利用地震波记录开展震源破裂过程与震源机制研究一直是地震研究的重点之一^[1-2]。重力仪也能记录到地震波信号^[3-6]。周磊等^[7]通过分析汶川M_S8.0地震时我国6台gPhone重力仪记录的同震高频信号，证明其可用于震源破裂过程研究；王梅等^[8]通过比较LaCoste-PET(gPhone)与JCZ-1地震仪记录的地震信号发现，两种仪器对高频地震波信号有很好的对应与对比性；王林松等^[9]分析东日本大地震同震形变资料表明，gPhone重力仪能够很好地记录相关地震信息，并清晰地分辨震后首次到达的体波和面波。利用重力仪的地震波记录开展地震机制研究前，需要对gPhone重力仪和地震计记录的地震波信号进行对比，以确定gPhone重力仪记录的地震波信号的可靠性。本文以2013年芦山7.0级地震为例，利用gPhone重力仪记录的不同震中距的地震波进行频谱特征分析，并与同址地震计的记录进行比较，为利用这些数据开展震源机制或震源过程研究提供科学依据。

1 观测数据

2013-04-20四川芦山发生M_S7.0地震，其震中位于30.30°N、102.99°E，震源深度为13 km。本文选取具有gPhone重力仪、CTS-1地震计^[10]同址观测的12个台站(昆明、恩施、腾冲、银川、太原、若羌、温州、青岛、大连、于田、长春、鹤岗)记录的地震波数据(垂向)，截取两组仪器从地震发生时刻开始之后的1 h连续记录进行分析。

gPhone观测的原始重力数据中包括潮汐、非潮汐信号(含地震波)及其他干扰信号。为有效提取地震信号，须进行预处理：1)采用Tsfot软件对突跳、尖峰、漂移等已知干扰进行剔除；2)滤除主要的固体潮潮汐成分，提取重力非潮汐量；3)对gPhone加速度时间序列进行零漂或基线校正，消除直流分量^[11]；4)对gPhone加速度时间序列进行积分，转换为新的速度时间序列，与CTS-1记录的速度时间序列单位统一为μm/s。

对CTS-1观测数据的预处理包括：1)对CTS-1观测数据进行基线校正，消除直流分量；2)物理量转换与统一。CTS-1记录的原始速度时间序列单位为电压值，根据仪器响应文件提供的数据采集器灵敏度，将其单位转换为μm/s。

经过上述预处理，得到校正后的速度地震波信号。根据预处理结果，得到震中距-走时拟合图(图 1)和最大振幅-震中距拟合图(图 2)。图 1显示CTS-1的拟合结果较好，且随震中距增大，P波走时也相应增加，拟合变化率为8.764 km/s。于田、银川台的gPhone数据走时相差很大，经与重力台网中心确认，是gPhone时钟没有进行定期精细校准所致。因此，于田与银川台的P波走时以CTS-1地震计为准进行校正。

从图 2可以看出，两种仪器拟合结果具有相似性。随着震中距的增加，gPhone重力仪和CTS-1地震计记录的最大振幅有减小的趋势，但并不呈现线性关系。此外，温州地震台两种仪器记录的数值明显比近震台站更大，可能是因为温州台的位置接近海洋，地质条件不同所致。

2 P波频谱分析与比较

利用预处理后的速度时间序列数据进行波形和频谱分析，频谱分析采用傅里叶变换方法。虽然gPhone能准确记录频率为1 Hz以内的信号，但由于gPhone采样率为1 Hz，本文针对gPhone数据进行频谱分析的最大分辨频率为0.5 Hz。

2.1 近震组

昆明台、恩施台、腾冲台、银川台震中距在100~1 000 km，记录为近震信号，主要震相有P_n、S_n和面波等。这4个台站的两套仪器记录曲线上可以清晰辨别出P波到达时间，大致可以判断其持续时间。图 3给出了4个台站P波到达后1 min两套仪器的记录波形与频谱对比图，粗线代表gPhone数据，细线代表CTS-1数据。可以看出，gPhone重力仪因采样率低，缺失了0.5 Hz以上的高频信息，而CTS-1则记录了0.5 Hz以上频带的信息。图 3中4个子图代表的台站震中距依次变大，gPhone和CTS-1记录数据的波形重合度略微增加，尤其是银川台。图 3(a)、3(b)、3(c)显示，在0~0.2 Hz之间，昆明、恩施、腾冲3个台站gPhone重力仪记录的信号振幅远大于CTS-1记录的信号振幅，且主震动频率并不完全一致。一方面，这是由于gPhone重力仪最初设计是用于记录固体潮等低频信息，因此对各种低频信息更加敏感；另一方面，gPhone也能记录到其他频率成分的信号，均叠加在0~0.5 Hz内，构成P波的主体成分。随着震中距增加，两套仪器记录的地震波波形与频谱图一致性增加，尤其是银川台。图 3中各台站的振幅谱分析结果也显示，频率成分在0.5~1 Hz之间的振幅仍然明显，不能忽略。

