蒙城野外站不同頻帶地震計性能評價

張明明，楊駿，曾憲軍，陳俊，應允翔，汪繼林

(安徽省地震局蒙城地震臺，安徽蒙城 233527)

蒙城野外站不同頻帶地震計性能評價

張明明，楊駿，曾憲軍，陳俊，應允翔，汪繼林

(安徽省地震局蒙城地震臺，安徽蒙城 233527)

通過對蒙城野外站FSS-3M、FBS-3A、BBVS-60、BBVS120與JCZ-1T 5套地震計系統(tǒng)記錄臺基噪聲功率譜密度計算，并通過對儀器系統(tǒng)記錄的典型地震震相分析，比較幾種不同頻帶地震計系統(tǒng)的性能差異及記錄地震事件的優(yōu)越性，為野外站地震記錄震相分析、儀器維護、地震速報等提供有力的數(shù)據(jù)支持，具有深遠的現(xiàn)實意義。

不同頻帶；噪聲功率譜密度；震相分析

0 引 言

蒙城地震臺作為107個國家基本數(shù)字地震臺之一，于1997年底開始建設數(shù)字地震觀測系統(tǒng)，并于2001年1月1日正式運行。經(jīng)過“九五”、“十五”改造和蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站的建設，蒙城地震臺數(shù)字化測震手段相繼增上FBS-3A寬頻帶地震儀、BBVS-60寬頻帶地震儀、BBVS-120甚寬頻帶地震儀、FSS-3M 短周期地震儀、JCZ-1T超寬頻地震儀(包括速度通道和加速度通道)，基本達到全頻帶觀測。在實際運行中發(fā)現(xiàn)，不同觀測系統(tǒng)在記錄不同類型地震事件時，地震波震相存在差異。為此，由記錄數(shù)據(jù)對五套觀測系統(tǒng)性能一致性進行分析，通過在同一臺基上5套地震計記錄的地動噪聲功率譜

分析，選取典型地震記錄波形進行對比，分析差異存在的主要原因，這將為蒙城野外科學觀測研究站資料分析、地震速報等方面提供有力數(shù)據(jù)支持。

1 觀測條件與儀器系統(tǒng)參數(shù)

蒙城地震臺位于安徽省西北部，著名的郯廬斷裂帶位于臺站西側約140 km，北西向的渦河斷裂帶從臺站東南側通過，海拔高程54 m，臺基主要是震旦紀沙巖及第四紀覆蓋層，有大量基巖出露。測震擺房內年溫差在5℃，相對濕度為50%。五套地震計放置在同一擺墩上，系統(tǒng)工作的外環(huán)境基本相同，故可以通過記錄的波形數(shù)據(jù)對五套觀測系統(tǒng)的性能一致性進行對比觀測。用于對比觀測的5套地震觀測系統(tǒng)的主要技術參數(shù)見表1。

表1 蒙城地震臺地震觀測系統(tǒng)主要技術參數(shù)

2 地動噪聲功率譜對比分析

2.1 地動噪聲功率譜計算方法

經(jīng)典功率譜估計是以離散傅里葉變換(DFT)為基礎的算法[1]。若通過對序列x(n)進行FFT計算來估計x(n)的功率譜，則稱之為周期圖法。周期圖法譜估計的波動比較大，增大序列長度N可改善頻率分辨力，但無助于減小波動。由Peter D welsh 提出的改進周期圖法有效減小譜估計的波動，獲得較為廣泛的應用，Welsh方法的基本原理是：將輸入數(shù)據(jù)序列分段，每段之間部分重疊，分別求出每段的譜估計，計算譜估計時使用窗函數(shù)，最后對各段數(shù)據(jù)的譜估計求平均作為最終結果。

