重力仪与宽频带地震仪地震波信号分析及其在异常判定中的应用

地 震 学 报 ３７ 卷
ｓｈｏｗ ｗｅｌｌ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｒｕｓｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ． Ｔｈｅｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ ｔｏ ｔｈｏｓｅ ｈｉｇｈ－ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｉｏｄ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １ｓ，ａｎｄ ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ｃｏｎｓｉｓ－ ｔｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｅｌｅｓｅｉｓｍ ｗａｖｅ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｒｕｓｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｂｙ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｂｒｏａｄ－ ｂａｎｄ ｓｅｉｓｍｏｍｅｔｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎｄｅｘ ｆｏｒ ｔｈｏｓｅ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｏｍａｌｉｅｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｇｒａｖｉｔｙ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈ－ ｑｕａｋｅ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ ｐｒｏｂａｂｌｙ ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ．
地 震 学 报 ，３７（３）：４７３－－４８１．ｄｏｉ：１０．１１９３９／ｊａｓｓ．２０１５．０３．０１０． Ｗａｎｇ Ｍ，Ｊｉ Ａ Ｄ，Ｘｕ Ｃ Ｐ，Ｗａｎｇ Ｐ，Ｑｕ Ｔ Ｌ，Ｚｈａｎｇ Ｍ．２０１５．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｂｙ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｅｉｓｍｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ａｎｏｍａｌｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ａｃｔａ Ｓｅｉｓｍｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，３７（３）：４７３－－４８１．ｄｏｉ： １０．１１９３９／ｊａｓｓ．２０１５．０３．０１０．
第 ３７ 卷 第 ３ 期 ２０１５ 年５月 （４７３－－４８１）
地 震 学 报 ＡＣＴＡ ＳＥＩＳＭＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３ Ｍａｙ，２０１５
王梅，季爱东，徐长朋，王鹏，曲同磊，张明．２０１５．重力仪与宽频带地震仪地震波信号分析及其在异常判定中 的 应 用 ．
ＪＣＺ－１甚宽频带数字地震仪的频带为０—２０ Ｈｚ，在３６０—０．０５ｓ 频带内采用速度平坦 型设计，采样率为１００ Ｈｚ，动态范围为１４０ｄＢ，覆盖了从短周期地震波至固体潮汐的宽广 频 带 范 围 （蔡 亚 先 等 ，１９９５）．
泰安台ＪＣＺ－１甚宽频地震仪使用 ＧＰＳ校时，重力仪采用原子钟计时，两套仪器记录到 的信号存在一定时差，而且随着仪器运行时 间 的 推 移，两 套 系 统 的 时 差 逐 渐 加 大，但 在 较 短时段内可以通过 数 据 比 对 分 析 得 到 其 具 体 时 差 数 据．此 外，一 般 情 况 下 地 震 仪 观 测 为 “速度”输出，重力仪为“加速度”输出，两套仪器 由 于 相 频 特 性 的 不 同 而 存 在 一 定 时 差．因 此本文为减少这两套系 统 误 差 对 数 据 分 析 的 影 响，采 用 了 一 天 内 的 观 测 数 据 进 行 对 比 分 析 ，这 样 一 方 面 可 以 得 到 两 套 系 统 的 具 体 时 差 ，另 一 方 面 也 可 最 大 限 度 地 减 小 系南麓，台基为 太 古 代 花 岗 片 麻 岩，结 晶 基 底，岩 体 完 整 致 密 均 匀，测 量信噪比高．仪器洞室安装有 ＬａＣｏｓｔｅ－ＰＥＴ 重力仪和ＪＣＺ－１甚宽频带数字地震仪．
ＬａＣｏｓｔｅ－ＰＥＴ 重力仪可以精 确 地 测 量 出 地 球 重 力 固 体 潮 的 相 对 微 小 变 化 ，分 辨 率 为
重力仪与宽频带地震仪地震波信号分析 及其在异常判定中的应用＊
王 梅 季爱东 徐长朋 王 鹏 曲同磊 张 明
（中 国 济 南 ２５００１４ 山 东 省 地 震 局 ）
摘要 以２０１１年３月１１日日本东北 ＭＳ９．０地震和２０１３年 １１ 月 ２３ 日 ３ 个 典 型 地 震 （近 震、 远震、深远震）为例，对泰安 地 震 台 ＪＣＺ－１ 甚 宽 频 数 字 地 震 仪 及 ＬａＣｏｓｔｅ－ＰＥＴ 重 力 仪 的 地 震 波信号进行频谱分析．结果表明，由于两套仪器 的 设 计 频 率 响 应 范 围 各 有 侧 重 ，其 对 地 震 波 信号的采集能力也有所差别，信 号 频 谱 分 布 也 有 所 不 同，即 地 震 仪 卓 越 周 期 较 重 力 仪 偏 小， 谱能量向高频方向集中，而重力仪的频谱分布平坦且 较 地 震 仪 响 应 周 期 大 ．地 震 仪 和 重 力 仪 对长周期地震波信号的响应仍有对应性和可 比 性，对 １ｓ以 上 的 地 震 波 信 号 均 有 响 应，对 远 震波形记录有较好的一致性．宽频带地震仪和重力仪 对 地 震 波 响 应 的 特 性 ，为 重 力 观 测 中 阶 变突跳等异常变化性质的判定提供了物理学指标，对形变观测中可能出现 的 地 震 前 兆 异 常 的 认识及判定具有重要意义．
