重力儀與寬頻帶地震儀地震波信號(hào)分析及其在異常判定中的應(yīng)用

王 梅 季愛東 徐長(zhǎng)朋 王 鵬 曲同磊 張 明

（中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局）

?

重力儀與寬頻帶地震儀地震波信號(hào)分析及其在異常判定中的應(yīng)用

（中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局）

以2011年3月11日日本東北MS9.0地震和2013年11月23日3個(gè)典型地震（近震、 遠(yuǎn)震、 深遠(yuǎn)震）為例， 對(duì)泰安地震臺(tái)JCZ-1甚寬頻數(shù)字地震儀及LaCoste-PET重力儀的地震波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析． 結(jié)果表明， 由于兩套儀器的設(shè)計(jì)頻率響應(yīng)范圍各有側(cè)重， 其對(duì)地震波信號(hào)的采集能力也有所差別， 信號(hào)頻譜分布也有所不同, 即地震儀卓越周期較重力儀偏小， 譜能量向高頻方向集中， 而重力儀的頻譜分布平坦且較地震儀響應(yīng)周期大． 地震儀和重力儀對(duì)長(zhǎng)周期地震波信號(hào)的響應(yīng)仍有對(duì)應(yīng)性和可比性， 對(duì)1 s以上的地震波信號(hào)均有響應(yīng)， 對(duì)遠(yuǎn)震波形記錄有較好的一致性． 寬頻帶地震儀和重力儀對(duì)地震波響應(yīng)的特性， 為重力觀測(cè)中階變突跳等異常變化性質(zhì)的判定提供了物理學(xué)指標(biāo)， 對(duì)形變觀測(cè)中可能出現(xiàn)的地震前兆異常的認(rèn)識(shí)及判定具有重要意義．

重力儀 寬頻帶地震儀 地震波 頻譜分析 異常判定

引言

重力固體潮連續(xù)觀測(cè)可以記錄與潮汐變化有關(guān)的地殼運(yùn)動(dòng)， 可以精確觀測(cè)地球系統(tǒng)各圈層物質(zhì)遷移引起的重力變化效應(yīng)， 是研究固體地球內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)特征的重要物理量之一． 地震孕育也會(huì)引起地球一系列物理化學(xué)變化過程， 因此許多研究人員希望通過分析疊加在重力固體潮曲線中的非潮汐變化， 提取與地震有關(guān)的地球物理信息． 就目前的認(rèn)識(shí)而言， 固體潮畸變（包括階變、 突跳等）在震情判定中往往傾向于作為一種短臨地震異常信息， 用于地震形勢(shì)預(yù)測(cè)的綜合判定中． 長(zhǎng)期觀測(cè)實(shí)踐表明， 重力固體潮曲線上往往疊加有大量突跳、 階變等異常變化， 但其后并無(wú)地震與之對(duì)應(yīng)． 因此厘清這些現(xiàn)象是形變異常還是儀器工作狀態(tài)不正常所致尤為重要．

由于同一地震事件在地球上同一點(diǎn)引起的地面運(yùn)動(dòng)是唯一的， 地震儀和重力儀均能檢測(cè)到反映地震破裂及傳播這一物理過程的地震波． 地震儀直接記錄地面運(yùn)動(dòng)的位移、 速度或加速度， 重力儀記錄的也是地面運(yùn)動(dòng)的加速度， 與地震儀無(wú)差別， 只是兩套儀器的幅頻特性略有不同． 重力儀信號(hào)與寬頻帶地震儀信號(hào)在頻率上相互重疊， 可以覆蓋從地震波到固體潮的寬廣頻域， 二者在頻域上自然銜接和延拓． 許多研究表明， 地震儀和重力儀可以同時(shí)記錄到臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣等引起的高頻波動(dòng)信號(hào)， 且二者的觀測(cè)結(jié)果能夠相互佐證（郝曉光等， 2008； 胡小剛， 郝曉光， 2009； 王梅等， 2009； 胡小剛等， 2010； 郝曉光， 胡小剛， 2011； 蔣駿等， 2012； 張雁濱等， 2013）． 而重力觀測(cè)中出現(xiàn)的階變、 突跳， 一般是在幾秒之內(nèi)發(fā)生的、 明顯偏離固體潮軌跡的突出變化， 是重力觀測(cè)中的一種異常變化． 若這類變化源于地球物理場(chǎng)， 由地殼形變過程引起， 那么它在地震觀測(cè)中又會(huì)如何表現(xiàn)？ 本文主要針對(duì)2011年3月11日日本東北MS9.0地震和2013年11月23日發(fā)生的3個(gè)特征地震（近震、 遠(yuǎn)震、 深遠(yuǎn)震）， 利用泰安地震臺(tái)的JCZ-1甚寬頻數(shù)字地震儀和重力儀記錄的地震波信號(hào)， 對(duì)重力儀頻響特征進(jìn)行研究， 進(jìn)而從物理學(xué)角度對(duì)重力觀測(cè)中的一些異?，F(xiàn)象進(jìn)行評(píng)價(jià)， 并對(duì)這些變化的異常性質(zhì)進(jìn)行分析判斷．

