陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)太原臺gPhone重力儀背景噪聲水平研究

韓宇飛 江 穎 張曉彤 張 銳 王新勝 賈路路

1 地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心，北京市復(fù)興路63號，100036

2 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號，430071

本文利用太原臺gPhone重力儀2014年的觀測記錄，研究氣壓對功率譜密度PSD 的影響。分別計(jì)算了該重力儀在地震頻段（200～600s）、亞地震頻段（1～6h）、潮汐頻段（周期大于6h）的背景噪聲水平，并與超導(dǎo)重力儀的背景噪聲水平進(jìn)行對比。以2014－04－01智利Mw8.1地震為例，驗(yàn)證gPhone用于檢測地球自由振蕩的能力。

1 數(shù)據(jù)處理

利用Banka［1］給出的數(shù)據(jù)處理方法，分析gPhone重力儀地震頻段、亞地震頻段和潮汐頻段的背景噪聲水平。對gPhone重力儀在此期間每年每天的重力和氣壓數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，將標(biāo)定后的氣壓數(shù)據(jù)修正尖峰、突跳、間斷和階躍，以避免影響后續(xù)重力數(shù)據(jù)的分析。基于彈性參考地球模型計(jì)算得到合成潮，并在觀測數(shù)據(jù)中去掉合成潮汐信號（其中用到了截?cái)嗾`差為0.000 01 的3 070個(gè)調(diào)和分潮［2］），利用大氣導(dǎo)納值－0.3 μGal／mbar扣除氣壓影響，最后減去觀測序列擬合的高階多項(xiàng)式，以改正儀器漂移和消除殘余潮汐信號，從而對不同儀器型號提供一個(gè)客觀的對比。

計(jì)算經(jīng)過以上處理的每天重力殘差信號的均方根誤差RMS，并選出RMS最小的5d。對選取的5d重力殘差進(jìn)行傅氏分析［3］，獲取每天的振幅譜，并計(jì)算平均振幅譜和對應(yīng)的功率譜，計(jì)算不同頻段的平均功率譜密度和地震噪聲水平SNM：

其中，PSD 單位為（nm／s2）2／Hz。計(jì)算該頻段功率譜密度的對數(shù)，此時(shí)NLNM 為0，能夠得到一個(gè)簡單的值，作為儀器噪聲水平的一個(gè)品質(zhì)因子。SNM 包含的信息沒有PSD 多，但是可以很好地對比儀器在200～600s頻段內(nèi)的表現(xiàn)。同樣，在計(jì)算SSNM 時(shí)，選取的周期范圍為1～6h，在計(jì)算TNM 時(shí)，選取的周期范圍要大于6h。

2 背景噪聲水平分析

潮汐改正可以明顯改進(jìn)噪聲水平，尤其是在簡正模頻段的低頻部分（0.3～16.7 mHz）；利用氣壓改正可以很好地改善低于1.2 mHz頻段的信噪比。將太原臺gPhone重力儀2014年連續(xù)1a的觀測數(shù)據(jù)以d 為單位進(jìn)行分塊，選取其中1d的重力和大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，分析數(shù)據(jù)預(yù)處理對重力數(shù)據(jù)PSD 結(jié)果的影響。以2014－02－04的連續(xù)觀測記錄為例（圖1），其中采樣率為1min。

圖1 太原臺gPhone重力儀2014－02－04連續(xù)重力觀測的預(yù)處理結(jié)果Fig.1 Preprocessing result of continuous gravity data obtained at February 4，2014by gPhone gravity meter at Taiyuan station

