沈陽地震臺超寬頻帶地震計垂直向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 110034；2.盤錦地震臺，遼寧 盤錦 124010；3.遼河油田勘探開發研究院地震臺，遼寧 盤錦 124010）

0 引言

JCZ-1超寬頻帶地震計為我國自行研制的超寬頻地震計,動態范圍為140dB,頻帶為0～20Hz。地震計分別有兩個信號通道輸出：其中BB速度通道為0.0033～20Hz的速度信號輸出，即周期范圍: 0.05～360s和LP加速度通道0.0033～0Hz的加速度信號輸出,即周期范圍:360s～DC。觀測信息不僅記錄地震波還記錄固體潮及更長周期的信號。1996年首先在武漢地震基準臺投入觀測,目前在國內布設有幾十個觀測點。沈陽臺擔任全國大震速報，主要進行地震監測工作，就是使用其儀器臺站之一。

1 應用理論

固體潮是在日、月引潮力的作用下，固體地球產生周期性的形變現象[1]。月球和太陽對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、月作用點的位置不同和日、月相對于地球的位置變化，引潮力作用在地球的單位質點上的日、月引力和地球繞地月（和地日）公共質心旋轉所產生的慣性離心力的合力稱為引潮力的大小、方向也發生改變。地面受固體潮的影響，不停的變形。

由于傳統的擺式地震計具有儀器性能限制，主要用于觀測短周期和長周期的地震波，像固體潮，地球的自由震蕩為超長周期的波是觀測不到的。JCZ-1地震計垂直向（UD）傳感器LP通道頻響范圍到零頻，記錄不僅包括大于360s的地震長周期信號和其他地動信號，也包括月亮等天體與地球的相對運動引起的重力固體潮汐[2]，與通常的重力儀不同，其原始記錄未經過超長周期濾波，在固體潮汐記錄曲線上疊加有長周期地動信號。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，但是通過長時間的觀測數據進行必要的處理，通過一些處理手段的運用，就能夠從JCZ-1地震儀的記錄中分離出來地球固體潮信息。本文通過對沈陽地震臺2009年11月1日到2010年10月31日，一年多時間的的LP通道垂直向觀測資料作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 項目資料選取及方法

我們以沈陽地震臺JCZ-1超寬頻地震計的LP加速度信號通道2009年11月至2010年12月資料的記錄信息為研究對象,對其垂直分量的潮汐信息采用經典的潮汐分析方法進行分析計算, 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，出現大潮、小潮各2次，隨著作用點的位置不同和日、月相對于地球的位置變化，引潮力的大小、方向也發生改變。給出半日、日、半月、月長度數據的Venedikov調和分析計算結果，找出JCZ-1超寬頻地震計的LP加速度通道信號的固體潮汐特征,為進一步觀測研究工作奠定基礎。

利用地球轉動與月球轉動的周期不同所引發的對地球表面物質的引張力和壓縮力對大地震的觸發作用，和利用固體潮信息研究其瞬時頻率特征在震前的變化特征，及地震非平穩過程對理論固體潮的影響，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通道頻帶真實地擴展到DC,因而可以無畸變的記錄超長周期地震波和固體潮汐，我們對LP垂直通道的記錄進行處理，采用頻譜分析，將地震數字信號FFT變換，通過Matlab軟件編程處理[3]后可以分離出主要為月亮圍繞地球轉動引起的日波（24 h），半日波（12 h）等頻率成分。從處理結果可以清楚地看到固體潮的頻譜以及功率譜成分，認為對應的全日潮（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 沈陽臺重力日固體潮記錄Fig.6 Gravity earth tidal daily record of Shenyang Seismic station

對比處理數據所得的日固體潮曲線（圖1）和沈陽臺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，因此我們認為JCZ-1超寬頻帶地震計垂直向LP通道全日固體潮較好，具有明顯的固體潮特征。

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

對比處理數據所得的兩日固體潮曲線（圖3）和對比JCZ-1T的2天蒙城臺垂直向記錄的抽取得到的分鐘和小時抽取處理結果（圖7）表明我臺JCZ-1超寬頻帶地震計垂直向LP通道的兩日固體潮曲線原始數據及處理信號都沒有明顯固體潮特征。

圖8 沈陽臺重力月理論固體潮記錄Fig.8 Gravity earth tide month’s record in theory of Shenyang Seismic Station

