陆态网络太原台gPhone重力仪背景噪声水平研究

韩宇飞 江 颖 张晓彤 张 锐 王新胜 贾路路

1 地壳运动监测工程研究中心，北京市复兴路63号，100036

2 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

本文利用太原台gPhone重力仪2014年的观测记录，研究气压对功率谱密度PSD 的影响。分别计算了该重力仪在地震频段（200～600s）、亚地震频段（1～6h）、潮汐频段（周期大于6h）的背景噪声水平，并与超导重力仪的背景噪声水平进行对比。以2014－04－01智利Mw8.1地震为例，验证gPhone用于检测地球自由振荡的能力。

1 数据处理

利用Banka［1］给出的数据处理方法，分析gPhone重力仪地震频段、亚地震频段和潮汐频段的背景噪声水平。对gPhone重力仪在此期间每年每天的重力和气压数据分别进行分析，将标定后的气压数据修正尖峰、突跳、间断和阶跃，以避免影响后续重力数据的分析。基于弹性参考地球模型计算得到合成潮，并在观测数据中去掉合成潮汐信号（其中用到了截断误差为0.000 01 的3 070个调和分潮［2］），利用大气导纳值－0.3 μGal／mbar扣除气压影响，最后减去观测序列拟合的高阶多项式，以改正仪器漂移和消除残余潮汐信号，从而对不同仪器型号提供一个客观的对比。

计算经过以上处理的每天重力残差信号的均方根误差RMS，并选出RMS最小的5d。对选取的5d重力残差进行傅氏分析［3］，获取每天的振幅谱，并计算平均振幅谱和对应的功率谱，计算不同频段的平均功率谱密度和地震噪声水平SNM：

其中，PSD 单位为（nm／s2）2／Hz。计算该频段功率谱密度的对数，此时NLNM 为0，能够得到一个简单的值，作为仪器噪声水平的一个品质因子。SNM 包含的信息没有PSD 多，但是可以很好地对比仪器在200～600s频段内的表现。同样，在计算SSNM 时，选取的周期范围为1～6h，在计算TNM 时，选取的周期范围要大于6h。

2 背景噪声水平分析

潮汐改正可以明显改进噪声水平，尤其是在简正模频段的低频部分（0.3～16.7 mHz）；利用气压改正可以很好地改善低于1.2 mHz频段的信噪比。将太原台gPhone重力仪2014年连续1a的观测数据以d 为单位进行分块，选取其中1d的重力和大气数据进行计算，分析数据预处理对重力数据PSD 结果的影响。以2014－02－04的连续观测记录为例（图1），其中采样率为1min。

图1 太原台gPhone重力仪2014－02－04连续重力观测的预处理结果Fig.1 Preprocessing result of continuous gravity data obtained at February 4，2014by gPhone gravity meter at Taiyuan station

从图1 看出，原始重力信号的振幅约为160 nm／s2，经过潮汐和气压改正、扣除9 阶多项式后，振幅约为4nm／s2。说明潮汐和大气改正可以很大程度上改进重力数据，9阶多项式的扣除可进一步得到更精准的重力残差。分别计算两者相应的重力PSD，结果如图2（a为全天原始重力观测数据的PSD，b为去掉潮汐和大气影响、扣掉9阶多项式的重力PSD，NLNM 为新低噪声水平）。由图2可知，潮汐和大气改正可以在一定程度上改进重力数据的PSD，尤其在亚地震频段和潮汐频段，但对地震频段内重力PSD 的影响较小。因此，利用重力数据检测低频信号时，必须要进行潮汐和大气改正，以降低噪声水平。

