沈阳地震台超宽频带地震计垂直向LP通道固体潮特征分析

马 莉，刘 利，王艳艳，陈 越

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.盘锦地震台，辽宁 盘锦 124010；3.辽河油田勘探开发研究院地震台，辽宁 盘锦 124010）

0 引言

JCZ-1超宽频带地震计为我国自行研制的超宽频地震计,动态范围为140dB,频带为0～20Hz。地震计分别有两个信号通道输出：其中BB速度通道为0.0033～20Hz的速度信号输出，即周期范围: 0.05～360s和LP加速度通道0.0033～0Hz的加速度信号输出,即周期范围:360s～DC。观测信息不仅记录地震波还记录固体潮及更长周期的信号。1996年首先在武汉地震基准台投入观测,目前在国内布设有几十个观测点。沈阳台担任全国大震速报，主要进行地震监测工作，就是使用其仪器台站之一。

1 应用理论

固体潮是在日、月引潮力的作用下，固体地球产生周期性的形变现象[1]。月球和太阳对地球的引力不但可以引起地球表面流体的潮汐（如海潮、大气潮），还能引起地球固体部分的周期性形变。随着日、月作用点的位置不同和日、月相对于地球的位置变化，引潮力作用在地球的单位质点上的日、月引力和地球绕地月（和地日）公共质心旋转所产生的惯性离心力的合力称为引潮力的大小、方向也发生改变。地面受固体潮的影响，不停的变形。

由于传统的摆式地震计具有仪器性能限制，主要用于观测短周期和长周期的地震波，像固体潮，地球的自由震荡为超长周期的波是观测不到的。JCZ-1地震计垂直向（UD）传感器LP通道频响范围到零频，记录不仅包括大于360s的地震长周期信号和其他地动信号，也包括月亮等天体与地球的相对运动引起的重力固体潮汐[2]，与通常的重力仪不同，其原始记录未经过超长周期滤波，在固体潮汐记录曲线上叠加有长周期地动信号。零漂具有很好的线性，易于处理。虽然记录到的固体潮不能直接看出来，但是通过长时间的观测数据进行必要的处理，通过一些处理手段的运用，就能够从JCZ-1地震仪的记录中分离出来地球固体潮信息。本文通过对沈阳地震台2009年11月1日到2010年10月31日，一年多时间的的LP通道垂直向观测资料作0—5Hz低通滤波频谱等分析，采样率1次／0.5 h，得到JCZ-1的LP通道垂直向日常记录的固体潮特征。

2 项目资料选取及方法

我们以沈阳地震台JCZ-1超宽频地震计的LP加速度信号通道2009年11月至2010年12月资料的记录信息为研究对象,对其垂直分量的潮汐信息采用经典的潮汐分析方法进行分析计算, 主要采用0-5Hz低通滤波分析，提取固体潮波形记录，每月地球固体潮起伏2次，出现大潮、小潮各2次，随着作用点的位置不同和日、月相对于地球的位置变化，引潮力的大小、方向也发生改变。给出半日、日、半月、月长度数据的Venedikov调和分析计算结果，找出JCZ-1超宽频地震计的LP加速度通道信号的固体潮汐特征,为进一步观测研究工作奠定基础。

利用地球转动与月球转动的周期不同所引发的对地球表面物质的引张力和压缩力对大地震的触发作用，和利用固体潮信息研究其瞬时频率特征在震前的变化特征，及地震非平稳过程对理论固体潮的影响，提取固体潮中的地震前兆信息。

3 资料处理结果

JCZ-1地震仪的增益几乎不随频率变化，由于其采用了恒温装置，其LP通道频带真实地扩展到DC,因而可以无畸变的记录超长周期地震波和固体潮汐，我们对LP垂直通道的记录进行处理，采用频谱分析，将地震数字信号FFT变换，通过Matlab软件编程处理[3]后可以分离出主要为月亮围绕地球转动引起的日波（24 h），半日波（12 h）等频率成分。从处理结果可以清楚地看到固体潮的频谱以及功率谱成分，认为对应的全日潮（图1）、半日潮（图2）较好。

图1 LP通道日固体潮曲线图Fig.1 Daily solid earth tide curve of LP channel

图2 LP通道日固体潮、半日波三分之一潮固体潮记录曲线Fig.2 One day 、half day and 1/3 day solid earth tide curve

图3 LP通道2天固体潮记录曲线Fig.3 Two days record of solid earth tide curve

图4 LP通道30天原始记录曲线Fig.4 30 days record of LP channel solid earth tide curve

图5 LP通道30天滤波后固体潮曲线Fig.5 30 days record of LP channel solid earth tide curve after filter

图6 沈阳台重力日固体潮记录Fig.6 Gravity earth tidal daily record of Shenyang Seismic station

对比处理数据所得的日固体潮曲线（图1）和沈阳台重力仪器记录的日固体潮曲线（图6），它们具有极大的相似性，因此我们认为JCZ-1超宽频带地震计垂直向LP通道全日固体潮较好，具有明显的固体潮特征。

图7 蒙城地震台固体潮曲线Fig.7 Solid tide curve of Mengcheng Seismic Station

对比处理数据所得的两日固体潮曲线（图3）和对比JCZ-1T的2天蒙城台垂直向记录的抽取得到的分钟和小时抽取处理结果（图7）表明我台JCZ-1超宽频带地震计垂直向LP通道的两日固体潮曲线原始数据及处理信号都没有明显固体潮特征。

