利用VP型与SSQ型倾斜仪检测智利8.2级地震激发的自由振荡

周 志，郑海刚，翟义勇，刘 浩，朱厚林，张启祥

(1.安徽地震局佛子岭地震台，安徽霍山 237272；2.安徽地震局预报研究中心，安徽合肥 230031)

利用VP型与SSQ型倾斜仪检测智利8.2级地震激发的自由振荡

周 志1，郑海刚2，翟义勇1，刘 浩1，朱厚林1，张启祥1

(1.安徽地震局佛子岭地震台，安徽霍山 237272；2.安徽地震局预报研究中心，安徽合肥 230031)

为比较VP型与SSQ型倾斜仪对强震激发的自由振荡的检测能力，基于佛子岭地震台观测资料，利用功率谱密度估计方法，提取2014年4月2日智利8.2级地震激发的0S3～0S37基频球型自由振荡，其中VP仪NS向检测到了26个振型，EW向检测到了25个振型；SSQ仪NS向检测到了25个振型，VP仪EW向检测到了20个振型，同时实测周期与PREM理论振荡周期相一致，只有0S5振型的观测周期与理论周期的最大差异达到0.85%，其他大部分最大差异都在0.2%以内。

VP型倾斜仪；SSQ-2I型倾斜仪；自由振荡；球型振荡；PREM模型；佛子岭地震台

0 引言

在大地震产生的地震波中，体波直接在地球内部向任何方向传播，面波是体波在地表衍生而成的次生波，既可以引起地表上下的起伏，也可以是地表做横向的剪切，传播较为复杂，地球自由振荡不同于体波和面波，它是地球在受到大地震等因素激发后，地球整体产生的连续振动。地球自由振荡的频率很低，振动周期一般为数十秒至数十分钟，振动亦很微弱，只有用灵敏的、可探测长周期振动的重力仪、倾斜仪和长周期地震仪等才能记录到。因此对它的研究既是了解地球内部构造的重要手段之一，也是对观测仪器观测能力的一个检验。

19世纪末，Lamb[1]从理论上推论出地球自由振荡包括球型振荡和环型振荡两种振型。但直到1961年Benioff等[2]用应变地震仪和摆式地震仪观测到智利大地震激发的地球振荡，同时确认了地球的球型振荡和环型振荡的存在。至今，许多学者先后利用超宽频带地震仪、重力仪、伸缩仪、应变仪、水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪和水位仪等仪器的观测资料，均检测到球型自由振荡0S0～0S48的所有基频振型，得到的结果与Prem模型理论值一致[3-13]。本文利用安徽佛子岭地震台VP型倾斜仪和SSQ型倾斜仪的观测资料，提取2014年4月2日智利8.2级强震所激发的地球球型自由振荡，比较二者的检测结果。

1 研究概况

佛子岭地震台位于安徽省西部大别山区霍山县西南佛子岭水库附近，历史上，台站周围100 km内曾发生9次5级以上地震，2次6级以上地震。台站形变山洞壁岩性为变质岩，洞深约35 m，覆盖层厚约20 m，常年温度约16.8℃，日温差小于0.1℃，湿度100%。山洞内装有中国地震局武汉地震科学仪器研究院研制的VP型宽频带倾斜仪(以下简称VP仪)和中国地震局地震预测研究所研制的SSQ-2I型石英水平摆倾斜仪(以下简称SSQ仪)，均是目前我国地倾斜潮汐观测中使用的新一代数字化观测仪器。两套仪器在佛子岭台均于2013年试运行，2014年正式运行。两套仪器均具有较宽的观测频带，能够满足目前台站地倾斜潮汐观测。

2 资料处理

2014年4月2日智利西北部附近海域发生里氏8.2级地震，佛子岭台VP仪与SSQ仪均记录到了明显的固体潮汐和同震形变波，图1是未经预处理的原始曲线。4月3日，该地区又发生一次7.8级地震，为了避免该次地震所产生的干扰，我们选取4月2日8.2级地震发生后至4月3日7.8级地震发生前这一段地倾斜观测资料，共1600分钟数据进行谱分析处理，以检测8.2级地震所激发的地球自由振荡波。

图1 VP型与SSQ型倾斜仪记录的智利8.2级地震的分钟值曲线Fig.1 Minute value curve of the Chile M8.2 earthquake recorded by VP type and SSQ type tiltmeters

