地震計與垂直擺傾斜儀同點觀測數(shù)據(jù)對比

崔慶谷 方 偉 黨文杰 陳 麗

1 云南省地震局,昆明市北辰大道148號,650224

地震計和傾斜儀是地震觀測中的重要儀器,既可檢測到無震時的構(gòu)造變動,也可記錄到地震引發(fā)的地面運動。其中,傾斜儀可記錄到完整的遠(yuǎn)震面波,超寬頻帶地震計可檢測到完整的固體潮汐信號[1-2]。但任何觀測手段都會不可避免地受到各種干擾的影響。當(dāng)目標(biāo)信號的強度較弱或觀測環(huán)境較差時,地震波和前兆信號都可能被噪聲湮沒而無法識別,只有當(dāng)信號的強度大于噪聲或信號的周期與噪聲相比存在較大差異時,目標(biāo)信號才能從背景噪聲中被識別出來。

為探討不同觀測手段在同一觀測點的效果,本文將垂直擺傾斜儀和地震計連接到同一數(shù)據(jù)采集器開展觀測,以背景噪聲包絡(luò)幅值為標(biāo)準(zhǔn)對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一量化,計算2組數(shù)據(jù)的振幅譜并進(jìn)行對比,最后利用背景噪聲、天然地震及固體潮汐信號對2種儀器的觀測效果進(jìn)行測試。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 實驗方案

將VP垂直擺傾斜儀(簡稱垂直擺)與GL-S60寬頻帶地震計(簡稱地震計)連接到同一數(shù)據(jù)采集器EDAS-GN上開展對比觀測(圖1),數(shù)據(jù)采集器的所有參數(shù)設(shè)置完全相同,并用相同的數(shù)據(jù)接收存儲軟件存儲數(shù)據(jù),采樣率為20 Hz。

圖1 儀器連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of instruments connection

對于傾斜類信號,垂直擺的響應(yīng)通帶約為[DC,60 s],過渡帶的截止頻率可達(dá)2 Hz,但信號在過渡帶上幅度衰減達(dá)到4個數(shù)量級,該頻帶內(nèi)的幅度大為減弱[3]。對于地面水平運動信號,地震計的響應(yīng)通帶約為[60 s,10 Hz], 過渡帶為[80 s,60 s][4]。

本文垂直擺的通帶只針對傾斜類信號,地震計的響應(yīng)通帶只針對地面水平運動信號。而實際地殼運動既有傾斜運動也有水平運動,還有介質(zhì)的擠壓變形,是多種運動形式的綜合。垂直擺不僅能夠檢測到傾斜運動,同時也對地面水平運動有響應(yīng);地震計不僅能夠檢測到地面水平運動,同時也對地面傾斜信號有響應(yīng)。因此,本文給出的響應(yīng)通帶只適用于某一類目標(biāo)信號,對其他信號并不適用。

數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理流程為:傳感器輸出的模擬信號先經(jīng)過放大器和模擬低通濾波器進(jìn)行預(yù)處理,然后進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,最后對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理和編碼,得到最終的數(shù)字信號。采集器中的濾波器通頻帶覆蓋了直流DC～1/2采樣率之間的頻帶[5],原則上不會影響垂直擺輸出信號。另外,在開展對比實驗的云龍地震綜合觀測站有一套完整的地傾斜觀測系統(tǒng),該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器與垂直擺配套,可用于檢驗實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

截取2019-07-08～09垂直擺和地震計EW向時程曲線(圖2)。可以看出,2種數(shù)據(jù)在低頻長周期段存在較大差異,垂直擺數(shù)據(jù)中有清晰的固體潮汐信號,而地震計數(shù)據(jù)中無固體潮汐信號。

圖2 垂直擺和地震計EW向時程曲線Fig.2 Time-history curves of vertical pendulum and seismometer at EW direction

圖2中2種記錄數(shù)據(jù)的背景噪聲和地震事件是共有信號,噪聲包絡(luò)的幅度限制了最小可識別信號。由于觀測數(shù)據(jù)所代表的物理量不同,在未經(jīng)處理的情況下,不同觀測數(shù)據(jù)之間沒有可比性,但可用信號與噪聲的比例關(guān)系檢測觀測效果。如果將其中一組數(shù)據(jù)乘以某個常數(shù),使2組數(shù)據(jù)的背景噪聲包絡(luò)幅度均值相等,則數(shù)據(jù)中信號的強度差異就能代表2種數(shù)據(jù)觀測效果的差異,本文將這一過程定義為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一量化。

1.2 數(shù)據(jù)的統(tǒng)一量化

假設(shè)2組觀測數(shù)據(jù)x(t)、y(t)由平穩(wěn)的背景噪聲和信號組成:

x(t)=n1(t)+s1(t)