1 臺(tái)站及儀器概況

泰安臺(tái)位于泰山南麓， 臺(tái)基為太古代花崗片麻巖， 結(jié)晶基底， 巖體完整致密均勻， 測(cè)量信噪比高. 儀器洞室安裝有LaCoste-PET重力儀和JCZ-1甚寬頻帶數(shù)字地震儀．

LaCoste-PET重力儀可以精確地測(cè)量出地球重力固體潮的相對(duì)微小變化， 分辨率為0.01×10-8m/s2， 精度為1×10-8m/s2， 數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)1 Hz． 可記錄到固體潮， 也可以記錄到地震波（王林松等， 2012）、 地球自由振蕩（聶仁奇等， 2012）以及強(qiáng)對(duì)流天氣引起的高頻擾動(dòng)（信號(hào)周期為1—10 s）（王梅等， 2009， 2014）．

JCZ-1甚寬頻帶數(shù)字地震儀的頻帶為0—20 Hz， 在360—0.05 s 頻帶內(nèi)采用速度平坦型設(shè)計(jì)， 采樣率為100 Hz， 動(dòng)態(tài)范圍為140 dB， 覆蓋了從短周期地震波至固體潮汐的寬廣頻帶范圍（蔡亞先等， 1995）．

泰安臺(tái)JCZ-1甚寬頻地震儀使用GPS校時(shí)， 重力儀采用原子鐘計(jì)時(shí)， 兩套儀器記錄到的信號(hào)存在一定時(shí)差， 而且隨著儀器運(yùn)行時(shí)間的推移， 兩套系統(tǒng)的時(shí)差逐漸加大， 但在較短時(shí)段內(nèi)可以通過數(shù)據(jù)比對(duì)分析得到其具體時(shí)差數(shù)據(jù)． 此外， 一般情況下地震儀觀測(cè)為“速度”輸出， 重力儀為“加速度”輸出， 兩套儀器由于相頻特性的不同而存在一定時(shí)差． 因此本文為減少這兩套系統(tǒng)誤差對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響， 采用了一天內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析， 這樣一方面可以得到兩套系統(tǒng)的具體時(shí)差， 另一方面也可最大限度地減小系統(tǒng)誤差．

2 重力儀和地震儀的地震波形

地震儀和重力儀對(duì)地面運(yùn)動(dòng)和由此引起的地球重力場(chǎng)的變化均反應(yīng)敏感． 地震儀主要設(shè)計(jì)用于檢測(cè)諸如體波（P波、 S波）、 面波（瑞雷波、 勒夫波）等各種地震波． 模擬記錄情況下， 前兆儀器的采樣僅到整點(diǎn)值， 而隨著數(shù)字觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展和采樣率的提高， 重力儀也凸顯出其高頻部分的信號(hào)優(yōu)勢(shì)， 即不但能清晰地反映周期在幾十秒到幾小時(shí)的地球自由振蕩（聶仁奇等， 2012）， 還能完整地記錄地震波形（王林松等， 2012）， 在高頻部分與地震儀有很大范圍的重疊， 因此可以與地震儀信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析． LaCoste-PET重力儀在泰安地震臺(tái)的觀測(cè)表明， 除周期很小的地方震（P波周期約為0.05—0.2 s， S波周期約為0.1—0.5 s）之外， 該儀器對(duì)周期較長(zhǎng)的近震、 遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震都有清晰的記錄．