采用通常的功率谱密度估计的方法提取地球球型自由振荡[14-15]，即

式中，自相关函数Rn为：

式中，N=1600为所用数据的数目，x为佛子岭地震台记录的地倾斜数据，Sk离散值为功率谱密度值，它所对应的频率值运用原始数据的采样率60/s乘以序列号k确定。

为了消除数据不能无限长而必须加窗对功率谱密度估计造成的影响，本文采用加Hanning窗来抑制旁瓣，突出主瓣。

3 计算结果

根据前面的处理方法，我们得到了佛子岭地震台VP仪与SSQ仪4个分向的功率谱密度估计，并根据地球自由振荡频率分布和功率谱振幅特点，将其分为(0.40～1.75)×10-3Hz(1.75～2.9)×10-3Hz、(2.95～3.85)×10-3Hz、(3.85～4.5)×10-3Hz共4个频段。图2为4个频段内的功率谱分布，垂直虚线表示PREM模型给出在其顶点标出振型的自由振荡频率值。由于功率谱密度估计不包含相位信息，所以不涉及仪器的相位响应，其次，我们更多的是关注功率谱密度估计曲线的几何波形特征。

从图2可以看出，在(1.6～4)×10-3Hz频段内，球型自由振荡0S10～0S32基频振型的功率谱谱线十分清晰，与PREM模型符合得较好；而在(0.4～1.6)×10-3Hz与(4～4.5)×10-3Hz频段内，0S3～0S9内与0S33～0S37基频振型的谱峰虽能分辨出来，但并不突出。可能与仪器记录的噪声较大、所用的数据量较短造成了频谱分辨率下降及长时间序列的观测数据对高频自由振荡信号的抑制效应有关。根据功率谱估计结果，我们统计了佛子岭台2套仪器4个分向检测到的0S3～0S37球型基频自由振荡周期，并与PREM模型的理论周期进行了比较(表1)。结果表明，VP仪NS向检测到了26个振型，VP仪EW向检测到了25个振型；SSQ仪NS向检测到了25个振型，VP仪EW向检测到了20个振型。VP仪NS向检测到的振型最多，SSQ仪EW向检测到的振型最少，4个方向均对低频段振型检测能力较差。同时只有0S5振型的观测周期与理论周期相对误差达到0.85%，其他大部分相对误差都在0.2%以内，说明本文对0S3～0S37基频自由振荡的检测结果与PREM模型的理论值比较吻合。

表1 4分向实际观测值与PREM模型理论值比较Tab.1 Comparison between the observations of 4 channels and the theoretical values of PREM model

图2 4分向的功率谱密度估计Fig.2 Curves of power spectrum density estimation of 4 channels

4 结论与讨论

(1)利用VP型宽频带倾斜仪与SSQ型石英水平摆倾斜仪2套仪器在2014年4月2日智利M8.2地震期间的观测资料，VP仪NS向检测到了球型自由振荡0S3～0S37中26个振型，VP仪EW向检测到了25个振型；SSQ仪NS向检测到了25个振型，VP仪EW向检测到了20个振型。虽然VP仪与SSQ仪设计思路相同，都是通过摆系加换能装置将地面倾斜量转换为电压值，经放大滤波后，通过数采进行数字化记录。但是二者在摆系、换能器、前置放大器、滤波器等内部结构均存在不同，导致二者对振型的检测存在差异。

(2)4个方向均对低频段振型检测能力较差，可能与参与谱分析所用的观测数据较短，造成的频谱分辨率下降有关。适当增加谱分析所用的观测数据，对于提高低频自由振荡信号的分辨能力是有益的。

(3)我们将4个方向的检测值与PREM模型理论值进行对比，结果表明，二者吻合得比较好，说明从原始观测数据中直接提取地球自由振荡的信息是可行的。

(4)研究中仅对球型振荡进行了提取分析，没有对环型振荡进行提取分析，存在一定的不足，还有待于进一步的研究。

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Detection of Free Oscillation Excited by Chile M 8.2 Earthquake with VP Type and SSQ Type Tiltmeters

Zhou Zhi1，Zheng Haigang2，Zhai Yiyong1，Liu Hao1，Zhu Houlin1，Zhang Qixiang1
(1.Foziling Seismostation，Earthquake Administration of Anhui Province，Huo Shan，Anhui，237272，China；2.Prediction Research Center，Earthquake Administration of Anhui Province，He Fei，Anhui 230031，China)

This article aims to make a comparison between VP type and SSQ type tiltmeters through the detection of free oscillations excited by a strong earthquake.We extracted the0S3～0S37-pitch spheroidal free oscillation excited by Chile M8.2 earthquake from the observation data produced by VP type and SSQ type tiltmeters at Foziling station with the power spectrum density estimation method.The NS trending of VP type detected 26 modes and the EW trending of VP type detected 25 modes，while the NS trending of SSQ type detected 25 modes and the EW trending of SSQ type detected 20 modes.Except that the difference between the vibration observation cycle of0S5mode and PREM mode cycle is more than 0.85%，most of the other differences are within 0.2%，and the extracted oscillation is accordant with the theoretical oscillation.

VP type tiltmeter；SSQ type tiltmeter；free oscillation；spheroidal oscillation；PREM mode；Foziling Seismostation

P315.62

：B

：1673-8047(2015)04-0044-05

2015-07-05

中国地震局三结合课题(151206)

周志(1986—)，男，本科，工程师，主要从事地震监测、预报工作。