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  地震地磁观测与研究  2018, Vol. 39 Issue (3): 128-133  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.03.019
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引用本文  

李盛, 郭昱琴, 张慧, 等. PET重力仪与CTS-1EF地震计地震波记录特征分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(3): 128-133. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.03.019.
Li Sheng, Guo Yuqin, Zhang Hui, et al. The characteristic analysis of earthquake wave recorded by PET gravimeter and CTS-1EF seismometer[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2018, 39(3): 128-133. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.03.019.

基金项目

中国地震局监测、预测、科研三结合课题(项目编号:CEA-JC/3JH-162101,CEA-JC/3JH-172205);2017年度海南省科协青年科技英才创新计划(项目编号:QCXM201710);海南省地震局科研课题(项目编号:HDKJ1711,HDKJ201807)

作者简介

李盛(1986-11-), 男, 学士学位, 工程师, 主要从事地震重力观测分析和地震活动性研究工作。E-mail:lishyiyuan@163.com

文章历史

本文收到日期:2017-09-25
PET重力仪与CTS-1EF地震计地震波记录特征分析
李盛 , 郭昱琴 , 张慧 , 李志雄 , 彭利媚     
中国海口 570203 海南省地震局
摘要:收集苍梧M 5.2、九寨沟M 7.0和智利M 8.2地震期间琼中基准地震台PET重力仪和CTS-1EF地震计观测数据,对重力资料进行潮汐和零漂改正获得重力残差数据,并对地震计数据求导得到加速度值。对重力残差数据和地震计加速度数据波形及频谱曲线进行对比分析,认为2种观测仪器记录的地震波震相和频谱分析显示的地震波分布频率具有一致性,但九寨沟M 7.0地震和智利M 8.2地震的地震波频率分布存在差异。
关键词重力仪    地震计    地震波    震相    频谱    
The characteristic analysis of earthquake wave recorded by PET gravimeter and CTS-1EF seismometer
Li Sheng, Guo Yuqin, Zhang Hui, Li Zhixiong, Peng Limei     
Hainan Earthquake Agency, Haikou 570203, China
Abstract: In this paper, the observation data of PET gravimeter and CTS-1EF seismometer at Qiongzhong seismic station when Cangwu M 5.2 earthquake, Jiuzhaigou M 7.0 earthquake and Chile M 8.2 earthquake happen are collected. We obtain gravity residual data after tides and zero drift corrected, and take the derivative of the seismometer data to make it an acceleration value. Then we comparative analysis the seismic waveforms and spectrum curves of gravity residual data and the derivative of seismometer data. The results show that seismic phases and the frequency distribution of seismic waves of gravimeter and seismometer are consistency. But the frequency distributions of seismic waves of Jiuzhaigou M 7.0 earthquake and Chile M 8.2 earthquake are not consistent.
Key Words: gravimeter    seismometer    seismic wave    seismic phase    spectrum    
0 引言

固体潮汐观测数据可以较好地反映地球固体潮汐的日波、半日波特征及地震孕育过程的中期特征(陈德福等,1995)。近年来数字化观测采样率大幅度提高,丰富了潮汐观测的震前变化信息(张晶等,2017)。重力固体潮连续观测可以记录与潮汐变化有关的地壳运动,精确观测地球系统各圈层物质迁移引起的重力变化效应,有助于研究固体地球内部构造和运动特征。

大量研究表明,与地震计相同,连续观测的重力仪也能清晰记录地震波信号。如:周江林等(2015)通过研究北京地震台gPhone重力仪同震响应特征,认为与宽频带地震计相同,gPhone重力仪能提供地震引起的地面运动信息,二者记录的首波初至、地震频带响应等特征高度相似,而gPhone重力仪对长周期地震面波响应较好,表现出独有特性;王林松等(2012)通过分析2011年3月11日日本9.0级大地震重力信号同震响应,认为震后12 h数据经带通滤波可以分辨7个环绕地球传播的瑞雷波记录,在低频范围内(5 mHz以下)检测到43个地球自由振荡基频振型及52个谐频振型,其分布与理论模型吻合较好,并在1 mHz以下的低频段观测到4个振型的谱峰分裂现象。不仅是地震,对于台风等热带气旋强对流天气,地震仪和重力仪同样可以同时记录信息,且观测结果能够相互佐证(郝晓光等,2008胡小刚等,2010蒋骏等, 2010, 2012张雁滨等,2013王梅等,2014李盛等,2016)。

