沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶地震計(jì)垂直向LP通道固體潮特征分析

馬 莉，劉 利，王艷艷，陳 越

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.盤(pán)錦地震臺(tái)，遼寧 盤(pán)錦 124010；3.遼河油田勘探開(kāi)發(fā)研究院地震臺(tái)，遼寧 盤(pán)錦 124010）

0 引言

JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)為我國(guó)自行研制的超寬頻地震計(jì),動(dòng)態(tài)范圍為140dB,頻帶為0～20Hz。地震計(jì)分別有兩個(gè)信號(hào)通道輸出：其中BB速度通道為0.0033～20Hz的速度信號(hào)輸出，即周期范圍: 0.05～360s和LP加速度通道0.0033～0Hz的加速度信號(hào)輸出,即周期范圍:360s～DC。觀測(cè)信息不僅記錄地震波還記錄固體潮及更長(zhǎng)周期的信號(hào)。1996年首先在武漢地震基準(zhǔn)臺(tái)投入觀測(cè),目前在國(guó)內(nèi)布設(shè)有幾十個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。沈陽(yáng)臺(tái)擔(dān)任全國(guó)大震速報(bào)，主要進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)工作，就是使用其儀器臺(tái)站之一。

1 應(yīng)用理論

固體潮是在日、月引潮力的作用下，固體地球產(chǎn)生周期性的形變現(xiàn)象[1]。月球和太陽(yáng)對(duì)地球的引力不但可以引起地球表面流體的潮汐（如海潮、大氣潮），還能引起地球固體部分的周期性形變。隨著日、月作用點(diǎn)的位置不同和日、月相對(duì)于地球的位置變化，引潮力作用在地球的單位質(zhì)點(diǎn)上的日、月引力和地球繞地月（和地日）公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力的合力稱為引潮力的大小、方向也發(fā)生改變。地面受固體潮的影響，不停的變形。

由于傳統(tǒng)的擺式地震計(jì)具有儀器性能限制，主要用于觀測(cè)短周期和長(zhǎng)周期的地震波，像固體潮，地球的自由震蕩為超長(zhǎng)周期的波是觀測(cè)不到的。JCZ-1地震計(jì)垂直向（UD）傳感器LP通道頻響范圍到零頻，記錄不僅包括大于360s的地震長(zhǎng)周期信號(hào)和其他地動(dòng)信號(hào)，也包括月亮等天體與地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的重力固體潮汐[2]，與通常的重力儀不同，其原始記錄未經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)周期濾波，在固體潮汐記錄曲線上疊加有長(zhǎng)周期地動(dòng)信號(hào)。零漂具有很好的線性，易于處理。雖然記錄到的固體潮不能直接看出來(lái)，但是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，通過(guò)一些處理手段的運(yùn)用，就能夠從JCZ-1地震儀的記錄中分離出來(lái)地球固體潮信息。本文通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)地震臺(tái)2009年11月1日到2010年10月31日，一年多時(shí)間的的LP通道垂直向觀測(cè)資料作0—5Hz低通濾波頻譜等分析，采樣率1次／0.5 h，得到JCZ-1的LP通道垂直向日常記錄的固體潮特征。

2 項(xiàng)目資料選取及方法

我們以沈陽(yáng)地震臺(tái)JCZ-1超寬頻地震計(jì)的LP加速度信號(hào)通道2009年11月至2010年12月資料的記錄信息為研究對(duì)象,對(duì)其垂直分量的潮汐信息采用經(jīng)典的潮汐分析方法進(jìn)行分析計(jì)算, 主要采用0-5Hz低通濾波分析，提取固體潮波形記錄，每月地球固體潮起伏2次，出現(xiàn)大潮、小潮各2次，隨著作用點(diǎn)的位置不同和日、月相對(duì)于地球的位置變化，引潮力的大小、方向也發(fā)生改變。給出半日、日、半月、月長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的Venedikov調(diào)和分析計(jì)算結(jié)果，找出JCZ-1超寬頻地震計(jì)的LP加速度通道信號(hào)的固體潮汐特征,為進(jìn)一步觀測(cè)研究工作奠定基礎(chǔ)。

利用地球轉(zhuǎn)動(dòng)與月球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期不同所引發(fā)的對(duì)地球表面物質(zhì)的引張力和壓縮力對(duì)大地震的觸發(fā)作用，和利用固體潮信息研究其瞬時(shí)頻率特征在震前的變化特征，及地震非平穩(wěn)過(guò)程對(duì)理論固體潮的影響，提取固體潮中的地震前兆信息。

