楊紹富　張嘉敏　鄧明文

摘要：基于功率譜方法，利用新疆鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺3套鉆孔體應(yīng)變資料提取2011年3月11日日本9.0級地震激發(fā)的地球自由振蕩信息，將觀測值頻率與PREM模型理論值進行對比分析。結(jié)果表明，實測值與理論值基本一致，驗證了PREM模型的準(zhǔn)確性，顯示出利用體應(yīng)變資料提取地球自由振蕩信息的可行性。3個臺提取結(jié)果顯示出一些共性和差異，與震源條件及鉆孔所處地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

關(guān)鍵詞：? 新疆； 鉆孔體應(yīng)變； 功率譜密度； 地球自由振蕩； PREM模型

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.004

地球自由振蕩是從18世紀(jì)的理論研究開始的，1960年5月22日智利大地震的觀測中進一步得到證實。地球局部受到大地震等因素激發(fā)后，會發(fā)生整體的數(shù)十秒至數(shù)十分鐘周期的振動。利用提取的地球自由振蕩信息，反推地震的震源破裂參數(shù)［1］、約束地球液體層和固體層之間的相互作用［2］等，對地球物理問題的研究具有重大意義。近年來，一些學(xué)者深入開展了地球自由振蕩的深入研究。唐磊等［3］利用TJ式鉆孔體應(yīng)變儀觀測資料，研究2004年12月26日印尼蘇門答臘地震激發(fā)的地球球型振蕩。姚家駿等［4］利用重力資料，成娜等［5］利用伸縮儀觀測資料，周江林等［6］利用gPhone重力資料，蔣翠榮等［7］利用井水溫觀測資料，呂永清等［8］運用團隊研制的超寬頻帶數(shù)字地震儀提取強震激發(fā)的地球自由振蕩信息。張嘉敏等［9］利用JCZ-1T地震計檢測小于8.0級的地震激發(fā)的地球自由振蕩。本文中選取新疆鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺3套TJ鉆孔體應(yīng)變資料提取2011年日本9.0級地震激發(fā)的地球自由振蕩，并將觀測值頻率與PREM模型［10］理論值進行對比分析。

1資料選取

選取新疆目前運行觀測質(zhì)量較好的鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺3套鉆孔體應(yīng)變觀測資料進行研究。鐵門關(guān)臺構(gòu)造上位于北輪臺—興地斷裂和辛格爾斷裂交匯處，地質(zhì)構(gòu)造條件較好。臺址區(qū)有大面積基巖出露，臺基巖性為前震旦系花崗巖，巖石較完整，巖芯較硬。鉆孔深83.0 m，周圍200 km 歷史地震頻度高。雖然鐵門關(guān)體應(yīng)變觀測資料存在長趨勢零漂，但記錄到的應(yīng)變潮汐曲線光滑清晰，觀測資料內(nèi)精度在全國同類儀器中處于較高水平［11］。溫泉臺地質(zhì)構(gòu)造屬于準(zhǔn)噶爾界山與博羅霍洛構(gòu)造帶的交匯部位，以臺站為圓心半徑150 km范圍內(nèi)有多條活斷層通過。巖性為加里東期花崗片麻巖，巖石相對完整。鉆孔深80 m，探頭安裝在75 m處，溫泉臺體應(yīng)變觀測資料的內(nèi)精度、穩(wěn)定性都比較高，觀測資料滿足地震監(jiān)測預(yù)報要求［12］。烏什臺地質(zhì)構(gòu)造屬于柯坪斷塊的東北部，NE向的闊克沙勒斷裂分布在臺站北部，臺區(qū)基巖大面積出露，巖性為石炭系灰?guī)r夾石英砂巖。鉆孔深75.6 m，監(jiān)視區(qū)內(nèi)經(jīng)常發(fā)生5～6級中強地震，觀測受270 m的自來水廠抽水影響［13］。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心資料，2011年3月11日在日本東北部海域（38.1°N，142.6°E）發(fā)生9.0級地震，震源深度10 km。此次大地震為提取地球自由振蕩提供了基礎(chǔ)支撐。鐵門關(guān)臺、溫泉臺、烏什臺均記錄到同震響應(yīng)和震后效應(yīng)（圖1），選取強震后5 d觀測數(shù)據(jù)，未進行濾波及剔除固體潮處理，曲線清晰，連續(xù)性好，信噪比高。

2研究方法

3結(jié)果與分析

4結(jié)束語

提取結(jié)果驗證前人的研究結(jié)論。值得注意的是，烏什臺檢測出的優(yōu)勢頻率，未對應(yīng)PREM模型振型，經(jīng)計算分析可以排除自來水廠的干擾，表明地球自由振蕩振型信息對于地震前兆資料異常甄別有幫助。此外，對于同一地震，不同方位的3個臺站檢測的地球自由振蕩振型頻率有所不同，這可能表明地球自由振蕩振型信息可以對地球介質(zhì)的橫向不均勻性或各向異性提供一種新的約束。地球自由振蕩振型信息還可以對地震震源機制做出一定約束，這需要做進一步研究。

地球自由振蕩的簡正模型中，頻譜峰的位置可以用來確定球面上的平均地幔結(jié)構(gòu)［20］，3個臺體應(yīng)變觀測資料的功率譜密度結(jié)果表明，頻譜峰存在分裂現(xiàn)象，而這被認(rèn)為是地球自轉(zhuǎn)和橢率導(dǎo)致的正常譜線分裂，是大尺度的非球狀和非均勻地球的證據(jù)。

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EXTRACTION OF EARTH FREE OSCILLATIONS FROM

BOREHOLE VOLUME STRAIN DATA IN XINJIANG

YANG Shao-fu， ZHANG Jia-min， DENG Ming-wen

（Korla Seismic Station of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Korla 841000， Xinjiang，China）

Abstract： Using three sets of borehole volumetric strain data of Tiemengguan， Wenquan and Wushi stations in Xinjiang based on the power spectrum method， we extracts the information of Earth Free Oscillation excited by? Japan M9.0 earthquake on March 11，2011， compares the observed frequency with the theoretical value of PREM model. The results shows that the measured values are in good agreement with the theoretical values， and the accuracy of PREM model is verified. The results of three stations indicates some similarities and differences， which are related to the seismic source conditions and the geological structure of the borehole.

Key words： Xinjiang; Borehole dilatometer; Power spectral density; Free oscillations of the earth; PREM Model