西安臺(tái)PET重力儀與CTS地震儀記錄地震波信號(hào)特征分析＊

陳冬柏

（陜西省地震局，陜西 西安 710068）

1 觀測(cè)及儀器情況簡(jiǎn)介

西安臺(tái)位于秦嶺北麓，海拔高度630 m，臺(tái)基巖性為前震旦紀(jì)片麻狀花崗巖，是陜西省內(nèi)唯一一個(gè)同時(shí)具有重力儀和多種地震儀觀測(cè)的臺(tái)站。

西安臺(tái)目前運(yùn)行的重力儀為PET型便攜式相對(duì)固體潮重力儀，儀器位于臺(tái)站的重力觀測(cè)山洞，洞內(nèi)年溫差變化小于1.0℃，日溫差小于0.1℃，洞頂無高大樹木覆蓋，記錄曲線穩(wěn)定性好，基本不受周圍環(huán)境和氣象因素影響，全年曲線趨勢(shì)基本良好，潮汐變化明顯，不僅能夠清晰記錄每日的潮汐變化，而且對(duì)每月的兩個(gè)大小潮也能夠清晰記錄。

2 地震選取與重力非潮汐量的提取

2.1 地震選取

為了分析PET重力儀記錄地震特征，選取2018-01-23阿拉斯加灣8.0級(jí)地震作為研究對(duì)象，選取的地震信息如表1所示。

表1 選取地震信息表

2.2 重力非潮汐量的提取

重力非潮汐量公式如下：

即從原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中減去潮汐分量、大氣負(fù)荷效應(yīng)、漂移項(xiàng)和重力殘差得到重力非潮汐量或同震信號(hào)。

3 計(jì)算與分析

3.1 事件波形及頻率特征

西安臺(tái)重力儀和地震儀記錄到的波形如圖1所示。從圖1可以看出，對(duì)于本次的遠(yuǎn)震記錄，兩種儀器的記錄特征基本相似，重力儀的P波、面波均略先到達(dá)臺(tái)站，地震儀記錄的S波比重力儀記錄的要清晰；振幅方面，重力儀P波的振幅較小，而到面波時(shí)，重力儀記錄的振幅要比地震儀記錄的大。

在圖1中，重力儀記錄的頻帶范圍要小于地震儀，這與兩種儀器特性相吻合。從圖1中也可看出，重力儀記錄的信息主要集中在0.15 Hz以內(nèi)，并且應(yīng)該對(duì)應(yīng)的面波或自由振動(dòng)的信息，而地震儀的記錄則在0.25 Hz以內(nèi)均有記錄，并且在0.2 Hz時(shí)頻率幅值出現(xiàn)第二次小峰值，應(yīng)該是P波對(duì)應(yīng)震相。由此，可初步得出結(jié)論：對(duì)于遠(yuǎn)震，地震儀對(duì)高頻信息的記錄要比重力儀敏感，重力儀記錄的波形特征雖然不如地震儀那樣多數(shù)震相清晰可辨，但對(duì)一些高頻震相仍然可以較好識(shí)別。

圖1 2018-01-23阿拉斯加灣8.0級(jí)地震事件波形

兩種儀器記錄波形的頻譜特征如圖2所示。

圖2 兩種儀器記錄波形的頻譜特征

3.2 EMD分解與重構(gòu)

根據(jù)HHT方法對(duì)本次地震兩種儀器記錄的波形進(jìn)行EMD分解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于重力數(shù)據(jù)，IMF1-IMF3與原波形特征對(duì)應(yīng)較好，但從IMF4起，波形的長周期成份開始變多，而類似分析對(duì)地震儀是從IMF5開始出現(xiàn)長周期分量。

為了得到更加精確的信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，即選取EMD分解中的前4項(xiàng)分量進(jìn)行重組，得到一個(gè)新信號(hào)，如圖3所示。

可以發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)信號(hào)基本能夠復(fù)原原信號(hào)的特征，并且將原信號(hào)中的一些長周期信號(hào)進(jìn)行了剔除，這些長周期信號(hào)多與人類活動(dòng)相關(guān)。在以下的計(jì)算中，均采用重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

4 結(jié)論

本研究通過選取5個(gè)距離西安臺(tái)震中距相差較大的地震，在對(duì)重力儀和地震儀垂直向數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，通過在時(shí)域和頻域?qū)τ^測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：①通過對(duì)比地震儀和重力記錄的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)重力儀基本能夠準(zhǔn)確記錄地震信號(hào)，特別是對(duì)信號(hào)的P波段、面波段能夠較真實(shí)的記錄；②通過頻譜分析，對(duì)于兩種儀器記錄的近震信號(hào)，在低頻處有一定相似性，但在高頻部分，地震儀明顯優(yōu)于重力儀。

因此，對(duì)于目前秒采樣的重力儀，對(duì)一些地震的信息可以較好的記錄，特別是對(duì)遠(yuǎn)震記錄較好，此時(shí)的P波清晰，能夠真實(shí)反映震源的信息。但對(duì)于震中距較小的地震，由于這類地震高頻信息較多，而重力儀的采樣率和頻帶寬度限制了其記錄能力，無法完整記錄震源信息。