2.1 日本東北MS9.0地震的地震波形

圖1給出了泰安臺(tái)重力儀和地震儀對(duì)日本東北MS9.0地震的波形記錄． 由于量程限制， 兩套儀器在最大量程范圍內(nèi)均存在限幅， 重力儀也在初至波到達(dá)11分鐘后發(fā)生靠擺停測(cè)． 但在兩套儀器的記錄曲線上均能明顯地辨認(rèn)出P波、 PP波、 S波及勒夫面波， 且兩套儀器記錄曲線的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.701（初至波到達(dá)660 s內(nèi)）， 表明兩套儀器波形相似度較高， 即重力儀可以準(zhǔn)確地記錄高頻地面運(yùn)動(dòng)信號(hào)．

圖1 泰安重力儀（a）和地震儀（b）記錄到的2011年3月11日日本東北MS9.0地震的波形

2.2 地震波形的頻譜分析

泰安地震臺(tái)在2013年11月23日記錄到3個(gè)比較有特征的地震（近震、 遠(yuǎn)震、 深遠(yuǎn)震）和一次重力儀無(wú)響應(yīng)的MS3.5近震（表1）． 這幾次地震的地震波， 其頻域都在JCZ-1甚寬頻帶地震儀的響應(yīng)范圍（360 s—20 Hz）內(nèi)， 并且囊括了地震波的基本震相（體波、 面波）， 為分析重力儀的高頻響應(yīng)水平提供了較完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)． 本文在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)， 首先將地震儀的速度轉(zhuǎn)化為加速度并重采樣為秒值數(shù)據(jù)， 使重力儀和地震儀的物理量統(tǒng)一歸化為加速度（采樣率為1 sps）后， 利用快速傅里葉幅值譜和功率譜分析， 對(duì)重力儀和寬頻帶地震儀的地震波信號(hào)進(jìn)行頻域解析， 以獲取兩套儀器地震波響應(yīng)的頻率構(gòu)成， 從而深入了解重力儀高頻信號(hào)的響應(yīng)特征．

表1 2013年11月23日地震目錄*Table 1 Catalogue of earthquakes on 23 November 2013

2.2.1 近震： 萊州MS4.6地震

一般情況下， 地震臺(tái)記錄到的近震震相為通過地幔上層界面的繞射波和反射波， 即主要震相為 Pn、 Pg、 Sn、 Sg， 并且隨著距離的增加， 瑞雷波和勒夫波逐漸成為記錄中的最大震相（傅淑芳， 劉定誠(chéng)， 1991）． 萊州MS4.6地震距泰安臺(tái)約280 km， 屬于近震， 泰安臺(tái)JCZ-1地震儀記錄到的主要震相為Pn、 Pg、 Sn、 Sg， 面波不明顯， S波與P波的到時(shí)差為30.06 s， 地震波持續(xù)了約4.5分鐘．

根據(jù)傅里葉譜分析測(cè)不準(zhǔn)原理（鄭治真， 1979）， 對(duì)有限長(zhǎng)度的記錄， 無(wú)法精確測(cè)量其頻譜值． 由于重力儀為秒采樣， 對(duì)于長(zhǎng)度t=30 s的信號(hào)， 其頻率分辨為Δω=2π/t， 即只能較準(zhǔn)確分辨0.21 Hz以下（周期4.78 s以上）的頻率， 這一數(shù)值遠(yuǎn)大于實(shí)際地震波周期， 因此不能準(zhǔn)確測(cè)定這一長(zhǎng)度下的重力頻譜值． 而地震儀為100 Hz采樣， 可以滿足這一長(zhǎng)度下樣本量的要求， 因此僅能從地震儀的數(shù)據(jù)獲取近震初始震相的頻譜值． 結(jié)果顯示萊州MS4.6地震初始震相30 s內(nèi)信號(hào)（P波）頻帶主要集中在0.30—1.05 s的范圍內(nèi)．

此次地震初至波4分鐘時(shí)段信號(hào)（P+S波）的快速傅里葉變換的譜分析結(jié)果表明， 重力儀和地震儀都沒有很清晰的譜峰， 利用功率譜進(jìn)行周期探測(cè)， 可得到卓越周期的范圍． 由功率譜主要周期項(xiàng)的前8項(xiàng)得到重力儀的卓越周期范圍為2.64—11.34 s， 地震儀的為2.75—6.24 s， 詳見表2．

