Физика Земли, 2020, № 6, стр. 11-23

Обнаружение и оценка моды Шлихтера по наблюдениям землетрясения в Чили 27.02.2010 г. на лазерном интерферометре-деформографе

В. К. Милюков 12*, М. П. Виноградов 1, А. П. Миронов 1, А. В. Мясников 1

1 Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, МГУ им. М.В. Ломоносова
г. Москва, Россия

2 Владикавказский научный центр РАН
г. Владикавказ, Россия

* E-mail: vmilyukov@yandex.ru

Поступила в редакцию 03.03.2020
После доработки 21.04.2020
Принята к публикации 23.04.2020

Аннотация

Мода Шлихтера (1S1) является самой длиннопериодной модой собственных колебаний Земли. Период моды Шлихтера непосредственно зависит от разницы в плотности между внешним жидким и внутренним твердым ядром, что делает ее обнаружение очень важным для уточнения внутреннего строения Земли. Достоверные экспериментальные данные об обнаружении моды отсутствуют, что связано с ее незначительной амплитудой на поверхности. В работе впервые для обнаружения моды Шлихтера используются деформографические данные Баксанского лазерного интерферометра-деформографа ГАИШ МГУ с длиной измерительного плеча 75 м (Приэльбрусье, Северный Кавказ), записанные во время крупнейшего землетрясения в Чили 2010 г. Разработан асимптотически-оптимальный алгоритм анализа данных с учетом свойств сейсмического шума и особенностей моды, позволяющий одновременно с обнаружением осуществлять оценку ее параметров (частоту и величину расщепления). Выполнена оценка статистической достоверности обнаружения, определены параметры моды Шлихтера и соответствующий скачок плотности между внутренним и внешним ядром Земли.

Ключевые слова: ядро Земли, собственные колебания Земли, мода Шлихтера, лазерный интерферометр-деформограф, асимптотически-оптимальный алгоритм.

DOI: 10.31857/S0002333720060058

Список литературы

  1. Акимов П.С., Бакут П.А., Богданович В.А. и др. Теория обнаружения сигналов. М.: Радио и связь. 1984.

  2. Виноградов М.П., Милюков В.К., Миронов А.П., Мясников А.В. Асимптотически оптимальный алгоритм для поиска и оценки моды Шлихтера по долговременным деформационным данным // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. 2019. № 2. С. 89–94.

  3. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1974.

  4. Милюков В.К. Наблюдение тонкой структуры основной сфероидальной моды Земли 0S2 // Физика Земли. 2005. № 4. С. 16–22.

  5. Милюков В.К., Мясников А.В. Метрологические характеристики Баксанского лазерного интерферометра // Измерительная техника. 2005. № 12. С. 26–30.

  6. Милюков В.К., Виноградов М.П., Лагуткина А.В., Миронов А.П., Мясников А.В., Перелыгин Н.А., Пустовитенко Б.Г., Боборыкина О.В., Вольфман Ю.М., Насонкин В.А. Наблюдения собственных колебаний Земли лазерными интерферометрами-деформографами // Измерительная техника. 2015a. № 12. С. 25–29.

  7. Милюков В.К., Виноградов М.П., Миронов А.П., Мясников А.В., Перелыгин Н.А. Собственные колебания Земли, возбужденные тремя крупнейшими землетрясениями последнего десятилетия, по деформационным наблюдениям // Физика Земли. 2015b. № 2. С. 21–36. https://doi.org/10.7868/S0002333715010093

  8. Милюков В.К., Виноградов М.П., Миронов А.П., Мясников А.В. Собственные колебания Земли, возбужденные глубокофокусным землетрясением 2013 г. в Охотском море // Геофизические процессы и биосфера. 2018. Т. 17. № 4. С. 127–140. https://doi.org/10.21455/GPB2018.4-7

  9. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. М.: Радиоисвязь. 1992.

  10. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. М.: Наука. 1970.