将太原gPhone重力仪2014年采样率为1 min的连续重力数据分别进行气压和潮汐改正，并扣除9阶多项式，计算每天重力残差的均方根值RMS，并选出RMS最小的5d。RMS最小的5d分别为第035、036、037、038和039d，计算其平均振幅谱，得到平均振幅谱对应的功率谱（图3）。根据式（1）计算得到太原gPhone重力仪在地震频段、亚地震频段和潮汐频段的背景噪声水平分别为3.641、4.659和5.359（表1）。与超导重力仪相比，gPhone重力仪在地震频段和亚地震频段的背景噪声水平均较高。太原的gPhone重力仪噪声水平也高于拉萨和武汉［4－5］。但是，在频率低于0.8×10－4Hz时，gPhone重力仪的噪声水平低于NLNM，说明gPhone重力仪在低频时优于地震仪，比地震仪更适合研究长周期潮汐和亚地震模。

图2 太原台gPhone重力仪2014－02－04改正前后的重力PSDFig.2 The PSD contrast between the corrected gravity data and the original data obtained at February 4，2014of the Taiyuan station

图3 太原gPhone重力仪2014年最平静的5d的重力PSDFig.3 The PSD of 5dgravity data which are the moststable in 2014at Taiyuan station

表1 太原gPhone重力仪2014年背景噪声水平Tab.1 The background noise of Taiyuan gPhone gravity meter in 2014

3 自由振荡信号检测

2014－04－01智 利发生Mw8.1 地震，太原台gPhone记录到此次地震引起的重力变化（图4）。由于震级较大，中国大陆境内的SG 均已超限，而gPhone重力仪量程较大，并没有出现超限情况。

图4 太原gPhone重力仪观测记录Fig.4 Original observation of Taiyuan gPhone gravity meter

采用震后16h的gPhone重力仪观测数据。在利用gPhone重力仪提取自由振荡信号之前，首先对观测资料进行气压改正，然后利用GCMT给出的震源机制解，基于PREM 地球模型模拟计算自由振荡信号，具体计算方法见文献［5－6］。将实测数据与模拟数据经过傅里叶变换，转化到频率域，结果如图5。图5进一步验证了gPhone重力仪不仅适合研究长周期潮汐和亚地震模，同样也可以清晰地获取地震频段的地球自由振荡信号。

图5 太原gPhone重力仪的自由振荡信号观测值与模拟值Fig.5 Free oscillations signal observed by Taiyuan gPhone gravity meter and the simulative signal

4 结 语

潮汐和大气改正可在一定程度上改进重力数据的PSD，尤其在亚地震频段和潮汐频段。gPhone重力仪的噪声水平在地震频段和亚地震频段均高于SG，但在频率低于0.8×10－4Hz时低于NLNM，说明gPhone重力仪的噪声水平在低频时优于地震仪，较适合研究长周期潮汐和亚地震模。此外，分析gPhone重力仪记录的2014年智利Mw 8.1地震激发的自由振荡信号表明，虽然gPhone重力仪的噪声水平高于超导重力仪，但是同样可以清晰地获取地震频段的地球自由振荡信号。

［1］Banka D，Crossley D.Noise Levels of Superconducting Gravimeters at Seismic Frequencies［J］.Geophysical Journal International，1999，139（1）：87－97

［2］Xi Q W.The Precision of the Development of the Tidal Generating Potential and Some Explanatory Notes［J］.Maréesterrestres，1989，105：7 396－7 404

［3］Bronstein I N，Semendjajew K A，Musiol G，et al.Taschenbuch der Mathematik［M］.1993

［4］Zhang M M，Xu J Q，Sun H P，et al.Comparison of Noise Levels of the New iGrav－007Superconducting Gravimeter and the SG－065 Superconducting Gravimeter in Wuhan（China）［J］.Bull Inf Mar Terr，2014，148：11 987－12 000

［5］江颖，徐建桥，孙和平.地球内核平动振荡的地震激发［J］.地球物理学报，2015，58（1）：92－102（Jiang Ying，Xu Jianqiao，Sun Heping.Earthquake Excitation of Translational Oscillation in the Earth’s Inner Core［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（1）：92－102）

［6］Jiang Y，Hu X G，Liu C L，et al.Constraining the Focal Mechanism of the Lushan Earthquake with Observations of the Earth’s Free Oscillations［J］.Science China Earth Science，2014，57（9）：2 064－2 070