此外， 萊州MS4.6地震之前約20分鐘， 萊州還發(fā)生了一次MS3.5地震， 這次地震泰安臺(tái)僅地震儀有地震波響應(yīng)（振動(dòng)持續(xù)約1分鐘）， 頻譜分析結(jié)果顯示地震儀的卓越周期范圍為0.20—0.58 s， 重力儀則沒有記錄到該地震．

表2 泰安臺(tái)重力儀及地震儀功率譜峰值序列（萊州MS4.6）Table 2 Sequences of power spectrum peak value of gravimeter and seismometer at Tai’an seismic station （Laizhou MS4.6 earthquake）

萊州MS4.6地震重力儀與地震儀的同震波初至波到時(shí)差為13 s， 重力儀較地震儀滯后．

2.2.2 遠(yuǎn)震： 吉林松原MS5.8地震

地震臺(tái)記錄到的遠(yuǎn)震震相通常主要是地幔折射波和面波， 一般具有振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、 震相種類多、 面波震相突出等特點(diǎn)， 而且波的周期較長(zhǎng)， 縱波周期約1—10 s， 橫波周期約3—20 s， 面波周期約8—60 s（傅淑芳， 劉定誠(chéng)， 1991）． 吉林松原MS5.8地震距泰安臺(tái)約1100 km， 屬于遠(yuǎn)震信號(hào)． 泰安臺(tái)JCZ-1地震儀記錄到的主要震相為P、 PP、 S、 SS， 勒夫面波表現(xiàn)明顯， S波與P波的到時(shí)差為100.85 s， 地震波持續(xù)了約30分鐘． 對(duì)松原MS5.8地震初至波100 s內(nèi)（P+PP波）信號(hào)譜的分析結(jié)果顯示， 重力儀和地震儀都未顯示出很突出的譜峰， 功率譜周期探測(cè)得到的重力儀卓越周期范圍為2.42—7.11 s， 地震儀為2.29—8.53 s． 對(duì)體波波群后出現(xiàn)的面波4分鐘內(nèi)信號(hào)進(jìn)行譜分析， 結(jié)果顯示重力儀也沒有明顯的譜峰， 信號(hào)周期在2.15—36.57 s范圍內(nèi)， 地震儀的信號(hào)周期則集中在10 s以內(nèi)， 為3.41—9.85 s， 周期明顯變大， 具體如表3所示．

此次地震重力儀與地震儀的同震波初至波到時(shí)差也是13 s， 重力儀較地震儀滯后．

表3 泰安臺(tái)重力儀及地震儀功率譜峰值序列（松原MS5.8地震）Table 3 Sequences of power spectrum peak value of gravimeter and seismometer at Tai’an seismic station （Songyuan MS5.8 earthquake）

2.2.4 深遠(yuǎn)震： 斐濟(jì)群島MS6.7地震

斐濟(jì)群島MS6.7地震， 距泰安臺(tái)約9100 km， 為深遠(yuǎn)震， 震相比較復(fù)雜， 泰安臺(tái)JCZ-1地震儀記錄到的主要震相有P、 pP、 sP、 PP、 S、 SS波等， 但由于其震源深度為370 km， 屬深遠(yuǎn)震， 泰安臺(tái)記錄曲線上沒有面波出現(xiàn)． S波與P波的到時(shí)差為586.6 s （9分46.6秒）， 地震波持續(xù)超過1小時(shí)． 對(duì)此次地震初至波9分鐘內(nèi)信號(hào)的譜分析結(jié)果顯示， 重力儀沒有顯示很突出的譜峰， 地震儀則比較集中； 功率譜周期探測(cè)得到重力儀的卓越周期范圍為37.93—78.77s， 地震儀的為4.05—11.91 s． 對(duì)S波出現(xiàn)后4分鐘內(nèi)信號(hào)頻譜的分析結(jié)果表明， 重力儀信號(hào)周期仍為37.93—78.77 s， 地震儀的為6.65—21.79 s， 卓越周期也明顯變大（表4）．

