Sóng dao động tự do của Trái Đất do trận động đất Tohoku 2011 gây ra được ghi lại trong nhiều mạng lưới GPS

Earth, Planets and Space - Tập 73 Số 1 - 2021
Cheng-Yin Chu1, Benjamin F. Chao1, Hao Ding2, Linguo Yuan3
1Institute of Earth Sciences, Academia Sinica, Taipei, Taiwan
2School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, China
3Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, China

Tóm tắt

Tóm tắtChúng tôi tìm kiếm trong dữ liệu dịch chuyển 3-D GPS liên tục tín hiệu của các chế độ dao động tự do của Trái Đất được kích thích bởi trận động đất Tohoku Mw 9.0 vào năm 2011. Một nghiên cứu trước đây đã báo cáo việc phát hiện này; ở đây, chúng tôi tiến hành một nghiên cứu toàn diện và chi tiết hơn. Chúng tôi sử dụng dữ liệu GPS từ ba mạng lưới riêng biệt: (i) khoảng 1000 trạm từ mạng GEONET Nhật Bản; (ii) khoảng 600 trạm từ mạng PBO ở miền tây Hoa Kỳ; và (iii) khoảng 140 trạm của mạng IGS toàn cầu, và giải quyết tạo ra các bản ghi dài 21 giờ với tỷ lệ mẫu 30 giây. Chúng tôi thực hiện nhiều phương pháp chồng ghép bản ghi: phương pháp chồng ghép phổ công suất miền tần số nhằm giảm phương sai của tiếng ồn, và các phương pháp chồng ghép miền thời gian nhằm tăng cường tỷ lệ tín hiệu trên tiếng ồn (SNR) của các chế độ mục tiêu trong khi подавли các chế độ không phải mục tiêu. Chúng tôi nhận thấy phương pháp chồng ghép miền thời gian của ước lượng chuỗi tối ưu (OSE) là hiệu quả nhất, cho thấy rõ độ nhạy và khả năng phát hiện cao của các chế độ trong phổ. Đối với GEONET vùng gần, nơi mà tất cả các chế độ được kích thích đều có nút không, tất cả các chế độ cơ bản hình cầu 0S9–0S43 dưới 5 MHz và một số âm bậc thấp hơn cũng như hầu hết các chế độ cơ bản toroidal bậc thấp hiện lên như những đỉnh phổ nổi bật so với tần số riêng của mô hình PREM. Mạng PBO thấy những đỉnh phổ của các chế độ cơ bản ít mạnh hơn (do ở xa và thường không nằm tại các nút không), nhưng vẫn có thể xác định rõ. Dữ liệu từ mạng IGS toàn cầu phát hiện hầu như chỉ một vài trong số các chế độ này do độ thưa và số lượng trạm ít. Do đó, chúng tôi chứng minh rằng GPS thực sự ghi lại các tín hiệu địa chấn nhỏ có thể được tiết lộ thông qua các phương pháp chồng ghép bản ghi, có khả năng hữu ích trong việc nghiên cứu cơ chế nguồn động đất kích thích các chế độ dao động tự do.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Agnew DC, Berger J, Farrell WE, Gilbert JF, Masters G, Miller D (1986) Project IDA: a decade in review. Eos Trans AGU 67:203–212. https://doi.org/10.1029/EO067i016p00203

Bertiger W, Desai SD, Haines B, Harvey N, Moore AW, Owen S, Weiss JP (2010) Single receiver phase ambiguity resolution with GPS data. J Geod 84:327–337. https://doi.org/10.1007/s00190-010-0371-9

Bogiatzis P, Ishii M (2014) Moment tensor of the 2011 Tohoku-Oki earthquake from Earth’s free oscillations. Bull Seismol Soc Am 104:875–884. https://doi.org/10.1785/0120130243

Buland R, Berger J, Gilbert F (1979) Observations from the IDA network of attenuation and splitting during a recent earthquake. Nature 277:358–362. https://doi.org/10.1038/277358a0

Buland R, Gilbert F (1978) Improved resolution of complex eigenfrequencies in analytically continued seismic spectra. Geophys J Int 52:457–470. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1978.tb04243.x

Bullen KE, Bolt BA (1985) An Introduction to the theory of seismology, 4th edn. Cambridge University Press, New York

Chao BF, Ding H (2014) Spherical harmonic stacking for the singlets of Earth’s normal modes of free oscillation. Geophys Res Lett. https://doi.org/10.1002/2014GL060700

Chao BF, Liau JR (2019) Gravity changes due to large earthquakes detected in GRACE satellite data via empirical orthogonal function analysis. J Geophys Res. https://doi.org/10.1029/2018JB016862