琼中基准地震台(下文简称琼中台)位于海南岛陆中部,拥有重力、地磁、地电和测震等测项,是我国最南端的连续重力观测台站。本文从琼中台记录的同震波形变化及频谱特征2个角度,对比分析PET重力仪与CTS-1EF地震计观测数据特征异同。

1 台站和仪器概况

琼中台位于海南省琼中县县城营根镇东南, 地处海南岛中部五指山区木头山东北侧小山间盆地,属国家Ⅰ类台;受热带季风气候影响,台站高温多雨的气候特征显著,年降水量达2 000 mm,年温度在8 ℃—37 ℃。台站周围10 km范围内无大断裂通过,地处区域性基底隆起的花岗岩侵入区,地壳稳定性较好,岩基为海西—印支期花岗岩,岩性致密坚硬,属混合花岗岩琼中台地质、地理位置见图 1

图 1 琼中台位置 Fig.1 The location of Qiongzhong Seismic Station

琼中台连续重力观测使用PET型重力仪,该重力仪由美国Micro-g LaCoste, Inc公司生产,是一种全自动型重力仪,可用于测量地球各点重力随时间的变化,也可以检测周期从秒到若干年的地球物理、地球动力学效应所导致的微小重力场变化,仪器主要技术指标见表 1

表 1 PET重力仪主要技术指标 Tab.1 The main specifications of PET gravimeter

CTS-1EF宽频带地震计带宽为50 Hz—120 s,速度输出平坦,灵敏度为2×1 000 V·m-1·s-1,最大输入幅度为1×10-2 m/s,动态范围为140 dB以下,采样率为100 Hz。

2 观测数据处理

PET重力仪观测的原始重力数据(秒采样)包含潮汐、非潮汐信号(含地震波、漂移等)及其他干扰信息,CTS-1EF宽频带地震计观测数据不包含1/3日波、半日波和周日波等长周期(极低频)潮汐波信号,无零漂等现象。因此,应用Tsoft软件对重力观测原始数据进行潮汐改正和零漂改正,获得改正后的重力残差信号。因地震计采样率为100 Hz,而重力仪采样率为1 Hz,因此须将地震计观测数据降采样为1 Hz(取垂直方向);由于PET重力仪观测重力加速度值,单位是1×10-8 m·s-2,而地震计观测速度值,单位是1×10-8 m·s-1,为方便对比,对降采样的垂直向地震计观测数据进行求导,使其变为加速度值。下文除特殊注明外,地震计数据均指降采样的垂直向求导后数据。

3 原始波形及频谱特征对比 3.1 原始波形对比

选取震中距不同的3个地震,对比分析地震发生期间重力仪和地震计记录的波形特征(图 2)。3个地震分别是:2016年7月31日广西苍梧M 5.2地震,震中距580 km,近震;2017年8月8日四川九寨沟M 7.0地震,震中距1 686 km,远震;2014年4月2日智利M 8.2地震,震中距19 996 km,极远震。

图 2 重力仪与地震计记录地震波形对比 (a) 2016年7月31日广西苍梧M 5.2地震;(b) 2017年8月8日四川九寨沟7.0地震;(c) 2014年4月2日智利M 8.2地震 Fig.2 The contrasting of seismic wave recorded by gravimeter and seismometer

