高臺YRY鉆孔應變儀與BBVS-120地震儀青海瑪多MS7.4地震同震對比分析

陳麗君 閆 勛 蘇小蕓 姜振海 王志棟 胡 源

1 甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,蘭州市東崗西路410號,730000

2 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號,730000

隨著形變觀測技術的發展,高采樣率鉆孔應變儀開始在國內安裝使用,經過多年觀測,產出大量高頻率觀測資料。理論上,鉆孔應變儀在低頻端可與GPS銜接,高頻端觀測數據與地震計觀測數據有很好的可比性和一致性[1-3]。本文在已有研究的基礎上,對高臺臺秒采樣YRY-4鉆孔應變儀及同址觀測的BBVS-120地震儀記錄到的2021-05-22青海瑪多(34.59°N,98.34°E)MS7.4地震數據進行分析,研究同址應變儀與測震儀在波形記錄方面的數據變化、地震學震相形態及頻譜特征,以期為利用二者變化規律研究地震引起的地面運動特征、利用應變儀數據測定震級及拓寬鉆孔應變觀測數據應用領域等提供參考。

1 臺站背景及儀器概況

高臺地震監測站位于祁連山地震帶,是合黎山-龍首山褶皺帶南緣與河西走廊斷陷分界處,河西區是高臺-榆木山隆起、祁呂西褶皺外緣與古NW向構造斜撞復合部位,區域地質構造以合黎山-龍首山NWW向隆起帶為主,臺基為海西期花崗巖。YRY-4鉆孔應變儀于2007-06-21安裝完成,井深45 m,儀器數據入網時元件代碼與分量代碼順次對應,元件1(S1,方位角-65°)為2321,元件2(S2,方位角-20°)為2322,元件3(S3,方位角25°)為2323,元件4(S4,方位角70°)為2324。傳感器安裝完成后,穩定運行超過16 a,四分量元件工作正常,滿足自洽要求。后續升級更新數據采集器,提高采樣率,產出大量秒采樣觀測數據。測震儀于1965-12安裝并開始觀測,經過多年發展,目前觀測系統主要由BBVS-120甚寬頻帶地震儀和EDAS-24IP數據采集器組成,采樣頻率為100 Hz。鉆孔應變儀的觀測基本覆蓋地球動力學所有觀測頻帶[4],與地震儀觀測頻段部分重疊,且兩種觀測手段都記錄到2021-05-22青海省瑪多縣發生的MS7.4地震的地震波信號,這也為二者對比分析的科學性和可行性奠定了基礎[5-6]。

2 初步分析

選取2021-05-22 02:04高臺臺YRY-4鉆孔應變儀秒采樣觀測數據,并截取02:03:36～02:36:54時段數據進行分析。為保證研究結果的可靠性,先對分析時段觀測數據進行質量控制。本文采用鉆孔應變臺網月評質量報告中高臺臺YRY-4數據精度、儀器自檢內精度進行質量控制,具體見表1。依據形變學科質量規范,高臺臺YRY-4儀器各分量精度均小于0.05,精度較高;自檢內精度為0.015 2,滿足觀測要求。

YRY-4鉆孔應變儀秒采樣觀測曲線如圖1所示,由圖可見,YRY-4鉆孔應變儀于02:05:34清晰記錄到同震連續突跳變化,各分量具有明顯不同的振幅、周期差異,持續約6 424 s,且因地震震級較大、震中距較小,同震曲線明顯壓制了日變形態。各分量同震變化最大變化幅度、同震記錄起始時間及持續時間統計見表2。

圖1 秒采樣四分量鉆孔應變儀地震波Fig.1 Seismic wave of second sampling four-component borehole strain gauge

表2 應變儀各分量同震最大振幅

為對觀測數據進行自洽分析,繪制S1+S3、S2+S4曲線(圖2)。分析發現,記錄到的地震同震曲線也基本滿足四分量面應變之和相等這一規律。為進一步量化分析,使用唐磊等[7]提出的面應變相關系數對觀測數據質量進行評價:

圖2 秒采樣四分量鉆孔應變儀面應變地震波Fig.2 Surface strain seismic wave of second sampling four-component borehole strain gauge

r=

(1)

式中,r表示相關系數,其值越接近1,觀測數據質量越高;S13表示S1+S3;S24表示S2+S4;N表示數據個數。計算得到2021-05-22秒采樣數據面應變相關系數為0.987,為高度相關,說明本次記錄到明顯壓制日變形態的同震記錄時,秒采樣數據面應變相關系數依舊較高,數據自洽效果較好。

為進一步研究YRY-4儀器同震記錄中存在的明顯不同振幅、周期的信號成分,使用高臺臺同址觀測的BBVS-120甚寬頻帶地震儀進行對比分析,考慮到地震儀采樣率遠高于應變儀,對地震儀觀測數據進行降采樣處理,原有采樣率為100 sps,目標采樣率為1 sps,數據截取時段為02:03:36～02:36:54。應變儀秒采樣數據與地震儀降采樣后秒采樣數據如圖3所示,對二者進行一階差分計算后的結果見圖4。由圖3和4可見,二者都清晰地記錄到此次地震的同震波形,且波形曲線形態相似度較高,均為連續震蕩型,地震儀在同震波大幅階躍前記錄到小幅度的突跳。二者同震波形的衰減速度和幅度差異較小,說明四分量鉆孔應變儀秒采樣數據對地震波具有高敏感性,波形曲線與地震儀觀測到的波形曲線具有較高的一致性。

