烏加河地震臺JCZ-1地震計與PET重力儀地震波記錄特征分析

石 偉 胡 瑋 馮雪東 賈昊東

（中國內蒙古自治區015000巴彥淖爾地震監測中心站）

0 引言

固體潮汐觀測數據可以較好地反映地球固體潮汐的日波、半日波特征及地震孕育過程的中期特征（國家地震局科技監測司，1995）。近年來，數字化觀測采樣率大幅度提高，豐富了潮汐觀測的震前變化信息（張晶等，2003）。高精度連續觀測相對重力儀不僅可以觀測到固體潮信號，也能夠觀測到地震頻段的地震信號，如體波、面波和自由振蕩等（江穎等，2017）。Niebauer等（2011）利用位于科羅拉多的5臺gPhone重力儀，對2006年11月發生在日本千島群島的MS8.2地震進行觀測，結果表明，5臺gPhone重力儀對地震的響應幾乎一致，體現了gPhone重力儀的性能穩定性。然而，利用重力儀的地震波記錄開展地震機制研究前，需要對重力儀和地震計記錄的地震波信號進行對比，以確定重力儀記錄的地震波信號的可靠性。相關研究有：周江林等（2015）對gPhone重力儀與STS-2地震計在地震頻帶響應、首波初至及面波頻散等方面進行比較，發現gPhone重力儀對地震引起的地面運動信息有較高的靈敏度，地震事件與震源破裂時地震矩釋放過程大致吻合；王梅等（2015）通過比較LaCoste-PET（gPhone）與JCZ-1地震儀記錄的地震信號，發現2種儀器對高頻地震波信號響應有較強的一致性。

烏加河地震臺（下文簡稱烏加河臺）現為內蒙古自治區西部地區唯一綜合性觀測臺站，擁有重力、形變、地電、地磁和測震等觀測手段，觀測數據連續性、穩定性較高。為驗證PET重力儀地震記錄能力，本文選取震中距不同的3個震例，基于同震響應原始波形及頻譜，對比分析烏加河臺JCZ-1地震計與PET重力儀對近震、遠震、極遠震的記錄特征。

1 臺站概況

烏加河臺位于內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特中旗烏加河鎮北，地處陰山南麓河套平原，海拔1052 m（圖1），受溫帶大陸性季風氣候影響，年平均氣溫約6.8 ℃，降水集中在每年的7—9月，年平均降水量約179 mm。

圖1 烏加河臺地質環境與地理位置Fig.1 Geological environment and geographical location of Wujiahe Seismic Station

該臺地處陰山緯向構造帶中西段與狼山弧形構造帶復合部位，地殼穩定性較好，臺站基巖為古生代花崗變質巖，巖性致密堅硬，觀測山洞平均覆蓋厚度約189 m，洞室溫度恒定，年平均溫度約13.5 ℃，年變化小于0.3 ℃，日溫差小于0.05 ℃。烏加河臺地質環境與地理位置見圖1。

烏加河臺2005年使用JCZ-1寬頻帶地震計開始地震記錄，2007年使用PET型重力儀（美國Microg-LaCoste Inc.公司生產，儀器觀測精度較高）開展連續重力觀測，地震數據記錄質量較好。2套觀測儀器主要技術指標見表1。

表1 JCZ-1地震計和PET重力儀主要技術指標Table 1 Main specifications of JCZ-1 seismometer and PET gravimeterr

2 觀測數據處理

JCZ-1寬頻帶地震計無零漂等現象，觀測數據不包含1/3日波、半日波和周日波等長周期（極低頻）潮汐波信號。PET重力儀觀測的原始重力數據（秒采樣）包含潮汐、非潮汐信號（含地震波、漂移等）及其他干擾信息，利用Tsoft軟件進行去潮汐和零漂改正，可得到重力殘差數據。由于地震計記錄為速度值（單位為1×10-8m·s-1），PET重力儀記錄為重力加速度值（單位為1×10-8m·s-2），為方便對比，對重力儀記錄數據進行積分變換，將加速度值轉換為速度值。且2套儀器采樣率不同，將地震計記錄數據采樣率降低為1 Hz（取垂直方向），與重力儀采樣率相同。除特殊注明外，下文中地震計記錄均指1 Hz采樣率的垂直向數據，重力儀記錄均指經去潮汐、零漂改正和積分變換的重力殘差數據。

3 地震記錄特征對比分析

為了獲取更全面的地震信息，從近震、遠震、極遠震的角度，基于原始波形、功率譜、時間—頻率關系，對比分析測震數據與重力地震波形記錄的特征差異。震例選取如下：近震：2021年12月9日蒙古MS5.1地震，震中距578 km；遠震：2022年3月16日日本本州東岸近海MS7.4地震，震中距2918 km；極遠震：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 原始波形對比