图8 沈阳台重力月理论固体潮记录Fig.8 Gravity earth tide month’s record in theory of Shenyang Seismic Station

对比处理数据所得的两日固体潮曲线（图5）和对比沈阳台重力仪器月理论固体潮曲线图（图8）表明我台JCZ-1超宽频带地震计垂直向LP通道的月固体潮曲线原始数据及处理信号都没有明显固体潮特征。

综上所述，沈阳台JCZ-1超宽频带地震计垂直向LP通道资料经过滤波处理有数据有固体潮特征外，两日及月数据均不存在固体潮特征。JCZ-1超宽频带地震计垂直向LP通道资料与重力仪器记录固体潮资料明显不同。JCZ-1与JCZ-1T仪器之间存在明显差距，JCZ-1T带宽更宽，记录固体潮特征更明显。

4 天气对LP加速度通道信号影响

4.1 大雪天气对LP加速度通道信号影响

图9 原数据滤波后曲线图Fig.9 Solid earth tide curve

图10 滤波后固体潮曲线图Fig.10 Solid earth tide curve after filter

4.2 大风天气对LP加速度通道信号影响

图11 原数据滤波后曲线图Fig.11 Solid earth tide curve

图12 滤波后固体潮曲线图Fig.12 Solid earth tide curve after filter

从以上几个图可以看出大雪、强对流天气引起的大风干扰天气对LP通道日固体潮的影响还是存在的，其固体潮记录就会发生畸变。

5 结论与讨论

固体潮记录是仪器系统稳定性的重要标志，如果要探测微弱的固体潮信号，除了要有良好的仪器设计、精密的传感器以及观测环境外，采集系统的长期稳定性也至关重要。观测系统运行受到干扰后，例如摆不正常或外界环境干扰变化，如大雪、强对流天气引起的大风干扰，其固体潮记录就会发生畸变。环境因素的干扰能使摆的弹性系统不稳定。摆的机械周期越长，这种问题就越突出。因为环境因素会使弹性系统和位移检测系统变化，导致地震计输出低频噪声。对于LP通道（对加速度输入响应平坦），其记录频带已达固体潮汐的观测频带（半日波周期12 h，全日波周期24 h），环境的缓慢变化将被地震计记录，无法和有用信号区分。如果记录的固体潮形态比较好，那么说明外界环境也比较好（排除大地震前引起的畸变），因此固体潮汐的记录是仪器稳定性的标志，为了捕捉弱小的地震长周期信号与地震相关的前兆信号，检验仪器系统的这种稳定性是必要的。宽频带地震计特别是甚宽频带地震计会受到环境低频噪声的干扰，这些低频噪声往往被人们忽略。如果想获得稳定的甚宽频带输出，就必须为仪器创造良好的工作环境[4]。

从本文结果尤其是两日固体潮及月固体潮形态来看我台JCZ-1地震计的仪器环境并不十分理想，环境对仪器影响很大，与台站自身山洞较浅，覆盖层很薄，易受天气等因素影响相关，致使地震计固体潮记录不清晰。将沈阳台JCZ-1超宽频带地震计垂直向（UD）传感器LP通道2009年11月至2010年10月记录资料通过相应的手段和处理方法，进行固体潮分析研究的结果如下：

（1）从处理结果可以清楚地看到固体潮的频谱以及功率谱成分，认为对应的全日潮、半日潮较好。

（2）两日固体潮和月固体潮特征都不清晰明显，可见我台JCZ-1地震仪对于观测固体潮并不理想。

（3）大雪、强对流天气引起的大风干扰天气对LP通道固体潮的影响还是存在的，其固体潮记录就会发生畸变。

（4）JCZ-1地震计固体潮范围-1至106counts范围内来讲说两日固体潮及月固体潮特征不明显但是不影响测震记录工作。

2013年7月更换摆为JCZ-1T型，我们在其稳定工作后，积累一定量的数据，将对更换后的JCZ-1T摆固体潮特征做出进一步跟踪研究。如何利用现有的观测仪器获取大量的固体潮信息，通过对固体潮观测数据的分析处理，有利于掌握不同类型仪器之间的同比性、相关性，以增加可视性较强，不同采样率的固体潮信息。从地震仪器记录的固体潮资料来看，这方面的资料还比较缺乏，以前的地震仪都是模拟资料，而现今的数字化资料给我们提供了机会，让我们采用滤波手段把需要采用的数据提取出来。目前我国的固体潮观测点密度很小，而地震仪器记录到的固体潮信息有着自己的特点，是其他仪器无法替代的，利用JCZ-1地震仪观测可以获得综合观测系统，对验证各种地球模型、研究地球内部构造很有意义，还可以为地震预报提供重要的参考依据，因而具有重要的实际意义。

致谢：本文承蒙防灾科技学院万永革老师和辽宁省地震局分析室李广平副主任指导，在此表示感谢！

[1]蔡亚先，吕永清，程骏玲，等.JCZ-1 超宽频带地震计作为综合观测仪器的拓展应用[J].地震地磁观测与研究,2007,28（5）:29-34.

[2]蔡亚先,吕永清，周云耀，等.JCZ-1 超宽频带地震计[J].地球形变与地震,1995,15（3）:1-8.

[3]吕永清,蔡亚先，周云耀，等.用MATLAB 工具精确快速测定宽频带地震计的周期与阻尼系数[J].大地测量与地球动力学,2002,22（2）:116-120.

[4]蔡亚先,吕永清，周云耀，等.JCZ-1 甚宽频带观测初探[J].地震地磁观测与研究,1997,18（5）:39-45.