發布時間：2021-03-08所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要短周期密集臺陣觀測是目前開展深淺部地球物理探測的一種低成本、高環保、高效率的地震學手段，目前處于蓬勃發展的重要階段。為了對短周期地震儀的觀測資料有一個全面認識，本文選擇接近野外噪聲的觀測環境，對短周期和寬頻帶地震記錄儀的觀測資料進行了
摘要短周期密集臺陣觀測是目前開展深淺部地球物理探測的一種低成本、高環保、高效率的地震學手段，目前處于蓬勃發展的重要階段。為了對短周期地震儀的觀測資料有一個全面認識，本文選擇接近野外噪聲的觀測環境，對短周期和寬頻帶地震記錄儀的觀測資料進行了系統時頻分析和對比。結果表明：短周期地震儀雖存在儀器頻帶寬度的限制，但對于觀測到的天然地震和背景噪聲，在選擇合適的濾波器條件下，其觀測與寬頻帶地震儀有較好一致性。本文將兩種儀器記錄的遠震波形進行了接收函數計算與分析對比，結果也表現出較好一致性。本文結果表明傳統地震學探測地下結構的方法在合適的頻帶范圍內也可應用于短周期密集臺陣資料。該研究對于密集短周期臺陣數據的應用具有一定參考價值。
關鍵詞短周期地震儀寬頻地震儀一致性分析頻譜分析接收函數
0引言
地震學是以觀測為基礎的科學，天然地震波觀測資料是得到地下深部結構的最為重要的信息。自19世紀第一臺現代意義的地震儀出現，經歷百余年科學技術的發展，現今地震儀也已步入數字時代，其中寬頻帶地震儀的發展與應用推動了20世紀中葉至今地震臺網建設和全球深部探測研究(朱鉉，2002;陳瑛，宋俊磊2013;劉婷婷等，2013)，也積累海量高質量數據，并據此得到了全球和不同區域的地下結構信息(劉啟元，1991;郭飚，2003;李順成等，2005)。
鑒于觀測成本和研究深部結構的資料需求，在寬頻帶臺網和流動臺陣的設計上，即便是相對密集的流動臺陣觀測，臺站布設間距也一般大于10km，觀測周期一般為1-2年。這種高經濟成本和高時間成本的限制，使得寬頻帶流動臺陣觀測只能依托于一些執行周期長的大項目，限制了該方法的廣泛應用。近年來具有小型化低功耗的一體化便攜式數字地震儀開始快速發展(彭朝勇等，2014)。相比一套寬頻帶觀測系統十幾萬的價格，集成度高的短周期地震儀價格僅在萬元左右。由于儀器成本的大幅度降低，使得研究者可以在一個研究區進行臺站間距小于1km的密集觀測。由于空間的加密，1個月左右的觀測資料就可得到一個研究區較高精度的深部結構結果，達到了以密集空間觀測換長期時間觀測的效果。近期，已有較多研究者利用密集短周期臺陣資料開展了區域深部結構的精細研究，如Liu等(2017)利用短周期密集臺陣接收函數方法對青藏高原東緣岷江斷裂、西秦嶺斷裂等下方地殼結構進行了研究;Bao等(2018)利用HVSR法進行微震測量對唐山斷裂帶區域淺層沉積物的二維成像;Li等(2016)對東北地區五大連池區域火山錐下的巖漿房進行了高分辨率的環境噪聲層析成像研究;Wang等(2019)利用環境噪聲進行雙波束形成層析成像技術應用于美國圣哈辛托斷層短周期地震陣列得到了斷層破壞區域高分辨率圖像。從目前發展趨勢看，密集短周期地震觀測技術，將在未來深部結構的研究中發揮日益重要的作用。
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短周期地震儀設計之初的目的為監測地震波頻率較高的地方震，通過犧牲頻率帶寬度的方法可以達到對高頻的成分信號的增益(張艾民，1991)，近年來的一體化短周期地震儀便攜程度大大提升，十分符合快速、便捷的野外觀測布設需求，但短周期器本身受頻率范圍受到限制，尤其是在低頻段，其觀測資料與寬頻帶地震儀相比有較大差別(李霞等，2010)，同時，短周期地震儀在野外布設過程中會遇到觀測環境噪聲較為復雜的問題，以遠震直達波P波為代表的重要地震波震相信號是否會被噪聲干擾也值得探究。因此傳統的地震學方法如何適用于短周期密集臺陣觀測資料，仍需要進行系統分析和對比。目前的研究工作較少針對不同型號地震儀實際觀測應用效果的比較，對此，本文將從不同型號地震儀在較復雜噪聲觀測環境下的實際觀測資料出發，重點對兩類儀器記錄的遠震P波及后續波形進行了時域和頻域分析，對觀測噪聲頻譜進行對比，并對兩種儀器記錄的遠震波形資料得到的接收函數進行對比，以此為短周期密集臺陣資料應用提供參考。
1儀器及數據收集