  11. Abd El-Gelil M., Pagiatakis S. Least squares self-coherence for sub-nGal signal detection in the superconducting gravimeter records // Journal of Geodynamics. 2009. V. 48(3). P. 310–315.

  12. Buffett B., Goertz D.E. Magnetic damping of the translational oscillations of the inner core // Geophys. J. Int. 1995. V. 120. P. 103–110.

  13. Buffett B.A. Tidal dissipation and the strength of the Earth’s internal magnetic field // Nature. 2010. V. 468. P. 952–954. https://doi.org/10.1038/nature09643

  14. Bullen K.E., Bolt B.A. An Introduction to the Theory of Seismology, 4th ed. Cambridge, Univ. Press. Cambridge, UK. 1985. 499 p.

  15. Busse F.H. On the Free Oscillations of the Earth’s Inner Core // J. Geophysical Research. 1974. V. 79(5). P. 753–757.

  16. Courtier N., Ducarme B., Goodkind J., Hinderer J., Imanishi Y., Seama N., Sun H., Merriam J., Bengert B., Smylie D.E. Global superconducting gravimeter observations and the search for the translational modes of the inner core // Phys. Earth Planet. Inter. 2000. V. 117. P. 3–20.

  17. Crossley D.J. Eigen solutions and seismic excitation of the Slichter mode triplet for a fully rotating Earth model // EOS. 1992a. V. 73 43). P. 60.

  18. Crossley D.J., Hinderer J., Legros H. On the excitation, detection and damping of core modes // Phys. Earth Planet. Int. 1992b. V. 68. P. 97–116.

  19. Crossley D., Rochester M., Peng Z. Slichter modes and Love numbers // Geophys. Res. Lett. 1992c. V. 19. P. 1679–1682.

  20. Dahlen F., Tromp J. Theoretical Global Seismology. U.S., Princeton, New Jersey: Princeton University Press. 1998. 944 p.

  21. Dahlen F.A., Sailor R.V. Rotational and elliptical splitting of the free oscillations of the Earth // Geophys. J. R. Astron. Soc. 1979. V. 58. P. 609–623.

  22. Ding H., Chao B.F. The Slichter mode of the Earth: Revisit with optimal stacking and autoregressive methods on full superconducting gravimeter dataset // J. Geophysical Research: Solid Earth. 2015. V. 48. P. 7261–7272. https://doi.org/10.1002/2015JB012203

  23. Ding H., Shen W.-B. Search for the Slichter modes based on a new method: Optimal sequence estimation // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2013. V. 118. P. 5018–5029. https://doi.org/10.1002/jgrb.50344

  24. Duputel Z., Rivera L., Kanamori H., Hayes G. W phase source inversion for moderate to large earthquakes (1990–2010) // Geophys. J. Int. 2012. V. 189(2). P. 1125–1147.

  25. Dziewonski A.M., Anderson D.L. Preliminary reference Earth model // Phys. Earth Planet. Int. 1981. V. 25. P. 297–356.

  26. Gilbert F., Dziewonski A. An application of normal mode theory to the retrieval of structural parameters and source mechanisms from seismic spectra // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1975. V. A278. P. 187–269.

  27. Guo J.Y., Dierks O., Neumeyer J., Shum C.K. A search for the Slichter modes in superconducting gravimeter records using a new method // Geophys. J. Int. 2007. V. 168. P. 507–517.

  28. Hinderer J., Crossley D., Jensen O. A search for the Slichter triplet in superconducting gravimeter data // Phys. Earth Planet. Int. 1995. V. 90. P. 183–195.

  29. Jiang Y., Xu J., Sun H. Detection of Inner Core Translational Oscillations Using Superconducting Gravimeters // Journal of Earth Science. 2013. V. 24(5). P. 750–758. https://doi.org/10.1007/s12583-013-0370-x

  30. Jensen O.G., Hinderer J., Crossley D.J. Noise limitations in the core-mode band of superconducting gravimeter data // Phys. Earth Planet. Int.1995. V. 90. P. 169–181.