2.2 远震组 2.2.1 远震Ⅰ组

太原台、若羌台、温州台、青岛台的震中距在1 000~1 750 km，记录到的地震波类型为远震，地震波震相相对近震更加丰富。图 4(a)为太原台波形图，显示两套仪器的波形图有一致性而P波到达时间不完全一致，这是由于两套仪器震中距相距80 km所致。振幅谱显示，两套仪器记录的P波主要频带小于0.25 Hz，0.5 Hz以内两套仪器的频谱图有较高的一致性，gPhone振幅谱略大于CTS-1。图 4(b)若羌台的波形图显示，两套仪器记录存在一定差异，结合振幅谱图分析认为是gPhone记录的低频信息振幅过大，导致两套仪器记录波形有区别。图 4(c)、4(d)温州、青岛两个台站的两套仪器记录的波形和频谱图一致性相对于太原台、温州台更好，振幅谱图显示两套仪器在0~0.5 Hz之间幅差变小。

2.2.2 远震Ⅱ组

大连台、于田台、长春台、鹤岗台震中距大于1 900 km，同属于远震。图 5显示，这4个台站的两套仪器记录的地震波波形一致性相对于前面8个台站更好，且振幅谱图的一致性、频带范围和频谱形态都有高度一致性。频谱图显示，在0~0.5 Hz之间，大连台和于田台记录的地震波信号频带范围相当，但振幅仍有差异；而长春台、鹤岗台两套仪器记录的地震波振幅差异变小，尤其是在0~0.3 Hz之间。

结合前两节分析认为，随着震中距的增加，地震波P波高频成分衰减明显，因此gPhone和CTS-1记录的地震波的一致性变好。

3 全波形比较

以鹤岗台为例，分析震后两套仪器对主震的记录情况。鹤岗台记录的地震波为远震波形，主震持续时间较长，选择震后40 min的数据进行分析。图 6(a)为鹤岗台波形图，P波与S波起始时刻非常清晰，且两套仪器的P波到时接近、起振方向一致。CTS-1记录的P波走时342 s，S波走时621 s，走时差为279 s；gPhone记录的P波走时340 s，S波走时619 s，走时差与CTS-1记录一致。P波走时差距2 s，是因为两套仪器震中距相差约13 km。图 6(b)是40 min震后数据的频谱分析结果，gPhone记录的频谱范围为0~0.5 Hz，CTS-1为0~50 Hz，2~50 Hz范围内的振幅接近直线，因此未在图中表示。两套仪器主震频带为0~0.4 Hz，且形态较为一致。通过截取P波到达后30 min数据进行相关性分析，得到鹤岗台两套仪器记录的波形相关性高达94.81%，青岛台为88%；而震中距较小时，相关性偏小，说明在一定的震中距范围内，重力仪可以清晰地记录到远震波的高频信号。

4 结语

本文对12个地震台gPhone重力仪与CTS-1甚宽频带数字地震计记录的芦山地震波数据进行处理。对比CTS-1速度时间序列和积分后的gPhone速度时间序列可以看出，其波形具有高度一致性。

1) gPhone重力仪能记录到频率小于1 Hz的信号，由于采样率的限制(1 Hz)，利用傅里叶变换进行频谱分析能分辨的最大频率为0.5 Hz。超过这个范围的信号，在分析中可能会叠加到0~0.5 Hz的结果之上，造成无法分辨的干扰。而CTS-1地震计能记录到频率为50 Hz以下的信号，记录的数据频谱范围远大于gPhone重力仪。

2) 两种仪器对近震和远震的记录效果并不一致。同一台站的两种仪器记录的近震信号在低频处有一定的相似性，但CTS-1记录数据高频部分显示出gPhone的局限性。随着震中距的增加，地震波P波的高频成分衰减明显，两种仪器记录数据的波形与振幅谱一致性增加。

3) gPhone重力仪对超低频信号的响应和记录优于CTS-1地震计(如恩施台、若羌台)，这是因为两类仪器设计的频带响应不同。

4) 部分台站gPhone记录的P波走时与地震计的记录有一定偏差，建议台网运行时应对gPhone重力仪时间系统进行定期校准，以确保地震波等高频记录的可靠性。

总之，从振幅谱可以看出，gPhone能记录地震波P波的主体信号。此外，gPhone重力仪精度可达0.1 μGal量级，对地震波信号有更好的响应，记录准确性高。