基于超导重力数据的地球固态内核平动振荡的高分辨率时频分析

The translational oscillation of the Earth's solid inner core (also called the Slichter modes) is one of the elementary normal modes of Earth's free oscillations. Under the influences of earth rotation, it can be divided into 3 components, which are the retrograde equatorial mode, the axial mode and the prograde equatorial mode respectively. Effective detection of the splitting Silchter triplets can provide constraints for detailed structure and density distribution of the Earth's liquid outer core and solid inner core. This proposal will search the Slichter triplets with globally distributed superconducting gravimeters data. Based on the analysis of noise level of superconducting gravimeters, the superconducting gravimeter data will be reasonably selected, and temporal-frequent dependent admittances of atmosphere pressure will be utilized to efficiently remove the noise of gravity observations induced by local atmosphere pressure. Meanwhile, time-frequent analysis with high resolution will be employed to estimate characteristic parameters of the Slichter modes, including excitation time, eigen-frequency and quality factor, and then the density jump at the inner core boundary will be calculated to provide effective constraints for density structure of the Earth's inner and outer core. Finally, combined with other geophysical exploration, we will attempt to pursue the excitation source of the Slichter modes and make a preliminary discussion of its mechanism.

地球固态内核的平动振荡是地球自由振荡的基本简正模之一。受地球自转的影响，它将分裂成包括赤道面正向、自转轴方向和赤道面逆向振荡三部分，对这三重分裂谱峰的有效检测将为研究地球液态外核和固态内核边界层精细结构及其密度分布特征提供有效约束。本课题将利用全球分布的超导重力台站数据检测固态内核平动振荡的三重分裂。课题在超导重力仪噪声水平分析的基础上，合理选取全球分布的超导重力台站数据，并利用具有时频依赖特性的气压导纳值，更为有效地消除重力观测中的气压噪声，同时基于高分辨率时频分析方法提取地球固态内核平动振荡的特征参数，包括振荡的激发时间，本征频率和品质因子，并计算内核边界处的密度跳跃，为内、外核密度结构提供有效约束。最后结合相关地球物理观测，探寻地球固态内核平动振荡的激发源，并初步讨论其激发机制。

超导重力仪对地表重力变化的高精度观测为研究各种地球动力学现象以及地球深内部结构提供了良好的信息源。本项目利用超导重力仪长期、连续的观测数据，基于各台站观测记录的噪声水平分析，合理选取台站数据，检测地球固态内核平动振荡（Slichter模）并开展相关研究。.本项目对全球分布的19个超导重力仪台站为期10年的重力观测记录的噪声水平进行了评估，结果显示观测质量较好的超导重力仪台站在低于1mHz的频段上与宽频地震仪相比具有更低的噪声水平。同时通过在328s到600s地震频段定义的一个评价因子，比较了不同台站的噪声水平大小，并计算了每个台站每年的噪声量级。噪声水平的评定结果为选择合适的台站观测数据开展相关的应用研究提供了有效的依据。.在精细化气压改正方法中，通过将重力和气压变化分解到处于不同频段的本征模态函数，得到了具有时频依赖特性的气压导纳值，借此详细分析了台站局部气压在不同频段、不同时间对重力观测造成的影响，并有效地消除了重力观测中的气压噪声，提高了观测信号的信噪比，使更多的微弱信号得以显现。最终的检测结果证明了本项目所提方法的有效性。.利用全球分布的多台超导重力仪连续两年的观测资料，研究了大地震对Slichter模可能的激发作用。通过计算具有时频依赖特性的气压导纳值，有效地消除了气压变化在亚潮汐频段对重力观测带来的影响，并从中选取了气压改正效果较好的8个台站的重力残差序列，在相应频段检测了与Slichter模有关的重力振荡信号。在最终的迭积结果中探测到了12个微弱谱峰，并根据Slichter模谱峰的分裂特征，从中选择了三组候选谱峰，基于这三组检测结果还给出了内外核边界的密度跳跃。.本项目的工作改进了实际观测资料的数据处理方法，尽可能消除气压等干扰因素的影响，从而降低了观测数据的噪声水平，提高了检测信号的信噪比，获得了更精确的观测结果。在全球超导重力观测的谱估计中发现了多组符合Slichter模三重谱线分裂特征的谱峰，并结合理论预测结果，分析了可能与Slichter模有关的重力信号。