(1)

y(t)=n2(t)+s2(t)

(2)

式中,n1(t)、n2(t)為同點噪聲的不同記錄;s1(t)、s2(t)為同一信號的不同記錄。將記錄數(shù)據(jù)x(t)乘以比例系數(shù)k變?yōu)閗x(t)=kn1(t)+ks1(t),使2組數(shù)據(jù)背景噪聲kn1(t)、n2(t)的包絡(luò)幅度均值相等。此時,若s2(t)>ks1(t),第2組數(shù)據(jù)y(t)中目標(biāo)信號的強度必然大于第1組數(shù)據(jù)x(t)中的信號強度,即對該目標(biāo)信號而言,第2組數(shù)據(jù)的觀測效果更好,由此實現(xiàn)2種不同數(shù)據(jù)的對比。圖2中2組數(shù)據(jù)扣除數(shù)據(jù)采集器影響并經(jīng)過統(tǒng)一量化后的背景噪聲及遠(yuǎn)震事件記錄數(shù)據(jù)對比見圖3。

圖3 統(tǒng)一量化后的背景噪聲及地震波數(shù)據(jù)Fig.3 Background noise and seismic wave after normalization

圖3(a)和3(b)為統(tǒng)一量化后的局部背景噪聲記錄,圖3(c)和3(d)為統(tǒng)一量化后2019-07-06美國加利福尼亞南部MS6.9地震記錄?？梢钥闯?雖然物理量不同,但圖3(a)和3(b)具有相同的包絡(luò)振幅數(shù)值;圖3(c)和3(d)中2種儀器記錄的同一地震事件的振幅數(shù)值差別很大,垂直擺記錄的幅值遠(yuǎn)大于地震計,可見對于遠(yuǎn)震面波,垂直擺記錄數(shù)據(jù)中的信號強度遠(yuǎn)大于地震計。對記錄數(shù)據(jù)作相關(guān)分析(圖3(e)),發(fā)現(xiàn)2種儀器記錄的背景噪聲及地震事件具有極高的相關(guān)性。

為進(jìn)一步分析2種記錄中固體潮汐及各頻段地面運動信號的記錄效果,本文先計算統(tǒng)一量化后2組數(shù)據(jù)kx(t)、y(t)的功率譜,再根據(jù)功率譜計算1/3倍頻振幅譜,得到不同頻率信號在2組記錄數(shù)據(jù)中的強度差異。

1.3 振幅譜計算

頻域RMS常用來作為噪聲振幅的統(tǒng)計特征量,稱為噪聲的振幅譜,其定義為[6-7]:

(3)

2 計算結(jié)果

2.1 全域振幅譜

為展示2組數(shù)據(jù)中不同頻段信號強度的差異及其隨頻率的變化情況,將2019-07-05～20的記錄數(shù)據(jù)根據(jù)背景噪聲幅值相同的原則進(jìn)行校準(zhǔn),計算2組數(shù)據(jù)kx(t)、y(t)的振幅譜并分段平滑,結(jié)果見圖4。

圖4 垂直擺與地震計觀測數(shù)據(jù)全域譜對比Fig.4 Comparison of global amplitude spectrum of vertical pendulum and seismometer data

由圖4可見,10-5～10-4Hz頻段,垂直擺記錄的固體潮汐信號更顯著,包括半日波和日波,其中半日波強度最大,日波強度小于半日波。與時間域記錄數(shù)據(jù)一致,頻率域中固體潮汐信號主要出現(xiàn)在垂直擺記錄數(shù)據(jù)中,地震計記錄數(shù)據(jù)中的潮汐信號非常微弱。10-4～10-2Hz頻段,地震計記錄數(shù)據(jù)的振幅譜幾乎保持不變,這是因為該頻段處于地震計的通帶之外,記錄不到地面運動信號,該頻段的數(shù)據(jù)主要來源于儀器固有的電子噪聲[7]。10-2～10 Hz頻段處于地震計通帶內(nèi),地震計的振幅譜恢復(fù)正常。整體來看,長周期段垂直擺數(shù)據(jù)的信噪比遠(yuǎn)大于地震計,1～10 Hz頻段地震計記錄的信號強度大于垂直擺。值得注意的是,垂直擺記錄在高頻段(1～10 Hz)的譜形態(tài)不正常,原因在于此段已經(jīng)處于垂直擺的通頻帶之外[3]。

2.2 背景噪聲振幅譜

Peterson[8]基于全球數(shù)百個地震臺的數(shù)據(jù)計算背景噪聲功率譜,發(fā)現(xiàn)在地球上任意一點,地噪聲功率譜在6～9 s、10～30 s頻率附近存在2個峰值,這2個峰值來源于海洋的水體運動,是地背景噪聲的標(biāo)志性特征。