斐濟(jì)群島MS6.7地震的同震波初至到時(shí)差重力儀仍滯后地震儀13 s． 因此通過同一天3個(gè)地震的對(duì)比， 可以確認(rèn)重力儀與地震儀的時(shí)鐘差約為13 s．

表4 泰安臺(tái)重力儀及地震儀功率譜峰值序列（斐濟(jì)群島MS6.7地震）Table 4 Sequences of power spectrum peak value of gravimeter and seismometer at Tai’an seismic station （Fiji Islands MS6.7 earthquake）

上述3個(gè)典型地震重力儀和地震儀的頻譜分析結(jié)果顯示， 對(duì)于近震、 遠(yuǎn)震、 深遠(yuǎn)震， 地震儀的卓越周期范圍由近震的0.30—6.24 s、 遠(yuǎn)震的2.29—8.53 s （P波）、 3.41—9.85 （S+P波）逐漸增加至遠(yuǎn)震的4.05—11.91 s （P波）、 6.65—21.79 s （S+P波）， 而重力儀的卓越周期范圍則由近震的2.64—11.34 s、 遠(yuǎn)震的2.42—7.11 s （P波）、 2.15—36.57 s （S+P波）逐漸增加至遠(yuǎn)震的37.93—78.77 s （P波和S+P波）．

由于重力儀為秒采樣， 故能檢測(cè)出頻率的上限， 即奈奎斯特頻率為fN/2=1/2Δt=0.5 Hz （2 s）， 但根據(jù)傅里葉譜分析原理， 從重力儀信號(hào)中不能檢測(cè)出周期小于2 s的高頻分量信號(hào)． 對(duì)比分析兩套儀器對(duì)地震波的響應(yīng)時(shí)間以及頻譜結(jié)構(gòu)可知， 對(duì)于周期很小的地方震及震級(jí)較小的近震， 其地震波周期一般小于1 s， 重力儀觀測(cè)記錄不到地震波； 而對(duì)于信號(hào)周期在1 s以上的振動(dòng)， 兩套儀器均有響應(yīng)， 只是由于儀器所設(shè)計(jì)的頻帶響應(yīng)不同， 寬頻帶地震儀較重力儀能夠更好地響應(yīng)高頻信號(hào)， 表現(xiàn)為： 對(duì)同一地震， 兩套儀器都有記錄， 但地震儀的卓越周期較重力儀的短； 從信號(hào)波譜能量分布情況（圖2）看， 地震儀信號(hào)能量比較集中， 而重力儀的波譜總體比較平坦， 在2 s—0 Hz范圍內(nèi)基本平均分布．

圖2 典型頻譜曲線

此外， 根據(jù)相關(guān)性分析， 泰安臺(tái)重力儀和地震儀記錄到的日本東北MS9.0地震的地震波在長(zhǎng)達(dá)660 s的時(shí)段內(nèi)， 相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.71， 說明兩套儀器對(duì)某些強(qiáng)遠(yuǎn)震的響應(yīng)有很好的同步性．

上述觀測(cè)結(jié)果表明， 重力儀不但能記錄低頻段形變過程， 如固體潮等， 還能記錄高頻率（周期1 s以上）的地形變信號(hào)， 包括地震波、 強(qiáng)對(duì)流擾動(dòng)等， 地震儀和重力儀對(duì)地殼形變信號(hào)的響應(yīng)有對(duì)應(yīng)性和可比性． 雖然兩套儀器信號(hào)能量集中的部分有所偏差（地震儀信號(hào)周期較?。?， 但從初始響應(yīng)水平分析， 對(duì)于周期在1 s以上的振動(dòng)信號(hào)， 兩套儀器均可同步響應(yīng)． 重力儀和地震儀對(duì)高頻信號(hào)同步響應(yīng)的這一特性可以為重力儀觀測(cè)中高頻異常性質(zhì)的判定提供物理指標(biāo)， 對(duì)重力儀工作狀態(tài)分析及地震異常認(rèn)識(shí)具有重要意義．

3 重力儀高頻異?，F(xiàn)象

泰安重力儀固體潮觀測(cè)背景上經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)間的臺(tái)階畸變（圖3）， 這些變化一般可持續(xù)幾秒至2分鐘， 表現(xiàn)為單調(diào)下降（或上升）， 其后固體潮仍平穩(wěn)地按正常固體潮軌跡發(fā)展， 幅度在幾到幾十微伽．