3 資料處理結(jié)果

JCZ-1地震儀的增益幾乎不隨頻率變化，由于其采用了恒溫裝置，其LP通道頻帶真實(shí)地?cái)U(kuò)展到DC,因而可以無(wú)畸變的記錄超長(zhǎng)周期地震波和固體潮汐，我們對(duì)LP垂直通道的記錄進(jìn)行處理，采用頻譜分析，將地震數(shù)字信號(hào)FFT變換，通過(guò)Matlab軟件編程處理[3]后可以分離出主要為月亮圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)引起的日波（24 h），半日波（12 h）等頻率成分。從處理結(jié)果可以清楚地看到固體潮的頻譜以及功率譜成分，認(rèn)為對(duì)應(yīng)的全日潮（圖1）、半日潮（圖2）較好。

圖1 LP通道日固體潮曲線圖Fig.1 Daily solid earth tide curve of LP channel

圖2 LP通道日固體潮、半日波三分之一潮固體潮記錄曲線Fig.2 One day 、half day and 1/3 day solid earth tide curve

圖3 LP通道2天固體潮記錄曲線Fig.3 Two days record of solid earth tide curve

圖4 LP通道30天原始記錄曲線Fig.4 30 days record of LP channel solid earth tide curve

圖5 LP通道30天濾波后固體潮曲線Fig.5 30 days record of LP channel solid earth tide curve after filter

圖6 沈陽(yáng)臺(tái)重力日固體潮記錄Fig.6 Gravity earth tidal daily record of Shenyang Seismic station

對(duì)比處理數(shù)據(jù)所得的日固體潮曲線（圖1）和沈陽(yáng)臺(tái)重力儀器記錄的日固體潮曲線（圖6），它們具有極大的相似性，因此我們認(rèn)為JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)垂直向LP通道全日固體潮較好，具有明顯的固體潮特征。

圖7 蒙城地震臺(tái)固體潮曲線Fig.7 Solid tide curve of Mengcheng Seismic Station

對(duì)比處理數(shù)據(jù)所得的兩日固體潮曲線（圖3）和對(duì)比JCZ-1T的2天蒙城臺(tái)垂直向記錄的抽取得到的分鐘和小時(shí)抽取處理結(jié)果（圖7）表明我臺(tái)JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)垂直向LP通道的兩日固體潮曲線原始數(shù)據(jù)及處理信號(hào)都沒(méi)有明顯固體潮特征。

圖8 沈陽(yáng)臺(tái)重力月理論固體潮記錄Fig.8 Gravity earth tide month’s record in theory of Shenyang Seismic Station

對(duì)比處理數(shù)據(jù)所得的兩日固體潮曲線（圖5）和對(duì)比沈陽(yáng)臺(tái)重力儀器月理論固體潮曲線圖（圖8）表明我臺(tái)JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)垂直向LP通道的月固體潮曲線原始數(shù)據(jù)及處理信號(hào)都沒(méi)有明顯固體潮特征。

綜上所述，沈陽(yáng)臺(tái)JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)垂直向LP通道資料經(jīng)過(guò)濾波處理有數(shù)據(jù)有固體潮特征外，兩日及月數(shù)據(jù)均不存在固體潮特征。JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)垂直向LP通道資料與重力儀器記錄固體潮資料明顯不同。JCZ-1與JCZ-1T儀器之間存在明顯差距，JCZ-1T帶寬更寬，記錄固體潮特征更明顯。

4 天氣對(duì)LP加速度通道信號(hào)影響

4.1 大雪天氣對(duì)LP加速度通道信號(hào)影響

圖9 原數(shù)據(jù)濾波后曲線圖Fig.9 Solid earth tide curve

圖10 濾波后固體潮曲線圖Fig.10 Solid earth tide curve after filter

4.2 大風(fēng)天氣對(duì)LP加速度通道信號(hào)影響

圖11 原數(shù)據(jù)濾波后曲線圖Fig.11 Solid earth tide curve

圖12 濾波后固體潮曲線圖Fig.12 Solid earth tide curve after filter

從以上幾個(gè)圖可以看出大雪、強(qiáng)對(duì)流天氣引起的大風(fēng)干擾天氣對(duì)LP通道日固體潮的影響還是存在的，其固體潮記錄就會(huì)發(fā)生畸變。