對比處理數據所得的兩日固體潮曲線（圖5）和對比沈陽臺重力儀器月理論固體潮曲線圖（圖8）表明我臺JCZ-1超寬頻帶地震計垂直向LP通道的月固體潮曲線原始數據及處理信號都沒有明顯固體潮特征。

綜上所述，沈陽臺JCZ-1超寬頻帶地震計垂直向LP通道資料經過濾波處理有數據有固體潮特征外，兩日及月數據均不存在固體潮特征。JCZ-1超寬頻帶地震計垂直向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LP加速度通道信號影響

4.1 大雪天氣對LP加速度通道信號影響

圖9 原數據濾波后曲線圖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 大風天氣對LP加速度通道信號影響

圖11 原數據濾波后曲線圖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

從以上幾個圖可以看出大雪、強對流天氣引起的大風干擾天氣對LP通道日固體潮的影響還是存在的，其固體潮記錄就會發生畸變。

5 結論與討論

固體潮記錄是儀器系統穩定性的重要標志，如果要探測微弱的固體潮信號，除了要有良好的儀器設計、精密的傳感器以及觀測環境外，采集系統的長期穩定性也至關重要。觀測系統運行受到干擾后，例如擺不正常或外界環境干擾變化，如大雪、強對流天氣引起的大風干擾，其固體潮記錄就會發生畸變。環境因素的干擾能使擺的彈性系統不穩定。擺的機械周期越長，這種問題就越突出。因為環境因素會使彈性系統和位移檢測系統變化，導致地震計輸出低頻噪聲。對于LP通道（對加速度輸入響應平坦），其記錄頻帶已達固體潮汐的觀測頻帶（半日波周期12 h，全日波周期24 h），環境的緩慢變化將被地震計記錄，無法和有用信號區分。如果記錄的固體潮形態比較好，那么說明外界環境也比較好（排除大地震前引起的畸變），因此固體潮汐的記錄是儀器穩定性的標志，為了捕捉弱小的地震長周期信號與地震相關的前兆信號，檢驗儀器系統的這種穩定性是必要的。寬頻帶地震計特別是甚寬頻帶地震計會受到環境低頻噪聲的干擾，這些低頻噪聲往往被人們忽略。如果想獲得穩定的甚寬頻帶輸出，就必須為儀器創造良好的工作環境[4]。

從本文結果尤其是兩日固體潮及月固體潮形態來看我臺JCZ-1地震計的儀器環境并不十分理想，環境對儀器影響很大，與臺站自身山洞較淺，覆蓋層很薄，易受天氣等因素影響相關，致使地震計固體潮記錄不清晰。將沈陽臺JCZ-1超寬頻帶地震計垂直向（UD）傳感器LP通道2009年11月至2010年10月記錄資料通過相應的手段和處理方法，進行固體潮分析研究的結果如下：

（1）從處理結果可以清楚地看到固體潮的頻譜以及功率譜成分，認為對應的全日潮、半日潮較好。

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

（3）大雪、強對流天氣引起的大風干擾天氣對LP通道固體潮的影響還是存在的，其固體潮記錄就會發生畸變。

（4）JCZ-1地震計固體潮范圍-1至106counts范圍內來講說兩日固體潮及月固體潮特征不明顯但是不影響測震記錄工作。

2013年7月更換擺為JCZ-1T型，我們在其穩定工作后，積累一定量的數據，將對更換后的JCZ-1T擺固體潮特征做出進一步跟蹤研究。如何利用現有的觀測儀器獲取大量的固體潮信息，通過對固體潮觀測數據的分析處理，有利于掌握不同類型儀器之間的同比性、相關性，以增加可視性較強，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，而現今的數字化資料給我們提供了機會，讓我們采用濾波手段把需要采用的數據提取出來。目前我國的固體潮觀測點密度很小，而地震儀器記錄到的固體潮信息有著自己的特點，是其他儀器無法替代的，利用JCZ-1地震儀觀測可以獲得綜合觀測系統，對驗證各種地球模型、研究地球內部構造很有意義，還可以為地震預報提供重要的參考依據，因而具有重要的實際意義。

致謝：本文承蒙防災科技學院萬永革老師和遼寧省地震局分析室李廣平副主任指導，在此表示感謝！

[1]蔡亞先，呂永清，程駿玲，等.JCZ-1 超寬頻帶地震計作為綜合觀測儀器的拓展應用[J].地震地磁觀測與研究,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[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 工具精確快速測定寬頻帶地震計的周期與阻尼系數[J].大地測量與地球動力學,2002,22（2）:116-120.

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