選取2021年12月9日蒙古MS5.1地震、2022年3月16日日本本州東岸近海MS7.4地震、2022年4月21日尼加拉瓜沿岸近海MS8.2地震記錄，截取烏加河臺地震計測震數據波形和重力記錄波形（圖2），對比分析2套儀器對近震、遠震、極遠震的原始記錄特征。

圖2 測震數據與重力記錄波形對比(a)蒙古MS 5.1地震；(b)日本本州東岸近海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

由圖2可見：①地震計與重力儀均可清晰記錄到上述3次地震波形；②2套儀器記錄波形一致性較好，但重力儀同震響應幅度較低，二者同震響應記錄時間幾乎一致，較小差異由重力儀校時不及時所致；③重力儀可清晰記錄近震、遠震的P波、S波震相和面波，并可清晰記錄到極遠震的PKP波、PP波、SS波和面波震相。

地震計和重力儀記錄地震波形的P波初動方向、地震波持續時間、最大振幅及二者的相關系數統計結果見表2。由表2可見，二者記錄的3個地震波形的P波（PKP波）初動方向一致、地震波持續時間一致，相關系數均大于0.9，具有較強的正相關性；對于地震計而言，3次地震的波形最大振幅比為1:124.7:3.12，而重力儀比值為1:15.9:0.39，二者的最大振幅比差異明顯，相對地震計而言，重力儀對極遠震信號的識別能力較弱；尼加拉瓜沿岸近海MS8.2地震比日本本州東岸近海MS7.4地震震級大，但2套儀器記錄到的地震波最大振幅比較小，應與其震中距遠大于日本地震有關。

表2 地震計和重力儀記錄地震波形信息Table 2 Seismic waveform information recorded by seismometer and gravimeter

3.2 頻譜分析與時頻分析

選取3次地震發生當日重力殘差數據和測震數據進行頻譜分析，結果見圖3，并繪制2套數據記錄的時頻分布圖，結果見圖4。

圖3 地震計和重力儀記錄波形功率譜(a)蒙古MS 5.1地震；(b)日本本州東岸近海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

圖4 測震數據和重力殘差數據記錄的時頻分布(a)蒙古MS 5.1地震；(b)日本本州東岸近海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

由圖3、圖4可見，與2套儀器記錄原始地震波形特征相同，測震數據與重力殘差數據功率譜分布一致性較高；因2套儀器均為秒采樣，因此無法檢出周期小于2 s（f＞0.5 Hz）的短周期（高頻）信號（因重力殘差數據在進行去固體潮處理時已濾除1/3日波、半日波等長周期信號，鑒于長周期信號微弱，為便于對比，圖3已轉換為對數坐標）。

由于3次地震震級和震中距的差異，地震波持續時間和最大振幅差異明顯。對于蒙古MS5.1地震，利用測震數據和重力儀殘差數據功率譜分布并不能明顯分辨其功率譜，主要是因為，對于震級較小的近震，地震波周期一般小于1 s，而2套數據均設置為秒采樣值，故功率譜分析無法檢測近震。對于日本MS7.4地震和尼加拉瓜MS8.2地震功率譜分布可以明顯分辨其地震波功率譜；日本MS7.4地震信號集中分布在0.05—0.15 Hz（周期為6—20 s）頻段；而尼加拉瓜MS8.2地震波形信號集中分布在0.03—0.07 Hz（周期為14.3—33.3 s）頻段，處在極遠震地震波傳播的卓越周期內。時頻分布結果顯示，對于蒙古MS5.1地震（近震），測震記錄含有更多能量信息，這是因為，地震計采樣率較高，即使降低數據采樣率，仍包含較豐富的信息；對于作為遠震和極遠震的日本MS7.4地震、尼加拉瓜MS8.2地震，2套儀器記錄的時頻分布結果無明顯差異，一致性較好。

4 結論

通過對JCZ-1地震計和PET重力儀記錄的3次地震波形數據進行對比分析，可以得出以下結論。

（1）對于達到一定震級的地震，JCZ-1地震計和PET重力儀均能清晰記錄地震波形。對比分析重力殘差數據與地震計秒采樣數據，認為二者記錄的P波初動方向、P波和S波到時、地震波持續時間及振幅等震相特征具有較好的一致性；二者記錄地震波形數據的相關系數隨震中距增大，正相關性減弱。

（2）頻譜分布與時頻分布表明，2套儀器記錄頻譜曲線一致性較好，遠震和極遠震的地震波頻率分布存在差異，而震級較小的近震，因地震波周期小于1 s，以致無法在秒采樣數據頻譜分布圖中檢測到該地震。