崇州臺與成都臺測震觀測技術(shù)對比分析

何思源，李雪浩，劉華姣，龔 康

(四川省地震局成都地震監(jiān)測中心站,四川 成都 611730)

0 引言

成都地震臺(以下簡稱成都臺)位于龍門山構(gòu)造帶前沿的成都凹陷盆地內(nèi)，臺址所處的走石山是白堊系礫巖經(jīng)風(fēng)化剝蝕后形成，基巖不完整，發(fā)育多層溶洞，部分已被風(fēng)化黃土充填。臺址基巖屬白堊系底部礫巖，擺墩處的基巖較破碎，長期存在頻率范圍為2～4 Hz的干擾[1]。較破碎的臺基及長期存在的干擾導(dǎo)致臺站產(chǎn)出的觀測資料質(zhì)量欠佳。為提高臺站測震觀測水平，需找到合適的測震觀測點(diǎn)位。崇州地震臺(以下簡稱崇州臺)是“5·12”汶川地震后成都臺原部分觀測項(xiàng)目擴(kuò)展的新建臺，2011年6月開建，2014年投入觀測，目前僅有前兆觀測手段。距場地最近的龍門山斷裂帶前山斷裂的次級分支——萬家坪斷裂，展布于場地北西側(cè)約4.8 km，距成都臺直線距離27.2 km，斷裂的主斷層面均傾向北西(見第10頁圖1，由四川省地震局工程地震研究院提供)。

圖1 成都臺及其他臺站地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Chengdu Seismic Station and its station area

為對比兩臺的測震觀測技術(shù)，選取崇州臺GL-CS120甚寬頻帶地震計(jì)搭配EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器2021年3月9日至15日的數(shù)據(jù)記錄，及成都臺同一時(shí)間段記錄的地震波形。通過對比分析，明確兩臺站觀測條件及技術(shù)的優(yōu)劣勢，為成都臺后續(xù)的測震觀測發(fā)展規(guī)劃、提高觀測質(zhì)量提供參考。

1 地震計(jì)GL-CS120與JCZ-1T背景噪聲的差異分析

由于崇州臺與成都臺使用的并非同一臺地震計(jì)，需確定不同地震計(jì)記錄的數(shù)據(jù)用于背景噪聲計(jì)算產(chǎn)生的差異情況。若采用兩臺地震計(jì)在同一時(shí)間同一地點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲計(jì)算對比，結(jié)果更具客觀性。GL-CS120在2021年3月9日用于崇州臺進(jìn)行觀測前，一直作為輔助觀測手段架設(shè)于成都臺測震觀測室，同樣搭配EDAS-24GN數(shù)采。因此，選取GL-CS120與JCZ-1T2021年2月26日至28日凌晨1點(diǎn)至6點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲計(jì)算及對比。

式中:P為加速度或速度功率譜密度;f0為分度倍頻程中心頻率；RBW為相對帶寬。

RBW=(fu-fl)/f0=(2n-1)/2n/2，

式中：fu為分度倍頻程上限頻率;fl為分度倍頻程下限頻率。在實(shí)際噪聲數(shù)據(jù)分析過程中，將得到的連續(xù)波形文件進(jìn)行分道，分道后的文件擴(kuò)展名由臺網(wǎng)臺站序號(0、1、2)和U、E、N組成，選擇三分向來測定臺基噪聲功率譜密度[2]。

通過GL-CS120與JCZ-1T的數(shù)據(jù)計(jì)算得到成都臺三分向地噪聲RMS均值。依據(jù)第11頁表1可知，若以JCZ-1T的計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，GL-CS120的計(jì)算結(jié)果總體差異在2%以內(nèi)，說明兩臺地震計(jì)在同一觀測環(huán)境下對背景噪聲的計(jì)算結(jié)果影響較小，采用GL-CS120記錄的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲計(jì)算是可行的、客觀的。

表1 2021年2月GL-CS120和JCZ-1T地噪聲RMS值計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of RMS value of ground noise of GL-CS120 and JCZ-1T in February 2021

2 背景噪聲水平對比

臺站的背景噪聲水平關(guān)系到其測震環(huán)境及對地震的監(jiān)測能力，影響臺站產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量[3]。為了解崇州臺的背景噪聲水平，將GL-CS120甚寬頻帶地震計(jì)搭配EDAS-24GN數(shù)采架設(shè)于臺站，于2021年3月9日至15日開展觀測，選取期間每日凌晨1至2點(diǎn)、3至4點(diǎn)和5至6點(diǎn)3個(gè)相對平靜時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

