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。

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。

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。

由图 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。

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。

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。