数字化水位仪在我国地震水位动态观测中占主导地位。 据中国地震台网中心测定，北京时间2011年3月11日13时46分，日本本州东海岸附近海域发生MW9.0 级地震。根据美国地质调查局提供的定位结果，此次地震的震中位置为142.369°E，38.321°N, 震源深度为24km，地震发生以后，引发了大规模的强烈海啸，局部地区海浪高达23.6m，震后日本福田岛核电站遭受破坏，发生了严重的核泄漏。地震、海啸以及核泄漏造成了重大的人员伤亡与财产损失。针对这次地震，我们研究了山东省栖霞鲁07井的数字化水位数据。该井孔能清晰的反映水位的固体潮汐变化，说明井孔的水位对地壳弹性变形的反映精度极高。我们研究发现栖霞鲁07井的水位数据可以较好地识别出地球球型振荡。本文拟利用这个台站的水位观测数据对日本9.0级大地震激发的地球球型自由振荡振型进行研究。图1是栖霞鲁07井水位仪记录到的日本9.0级大地震的分钟值曲线，曲线没有经过任何消除干扰的处理，从图中可以清楚地看到水位固体潮和水震波。我们提取了有明显地震影响的5天9小时的资料，分析采用的数据从地震发生后开始，共7740min，在本时段内栖霞鲁07井数字化水位仪运行稳定，数据记录连续，没有缺数。 图1 栖霞鲁07井水位仪记录的日本9.0级大地震的分钟值曲线。 本研究采用常规的功率谱密度估计的方法来提取地球球型自由振荡，其定义为记录到的波形资料的自相关函数Rn的Fourier变换（万永革，2007），即 其中，自相关函数Rn为： 式中，N=7740，为所用数据的数目，x为台站记录的水位数据。Sk离散值为功率谱密度值。本文利用栖霞鲁07井的观测资料，采用直接计算功率谱密度的方式来提取球型振荡振型。为了消除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，本文采用Hanning窗来抑制旁瓣，突出主瓣。 2 球型自由振荡的识别 按照前面的计算方法，我们得到了栖霞鲁07井水位的功率谱密度估计曲线，如图2～5，图中垂直线表示PREM模型给出在其顶点标出振型的自由振荡频率值。图2为0.28～1.3mHz频段的功率谱密度估计。可以看到，运用栖霞鲁07井的水位数据，可以清楚地检测到球型振荡的基型振荡0S3、0S4、0S5、0S6、0S7，虽然“足球”式振荡0S2振型附近功率谱密度有1个峰值，但相对于周围的噪声水平并没有明显分开。同时，我们还检测到了4个谐频球型振荡： 1S2、1S3、3S2、1S4。 图2 0.28～1.3mHz频段栖霞鲁07井水位数据功率谱密度估计曲线 图3～5为1.3～5.0mHz频段范围内栖霞鲁07井水位数据的功率谱密度（相对值）与PREM模型给出的球型基型振荡频率值的对应情况。 图3 1.3～2.73mHz频段栖霞鲁07井水位数据功率谱密度估计曲线 图4 2.73～3.95mHz频段栖霞鲁07井水位数据功率谱密度估计曲线 图5 3.95～5.0mHz频段栖霞鲁07井水位数据功率谱密度估计曲线 通过图2～5绘制的