河北區(qū)域VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀同震響應分析
——以2019年河北唐山M4.5地震為例

王嘉琦，楊東輝，常玉柱，郭亞亞

(河北省地震局承德地震監(jiān)測中心站，河北 承德 067000)

0 引言

地殼運動是地震產(chǎn)生過程中最直接的現(xiàn)象，其定量特征通常反應在地殼形變上[1]。應用數(shù)字化地傾斜儀可觀測到地震的同震形變波，地震破裂及傳播中的部分信息通常包含在同震形變波中，因此，對同震信息的分析是一種認識短臨前兆的重要方法[2]。地傾斜觀測儀器包括垂直擺傾斜儀與水管傾斜儀，能對地面的傾斜變化進行連續(xù)測量，為地震研究提供實測數(shù)據(jù)[3]。垂直擺傾斜儀主要分寬頻帶VP垂直擺傾斜儀和VS垂直擺傾斜儀兩種。相較于VS垂直擺傾斜儀，VP寬頻帶傾斜儀在采樣率、頻帶寬度方面有較大提升，采樣率為1 s[4]。由于各臺站地質(zhì)構造背景的差異性，表現(xiàn)出對地震信號的響應各有特征，研究不同臺站對同一地震的同震響應具有重要意義。

該文以河北區(qū)域6套VP垂直擺傾斜儀記錄的2019年12月5日河北唐山M4.5地震波信號為例，進行同震響應分析。從同震響應特征、最大響應幅度與震中距的關系、最大振幅和震級關系等方面進行分析[5-6]，采用功率譜密度(PSD)分析法對觀測數(shù)據(jù)同震響應的PSD分布進行分析，為VP型寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)同震研究提供借鑒。

1 地質(zhì)構造背景及資料選取

“十五”項目以來，河北省各前兆臺站先后架設7套VP型垂直擺，布設臺站主要沿張家口-渤海斷裂帶分布在河北省北部地區(qū)(見第29頁圖1)，分別為懷來臺、張家口臺、赤城臺、易縣臺、承德臺、豐寧臺、寬城臺，各臺站情況如表1所示[7-9]。自運行觀測以來，各臺站VP垂直擺觀測精度較高，運行率均在99%以上。以2019年12月5日河北唐山豐南(118.04°E，39.31°N)M4.5地震為例，將河北省內(nèi)6套VP垂直擺EW分量當天的秒數(shù)據(jù)作為研究對象，對地震前后4 h的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行分析。

表1 臺站信息表Table 1 Station information table

圖1 臺站分布圖Fig.1 Distribution map of stations

2 方法原理

2.1 功率譜密度PSD

設信號為x(j)，j=1,2,…,n,Δt為采樣間隔，N為采樣點總數(shù)，則信號的PSD為：

(1)

一定頻率范圍內(nèi)的平均功率譜密度為：

(2)

式中：i為虛數(shù)單位；k1和k2分別為所選取頻率范圍的上限和下限;M為選取頻率范圍內(nèi)的采樣點數(shù)[11]。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

形變觀測數(shù)據(jù)一般由固體潮、線性趨勢和背景噪聲三部分組成，地脈動信號主要集中在兩個頻率范圍內(nèi)，0.03～0.1 Hz為第一類地脈動，0.1～0.25 Hz為第二類地脈動[12]。VP垂直擺的采樣率為1 s，PSD結果能反映到0.5 Hz，清晰記錄到兩類地脈動信號，且第二類地脈動噪聲的能量較第一類大?？鄢腆w潮信息和線性趨勢后，長周期頻段的功率譜大大降低，其他頻段功率譜基本不受影響[13]。先對觀測數(shù)據(jù)進行預處理，去掉線性趨勢及固體潮，為保留低頻信息，下文所用數(shù)據(jù)均只去掉固體潮。為減少計算過程中的“頻譜泄露”效應，將選取的觀測數(shù)據(jù)劃分為1 h的數(shù)據(jù)段，再將1 h的連續(xù)數(shù)據(jù)劃分為4個小數(shù)據(jù)段，每段的PSD采用FFT求得，分別計算每段的PSD，即得到所選取的PSD結果，將所得結果做時頻圖(見圖2)，即可獲得選取時段內(nèi)觀測數(shù)據(jù)功率譜密度隨時間的分布特征。

