乌加河地震台JCZ-1地震计与PET重力仪地震波记录特征分析

2023-10-19冯雪东贾昊东

地震地磁观测与研究 2023年3期

石伟胡玮冯雪东贾昊东

（中国内蒙古自治区015000巴彦淖尔地震监测中心站）

0 引言

固体潮汐观测数据可以较好地反映地球固体潮汐的日波、半日波特征及地震孕育过程的中期特征（国家地震局科技监测司，1995）。近年来，数字化观测采样率大幅度提高，丰富了潮汐观测的震前变化信息（张晶等，2003）。高精度连续观测相对重力仪不仅可以观测到固体潮信号，也能够观测到地震频段的地震信号，如体波、面波和自由振荡等（江颖等，2017）。Niebauer等（2011）利用位于科罗拉多的5台gPhone重力仪，对2006年11月发生在日本千岛群岛的MS8.2地震进行观测，结果表明，5台gPhone重力仪对地震的响应几乎一致，体现了gPhone重力仪的性能稳定性。然而，利用重力仪的地震波记录开展地震机制研究前，需要对重力仪和地震计记录的地震波信号进行对比，以确定重力仪记录的地震波信号的可靠性。相关研究有：周江林等（2015）对gPhone重力仪与STS-2地震计在地震频带响应、首波初至及面波频散等方面进行比较，发现gPhone重力仪对地震引起的地面运动信息有较高的灵敏度，地震事件与震源破裂时地震矩释放过程大致吻合；王梅等（2015）通过比较LaCoste-PET（gPhone）与JCZ-1地震仪记录的地震信号，发现2种仪器对高频地震波信号响应有较强的一致性。

乌加河地震台（下文简称乌加河台）现为内蒙古自治区西部地区唯一综合性观测台站，拥有重力、形变、地电、地磁和测震等观测手段，观测数据连续性、稳定性较高。为验证PET重力仪地震记录能力，本文选取震中距不同的3个震例，基于同震响应原始波形及频谱，对比分析乌加河台JCZ-1地震计与PET重力仪对近震、远震、极远震的记录特征。

1 台站概况

乌加河台位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗乌加河镇北，地处阴山南麓河套平原，海拔1052 m（图1），受温带大陆性季风气候影响，年平均气温约6.8 ℃，降水集中在每年的7—9月，年平均降水量约179 mm。

图1 乌加河台地质环境与地理位置Fig.1 Geological environment and geographical location of Wujiahe Seismic Station

该台地处阴山纬向构造带中西段与狼山弧形构造带复合部位，地壳稳定性较好，台站基岩为古生代花岗变质岩，岩性致密坚硬，观测山洞平均覆盖厚度约189 m，洞室温度恒定，年平均温度约13.5 ℃，年变化小于0.3 ℃，日温差小于0.05 ℃。乌加河台地质环境与地理位置见图1。

乌加河台2005年使用JCZ-1宽频带地震计开始地震记录，2007年使用PET型重力仪（美国Microg-LaCoste Inc.公司生产，仪器观测精度较高）开展连续重力观测，地震数据记录质量较好。2套观测仪器主要技术指标见表1。

表1 JCZ-1地震计和PET重力仪主要技术指标Table 1 Main specifications of JCZ-1 seismometer and PET gravimeterr

2 观测数据处理

JCZ-1宽频带地震计无零漂等现象，观测数据不包含1/3日波、半日波和周日波等长周期（极低频）潮汐波信号。PET重力仪观测的原始重力数据（秒采样）包含潮汐、非潮汐信号（含地震波、漂移等）及其他干扰信息，利用Tsoft软件进行去潮汐和零漂改正，可得到重力残差数据。由于地震计记录为速度值（单位为1×10-8m·s-1），PET重力仪记录为重力加速度值（单位为1×10-8m·s-2），为方便对比，对重力仪记录数据进行积分变换，将加速度值转换为速度值。且2套仪器采样率不同，将地震计记录数据采样率降低为1 Hz（取垂直方向），与重力仪采样率相同。除特殊注明外，下文中地震计记录均指1 Hz采样率的垂直向数据，重力仪记录均指经去潮汐、零漂改正和积分变换的重力残差数据。

