地球自由振荡的高精度探测及其对地球3D结构的约束

Observation of Earth’s free oscillation modes is significant information source to build the hierarchical structure, density distribution and elastic parameters of the 3D Earth model, and the splitting and coupling characteristics of normal modes reflect the real Earth's rotation, ellipticity and aspherical structure. With the observation technology developing and the need of scientific research and application, the traditional spherically symmetric 1D Earth model has shown obvious flaws. The constraint on the 3D structure of the Earth using abundant Earth’s free oscillation observation is a challenging topic to comply with the updated technology and science. The main study subjects of this project: detection and analysis of the splitting and coupling characteristics of normal modes using more optimal data processing technique, and determination of splitting parameters with high-precision; calculation for the theoretical periods of the Slichter triplet considering the Earth's rotation and ellipticity, the simulation and detection of the Slichter triplet excited by huge earthquakes or other factors, and estimation of the density jump at the inner core boundary; determine of multiplet splitting matrix to build the splitting function; estimation of differential rotation of the inner core, study of the lateral variations in structure, anisotropy and topography on internal discontinuities, and refining the 1D PREM model.

地球自由振荡模态观测是构建3D地球模型内部分层结构、密度分布及弹性参数的重要信息源，其分裂耦合现象反映了真实地球的自转、椭率和非球面结构。随着观测技术发展以及科学研究及应用的需要，传统的球对称1D地球模型已显示出明显缺陷。利用丰富的自由振荡观测资料约束地球3D结构是顺应技术不断更新、理论研究逐步趋于完善的具有挑战性的课题。主要研究内容：利用更优化的数据处理技术探测和分析地球自由振荡的分裂耦合现象，确定高精度的多线态分裂参数；顾及地球自转和椭率效应，计算1D地球模型下地球内核平动振荡模(Slichter模)的理论周期，并模拟和探测由大地震或其他原因激发的Slichter模三重分裂信号，进而估算内外核边界处的密度跳跃；确定自由振荡多线态的分裂矩阵，构建分裂函数；估算地球内核超速旋转速率，研究地球内部结构的横向不均匀性、各项异性和分层边界不连续性，精化1D PREM地球模型。

随着现代地球物理理论和技术的发展，传统的1D球对称地球模型已显示出明显缺陷和不足，建立考虑地球内部结构横向不均匀性的三维地球模型，对于深入研究地球内部结构和解释大量地球物理现象尤其重要。由于地球的自转、椭率和非球面结构，地球自由振荡信号会产生分裂和耦合效应。利用丰富的地球自由振荡观测资料研究这些现象，从而进一步约束地球3D结构，是研究地球深内部结构的一项重要基础地球物理学课题。本课题基于相关观测数据和方法获取了众多高频高阶地震简正模和Slichter模三重分裂信号的探测结果，并进行了相应的分析、解释和应用，主要的研究内容和成果如下:（1）在本课题组提出的最优序列估计(OSE)方法的基础上，将仅考虑了径向分量的分裂系数扩展到考虑径向和横向分量的组耦合形式上，使原本适用于探测径向模态（或是仅考虑自耦合效应）的OSE方法可以同时剥离在同一分量由于地球3D效应导致的球型模态和环型模态耦合所致的模态簇上。比较了考虑自耦合和考虑群耦合效应的简正模观测结果，表明在某一窄带内，考虑群耦合效应的迭积方法可以更清晰更完全地剥离出高频、高阶多线态；部分结果与理论预测结果符合较好，可为后续约束地球内部结构和解释地球深内部各向异项性特征提供依据。（2）基于Slichter模的两种可能激发原理，分别利用全球完全超导(SG)观测数据和3个超大地震后的SG观测数据，进行了积谱分析和最优序列估计方法的迭积处理；在两组数据集的积谱结果中，找到了一组满足Slicher模三重分裂规律的信号，与PREM模型的理论预测周期以及前人的部分观测周期也极为接近。（3）基于地球自由振荡简正模合成谱理论，研究了震源机制参数对自由振荡合成谱的影响，确定了利用地球弹性简正模反演地震震源机制的主要过程和方法；将大地测量数据确定的最优断层倾角以及其他震源初步信息作为简正模反演的约束条件，进一步约束地震断层模型。采用地球自由振荡简正模反演2011 Tohoku地震的结果表明，利用超低频段简正模反演得到的矩震级和深度与GCMT发布的结果接近。