3 結果分析

3.1 同震響應特征分析

以河北區(qū)域內(nèi)6套VP垂直擺記錄的2019年12月5日河北唐山豐南M4.5地震EW分量觀測數(shù)據(jù)為研究樣本進行對比，發(fā)現(xiàn)對于同一地震，不同臺站的地傾斜儀響應不同，結果如第30頁表2所示。下面從四方面對同震響應進行分析。

表2 同震響應參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of parameters of co-seismic response

(1)地震響應幅度。除易縣臺外，同震響應幅度隨著震中距增大而減小。

(2)地震響應延遲時間。表現(xiàn)出隨震中距增加響應延遲時間增長。

(3)地震響應持續(xù)時間。表現(xiàn)出隨震中距增加響應持續(xù)時間增長。

(4)同震階變特征上。除承德臺、張家口臺上升外，其余各臺均下降，應與選取分量方向及所處斷裂有關(見圖2)。

圖2 VP垂直擺EW向秒采樣數(shù)據(jù)Fig.2 VP vertical pendulum EW second sampling data

圖3 VP垂直擺同震響應PSD結果Fig.3 PSDresultsofVPverticalpendulumco-seismicresponse圖4 VP垂直擺同震響應時頻圖Fig.4 Time-frequencydiagramofco-seismicresponseofVPverticalpendulum

3.2 功率譜密度

功率譜密度分析是用于信號處理較成熟的方法之一，對垂直擺傾斜儀來說，分鐘采樣數(shù)據(jù)的PSD結果最大能反映8.3 mHz的PSD分布，秒采樣PSD結果能反映到0.5 Hz。對于分鐘和秒采樣觀測數(shù)據(jù)，垂直擺傾斜儀可觀測到震擾時各頻段的噪聲信號。

選取VP垂直擺EW分量2019年12月5日地震前后4 h的數(shù)據(jù)進行分析，各臺PSD結果如第30頁圖3所示。可以看出，各臺站VP垂直擺均清晰記錄到兩類地脈動噪聲，曲線形態(tài)穩(wěn)定一致，表明各臺站VP垂直擺記錄的信號具有一致性；各臺站地震時段PSD結果增大，具體表現(xiàn)為在低頻段10-3～10-1Hz范圍內(nèi)明顯增大，在高頻段0.1～0.5 Hz范圍也有增大現(xiàn)象，增大幅度較弱；各臺站地震時段PSD結果最大值基本出現(xiàn)在10-2Hz左右，且PSD結果最大值隨震中距增加逐漸減小，最大值為寬城臺25.74 dB/Hz。圖4為各臺站地震時段PSD結果時頻圖，可以看出，地震波影響時段出現(xiàn)縱向帶狀區(qū)域，地震信息主要集中在0～0.15 Hz。由低頻到高頻，帶狀區(qū)域逐漸變窄。各臺站VP垂直擺的頻譜在時間-頻率上有較好的一致性。

4 結語

綜合以上分析，河北區(qū)域內(nèi)6套VP垂直擺傾斜儀均記錄到同震響應，表現(xiàn)良好，時間序列與地震記錄有較好的一致性。對比不同臺站VP型垂直擺傾斜儀對同一震例的響應幅度看出，除易縣臺外，其余臺站同震響應幅度與震中距呈負相關；地震響應延遲時間與震中距呈正相關；地震響應持續(xù)時間與震中距呈正相關。由PSD結果可知，地震信息主要集中在0～0.15 Hz，各臺站地震時段PSD結果增大，最大值隨震中距增加逐漸減小，各臺站VP垂直擺的頻譜在時間-頻率上有較好的一致性。