圖3 泰安重力儀2014年5月3日記錄到的重力臺(tái)階突跳畸變

由于重力儀記錄的這類階變、 突跳變化持續(xù)時(shí)間短促， 基于上述對(duì)重力儀高頻信號(hào)響應(yīng)能力的分析， 認(rèn)為對(duì)于1 s以上的地面運(yùn)動(dòng)信號(hào)， 地震儀與重力儀應(yīng)有同步響應(yīng)． 但對(duì)比泰安臺(tái)寬頻帶地震儀觀測(cè)， 發(fā)現(xiàn)泰安臺(tái)重力儀歷次記錄到階變突跳現(xiàn)象時(shí)， 地震儀卻沒有同步響應(yīng)． 故根據(jù)實(shí)際觀測(cè)情況分析認(rèn)為， 重力觀測(cè)中出現(xiàn)的階變突跳不是地殼運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)過程， 而是由于可能存在使儀器不穩(wěn)定的因素所致． 基于這樣的認(rèn)識(shí)， 臺(tái)站觀測(cè)員用吹風(fēng)機(jī)對(duì)重力儀信號(hào)線路進(jìn)行干燥處理并重新連接后， 階變突跳現(xiàn)象基本消除， 從而進(jìn)一步證實(shí)觀測(cè)中出現(xiàn)的階變突跳現(xiàn)象是儀器運(yùn)行不正常引起的， 而不是“高頻地震前兆異?！保?/p>

4 討論與認(rèn)識(shí)

本文通過對(duì)泰安地震臺(tái)LaCoste-PET重力儀與JCZ-1甚寬頻帶數(shù)字地震儀的地震波數(shù)據(jù)頻譜構(gòu)成對(duì)比分析表明， LaCoste-PET重力儀不但能反映低頻地球物理場(chǎng)的變化情況， 而且還能記錄高頻地殼運(yùn)動(dòng)變化， 對(duì)1 s以上的高頻地面運(yùn)動(dòng)有一定的響應(yīng)．

除周期很小的地方震（P波周期約0.05—0.2 s， S波周期約0.1—0.5 s）和震級(jí)較小、 地震波周期小于1 s的近震外， LaCoste-PET重力儀與JCZ-1甚寬頻帶數(shù)字地震儀對(duì)地震波的響應(yīng)幾乎同步， 對(duì)某些遠(yuǎn)震的波形記錄幾乎一致， 可以在重力儀曲線上清晰地分辨出各類體波和面波．

由于地震儀與重力儀的通帶范圍各有側(cè)重， JCZ-1甚寬頻帶數(shù)字地震儀設(shè)計(jì)選擇在20 Hz—360 s頻段對(duì)速度輸入響應(yīng)平坦， 在360 s--DC頻段對(duì)加速度輸入響應(yīng)平坦； 而關(guān)于重力固體潮觀測(cè)儀器的傳遞函數(shù)（蔣駿等， 2010）的研究表明， 其頻帶設(shè)計(jì)主旨對(duì)低頻信號(hào)響應(yīng)平坦． 觀測(cè)結(jié)果也表現(xiàn)為地震儀的譜能量向高頻方向集中， 而重力儀的頻譜分布平坦而且較地震儀響應(yīng)周期長(zhǎng)．

傳統(tǒng)的地震觀測(cè)主要服務(wù)于地震學(xué)， 提供了解地球內(nèi)部構(gòu)造和地震活動(dòng)性的各種地震參數(shù)， 而隨著形變學(xué)科觀測(cè)儀器性能的提高、 信息頻域的拓展以及寬頻帶地震儀的大范圍布設(shè)， 地震觀測(cè)也逐漸顯示了對(duì)形變學(xué)科的參考價(jià)值， 兩個(gè)學(xué)科正在形成相互滲透、 相互促進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)． 寬頻帶地震儀與重力儀對(duì)地殼高頻運(yùn)動(dòng)同步響應(yīng)的特性為辨析重力前兆異常提供了物理學(xué)判定指標(biāo)． 利用寬頻帶地震儀觀測(cè)數(shù)據(jù)分析重力高頻信號(hào)響應(yīng)特征的方法， 還可以應(yīng)用到其它形變固體潮觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析中， 如傾斜、 應(yīng)變觀測(cè)等； 可以修正、 完善和提高對(duì)地震前兆現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)， 是準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)形變異常性質(zhì)以及把握震情的有效技術(shù)途徑．

審稿專家對(duì)本文提出了詳盡的修改意見和建議， 在此深表謝意！

蔡亞先， 呂永清， 周云耀， 程駿玲， 邵中明， 王惠群. 1995. JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)[J]. 地殼形變與地震， 15（3）: 1--8.