本文采取常規天然地震事件觀測方法，將多套不同型號的地震儀同時布設于相同的實驗環境中采集天然的地震事件(圖1)。為便于檢驗在復雜環境下采集條件下的效果，綜合考慮到目前短周期在野外的布設環境受到交通條件限制，布設空間可選擇性較小，本實驗場地選取在中山大學地球科學與工程學院教學樓架空層實驗室(圖1c)，日常教學活動及新近附近施工使之具有較為復雜背景噪聲環境，其觀測結果和野外短周期臺陣的觀測具有較高可比性。本實驗所選取的地震儀型號為英國Guralp公司3T型號寬頻帶地震儀與中地裝(重慶)地質儀器有限公司EPS短周期地震儀(圖1d)，二者主要技術參數表如表1。由于具有經濟成本及制造工藝上的差異，兩套儀器的頻帶范圍明顯不同，寬頻帶地震儀的頻率范圍為0.0083Hz-50Hz，而短周期地震儀的頻率范圍為0.2Hz-150Hz，頻帶寬度的限制是造成短周期地震儀在實際應用中觀測效果差異的重要因素。利用廠家提供的傳遞函數信息可以獲得在兩類儀器的幅頻(圖2a)及相頻響應特征(圖2b)。
數據來源為自主觀測，2019年3-4月兩類儀器布設于同一觀測環境下(圖1c，d)進行了近一個月的連續觀測，將獲取到的兩類儀器miniseed格式原始地震數據轉存為SAC格式，并根據美國地質調查局(USGS)的地震目錄截取遠震事件波形，在其中選擇波形記錄較好的地震事件。然后通過對記錄的一致性對比、頻譜分析以及接收函數比較，系統分析不同儀器記錄資料的差異。
2觀測資料對比分析
2.1一致性比較
一致性比較是檢驗地震儀器性能的常用方法。通過一致性的對比，可以檢驗排除單臺儀器存在偶然誤差(劉旭宙等，2014)，因此實驗首先對多臺同種型號地震儀記錄到的波形進行一致性比較。選取觀測期間一次較為典型的地震震例(表2中事件1)，為壓制噪聲，突出地震信號，我們首先對原始地震數據進行了濾波、去均值、去線性趨勢、歸一化處理，并參考標記震相理論到時，作為拾取實際震相的參考。
由于濾波參數對壓制噪聲、突出觀測波形中主要震相有重要影響，我們首先結合兩類儀器的頻帶范圍設定了多組濾波參數進行比較�？紤]短周期地震儀的低頻限制，設置0.02-0.1Hz的濾波范圍(圖3a,b)，對包含表2地震事件1的連續一小時原始資料進行濾波，并對比了是否去除儀器響應的濾波后結果的差異。比較如圖3a和3b所示的低頻信號的記錄特征，可以發現寬頻帶地震儀濾波后的波形在地震波信號到達之前隨機噪聲水平較低，而短周期地震儀隨機噪聲較高。我通過對多組不同濾波范圍進行了嘗試，發現對此次天然遠震記錄的較好濾波頻率為0.1-2Hz(圖3c,d)，并以此頻率為基礎進行后續一致性對比。
在兩套儀器中各選取四臺作為樣本，對其觀測記錄中P波、S波所在范圍數百秒的數據濾波后進行波形一致性比較(圖4,圖5)。根據波形的相似程度初步可以定性判斷寬頻帶與短周期地震儀記錄一致性較好，但肉眼無法直觀分辨同類型儀器之間的差異，我們進一步對四套儀器E、N、Z分量記錄進行相關系數計算(表3)。結果表明寬頻帶地震儀同分量相關系數均在0.99以上，一致性較高，短周期地震儀一致性相對遜色于寬頻帶地震儀，但整體上仍具有較高的相關性，均達到0.83以上。
2.2頻譜分析
時頻分析方法是處理和分析地震信號一種重要手段。地震波所攜帶的信息極為復雜，而天然地震事件的主頻則處在一定范圍內，頻譜可以反映地震波信息在頻率域的特征，根據特征可以對不同的地震事件類型進行判斷(王玥琪，2015)。短時傅里葉變換(shorttimeFouriertransform，STFT)(Allen，1977)是數字信號處理中頻譜分析的一種常用方法，可以同時展現地震信號時域與頻域特性，該方法通過設定較短時間窗口將地震信號分成多個連續的小的時間區段，再利用傅立葉變換得到每一小段內的信號頻譜，以此可以得到兩類儀器記錄的地震信號的相對的瞬時頻域屬性。
由于兩種類型同類型儀器間的一致性對比結果良好，后續將對兩種類型儀器僅各取一套進行頻譜分析及對比討論。首先通過設置滑動數據窗的長度為15秒，滑動間隔為0.01秒，對包含表2中地震事件1的未經濾波的十幾分鐘的原始波形進行短時傅里葉變換(圖6)，地震波的波形記錄被噪聲所覆蓋，無法直接觀察到震相，為使震相清晰可見，這里使用0.05-2Hz濾波后的波形圖象作為參照，結合頻譜功率的變化圖也表明地震信號已經被儀器記錄到，兩套儀器的所體現的頻率隨時間的響應變化基本一致。但頻率成分卻體現出一定的差異，總體表現為在二者頻帶范圍內存在一定的信號強度的差異，在頻率向下接近短周期儀器頻帶范圍下限及之外的部分時，二者差異明顯且逐漸增大，如P波到時附近的0.05-0.2Hz頻率范圍的信號，短周期儀器同樣記錄到瞬時功率的變化，但已經體現強度上的差異，而0.02-0.05Hz范圍內的功率更高的S波信號則并未在短周期儀器的頻譜圖上體現出來。——論文作者：周啟明1,2)沈旭章1,2),*
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