＊ 基金项目 国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＫ１９Ｂ０４－０１）和山东省地震局重点科研基金项目（ＪＪ１２０１）联合资助． 收 稿 日 期 ２０１４－０７－１４ 收 到 初 稿 ，２０１５－０１－０３ 决 定 采 用 修 改 稿 ．
通讯作者 ｅ－ｍａｉｌ：ｗｍ＠ｅｑｓｄ．ｇｏｖ．ｃｎ
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Ｗａｎｇ Ｍｅｉ Ｊｉ Ａｉｄｏｎｇ Ｘｕ Ｃｈａｎｇｐｅｎｇ Ｗａｎｇ Ｐｅｎｇ Ｑｕ Ｔｏｎｇｌｅｉ Ｚｈａｎｇ Ｍｉｎｇ
（Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｊｉ’ｎａｎ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｏｈｏｋｕ，Ｊａｐａｎ，ＭＳ９．０ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｏｎ Ｍａｒｃｈ １１，２０１１， ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ （ｎｅａｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｔｅｌｅｓｅｉｓｍ，ｄｉｓｔａｎｔ ｄｅｅｐ－ｆｏｃｕｓ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ）ｏｎ ２３ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１３，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ＪＣＺ－１ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｅｉｓｍｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ＬａＣｏｓｔｅ－ＰＥＴ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｔｈｅｉｒ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔ ｐｅｒｉｏｄｓ ｏｆ ｓｅｉｓｍｏｍｅｔｅｒ ａｒｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｙ ｓｔｉｌｌ
由于同一地震事件在地球上同一点引起的地面运动是唯一的 ，地震仪和重力仪均能检 测 到 反 映 地 震 破 裂 及 传 播 这 一 物 理 过 程 的 地 震 波 ．地 震 仪 直 接 记 录 地 面 运 动 的 位 移 、速 度 或加速度，重力仪记录的也是地面运动的加 速 度，与 地 震 仪 无 差 别，只 是 两 套 仪 器 的 幅 频 特 性 略 有 不 同 ．重 力 仪 信 号 与 宽 频 带 地 震 仪 信 号 在 频 率 上 相 互 重 叠 ，可 以 覆 盖 从 地 震 波 到 固体潮的宽广频域，二者在频域上自然衔接 和 延 拓．许 多 研 究 表 明，地 震 仪 和 重 力 仪 可 以 同时记录到台风等强对 流 天 气 等 引 起 的 高 频 波 动 信 号，且 二 者 的 观 测 结 果 能 够 相 互 佐 证 （郝 晓 光 等 ，２００８；胡 小 刚 ，郝 晓 光 ，２００９；王 梅 等 ，２００９；胡 小 刚 等 ，２０１０；郝 晓 光 ，胡 小 刚 ，２０１１；蒋 骏 等 ，２０１２；张 雁 滨 等 ，２０１３）．而 重 力 观 测 中 出 现 的 阶 变 、突 跳 ，一 般 是 在 几 秒之内发生的、明显偏离固体潮轨迹的突出 变 化，是 重 力 观 测 中 的 一 种 异 常 变 化．若 这 类 变化源于地球物理场，由地壳形变过程引起，那 么 它 在 地 震 观 测 中 又 会 如 何 表 现？本 文 主 要针对２０１１年３月１１日日本东北 ＭＳ９．０地震和２０１３年１１月 ２３ 日发 生 的 ３ 个 特 征地 震 （近震、远震、深远震），利用泰安地震台的 ＪＣＺ－１ 甚 宽 频 数 字 地 震 仪 和 重 力 仪 记 录 的 地 震 波 信 号 ，对 重 力 仪 频 响 特 征 进 行 研 究 ，进 而 从 物 理 学 角 度 对 重 力 观 测 中 的 一 些 异 常 现 象 进 行 评 价 ，并 对 这 些 变 化 的 异 常 性 质 进 行 分 析 判 断 ．
３期 王 梅等：重力仪与宽频带地震仪地震波信号分析及其在异常判定中的应用
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０．０１×１０－８ ｍ／ｓ２，精度为１×１０－８ ｍ／ｓ２，数据采样率可达１ Ｈｚ．可记录到固体潮，也可以 记录到地震波（王林松等，２０１２）、地球自由 振 荡（聂 仁 奇 等，２０１２）以 及 强 对 流 天 气 引 起 的 高 频 扰 动 （信 号 周 期 为 １—１０ｓ）（王 梅 等 ，２００９，２０１４）．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ；ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｅｉｓｍｏｍｅｔｅｒ；ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃ－ ｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ；ａｎｏｍａｌｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