3 地震记录特征对比分析

为了获取更全面的地震信息，从近震、远震、极远震的角度，基于原始波形、功率谱、时间—频率关系，对比分析测震数据与重力地震波形记录的特征差异。震例选取如下：近震：2021年12月9日蒙古MS5.1地震，震中距578 km；远震：2022年3月16日日本本州东岸近海MS7.4地震，震中距2918 km；极远震：2022年4月21日尼加拉瓜沿岸近海MS8.2地震，震中距13939 km。

3.1 原始波形对比

选取2021年12月9日蒙古MS5.1地震、2022年3月16日日本本州东岸近海MS7.4地震、2022年4月21日尼加拉瓜沿岸近海MS8.2地震记录，截取乌加河台地震计测震数据波形和重力记录波形（图2），对比分析2套仪器对近震、远震、极远震的原始记录特征。

图2 测震数据与重力记录波形对比(a)蒙古MS 5.1地震；(b)日本本州东岸近海MS 7.4地震；(c)尼加拉瓜沿岸近海MS 8.2地震Fig.2 Comparison of waveform between seismic data and gravity records

由图2可见：①地震计与重力仪均可清晰记录到上述3次地震波形；②2套仪器记录波形一致性较好，但重力仪同震响应幅度较低，二者同震响应记录时间几乎一致，较小差异由重力仪校时不及时所致；③重力仪可清晰记录近震、远震的P波、S波震相和面波，并可清晰记录到极远震的PKP波、PP波、SS波和面波震相。

地震计和重力仪记录地震波形的P波初动方向、地震波持续时间、最大振幅及二者的相关系数统计结果见表2。由表2可见，二者记录的3个地震波形的P波（PKP波）初动方向一致、地震波持续时间一致，相关系数均大于0.9，具有较强的正相关性；对于地震计而言，3次地震的波形最大振幅比为1:124.7:3.12，而重力仪比值为1:15.9:0.39，二者的最大振幅比差异明显，相对地震计而言，重力仪对极远震信号的识别能力较弱；尼加拉瓜沿岸近海MS8.2地震比日本本州东岸近海MS7.4地震震级大，但2套仪器记录到的地震波最大振幅比较小，应与其震中距远大于日本地震有关。

表2 地震计和重力仪记录地震波形信息Table 2 Seismic waveform information recorded by seismometer and gravimeter

3.2 频谱分析与时频分析

选取3次地震发生当日重力残差数据和测震数据进行频谱分析，结果见图3，并绘制2套数据记录的时频分布图，结果见图4。

图3 地震计和重力仪记录波形功率谱(a)蒙古MS 5.1地震；(b)日本本州东岸近海MS 7.4地震；(c)尼加拉瓜沿岸近海MS 8.2地震Fig.3 Power spectrum of seismic waveform recorded by seismometer and gravimeter

图4 测震数据和重力残差数据记录的时频分布(a)蒙古MS 5.1地震；(b)日本本州东岸近海MS 7.4地震；(c)尼加拉瓜沿岸近海MS 8.2地震Fig.4 Time-frequency distribution recorded by seismic data and gravity residual data

由图3、图4可见，与2套仪器记录原始地震波形特征相同，测震数据与重力残差数据功率谱分布一致性较高；因2套仪器均为秒采样，因此无法检出周期小于2 s（f＞0.5 Hz）的短周期（高频）信号（因重力残差数据在进行去固体潮处理时已滤除1/3日波、半日波等长周期信号，鉴于长周期信号微弱，为便于对比，图3已转换为对数坐标）。

由于3次地震震级和震中距的差异，地震波持续时间和最大振幅差异明显。对于蒙古MS5.1地震，利用测震数据和重力仪残差数据功率谱分布并不能明显分辨其功率谱，主要是因为，对于震级较小的近震，地震波周期一般小于1 s，而2套数据均设置为秒采样值，故功率谱分析无法检测近震。对于日本MS7.4地震和尼加拉瓜MS8.2地震功率谱分布可以明显分辨其地震波功率谱；日本MS7.4地震信号集中分布在0.05—0.15 Hz（周期为6—20 s）频段；而尼加拉瓜MS8.2地震波形信号集中分布在0.03—0.07 Hz（周期为14.3—33.3 s）频段，处在极远震地震波传播的卓越周期内。时频分布结果显示，对于蒙古MS5.1地震（近震），测震记录含有更多能量信息，这是因为，地震计采样率较高，即使降低数据采样率，仍包含较丰富的信息；对于作为远震和极远震的日本MS7.4地震、尼加拉瓜MS8.2地震，2套仪器记录的时频分布结果无明显差异，一致性较好。