從圖1 看出，原始重力信號的振幅約為160 nm／s2，經(jīng)過潮汐和氣壓改正、扣除9 階多項(xiàng)式后，振幅約為4nm／s2。說明潮汐和大氣改正可以很大程度上改進(jìn)重力數(shù)據(jù)，9階多項(xiàng)式的扣除可進(jìn)一步得到更精準(zhǔn)的重力殘差。分別計(jì)算兩者相應(yīng)的重力PSD，結(jié)果如圖2（a為全天原始重力觀測數(shù)據(jù)的PSD，b為去掉潮汐和大氣影響、扣掉9階多項(xiàng)式的重力PSD，NLNM 為新低噪聲水平）。由圖2可知，潮汐和大氣改正可以在一定程度上改進(jìn)重力數(shù)據(jù)的PSD，尤其在亞地震頻段和潮汐頻段，但對地震頻段內(nèi)重力PSD 的影響較小。因此，利用重力數(shù)據(jù)檢測低頻信號時(shí)，必須要進(jìn)行潮汐和大氣改正，以降低噪聲水平。

將太原gPhone重力儀2014年采樣率為1 min的連續(xù)重力數(shù)據(jù)分別進(jìn)行氣壓和潮汐改正，并扣除9階多項(xiàng)式，計(jì)算每天重力殘差的均方根值RMS，并選出RMS最小的5d。RMS最小的5d分別為第035、036、037、038和039d，計(jì)算其平均振幅譜，得到平均振幅譜對應(yīng)的功率譜（圖3）。根據(jù)式（1）計(jì)算得到太原gPhone重力儀在地震頻段、亞地震頻段和潮汐頻段的背景噪聲水平分別為3.641、4.659和5.359（表1）。與超導(dǎo)重力儀相比，gPhone重力儀在地震頻段和亞地震頻段的背景噪聲水平均較高。太原的gPhone重力儀噪聲水平也高于拉薩和武漢［4－5］。但是，在頻率低于0.8×10－4Hz時(shí)，gPhone重力儀的噪聲水平低于NLNM，說明gPhone重力儀在低頻時(shí)優(yōu)于地震儀，比地震儀更適合研究長周期潮汐和亞地震模。

圖2 太原臺gPhone重力儀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

圖3 太原gPhone重力儀2014年最平靜的5d的重力PSDFig.3 The PSD of 5dgravity data which are the moststable in 2014at Taiyuan station

表1 太原gPhone重力儀2014年背景噪聲水平Tab.1 The background noise of Taiyuan gPhone gravity meter in 2014

3 自由振蕩信號檢測

2014－04－01智 利發(fā)生Mw8.1 地震，太原臺gPhone記錄到此次地震引起的重力變化（圖4）。由于震級較大，中國大陸境內(nèi)的SG 均已超限，而gPhone重力儀量程較大，并沒有出現(xiàn)超限情況。

圖4 太原gPhone重力儀觀測記錄Fig.4 Original observation of Taiyuan gPhone gravity meter

采用震后16h的gPhone重力儀觀測數(shù)據(jù)。在利用gPhone重力儀提取自由振蕩信號之前，首先對觀測資料進(jìn)行氣壓改正，然后利用GCMT給出的震源機(jī)制解，基于PREM 地球模型模擬計(jì)算自由振蕩信號，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)［5－6］。將實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換，轉(zhuǎn)化到頻率域，結(jié)果如圖5。圖5進(jìn)一步驗(yàn)證了gPhone重力儀不僅適合研究長周期潮汐和亞地震模，同樣也可以清晰地獲取地震頻段的地球自由振蕩信號。

圖5 太原gPhone重力儀的自由振蕩信號觀測值與模擬值Fig.5 Free oscillations signal observed by Taiyuan gPhone gravity meter and the simulative signal

4 結(jié) 語

潮汐和大氣改正可在一定程度上改進(jìn)重力數(shù)據(jù)的PSD，尤其在亞地震頻段和潮汐頻段。gPhone重力儀的噪聲水平在地震頻段和亞地震頻段均高于SG，但在頻率低于0.8×10－4Hz時(shí)低于NLNM，說明gPhone重力儀的噪聲水平在低頻時(shí)優(yōu)于地震儀，較適合研究長周期潮汐和亞地震模。此外，分析gPhone重力儀記錄的2014年智利Mw 8.1地震激發(fā)的自由振蕩信號表明，雖然gPhone重力儀的噪聲水平高于超導(dǎo)重力儀，但是同樣可以清晰地獲取地震頻段的地球自由振蕩信號。

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

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

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