圖3 應變儀與地震儀秒采樣數據Fig.3 The second sampling data of strain gauge and seismometer

圖4 應變儀與地震儀秒采樣數據的一階差分曲線Fig.4 First-order difference curves of second sampling data of strain gauge and seismometer

3 震相特征分析

結合地震儀記錄情況,分別在應變儀與地震儀記錄到的波形曲線中標注Pn(02:05:31)、Sg(02:06:57)、Sm震相(02:07:41),如圖5所示。可以看出,二者記錄到的震相到時一致或接近,形態類似,均為連續突跳,呈包絡狀。其中,Pn震相變化幅度較小,振幅在Sg震相到后達到最大;Sm震相振幅小于Sg震相,且可被地震儀UD測向及應變儀2321、2322、 2324分量記錄到。通過標注震相,驗證了鉆孔應變秒采樣值同震記錄中不同振幅、不同周期的信號成分實際上就是記錄到的不同震相。這一發現與唐磊等[2]及楊選輝等[3]的研究結果一致,說明二者雖分屬不同學科,但同震觀測數據具有一致性和可比性,可利用二者的變化特征研究地震引起的地面運動特征。

圖5 應變儀與地震儀記錄到的瑪多MS7.4地震Fig.5 Maduo MS7.4 earthquake recorded by strain gauge and seismometer

考慮到觀測應變量為負值,為便于分析,將應變儀四分量觀測值加同一常數變為正值,作為扇形半徑,按分量方位角投影至平面,繪制不同時間節點各分量的應變玫瑰圖。由圖5可知,02:05:31記錄到Pn震相后,2321及2322分量的初始形態向上,2323及2324分量向下,這一趨勢維持到02:05:56,選取這2個時間點繪制應變玫瑰圖見圖6(a)。可以看出,2321及2322這2個大致位于NW-SE向的分量表現為拉張變化,2323及2324這2個大致位于NE-SW向的分量表現為壓縮變化。由圖5可知,02:06:57記錄到Sg震相后,2321及2322分量的形態向下,2323及2324分量向上,這一趨勢維持到02:07:00,選取這2個時間點繪制應變玫瑰圖見圖6(b)。可以看出,2321及2322分量表現為壓縮變化,2323及2324分量表現為拉伸變化。由圖5可知,02:07:41記錄到Sm震相后,2321及2322分量形態向下,2323及2324分量向上,這一趨勢維持到02:07:46,而后反向,持續至02:07:49。選取上述時間點繪制應變玫瑰圖見圖6(c)～6(d),可以看出,2321及2322分量在02:07:41～02:07:46表現為壓縮變化,在02:07:46～02:07:49表現為拉伸變化;2323及2324分量在02:07:41～02:07:46表現為拉伸變化,02:07:46～02:07:49表現為壓縮變化。結合地震震中與臺站相對方位可知,開始記錄到Pn震相后,接近震中指向臺站的NE-SW向2323及2324分量形態向下,呈現壓縮狀態;大致與震中指向臺站方向垂直的2321及2322分量形態向上,呈現拉升狀態;開始記錄到Sg震相后,曲線形態及應變狀態與Pn震相相反。這一情況可能與P、S波傳播及振動方向不同有關。

圖6 分量應變不同震相變化示意圖Fig.6 Schematic diagram of different seismic phase variations of component strain

4 頻譜特征分析

為更好地厘清應變儀及測震儀同震記錄的頻譜特性,從頻率域方面進行深入分析。鉆孔應變儀頻譜分析的常規方法是時頻類分析法[8],可以較方便地進行信號頻譜的動態研究[9-10]。本文選用傅里葉變換和連續小波變換對高臺臺秒采樣四分量鉆孔應變儀和地震儀記錄到的瑪多7.4級地震的地震波進行頻譜分析和時頻分析。

設φ(t)為一個基本小波,φa,b(t)為連續小波函數,對于f(t)∈L2(R),其連續小波變換可定義為:

(2)

式中,a≠0,b、t均為連續變量,φ*(t)為φ(t)的共軛。

對應變儀和地震儀的同震曲線進行傅里葉變換,并繪制頻譜。由圖7可見,四分量鉆孔應變儀同震曲線的頻帶范圍為0～0.2 Hz,優勢頻率分布在0.022 8 Hz、0.06 Hz、0.106 Hz、0.15 Hz左右,2323分量0.022 8 Hz、0.106 Hz頻率不明顯,2324分量0.106 Hz頻率不明顯,各分量振幅分布在0.1～400之間;地震儀觀測數據的頻帶范圍為0～0.25 Hz,優勢頻率分布在0.017 Hz、0.056 Hz、0.1 Hz、0.14 Hz、0.17 Hz、0.21 Hz左右,NS向0.17 Hz、0.21 Hz頻率不明顯,各通道振幅分布在102～2×105之間。對比發現,二者優勢頻率的分布范圍基本接近,頻率譜曲線形態高度相似,同一類儀器不同分量(測向)存在不同的頻譜分布特征,但地震儀的優勢頻率振幅遠大于應變儀,其中地震儀EW向、UD向出現了獨有的0.17 Hz、0.21 Hz優勢頻率。

