0 引言

大地震不仅会造成巨大破坏，还会产生全球范围的自由振荡，这种振荡会持续数天（陈珊桦等，2022）。地球自由振荡有环型和球型2种基本振型（邓文彬等，2020）。对地球自由振荡开展进一步研究，不仅可以了解震后反应状况，而且可以探究地球结构特征，如地球结构的横向和径向不均匀性（许闯等，2013）。重力仪作为一种监测地表垂直形变和重力场变化的精密仪器，能够准确检测球型地球自由振荡。近年来，诸多学者基于重力观测数据检测地球自由振荡，相关研究有：姚家骏等（2012）利用格尔木基准地震台PET型固体潮重力仪检测日本M_W 9.0强震所激发的地球自由振荡，结果显示与PREM模型基本一致；许闯等（2013）利用4个台站的超导重力仪检测2008年汶川M_S 8.0地震所激发的地球自由振荡，验证了地球自转和椭率是引起₀S₂、₀S₃、₀S₄谱线分裂的主要原因；周江林等（2016）利用北京地震台、陈珊桦等（2022）利用泉州地震台gPhone重力仪均有效检测到地球自由振荡。

本文基于云龙地震台gPhone重力仪和昭通地震台GS-15重力仪监测数据，对比分析二者检测地球自由振荡的能力，为重力数据分析提供参考。

1 台站概况

云龙地震台（下文简称云龙台）位于红河断裂中段西侧，红河断裂与澜沧江断裂之间（图 1）。该台观测山洞基岩完整，重力观测室进深约112 m，覆盖层厚度35—110 m。gPhone重力仪布设在观测山洞独立观测室，洞室温度约17.1 ℃，年变幅小于0.5 ℃，观测条件稳定。

昭通地震台（下文称昭通台）地处南北地震带东翼，鲁甸—昭通断裂附近，周边区域构造断裂纵横交错（图 1）。该台观测山洞基岩为玄武岩，重力观测室进深约65 m，覆盖层厚约40 m。GS-15重力仪所在洞室温度约17.2 ℃，年变幅小于0.5 ℃。

2 数据预处理

2021年7月29日14时15分，美国阿拉斯加州以南海域发生M_S 8.1地震，云龙台、昭通台重力仪均清晰记录到此次地震，为检测此次地震激发的地球自由振荡提供了良好的数据基础。

选取云龙台和昭通台2021年7月29日14时至8月3日6时共6 721 min的重力观测数据，采用Tsoft软件（Van et al，2005），基于人机交互方式进行原始数据预处理，剔除突跳、台阶等粗差数据，并进行潮汐改正以及气压改正，结果见图 2。需注意的是，气压对重力观测影响较小，文中以-0.32 ×10^-8 m·s^-2/hPa为参考值。采用一阶多项式拟合方法，去除重力仪的零漂现象，采用最小二乘法进行滤波处理，截止频率设为10^-4 Hz。

3 地球自由振荡检测

所选重力数据经预处理，采用功率谱密度估计方法，检测得到2021年美国阿拉斯加州M_S 8.1地震所激发的地球自由振荡信号，见图 3(a)。为避免对检测结果的干扰，直观分辨地球自由振荡信号，将功率谱密度估计结果按(0.20—1.80) mHz、(1.75—2.95) mHz、(2.90—3.85) mHz、(3.80—4.85) mHz、(4.80—6.55) mHz频段进行划分，相邻时段保持0.05 mHz频段的重叠，以防止因分割造成数据破坏。将地球自由振荡信号检测结果与PREM模型理论值进行对比，结果见图 3。

图 3中，横坐标为理论PREM模型振型频率，虚线指示了对应频率的理论PREM模型振型名称，左侧列图为云龙台gPhone重力仪自由振荡检测结果，右侧列图为昭通台GS-15重力仪自由振荡检测结果。

由图 3(b)可见，在(0.20—1.80) mHz频段，对应检测到₀S₀—₀S₁₀振型，其中：₀S₀—₀S₄振型因(0—1) mHz频段背景噪声较大，信号与背景噪声掺杂，导致谱峰难以精确识别；对于其他振型，云龙台和昭通台均能清晰检测到，只是云龙台检测的₀S₉振型相对明显，而昭通台检测的₀S₁₀振型相对显著。