图 2可见:①与地震计相同,琼中台PET重力仪也能清晰记录到上述3个地震波形,与笔者研究该台重力仪记录地震能力的结论相印证(李盛等,2015);②二者记录的波形一致性较好,同震响应产生时间几乎一致,响应幅度有差异,但均不大;③对于近震和远震,重力仪能清晰记录P波、S波和面波震相,而对于极远震(2014年4月2日智利M 8.2地震),则记录到PKP波、PP波、SS波和面波震相。重力仪和地震计记录地震波形的P波初动方向、地震波持续时间、最大振幅及二者的相关系数等见表 2。从表 2可见,二者记录的3个地震波形P波(PKP波)初动方向一致、地震波持续时间一致,相关系数接近1,几乎为完全正相关;对于地震计而言,3个地震的地震波形最大振幅比为1:20.59:5.86,而重力仪比值为1:26:8.14,二者的最大振幅比差别不大,变化趋势一致;智利M 8.2地震比九寨沟M 7.0地震震级大,但2种观测仪器产生的地震波最大振幅比较小,应与其震中距远大于九寨沟地震有关。

表 2 地震计和重力仪记录地震波形信息 Tab.2 The seismic waveform information recorded by seismometer and gravimeter
3.2 频谱分析

对3个地震发生当天的重力残差数据与地震计数据(求导后)进行频谱分析,结果见图 3。由图 3可见,与地震波形特征一致,地震计与重力仪残差数据的谱分布较为一致;2套仪器均产出秒采样数据,故无法检测周期小于2 s(频率大于0.5 Hz)的短周期(高频)信号。重力仪残差数据已进行固体潮改正,滤除了1/3日波、半日波等长周期信号,仍存在一些非固体潮长周期信号,且信号振幅较大。相对而言,地震计数据的长周期信号微弱,为便于比较,将图 3(b)转为对数坐标绘图,见图 4

图 3 重力仪和地震计记录的波形频谱 (a)广西苍梧M 5.2地震;(b)四川九寨沟M 7.0地震;(c)智利M 8.2地震 Fig.3 The spectrum of seismic wave recorded by gravimeter and seismometer
图 4 重力仪和地震计记录的智利M 8.2地震波形频谱(对数坐标) Fig.4 The spectrum of seismic wave recorded by gravimeter and seismometer when Chile M 8.2 earthquake happened (logarithmic coordinates)

由于3个地震震级和震中距的差异,地震波持续时间和最大振幅差异明显,地震计和重力仪残差数据的谱分布无法明显分辨并检测苍梧M 5.2地震波形,主要是因为,对于震级较小的近震,地震波周期一般小于1 s(王梅等,2015),秒采样的重力残差和地震计数据的频谱分析无法检测出来。不管是地震计还是重力仪,九寨沟M 7.0地震信号集中于0.1—0.2 Hz(周期为5—10 s),而智利M 8.2地震地震波的信号集中于0.03—0.07 Hz(周期为14.3—33.3 s),分别处在远震和极远震地震波的卓越周期内(王梅等,2015)。同时,在部分低频段(0.002—0.003 Hz,属于自由振荡频率周期),智利M 8.2地震重力仪残差与地震计信号存在细微差别,可能是因为该地震属于特大地震,除产生涉及地球局部运动的体波和面波外,还能激发全球规模的维持数天的球自由振荡(傅承义等,1985),因自由振荡频率低,振动微弱,周期一般为数十秒至数十分钟,而地震计比较注重高频、短波,因此无法记录到自由振荡,只有灵敏的、可探测长周期振动的重力仪、应变仪和长周期地震仪等观测仪器才能记录(万永革,2007),导致低频段重力残差数据信号强于地震计数据。

4 结语

通过对PET重力仪和CTS-1EF地震计记录的3个地震的观测数据对比分析,可以得到以下结论。

(1)对于达到一定震级的地震,与CTS-1EF地震计相同,PET重力仪也能清晰记录到地震波形。比较秒采样重力残差与求导后地震计数据,二者记录的P波初动方向、P波和S波到时、地震波持续时间及振幅等震相特征具有较好一致性;二者相关系数均值达0.999 6以上,几乎为完全正相关。

(2)频谱分析表明,重力残差与地震计数据频谱曲线一致性较好,远震和极远震的地震波频率分布存在差异,而震级较小的近震因地震波周期小于1 s,以致秒采样的数据频谱分析无法检测出来;对于特大地震,重力观测数据能够检测记录自由振荡信号,而地震计则无法记录,导致重力仪残差和地震计频谱曲线在部分低频段(0.002—0.003 Hz)存在差异。

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