傳統(tǒng)定點形變觀測的采樣率主要為分鐘值,只能得到周期大于60 s的背景噪聲。為全面分析定點形變觀測中的背景噪聲,本文將垂直擺傳感器的輸出信號用地震數(shù)據(jù)采樣器進(jìn)行采樣,將采樣率提高到20 Hz后,與云龍地震臺寬頻帶地震計進(jìn)行同點對比觀測,基于實驗數(shù)據(jù)計算背景噪聲振幅譜,得到地震計與垂直擺觀測的背景噪聲振幅譜曲線,結(jié)果見圖5。

圖5 地震計與垂直擺觀測數(shù)據(jù)中的背景噪聲振幅譜Fig.5 Amplitude spectrum of background noise of seismometer and pendulum tiltermeter data

圖5中2條曲線均可以清晰看到5.1 s和17.1 s附近有2個地背景噪聲峰值,且對于頻率小于1 s的背景噪聲,垂直擺記錄數(shù)據(jù)的強度遠(yuǎn)大于地震計。

2.3 地震事件振幅譜

本研究期間(2019-04-20～07-20)共記錄到云南省內(nèi)M2.8以上地震18次,國內(nèi)M5.0以上地震10次(包括2019-06-17四川長寧M6.0地震),全球M7.0以上地震6次。其中,地震計記錄到的所有地震事件波形正常,但同點2套垂直擺(包括云龍定點形變常規(guī)觀測的垂直擺)對300 km范圍內(nèi)M2.8以上地震響應(yīng)全部失真,對國內(nèi)M5.0以上地震記錄7次失真、3次正常(震中距較遠(yuǎn)的臺灣、吉林、東海地震),對全球6次M7.0以上遠(yuǎn)震記錄數(shù)據(jù)正常。

垂直擺對近距離內(nèi)發(fā)生的地震事件記錄失真,是因為有低頻信號的進(jìn)入,隨著震中距的增減,垂直擺記錄數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常。以2019-06-17 23:36:01四川長寧M5.1余震為例進(jìn)行分析,其記錄數(shù)據(jù)及振幅譜見圖6。

圖6 2019-06-17四川長寧M5.1地震實驗記錄及振幅譜對比Fig.6 Recording and amplitude spectrum of the M5.1 earthquake in Changning, Sichuan on June 17, 2019

對比圖6(a)和6(b)可以看出,垂直擺記錄中出現(xiàn)了低頻長周期擾動疊加到高頻地震動信號之上的現(xiàn)象,與未改造的垂直擺日常觀測記錄相似,說明低頻擾動是真實的地面運動。從圖6(c)可以看出,垂直擺數(shù)據(jù)的振幅譜在低頻段增高、高頻10 Hz段急劇降低,與前人研究成果相符。

3 結(jié) 語

用地震數(shù)據(jù)采集器對VP垂直擺傾斜儀和GL-60S寬頻帶地震計進(jìn)行統(tǒng)一采樣,將垂直擺觀測數(shù)據(jù)拓展到高頻20 Hz后與測震數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。首先以背景噪聲包絡(luò)幅度均值相等為準(zhǔn)則將2組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一量化,之后分別計算2組觀測數(shù)據(jù)的全域振幅譜、背景噪聲振幅譜和地震事件振幅譜,得到固體潮汐信號、背景噪聲峰值信號、地震波信號在頻率域的強度分布,并以此比較2組數(shù)據(jù)的信噪比差異。結(jié)果表明,在固體潮汐所在的長周期段,垂直擺數(shù)據(jù)的信噪比遠(yuǎn)大于地震計,而地震計在該頻段的記錄數(shù)據(jù)主要來源于儀器噪聲;10-2～1 Hz頻段,地震計和垂直擺記錄數(shù)據(jù)中都存在2個標(biāo)志性的背景噪聲峰值,其中垂直擺數(shù)據(jù)的信噪比依然遠(yuǎn)大于地震計;1～10 Hz高頻頻段,地震計記錄數(shù)據(jù)的信噪比大于垂直擺。進(jìn)一步分析垂直擺對地方震、近震和遠(yuǎn)震記錄數(shù)據(jù)的差異可知,垂直擺記錄的地方震和近震數(shù)據(jù)中因有低頻擾動疊加而失真,隨著震中距的增減,垂直擺記錄數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常?？梢姶怪睌[對檢測頻率低于1 Hz的低頻段信號有優(yōu)勢,寬頻帶地震計對于檢測頻率大于1 s的高頻信號有優(yōu)勢。