西安臺PET重力儀與CTS地震儀記錄地震波信號特征分析＊

陳冬柏

（陜西省地震局，陜西 西安 710068）

1 觀測及儀器情況簡介

西安臺位于秦嶺北麓，海拔高度630 m，臺基巖性為前震旦紀片麻狀花崗巖，是陜西省內唯一一個同時具有重力儀和多種地震儀觀測的臺站。

西安臺目前運行的重力儀為PET型便攜式相對固體潮重力儀，儀器位于臺站的重力觀測山洞，洞內年溫差變化小于1.0℃，日溫差小于0.1℃，洞頂無高大樹木覆蓋，記錄曲線穩定性好，基本不受周圍環境和氣象因素影響，全年曲線趨勢基本良好，潮汐變化明顯，不僅能夠清晰記錄每日的潮汐變化，而且對每月的兩個大小潮也能夠清晰記錄。

2 地震選取與重力非潮汐量的提取

2.1 地震選取

為了分析PET重力儀記錄地震特征，選取2018-01-23阿拉斯加灣8.0級地震作為研究對象，選取的地震信息如表1所示。

表1 選取地震信息表

2.2 重力非潮汐量的提取

重力非潮汐量公式如下：

即從原始觀測數據中減去潮汐分量、大氣負荷效應、漂移項和重力殘差得到重力非潮汐量或同震信號。

3 計算與分析

3.1 事件波形及頻率特征

西安臺重力儀和地震儀記錄到的波形如圖1所示。從圖1可以看出，對于本次的遠震記錄，兩種儀器的記錄特征基本相似，重力儀的P波、面波均略先到達臺站，地震儀記錄的S波比重力儀記錄的要清晰；振幅方面，重力儀P波的振幅較小，而到面波時，重力儀記錄的振幅要比地震儀記錄的大。

在圖1中，重力儀記錄的頻帶范圍要小于地震儀，這與兩種儀器特性相吻合。從圖1中也可看出，重力儀記錄的信息主要集中在0.15 Hz以內，并且應該對應的面波或自由振動的信息，而地震儀的記錄則在0.25 Hz以內均有記錄，并且在0.2 Hz時頻率幅值出現第二次小峰值，應該是P波對應震相。由此，可初步得出結論：對于遠震，地震儀對高頻信息的記錄要比重力儀敏感，重力儀記錄的波形特征雖然不如地震儀那樣多數震相清晰可辨，但對一些高頻震相仍然可以較好識別。

圖1 2018-01-23阿拉斯加灣8.0級地震事件波形

兩種儀器記錄波形的頻譜特征如圖2所示。

圖2 兩種儀器記錄波形的頻譜特征

3.2 EMD分解與重構

根據HHT方法對本次地震兩種儀器記錄的波形進行EMD分解，結果發現，對于重力數據，IMF1-IMF3與原波形特征對應較好，但從IMF4起，波形的長周期成份開始變多，而類似分析對地震儀是從IMF5開始出現長周期分量。

為了得到更加精確的信號，需要對信號進行重構，即選取EMD分解中的前4項分量進行重組，得到一個新信號，如圖3所示。

可以發現，重構信號基本能夠復原原信號的特征，并且將原信號中的一些長周期信號進行了剔除，這些長周期信號多與人類活動相關。在以下的計算中，均采用重構信號進行相關計算。

4 結論

本研究通過選取5個距離西安臺震中距相差較大的地震，在對重力儀和地震儀垂直向數據預處理的基礎上，通過在時域和頻域對觀測數據分析，結果表明：①通過對比地震儀和重力記錄的信號，發現重力儀基本能夠準確記錄地震信號，特別是對信號的P波段、面波段能夠較真實的記錄；②通過頻譜分析，對于兩種儀器記錄的近震信號，在低頻處有一定相似性，但在高頻部分，地震儀明顯優于重力儀。

因此，對于目前秒采樣的重力儀，對一些地震的信息可以較好的記錄，特別是對遠震記錄較好，此時的P波清晰，能夠真實反映震源的信息。但對于震中距較小的地震，由于這類地震高頻信息較多，而重力儀的采樣率和頻帶寬度限制了其記錄能力，無法完整記錄震源信息。