5 結(jié)論與討論

固體潮記錄是儀器系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要標(biāo)志，如果要探測(cè)微弱的固體潮信號(hào)，除了要有良好的儀器設(shè)計(jì)、精密的傳感器以及觀測(cè)環(huán)境外，采集系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也至關(guān)重要。觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行受到干擾后，例如擺不正?；蛲饨绛h(huán)境干擾變化，如大雪、強(qiáng)對(duì)流天氣引起的大風(fēng)干擾，其固體潮記錄就會(huì)發(fā)生畸變。環(huán)境因素的干擾能使擺的彈性系統(tǒng)不穩(wěn)定。擺的機(jī)械周期越長(zhǎng)，這種問(wèn)題就越突出。因?yàn)榄h(huán)境因素會(huì)使彈性系統(tǒng)和位移檢測(cè)系統(tǒng)變化，導(dǎo)致地震計(jì)輸出低頻噪聲。對(duì)于LP通道（對(duì)加速度輸入響應(yīng)平坦），其記錄頻帶已達(dá)固體潮汐的觀測(cè)頻帶（半日波周期12 h，全日波周期24 h），環(huán)境的緩慢變化將被地震計(jì)記錄，無(wú)法和有用信號(hào)區(qū)分。如果記錄的固體潮形態(tài)比較好，那么說(shuō)明外界環(huán)境也比較好（排除大地震前引起的畸變），因此固體潮汐的記錄是儀器穩(wěn)定性的標(biāo)志，為了捕捉弱小的地震長(zhǎng)周期信號(hào)與地震相關(guān)的前兆信號(hào)，檢驗(yàn)儀器系統(tǒng)的這種穩(wěn)定性是必要的。寬頻帶地震計(jì)特別是甚寬頻帶地震計(jì)會(huì)受到環(huán)境低頻噪聲的干擾，這些低頻噪聲往往被人們忽略。如果想獲得穩(wěn)定的甚寬頻帶輸出，就必須為儀器創(chuàng)造良好的工作環(huán)境[4]。

從本文結(jié)果尤其是兩日固體潮及月固體潮形態(tài)來(lái)看我臺(tái)JCZ-1地震計(jì)的儀器環(huán)境并不十分理想，環(huán)境對(duì)儀器影響很大，與臺(tái)站自身山洞較淺，覆蓋層很薄，易受天氣等因素影響相關(guān)，致使地震計(jì)固體潮記錄不清晰。將沈陽(yáng)臺(tái)JCZ-1超寬頻帶地震計(jì)垂直向（UD）傳感器LP通道2009年11月至2010年10月記錄資料通過(guò)相應(yīng)的手段和處理方法，進(jìn)行固體潮分析研究的結(jié)果如下：

（1）從處理結(jié)果可以清楚地看到固體潮的頻譜以及功率譜成分，認(rèn)為對(duì)應(yīng)的全日潮、半日潮較好。

（2）兩日固體潮和月固體潮特征都不清晰明顯，可見(jiàn)我臺(tái)JCZ-1地震儀對(duì)于觀測(cè)固體潮并不理想。

（3）大雪、強(qiáng)對(duì)流天氣引起的大風(fēng)干擾天氣對(duì)LP通道固體潮的影響還是存在的，其固體潮記錄就會(huì)發(fā)生畸變。

（4）JCZ-1地震計(jì)固體潮范圍-1至106counts范圍內(nèi)來(lái)講說(shuō)兩日固體潮及月固體潮特征不明顯但是不影響測(cè)震記錄工作。

2013年7月更換擺為JCZ-1T型，我們?cè)谄浞€(wěn)定工作后，積累一定量的數(shù)據(jù)，將對(duì)更換后的JCZ-1T擺固體潮特征做出進(jìn)一步跟蹤研究。如何利用現(xiàn)有的觀測(cè)儀器獲取大量的固體潮信息，通過(guò)對(duì)固體潮觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，有利于掌握不同類(lèi)型儀器之間的同比性、相關(guān)性，以增加可視性較強(qiáng)，不同采樣率的固體潮信息。從地震儀器記錄的固體潮資料來(lái)看，這方面的資料還比較缺乏，以前的地震儀都是模擬資料，而現(xiàn)今的數(shù)字化資料給我們提供了機(jī)會(huì)，讓我們采用濾波手段把需要采用的數(shù)據(jù)提取出來(lái)。目前我國(guó)的固體潮觀測(cè)點(diǎn)密度很小，而地震儀器記錄到的固體潮信息有著自己的特點(diǎn)，是其他儀器無(wú)法替代的，利用JCZ-1地震儀觀測(cè)可以獲得綜合觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)驗(yàn)證各種地球模型、研究地球內(nèi)部構(gòu)造很有意義，還可以為地震預(yù)報(bào)提供重要的參考依據(jù)，因而具有重要的實(shí)際意義。

致謝：本文承蒙防災(zāi)科技學(xué)院萬(wàn)永革老師和遼寧省地震局分析室李廣平副主任指導(dǎo)，在此表示感謝！

[1]蔡亞先，呂永清，程駿玲，等.JCZ-1 超寬頻帶地震計(jì)作為綜合觀測(cè)儀器的拓展應(yīng)用[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2007,28（5）:29-34.

[2]蔡亞先,呂永清，周云耀，等.JCZ-1 超寬頻帶地震計(jì)[J].地球形變與地震,1995,15（3）:1-8.

[3]呂永清,蔡亞先，周云耀，等.用MATLAB 工具精確快速測(cè)定寬頻帶地震計(jì)的周期與阻尼系數(shù)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2002,22（2）:116-120.

[4]蔡亞先,呂永清，周云耀，等.JCZ-1 甚寬頻帶觀測(cè)初探[J].地震地磁觀測(cè)與研究,1997,18（5）:39-45.