Cai Y X， Lü Y Q， Zhou Y Y， Cheng J L， Shao Z M， Wang H Q. JCZ-1 ultra broadband seismometer[J].CrustalDeformationandEarthquake， 15（3）: 1--8 （in Chinese）.

傅淑芳， 劉定誠(chéng). 1991. 地震學(xué)教程[M]. 北京: 地震出版社: 410--480.

Fu S F， Liu D C. 1991.ACourseinSeismology[M]. Beijing: Seismological Press: 410--480 （in Chinese）.

郝曉光， 胡小剛， 許厚澤， 鐘敏， 方劍， 郝興華， 劉明， 劉根友， 薛懷平. 2008. 汶川大地震前的重力擾動(dòng)[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)， 28（3）: 129--131.

Hao X G， Hu X G， Hsu H T， Zhong M， Fang J， Hao X H， Liu M， Liu G Y， Xue H P. 2008. Gravity disturbance before WenchuanMS8.0 earthquake[J].CrustalDeformationandEarthquake， 28（3）: 129--131 （in Chinese）.

郝曉光， 胡小剛. 2011. “震前擾動(dòng)”現(xiàn)象: 從模糊走向清晰: 與傅容珊教授商榷[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 26（6）: 2255--2261.

Hao X G， Hu X G. 2011. Pre-earthquake-tremor maze， from confusing to gradually crystal: Answer to the comment by Professor Fu Rongshan on “The short-term anomalies detected by broadband seismographs before the May 12 Wenchuan earthquake， Sichuan， China”[J].ProgressinGeophysics， 26（6）: 2255--2261 （in Chinese）.

胡小剛， 郝曉光. 2009. 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)汶川大地震和昆侖山大地震“震前擾動(dòng)”影響的分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 52（5）: 1363--1375.

Hu X G， Hao X G. 2009. An analysis of the influences of typhoon on anomalous tremors before the great Wenchuan and Kunlunshan earthquakes[J].ChineseJournalofGeophysics， 52（5）: 1363--1375 （in Chinese）.

胡小剛， 郝曉光， 薛秀秀. 2010. 汶川大地震前非臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)現(xiàn)象的研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 53（12）: 2875--2886.

Hu X G， Hao X G， Xue X X. 2010. The analysis of the non-typhoon-induced microseisms before the 2008 Wenchuan earthquake[J].ChineseJournalofGeophysics， 53（12）: 2875--2886 （in Chinese）.

蔣駿， 陳德璁， 林鋼， 張雁濱， 馬曉飛， 李暢. 2010. DZW重力儀和VS-1傾斜儀的傳遞函數(shù)與響應(yīng)特征[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)， 33（3）: 151--155.

Jiang J， Chen D C， Lin G， Zhang Y B， Ma X F， Li C. 2010. Transfer function and responses of DZW gravimeter and VS-1 tiltmeter[J].JournalofGeodesyandGeodynamics， 33（3）: 151--155 （in Chinese）

蔣駿， 張雁濱， 林鋼， 陳德璁， 李暢， 張?jiān)迄i， 馬曉飛， 萬(wàn)曉輝. 2012. 固體潮觀測(cè)中的震顫異常波[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 55（2）: 462--471.

Jiang J， Zhang Y B， Lin G， Chen D C， Li C， Zhang Y P， Ma X F， Wan X H. 2012. The tidal instruments recorded abnormal tremor wave[J].ChineseJournalofGeophysics， 55（2）: 462--471 （in Chinese）.

聶仁奇， 章傳銀， 秘金鐘. 2012. 超導(dǎo)重力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)分析[J]. 全球定位系統(tǒng)， 37（1）: 35--38.