Matlab中使用Welsh方法計算功率譜的函數(shù)是pwelsh，本文使用pwelsh函數(shù)計算地動噪聲功率譜。

2.2 同一臺基地動噪聲功率譜分析

計算臺基地動噪聲功率譜可以很好的反映臺站各頻段臺基噪聲水平，然而，在臺站臺基噪聲水平不變的情況下，由于儀器噪聲的影響，計算結果與所使用地震計及數(shù)據(jù)采集器有很大關系，使用不同地震計或數(shù)據(jù)采集器的地震觀測系統(tǒng)計算得到的地動噪聲功率譜也不相同。因此，在數(shù)據(jù)采集器完全相同的情況下，通過計算、對比5套觀測系統(tǒng)的地動噪聲功率譜，可以得到這5類地震計之間的某些差別[2]。

蒙城地震臺5套地震計的數(shù)據(jù)采集器型號一致，為排除季節(jié)變化可能對觀測系統(tǒng)造成的影響，本課題選取同一臺基上春、夏、秋、冬4個季節(jié)具有代表性的某一天5套地震計同一時段的連續(xù)地動波形數(shù)據(jù)進行分析，選取的時間為2015年3月10日、6月25日、9月30日、12月21日00時～04時凌晨無較大干擾、無地震事件的4個小時垂直向的連續(xù)地動數(shù)據(jù)進行地動噪聲功率譜密度值計算，將同一天5套儀器的計算結果用Matlab繪制在同一張圖上，便于對比分析，見圖1。

圖1 4個季節(jié)噪聲功率譜密度變化曲線

3 不同頻帶地震計記錄波形對比

分別利用FSS-3M、FBS-3A、BBVS-6O、BBVS-120和JCZ-1T觀測系統(tǒng)記錄的典型近震和遠震波形進行對比，分析不同頻帶地震計的觀測特點和優(yōu)越性。

3.1 對于近震波形的對比

由于篇幅有限，本文只選取了5套儀器在垂直向的原始波形進行對比。圖2為不同頻帶地震計記錄2O15年3月23日安徽阜陽Ms3.6級地震(Δ=74.11 km)的原始波形，利用Msdp交互分析軟件，標出Pg和Sg波震相位置，見圖2。

圖2 5套地震計記錄的地方震波形

從圖2可知，5套儀器記錄近震震相Pg和Sg到時相互之間誤差不到1秒，P波初動和S波初動方向一致，各項參數(shù)基本相同，波形一致性較好。這是由于近震記錄的頻帶范圍一般在0.1 Hz～10 Hz之間，5套儀器在此觀測頻帶范圍內均可以記錄到清晰的震相。從圖2可以看到，BBVS-60地震計記錄的波形出現(xiàn)短時丟包現(xiàn)象，經(jīng)工作人員分析排查發(fā)現(xiàn)，造成此現(xiàn)象的原因是BBVS-60地震計的穩(wěn)壓電源工作時間較久，元器件出現(xiàn)老化，在記錄震級較大的近震時，電源電壓不穩(wěn)定，造成橫波波列短時斷記，更換穩(wěn)壓電源后，系統(tǒng)工作正常。

3.2 對于遠震波形的對比

對于震中距超過1 000 km的遠震，面波觀測頻帶超出短周期地震計帶寬，在記錄中無法看到面波波形。而寬頻帶與超寬頻帶的波形對比差異主要體現(xiàn)在“影區(qū)”地震上。由于上地幔低速層的影響，使地震震相的走時曲線出現(xiàn)間斷，蒙城地震臺數(shù)字化記錄大約在8°～18°范圍內，即使是6級以上地震，多數(shù)情況下P波起始微弱，S波震相記錄不清楚[3]。然而，JCZ-1T地震儀的加速度通道卻能記錄到比較清晰的P、S震相。圖3a和圖3b分別是寬頻帶地震儀FBS-3A與超寬頻帶地震儀JCZ-1T的加速度通道和在垂直方向記錄到的2016年2月2日臺灣地震(Δ=10.2°)，處在“影區(qū)”范圍內，可以看出JCZ-1T記錄的P、S震相較FBS-3A清晰可辨。因此在日常工作中，分析此區(qū)域地震的時候，結合JCZ-1T超寬頻帶地震計的加速度通道記錄波形，可以更準確有效的確定主要震相，提高地震分析精度。