圖7 應變儀與地震儀秒采樣數據頻譜Fig.7 The second sampling data frequency spectrum of strain gauge and seismometer

利用連續小波函數對觀測數據進行時頻分析,對比分析二者的同震變化時頻特性(圖8)發現,應變儀與地震儀的時頻分布具有相似性。四分量鉆孔應變儀記錄的同震波形最大幅度可達2×104量級,地震儀信號的最大幅度可達6×106量級。應變儀在第230～280 s記錄到最大強度信號,各分量記錄的信號形態基本一致,不同分量信號強度存在差異。如2322分量記錄到的地震波信息相對豐富,信號變化幅度也最大,而平行于臺站-震中連線的2323分量記錄的信號變化幅度最小,這可能與臺站局部構造環境、鉆孔耦合條件等因素有關。

圖8 應變儀與地震儀秒采樣數據時頻譜Fig.8 Time-frequency spectrum of second sampling data of strain gauge and seismometer

地震儀在第160～280 s出現了0.05 Hz、0.06 Hz、0.068 Hz、0.075 Hz、0.145 Hz五組優勢頻率信號,之后優勢頻率信號能量逐漸衰減。與應變儀相比,地震儀記錄到的信號強度更大,高頻部分信號更加豐富,反映出不同震相引起的同震信號到時、持續時間的差異性,后期還記錄到地震波不斷衰減時的信號。兩種觀測手段的頻譜特征相似度較高,可在地震定位及異常識別方面互相佐證。結合震相到時可知,兩種儀器的頻譜在時間-頻率方面具有很好的一致性,與陳燚飛等[1]的研究結果一致。

5 結 語

本文以高臺臺YRY-4鉆孔應變儀記錄到的青海瑪多MS7.4地震同震數據為例進行分析,并與同址觀測的BBVS-120地震儀進行數據變化特征、地震學震相特征、頻譜特征等對比分析,得到以下結論:

1)秒采樣四分量鉆孔應變儀清晰記錄到瑪多7.4級地震同震數據,且數據滿足四分量鉆孔應變觀測的自檢特性,驗證了鉆孔應變儀在高頻段的監測結果可靠、有效。

2)通過測震學分析,兩套儀器7個分量都記錄到了此次地震的Pn、Sg、Sm震相,到時基本相同,形態基本一致,可進行對比分析。基于鉆孔應變儀高采樣率數據進行震相學分析,可將兩套觀測儀器相結合,研究地震引起的地面運動特征。

3)通過選取不同時間節點繪制鉆孔應變空間投影玫瑰花圖可知,記錄到Pn震相后2321、2322這兩個大致位于NW-SE向的分量表現為拉張變化,2323、2324這兩個大致位于NE-SW向的分量表現為壓縮變化;記錄到Sg震相后2321、2322分量表現為壓縮變化,2323、2324分量表現為拉伸變化。結合地震震中與臺站相對方位可以看出,大致接近震中指向臺站的分量和垂直于震中指向臺站的分量受拉張/壓縮狀態相反,這一情況可能與P、S波傳播規律有關。

4)鉆孔應變儀和地震儀雖然觀測的物理量不同,但在高頻段的頻譜特征相似度較高,能夠反映地震同震變化的運動過程,頻譜特性可互相參考,以甄別記錄信號的來源。

5)兩套儀器同震曲線在頻率分布、時頻特征等方面有一定的差異,這與儀器的觀測原理、頻帶寬度、觀測靈敏度等有關。未來可考慮提高四分量鉆孔應變儀采樣率,進一步深化鉆孔應變應用研究,為地震學提供新的數據資源。

6)對比鉆孔應變儀高采樣觀測與地震儀觀測發現,二者在同震波形時頻特征及波形特征方面具有較高的一致性,可完整記錄地面運動,對實現多源數據融合、促進不同學科優勢互補具有重要意義。

7)地震儀在同震波大幅階躍前記錄到小幅度的突跳,造成該現象的原因可能有兩種:一是應變儀時鐘誤差造成的,但現有的YRY-4觀測儀一般入庫數據為min值,小于1 min的鐘差并無有效手段進行識別;二是二者的響應機理不同,應變儀記錄的是介質微弱的形變變化,而地震儀記錄的是對地震波的動態響應,當P波到達臺站引起地震儀響應時,介質尚未產生形變,因此地震儀的響應稍前于應變儀。但具體原因有待觀測手段進一步升級后進行討論和確定。

致謝：感謝中國地震臺網中心唐磊為本文提供高臺臺鉆孔應變秒采樣觀測數據。