表2 2021年3月崇州臺和成都臺地噪聲RMS值Table 2 RMS value of ground noise at Chongzhou and Chengdu Seismic Stations in March 2021

圖2 崇州臺與成都臺臺基噪聲功率譜密度圖Fig.2 Base noise power spectral density map of Chongzhou and Chengdu Seismic Stations

3 地震波形質(zhì)量對比

選取成都臺與崇州臺記錄的2021年3月13日19點(diǎn)11分云南鹽津ML3.3地震作為樣例進(jìn)行研究。兩個(gè)臺站背景噪聲的差異主要來自UD向，下文從UD向記錄的地震波形進(jìn)行對比。從崇州臺的記錄來看，震相與背景噪聲區(qū)分明顯，UD向20 s附近Pn能準(zhǔn)確識別，隨后30 s附近可識別Pg震相；成都臺的UD向中，Pn震相因受背景噪聲干擾無法直接辨認(rèn)，Pg震相混雜在背景噪聲中也難以辨別。分別對兩個(gè)臺站UD向記錄的地震波形求取小波時(shí)頻圖(見圖3)。其中，成都臺UD向高頻信息充斥整個(gè)時(shí)間段，Pn和Pg震相的信息混合于高頻信息中難以識別，表明成都臺UD向記錄的波形受到的干擾較大，直接影響初動震相的識別。在崇州臺的小波時(shí)頻圖中，20 s和30 s附近出現(xiàn)聚集性的高頻信號，兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)恰好對應(yīng)Pn和Pg震相出現(xiàn)的時(shí)間，表明崇州臺UD向記錄的信噪比高，能準(zhǔn)確地拾取地震初動震相。

圖3 UD分向記錄的同一地震波形小波時(shí)頻圖Fig.3 Wavelet time-frequency diagram of the same seismic waveform

4 小震級地震記錄能力對比

為研究兩個(gè)臺站在小震級地震記錄能力方面的差異，選取2021年3月9日00點(diǎn)20分、04點(diǎn)03分、00點(diǎn)58分阿壩理縣ML1.7、四川什邡ML1.5及四川綿竹ML1.6三次地震作為研究樣本。由成都臺的波形記錄情況可知，3個(gè)小震級地震波形基本被UD向的背景噪聲掩蓋，難以辨別初動震相(見第13頁圖4)。分別對三段地震波形求取小波時(shí)頻圖，仍無法準(zhǔn)確判定地震初動的起始點(diǎn)。崇州臺的地震波形記錄情況如第13頁圖5所示，3個(gè)小震級地震波形均被清晰、完整地記錄，地震事件與背景噪聲區(qū)分明顯，能辨別初動震相位置，再結(jié)合小波時(shí)頻圖，可確認(rèn)地震初動的起始點(diǎn)并拾取初動震相。結(jié)果表明，崇州臺在小震級地震記錄能力方面優(yōu)于成都臺。

圖4 成都臺記錄的3個(gè)小震級地震波形及小波時(shí)頻圖Fig.4 Waveformsandwavelettime-frequencydiagramofthreeSmall-magnitudeearthquakesrecordedbyChengduSeismicStation圖5 崇州臺記錄的3個(gè)小震級地震波形及小波時(shí)頻圖Fig.5 Waveformsandwavelettime-frequencydiagramofthreeSmall-magnitudeearthquakesrecordedbyChongzhouSeismicStation

5 結(jié)論與討論

通過對崇州臺與成都臺在背景噪聲水平及記錄波形質(zhì)量方面的比較，可得出如下結(jié)論：

(1) 崇州臺水平分向、垂直分向具有更低的背景噪聲，綜合背景噪聲水平優(yōu)于成都臺。

(2) 崇州臺垂直分向記錄的波形受到的干擾較小，信噪比高，能準(zhǔn)確地識別地震初動震相。成都臺垂直分向記錄的波形受到的干擾較大，直接影響初動震相的識別。

(3) 成都臺記錄的小震級地震波形易被背景噪聲掩蓋，崇州臺具有較強(qiáng)的小震級地震記錄能力。

(4) 崇州臺較成都臺具有更好的背景噪聲水平，能較準(zhǔn)確地記錄反映地震初動震相，產(chǎn)出高信噪比的地震數(shù)據(jù)。若在崇州臺增加測震手段并納入測震資料分析評比，將可能彌補(bǔ)成都臺測震觀測缺陷，提高整體的觀測水平，產(chǎn)出較多高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)。