西安台PET重力仪与CTS地震仪记录地震波信号特征分析＊

陈冬柏

（陕西省地震局，陕西 西安 710068）

1 观测及仪器情况简介

西安台位于秦岭北麓，海拔高度630 m，台基岩性为前震旦纪片麻状花岗岩，是陕西省内唯一一个同时具有重力仪和多种地震仪观测的台站。

西安台目前运行的重力仪为PET型便携式相对固体潮重力仪，仪器位于台站的重力观测山洞，洞内年温差变化小于1.0℃，日温差小于0.1℃，洞顶无高大树木覆盖，记录曲线稳定性好，基本不受周围环境和气象因素影响，全年曲线趋势基本良好，潮汐变化明显，不仅能够清晰记录每日的潮汐变化，而且对每月的两个大小潮也能够清晰记录。

2 地震选取与重力非潮汐量的提取

2.1 地震选取

为了分析PET重力仪记录地震特征，选取2018-01-23阿拉斯加湾8.0级地震作为研究对象，选取的地震信息如表1所示。

表1 选取地震信息表

2.2 重力非潮汐量的提取

重力非潮汐量公式如下：

即从原始观测数据中减去潮汐分量、大气负荷效应、漂移项和重力残差得到重力非潮汐量或同震信号。

3 计算与分析

3.1 事件波形及频率特征

西安台重力仪和地震仪记录到的波形如图1所示。从图1可以看出，对于本次的远震记录，两种仪器的记录特征基本相似，重力仪的P波、面波均略先到达台站，地震仪记录的S波比重力仪记录的要清晰；振幅方面，重力仪P波的振幅较小，而到面波时，重力仪记录的振幅要比地震仪记录的大。

在图1中，重力仪记录的频带范围要小于地震仪，这与两种仪器特性相吻合。从图1中也可看出，重力仪记录的信息主要集中在0.15 Hz以内，并且应该对应的面波或自由振动的信息，而地震仪的记录则在0.25 Hz以内均有记录，并且在0.2 Hz时频率幅值出现第二次小峰值，应该是P波对应震相。由此，可初步得出结论：对于远震，地震仪对高频信息的记录要比重力仪敏感，重力仪记录的波形特征虽然不如地震仪那样多数震相清晰可辨，但对一些高频震相仍然可以较好识别。

图1 2018-01-23阿拉斯加湾8.0级地震事件波形

两种仪器记录波形的频谱特征如图2所示。

图2 两种仪器记录波形的频谱特征

3.2 EMD分解与重构

根据HHT方法对本次地震两种仪器记录的波形进行EMD分解，结果发现，对于重力数据，IMF1-IMF3与原波形特征对应较好，但从IMF4起，波形的长周期成份开始变多，而类似分析对地震仪是从IMF5开始出现长周期分量。

为了得到更加精确的信号，需要对信号进行重构，即选取EMD分解中的前4项分量进行重组，得到一个新信号，如图3所示。

可以发现，重构信号基本能够复原原信号的特征，并且将原信号中的一些长周期信号进行了剔除，这些长周期信号多与人类活动相关。在以下的计算中，均采用重构信号进行相关计算。

4 结论

本研究通过选取5个距离西安台震中距相差较大的地震，在对重力仪和地震仪垂直向数据预处理的基础上，通过在时域和频域对观测数据分析，结果表明：①通过对比地震仪和重力记录的信号，发现重力仪基本能够准确记录地震信号，特别是对信号的P波段、面波段能够较真实的记录；②通过频谱分析，对于两种仪器记录的近震信号，在低频处有一定相似性，但在高频部分，地震仪明显优于重力仪。

因此，对于目前秒采样的重力仪，对一些地震的信息可以较好的记录，特别是对远震记录较好，此时的P波清晰，能够真实反映震源的信息。但对于震中距较小的地震，由于这类地震高频信息较多，而重力仪的采样率和频带宽度限制了其记录能力，无法完整记录震源信息。