Nie R Q， Zhang C Y， Bi J Z. 2012. Analysis of superconducting gravimeter observations[J].GNSSWorldofChina， 37（1）: 35--38 （in Chinese）.

王林松， 陳超， 梁青， 王秋革. 2012. 東日本大地震重力信號(hào)同震響應(yīng)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào): 信息科學(xué)版， 37（1）: 35--38.

Wang L S， Chen C， Liang Q， Wang Q G. 2012. Coseismic response to gravity signals of the great earthquake in east Japan[J].GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity， 37（1）: 35--38 （in Chinese）.

王梅， 季愛東， 鄭建常. 2009. 臺(tái)風(fēng)引起的重力擾動(dòng)現(xiàn)象[J]. 地震學(xué)報(bào)， 31（6）: 641--649.

Wang M， Ji A D， Zheng J C. 2009. Gravity disturbance caused by typhoon[J].ActaSeismologicaSinica， 31（6）: 641--649 （in Chinese）.

王梅， 季愛東， 曲同磊， 徐長(zhǎng)朋， 王鵬， 佟瑞清. 2014. 泰安地震臺(tái)重力擾動(dòng)現(xiàn)象研究[J]. 地震學(xué)報(bào)， 36（3）: 443--451.

Wang M， Ji A D， Qu T L， Xu C P， Wang P， Tong R Q. 2014. Gravity disturbances of Tai’an seismic station[J].ActaSeismologicaSinica， 36（3）: 443--451 （in Chinese）.

張雁濱， 蔣駿， 李才媛， 唐焱， 朱健， 徐銳. 2013. 昆侖山強(qiáng)震前的震顫波并非源自慢地震[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 56（3）: 869--877.

Zhang Y B， Jiang J， Li C Y， Tang Y， Zhu J， Xu R. 2013. The tremor wave before the Kunlun strong earthquake is not slow earthquake event[J].ChineseJournalofGeophysics， 56（3）: 869--877 （in Chinese）.

鄭治真. 1979. 波譜分析基礎(chǔ)[M]. 北京: 地震出版社: 207--232.

Zheng Z Z. 1979.BasicCourseinSpectrumAnalysis[J]. Beijing: Seismological Press: 207--232 .

Analysis of high-frequency signal recorded by gravimeter and broadband seismometer and its application to anomaly identification

（EarthquakeAdministrationofShandongProvince，Ji’nan250014，China）

Taking the Tohoku, Japan,MS9.0 earthquake on March 11， 2011， and three typical earthquakes （near earthquake， teleseism， distant deep-focus earthquake） on 23 November 2013， for examples， the coseismic responses of JCZ-1 broadband digital seismometer and LaCoste-PET gravimeter were analyzed by means of frequency spectrum. Since the response range of design frequency for the two types of instruments are different， their signal acquisition capabilities and the signal spectral distribution are different. The predominant periods of seismometer are smaller than that of gravimeter. However， they still show well corresponding and comparability in response to the high-frequency crustal deformation signals. They response synchronously to those high-frequency seismic waves with period more than 1 s， and they have good consistence for teleseism wave recording. The characteristics of synchronous response to high-frequency crustal deformation signals recorded by gravimeter and broadband seismometer provide physics index for those high-frequency anomalies occurred in gravity observation， which is significant to identification of earthquake precursors probably appeared in deformation observation.

gravimeter； broadband seismometer； seismic wave； frequency spectrum analysis; anomaly identification

10.11939/jass.2015.03.010.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAK19B04-01）和山東省地震局重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目（JJ1201）聯(lián)合資助.

2014-07-14收到初稿， 2015-01-03決定采用修改稿.

e-mail: wm@eqsd.gov.cn

10.11939/jass.2015.03.010

P315.3+1

A

王梅, 季愛東, 徐長(zhǎng)朋, 王鵬, 曲同磊, 張明. 2015. 重力儀與寬頻帶地震儀地震波信號(hào)分析及其在異常判定中的應(yīng)用. 地震學(xué)報(bào), 37（3）: 473--481.

Wang M, Ji A D, Xu C P, Wang P, Qu T L, Zhang M. 2015. Analysis of high-frequency signal recorded by gravimeter and broadband seismometer and its application to anomaly identification.ActaSeismologicaSinica, 37（3）: 473--481. doi:10.11939/jass.2015.03.010.