由图 3(c)可见，在(1.75—2.95) mHz频段，对应检测到₀S₁₁—₀S₂₀振型。其中：云龙台除₀S₁₁、₀S₁₇振型有较大偏差，其他振型均与理论模型吻合较好；昭通台除₀S₁₁振型外，其他振型均较为清晰。相较而言，昭通台地球自由振荡信号波形信噪比更高，波峰更加光滑明显，整体偏差较小。

由图 3(d)可见，在(2.90—3.85) mHz频段，对应检测到₀S₂₁—₀S₃₀振型，且振型清晰。与其他频段相比，该频段地球自由振荡信号波形信噪比较高，且波峰与PREM理论值的偏差较小，其中云龙台₀S₃₄振型偏差率最大仅0.17%，昭通台₀S₃₃振型偏差最大偏差率仅0.1%。与昭通台相比，云龙台₀S₂₅、₀S₃₀谱峰并不显著。

由图 3(e)可见，在(3.80—4.85) mHz频段，对应检测到₀S₃₀—₀S₄₁振型，其中：₀S₄₀、₀S₄₁振型，云龙台和昭通台均未形成完整谱峰；₀S₃₀、₀S₃₂、₀S₃₅振型，云龙台检测谱峰不显著，而昭通台则较为明显。

由图 3(f)可见，在(4.80—6.55) mHz频段，对应检测到₀S₄₂—₀S₆₀振型。由于高频信号衰减较快，该频段地球自由振荡信号波形信噪比较(0.2—4.85) mHz频段有所下降，振型幅度也逐渐下降，云龙台和昭通台所检测的振型大部分谱峰均不明显。

将云龙台gPhone重力仪、昭通台GS-15重力仪球形振荡观测值与PREM模型理论值及其偏差进行统计并对比，结果见表 1，可知2个台站重力仪均不能明显检测到₀S₅₁振型以后的谱峰。

结合图 3，可知：云龙台gPhone重力仪：除₀S₂、₀S₃、₀S₄、₀S₃₂、₀S₃₅、₀S₄₁、₀S₄₃、₀S₄₆、₀S₄₈、₀S₄₉共10个振型无法与噪声较好区分外，80%的振型观测值与理论值偏差在0.10%以内，且₀S₆、₀S₈、₀S₁₀、₀S₁₆、₀S₁₇、₀S₁₈、₀S₂₀、₀S₂₉、₀S₄₄共9个振型检测结果基本与PREM模型一致，整体平均偏差绝对值在0.04%以内；昭通台GS-15重力仪：除₀S₂、₀S₃、₀S₄、₀S₁₁、₀S₃₈、₀S₃₉、₀S₄₀、₀S₄₁、₀S₄₂、₀S₄₃、₀S₄₅、₀S₄₆、₀S₄₇、₀S₄₈、₀S₄₉、₀S₅₀共16个振型无法与噪声较好区分外，95%的振型与理论值偏差在0.10%以内，而₀S₆、₀S₈、₀S₉、₀S₁₀、₀S₁₅、₀S₁₆、₀S₂₁、₀S₂₅、₀S₂₉共9个振型检测结果基本与PREM模型一致，整体平均偏差绝对值在0.05%。

综上可知，本研究对球形振型₀S₀—₀S₅₀的检测结果与PREM模型基本一致，说明云龙台gPhone重力仪、昭通台GS-15重力仪可有效检测到美国海域M_S 8.1地震激发的地球自由振荡。

4 结论与讨论

云龙台gPhone重力仪、昭通台GS-15重力仪检测结果中均有9个振型与PREM模型基本一致，2个台站均检测到85%以上球形自由振荡，且检测结果绝对值平均偏差均在0.05%左右，说明不同重力仪对美国海域M_S 8.1地震激发的地球自由振荡检测是有效的。

云龙台gPhone重力仪、昭通台GS-15重力仪检测结果存在一定差异，表现在：在(1.8—4.5) mHz频段，昭通台GS-15重力仪检测到的振型偏差更小，可能与两种重力仪性能差异有关；在(4.5—5.6) mHz频段，云龙台gPhone重力仪检测到更多振型，而昭通台GS-15重力仪几乎检测不到对应振型，可能是由于昭通台位于城市中心闹市区，噪声干扰较大，加之高频部分衰减较快所致。

利用云龙台gPhone重力仪、昭通台GS-15重力仪成功检测到美国海域M_S 8.1地震激发的球形振荡，可见本研究对重力数据的预处理是有效的。然而，无法有效将(0—1.0)mHz对应振型与背景噪声区分开来，可能与数据处理过程中极低频噪声未完全去除有关，需就此开展进一步研究。