  31. Mathews P.M., Guo J.Y. Viscoelectromagnetic coupling in precession-nutation theory // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. B02402. https://doi.org/10.1029/2003JB002915

  32. Milyukov V.K., Vinogradov M.P., Mironov A.P., Myasnikov A.V. Detection and estimation of the Slichter mode based on the data of the Baksan long-base laser strainmeter (the Northern Caucasus, Russia) // Geophysical Research Abstracts of General Assemblies of the European Geosciences Union (EGU). 2018. V. 20. P. EGU2018–3964.

  33. Peng Z. Effects of a mushy transition zone at the inner core boundary on Slichter modes // Geophys. J. Int. 1997. V. 131. P. 607–617.

  34. Rieutord M. Slichter modes of the Earth revisited // Phys. Earth Planet. Inter. 2002. V. 131. P. 269–278. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(02)00039-0

  35. Rogister Y. Splitting of seismic-free oscillations and of the Slichter triplet using the normal mode theory of a rotating, ellipsoidal Earth // Phys. Earth Planet. Inter. 2003. V. 140. P. 169–182.

  36. Rosat S. Optimal Seismic Source Mechanisms to Excite the Slichter Mode // Int. Assoc. of Geod. Symposia, Dynamic Planet, Cairns (Australia). 2007. V. 130. P. 571–577.

  37. Rosat S., Boy J.-P., Rogister Y. Surface atmospheric pressure excitation of the translational mode of the inner core // Phys. Earth Planet. Inter. 2014. V. 227. P. 55–60. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2013.12.005

  38. Rosat S., Hinderer J., Crossley D.J., Rivera L. The search for the Slichter mode: comparison of noise levels of superconducting gravimeters and investigation of a stacking method // Phys. Earth Planet. Int. 2003. V. 140(13). P. 183–202.

  39. Rosat S., Rogister Y. Excitation of the Slichter mode by collision with a meteoroid or pressure variations at the surface and core boundaries // Phys. Earth Planet. Inter. 2012. V. 190–191. P. 25–31.

  40. Rosat S., Rogister Y., Crossley D., Hinderer J. A search for the Slichter Triplet with Superconducting Gravimeters: Impact of the Density Jump at the Inner Core Boundary // J. Geodyn. 2006. V. 41. P. 296–306.

  41. Shen W.B., Ding H. Detection of the inner core translational triplet using superconducting gravimetric observations // J. Earth Sci. 2013. V. 24. P. 725–735.

  42. Shen W.B., Luan W. Feasibility Analysis of Searching for the Slichter Triplet in Superconducting Gravimeter Records // Geodesy and Geodynamics.2015. V. 6(5). P. 307–315. https://doi.org/10.13039/501100001809

  43. Slichter L.B. The fundamental free mode of the Earth’s inner core // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1961. V. 47. P. 186–190.

  44. Smith M.L. Translational inner core oscillations of for a rotating, slightly elliptical Earth // J. Geophysical Research. 1976. V. 81(17). P. 3055–3064.

  45. Smylie D.E. The inner core translational triplet and the density near Earth’s centre // Science. 1992. V. 255. P. 1678–1682.

  46. Smylie D.E., McMillan D.G. The inner core as a dynamic viscometer // Phys. Earth Planet. Inter. 2000. V. 117. P. 71–79. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(99)00088-6

  47. Smylie D.E., Palmer A. Viscosity of Earth’s Outer Core // Published electronically in arXiv.org> physics >physics.geo-ph, Cornell University Library, Ithaca, N. Y. February 2, 2008

  48. Widmer R., Masters G., Gilbert F. The spherical Earth revisited // 17th International Conference on Mathematical Geophysics. June 1988. Blanes, Spain, IUGG

  49. Xu J.Q., Sun H.P., Zhou J.C. Experimental detection of the inner core translational triplet // Chin. Sci. Bull. 2010. V. 55(3). P. 276–283.

Дополнительные материалы отсутствуют.