圖3 FBS-3A及JCZ-1T在UD方向記錄的臺灣地震

4 結 論

(1)通過對蒙城野外站5種不同頻帶地震計系統(tǒng)臺基噪聲功率譜計算，與儀器系統(tǒng)記錄的典型地震震相分析發(fā)現(xiàn)：5套地震計記錄的地動噪聲功率譜密度在不同時段的變化形態(tài)具有較好的一致性，不會隨著季節(jié)變化出現(xiàn)大的波動。5套儀器在低頻端噪聲水平較低，差異性不大，短周期地震計FSS-3M在高頻段整體噪聲水平高于其他寬頻帶地震計，BBVS-120地震計噪聲功率譜密度曲線變化趨勢平緩，整體噪聲水平較小，長期工作穩(wěn)定性較好，可作為日常資料分析和速報的主觀測儀器。

(2)對于大部分近震的波形記錄，短周期、寬頻帶、甚寬頻帶和超寬頻帶地震計一致性比較好，差別不大；對于遠震，由于面波觀測頻帶超出短周期地震計(FSS-3M)帶寬，記錄中無法看到面波波形；寬頻帶與超寬頻帶的波形對比差異主要體現(xiàn)在“影區(qū)”地震上，超寬頻帶地震計JCZ-1T加速度通道記錄影區(qū)地震波形優(yōu)于寬頻帶地震計FBS-3A、BBVS-6O、BBVS-120。因此在分析“影區(qū)”地震的時候，結合JCZ-1T超寬頻帶地震計的加速度通道記錄波形，可以更準確有效的確定主要震相，提高地震分析精度。

(3)蒙城野外站不同頻帶地震觀測系統(tǒng)同時觀測，使得臺站不論對于地方震、近震、遠震都有比較好的監(jiān)測能力，基本實現(xiàn)了全頻帶觀測。充分利用不同頻帶地震計的性能特點，可以更好的提高地震分析精度，并且在觀測頻帶范圍內盡可能確保所記錄地震信號頻率的完整性，進一步保證了野外站數(shù)字化記錄的觀測質量。

[1] 任梟,劉瑞豐,梁建宏,等．國家數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站地動噪聲功率譜分析[J]．地震地磁觀測與研究,2004,25(1):23-26.

[2] 段天山，袁順．BBVS-60、CMG-3ESPC型地震計工作參數(shù)對比分析[J]．地震地磁觀測與研究,2011,32(5):109-114.

[3] 張娟,陳海博,張有林,等．不同頻帶數(shù)字化測震對比[J]．地震地磁觀測與研究.2011,32(1):39-47.

PERFORMANCE EVALUATION OF MENGCHENG SEISMOMETER FIELD STATION IN DIFFERENT FREQUENCY BANDS

ZHANG Mingming, YANG Jun, ZENG Xianjun, CHEN Jun, YING Yunxiang, WANG Jilin

(MengchengSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfAnhuiProvince,Mengcheng233527,China)

The noise power spectral density is calculated by the FSS-3M, FBS-3A, BBVS-60, BBVS120 and JCZ-1T five sets seismometer recording system in Mengcheng field station, the typical earthquake phases recorded by those seismometers are analyzed.Their differences and advantages are compared,and the results are references for seismic phases analysis, instrument maintenance and earthquake quick report and other data analysis.

Different frequency bands; Noise power spectral density; Seismic phase analysis

2016-03-10

安徽省地震局合同制課題基金項目(項目編號：201532)資助。

張明明(1991— )，男，安徽宿州人，助理工程師，現(xiàn)主要從事臺站測震、電磁觀測方面的工作。 E-mail：670563395@qq．com。

P315-39

A

1005-586X(2016)04-0055-04