Courtier N, Ducarme B, Goodkind J, Hinderer J, Imanishi Y, Seama N, Sun H, Merriam J, Bengert B, Smylie DE (2000) Global superconducting gravimeter observations and the search for the translational modes of the inner core. Phys Earth Planet Int 117:3–20. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(99)00083-7

Ding H, Chao BF (2015a) Data stacking methods for isolation of normal-mode singlets of Earth’s free oscillation: extensions, comparisons and applications. J Geophys Res Solid Earth 120:5034–5050. https://doi.org/10.1002/2015JB012025

Ding H, Chao BF (2015b) Detecting harmonic signals in a noisy time-series: the z domain autoregressive (AR-z) spectrum. Geophys J Int 201:1287–1296. https://doi.org/10.1093/gji/ggv077

Ding H, Chao BF (2017) Solid pole tide in global GPS and superconducting gravimeter observations: signal retrieval and inference for mantle anelasticity. Earth Planet Sci Lett. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.11.039

Ding H, Shen WB (2013) Search for the Slichter modes based on a new method: optimal sequence estimation. J Geophys Res. https://doi.org/10.1002/jgrb.50344

Dziewonski AM, Anderson DL (1981) Preliminary reference Earth model. Phys Earth Planet Int 25:297–356. https://doi.org/10.1016/0031-9201(81)90046-7

Gilbert F, Dziewonski AM (1975) An application of normal mode theory to the retrieval of structural parameters and source mechanisms from seismic spectra. Phil Trans R Soc 278A:187–269. https://doi.org/10.1098/rsta.1975.0025

Kanamori H, Anderson DL (1975) Amplitude of the Earth’s free oscillations and long-period characteristics of the earthquake source. J Geophys Res 80(8):1075–1078. https://doi.org/10.1029/JB080i008p01075

Larson KM, Boden P, Gomberg J (2003) Using 1-Hz GPS data to measure deformations caused by the Denali fault earthquake. Science 300:1421–1424. https://doi.org/10.1126/science.1084531

Lentas K, Ferreira AMG, Clévédé E, Roch J (2014) Source models of great earthquakes from ultra low-frequency normal mode data. Phys Earth Planet Int 233:41–67. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2014.05.011

Masters G, Widmer R (1995) Free oscillations: frequencies and attenuations. In: Ahrens TJ (ed) Global Earth physics: a handbook of physical constants. American Geophysical Union, Washington

Masters G, Park J, Gilbert F (1983) Observations of coupled spheroidal and toroidal modes. J Geophys Res 88:10285–10298. https://doi.org/10.1029/JB088iB12p10285

Mitsui Y, Heki K (2012) Observation of Earth’s free oscillation by dense GPS array: after the 2011 Tohoku megathrust earthquake. Nature Sci Rep 2:931. https://doi.org/10.1038/srep00931

Munk W, Hasselmann K (1964) Super-resolution of tides. Studies on oceanography. Hidaka Memorial Volume, Tokyo, pp 339–344

Ozawa S, Nishimura T, Suito H, Kobayashi T, Tobita M, Imakiire T (2011) Coseismic and postseismic slip of the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki earthquake. Nature 475:373–376. https://doi.org/10.1038/nature10227

Park J et al (2005) Earth’s free oscillations excited by the 26 December 2004 Sumatra-Andaman earthquake. Science 308(5725):1139–1144. https://doi.org/10.1126/science.1112305

Park J, Amoruso A, Crescentini L, Boschi E (2008) Long-period toroidal earth free oscillations from the great Sumatra-Andaman earthquake observed by paired laser extensometers in Gran Sasso, Italy. Geophys J Int 173:887–905. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2008.03769.x

Phinney RA, Burridge R (1973) Representation of the elastic—gravitational excitation of a spherical Earth model by generalized spherical harmonics. Geophys J R Astr Soc 34:451–487. https://doi.org/10.1111/j.1365,246X.1973.tb02407.x

Smylie DE, Hinderer J, Richter B, Ducarme B (1993) The product spectra of gravity and barometric pressure in Europe. Phys Earth Planet Interior 80:135–157. https://doi.org/10.1016/0031-9201(93)90044-A

Yan R, Woith H, Wang RJ, Zhang Y (2016) Earth’s free oscillations excited by the 2011 Tohoku Mw 9.0 earthquake detected with a groundwater level array in mainland China. Geophys J Int 206:1457–1466. https://doi.org/10.1093/gji/ggw213

Yuan L, Chao BF (2012) Analysis of tidal signals in surface displacement measured by a dense continuous GPS array. Earth Planet Sc Lett. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.08.03

Zumberge JF, Heflin MB, Jefferson DC, Watkins MM, Webb FH (1997) Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks. J Geophys Res 102:5005–5017. https://doi.org/10.1029/96JB03860

Thông tin
Thông tin xuất bản

Earth, Planets and Space

Tập 73 Số 1

Thông tin tác giả