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基于连续形变观测的地球自由振荡探测与研究

孟方杰  
【摘要】:地球自由振荡(free oscillations of the earth)既地球在受到大地震、火山爆发或地下核爆炸的激发后,会发生整体的振动,并且这种振荡能够维持数十秒至数十分钟的时间。研究地球自由振荡是了解地球内部结构、改进地球模型和约束震源机制解的重要途径。地球自由振荡主要包括两种类型:球型振荡和环型振荡。球型自由振荡产生径向位移和部分横向位移,环型自由振荡则只产生切向位移。重力仪、应变仪、倾斜仪、地震仪等仪器都能检测到地球自由振荡信号。中国地震局地壳形变观测台网在全国布设了垂直摆倾斜仪、钻孔倾斜仪、洞体应变仪、分量式钻孔应变仪、体应变仪等倾斜和应变观测仪器。这些观测仪器均能记录地震所激发的地球自由振荡信号。本文利用这些仪器的单组观测资料检测了2011年3月11日日本发生的MW9.0大地震所激发的地球自由振荡信号。并且对比这些仪器的检测结果,分析它们对不同类型、不同频段的自由振荡信号的检测能力及其原因。此外,本文首次利用了全台网多组倾斜、应变观测资料检测地球自由振荡信号。最后本文利用震源机制解结合地球模型,使用Mineos程序包模拟地球自由振荡的理论值,并将其与宽频地震仪检测到的地球自由振荡信号作对比,分析了湖北省地震台网地震仪低频特性。主要结论如下:(1)本文利用分量式钻孔应变仪、垂直摆倾斜仪、洞体应变伸缩仪、钻孔倾斜仪,体应变仪的观测数据检测到0S3—0S30全部的球型自由振荡基频振型和0T3—0T20全部的环型自由振荡基频振型,检测结果良好,有较高的信噪比。此外,所检测到振型的频率值与PREM模型理论值符合度较高,整体偏差在0.1%以内。对于球型自由振荡的检测,垂直摆倾斜仪和体应变仪具有较高的检测能力。对于环型自由振荡的检测,分量式钻孔应变仪的检测结果最佳。洞体应变伸缩仪只能检测到低阶环型振荡振型。本文从仪器观测原理、背景噪声分析了原因。(2)本文使用了分布在中国大陆的36台垂直摆倾斜仪观测数据检测了日本311大地震激发的地球自由振荡。检测到了0S3-0S38全部基频球型振荡,基频环型振荡0T3-0T28几乎所有振型。此外,本文还检测到了21个谐频振型。所有被检测到振型的频率值和PREM模型理论值非常接近。与单组观测资料相比,信噪比更高,一些微弱振型被探测到,使得观测到的谱峰更加完整。垂直摆倾斜仪对低频段自由振荡观测能力优势明显,尤其是在1 m Hz-4 m Hz频段内具有很高的信噪比。相比与地震仪,在超低频段(1.5m Hz)的观测能力要更优一些。倾斜仪在低频范围有很好的响应特征,对低频振荡检测时具有较好效果,这对于研究低阶振荡有积极意义。(3)在1.5 mHz-4.5 mHz频段,宽频地震仪的自由振荡观测值振幅与模拟值振幅符合较好。在大于4.5 m Hz频段内,观测值的振幅明显要低于模拟值振幅。说明在该频段内,自由振荡信号在实际地球中的衰减要大于PREM模型中的衰减。基于1.5 m Hz-4.5 m Hz频段的球型简正模评估了15个地震仪的观测状况:大部分的地震仪观测情况较好,有十个台站的观测值与模拟值的符合度在90%以上。其中JYU,HFE,ZSH符合度更高到95%以上。而DJI,NZH,YC台站观测符合度较低,尤其是DJI符合度最低为0.358,而不符合度高达0.196。


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