寬頻帶數(shù)字地震計(jì)CTS-1E記錄的地震波形分析★

梁 永 燁

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

臨汾中心地震臺(tái)由郭家莊臺(tái)站中心、龍祠地震臺(tái)、侯馬地震臺(tái)三部分組成。1953年，中國(guó)科學(xué)院在臨汾開(kāi)展地震觀測(cè)，地震觀測(cè)位于龍祠村西北的姑射山下，是龍祠地震臺(tái)最早的觀測(cè)項(xiàng)目，最初使用64型短周期地震儀，1979年更換為DD-1短周期地震儀，并增設(shè)了DK-1中長(zhǎng)周期地震儀及513中強(qiáng)地震儀，1982年增設(shè)SK中長(zhǎng)周期光記錄地震儀，1996年停測(cè)。2005年4月，經(jīng)過(guò)“十五”數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目改造，地震觀測(cè)由區(qū)域臺(tái)升級(jí)為國(guó)家臺(tái)。“九五”期間的FBS-3寬頻帶地震計(jì)升級(jí)為CTS-1E甚寬帶地震計(jì)沿用至今[1]。

CTS-1E型地震計(jì)是早在20世紀(jì)90年代初期就已在國(guó)內(nèi)使用，是一種觀測(cè)頻帶為50 Hz-120 s的甚寬頻帶地震計(jì)，圖1為CTS-1E型地震計(jì)的實(shí)物圖。其采用24位AD轉(zhuǎn)換器，動(dòng)態(tài)范圍大于140 dB，整體功耗小于2 W。具有可在-10 ℃～+45 ℃較寬的溫度范圍內(nèi)工作，一次調(diào)零后可以數(shù)十年不需進(jìn)行調(diào)零等性能優(yōu)點(diǎn)，如表1所示為CTS-1E型地震計(jì)的參數(shù)表。楊文等曾利用云南地區(qū)的地震臺(tái)網(wǎng)中布設(shè)的CTS-1寬頻地震計(jì)采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用噪聲成像的方法對(duì)云南地區(qū)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)層析成像[2]。韓成成通過(guò)對(duì)CTS-1與CTS-1E地震計(jì)系統(tǒng)記錄運(yùn)行率、臺(tái)基噪聲功率譜密度計(jì)算、脈沖標(biāo)定和正弦波標(biāo)定數(shù)據(jù)處理等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，探尋兩種地震計(jì)在實(shí)際工作中的部分性能差異[3]。

表1 CTS-1E地震計(jì)參數(shù)表

儀器型號(hào)頻帶寬度采樣率次/s三分向數(shù)字靈敏度/V·s·m-1NEZCTS-1E50 Hz-120 s1001 8902 0162 008

為進(jìn)一步對(duì)其觀測(cè)性能進(jìn)行探索與研究，本文對(duì)臨汾臺(tái)使用CTS-1E型地震計(jì)記錄的不同類(lèi)型及不同震中距地震的波形進(jìn)行分析，對(duì)其震相特征進(jìn)行總結(jié)討論。

1 震例的選取

本文特選取2017年—2018年臨汾臺(tái)CTS-1E記錄的7典型天然和非天然地震波形進(jìn)行波形震相特征分析與討論。中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震目錄和山西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)編目報(bào)告中所提供的震級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)震級(jí),選取從所選地震目錄見(jiàn)表2。

表2 所選地震目錄

2 波形特征分析

2.1 近震波形

通常近震是指震中距小于1 000 km的地震，近震范圍內(nèi)的地震波有直達(dá)波、反射波和首波[4]。圖2是臨汾臺(tái)記錄的發(fā)生在2017年2月9日00時(shí)26分06秒山西運(yùn)城市鹽湖區(qū)M3.3地震(掃描時(shí)間120 s)，震中距約0.88°。通常震中距大于70 km時(shí)就會(huì)出現(xiàn)全反射現(xiàn)象，即入射角到達(dá)臨界角，反射波理論上此時(shí)P波段就還有來(lái)自莫霍面的首波，但由于其能量極弱且比直達(dá)波傳播時(shí)間長(zhǎng)，所以淹沒(méi)在直達(dá)波的續(xù)至區(qū)內(nèi)，無(wú)法看到。因此該地震僅記錄到直達(dá)波Pg和Sg，Pg波初動(dòng)在垂直向較為清晰，Sg波在EW向到時(shí)更早，更清晰。

圖3所示為2017年8月23日11時(shí)38分43秒山西太原市清徐縣M3.1地震的地震波形(掃描時(shí)間120 s)。隨著震中距增大到約1.67°，此段內(nèi)波到達(dá)的順序應(yīng)為Pn，Pg，P11，Sn，Sg，S11，但當(dāng)震中距達(dá)到一定距離時(shí)，傳播路程的增加，反射波的能量開(kāi)始減弱，因此在圖中不易識(shí)別P11和S11。但首波Pn，Sn，直達(dá)波Pg，Sg都記錄的較為清晰。

圖4所示為臨汾臺(tái)記錄的發(fā)生在2017年8月8日21時(shí)19分47秒的四川省阿壩州九寨溝縣M7.1地震波形圖(掃描時(shí)間600 s)。如圖4所示由于此次地震震中距較遠(yuǎn)，震中距已達(dá)6.85°，大于600 km，此時(shí)可能P，S波進(jìn)入“影區(qū)”，雖然本次地震震級(jí)較大，但此時(shí)記錄到的地震初至極弱，幾乎記錄不到P，S波。而水平向出現(xiàn)高階面波較為發(fā)育，振幅較大的短周期面波[5，6]，占據(jù)記錄圖的主體位置。

2.2 遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震波形

遠(yuǎn)震(震中距10°～105°)和極遠(yuǎn)震(震中距大于105°)的地震波傳播路程長(zhǎng)、穿透深度深，地震波在傳播過(guò)程中遇到各層界面形成各種反射波和折射波，震相相比近震要豐富的多[7]。

如圖5所示為臨汾臺(tái)記錄到的2017年4月9日4時(shí)23分19秒發(fā)生的菲律賓M7.0地震(掃描時(shí)間2 400 s)，震中距為32.94°，在30°～100°之間，P波和S波通過(guò)下地幔，在這個(gè)震中距范圍內(nèi)，介質(zhì)速度變化比較均勻。臨汾臺(tái)CTS-1E寬頻地震儀能較完整地記錄下清晰的P，S，PP震相。

圖6所示為臨汾臺(tái)記錄到的發(fā)生在2017年11月13日02時(shí)18分19秒的伊拉克M7.8地震波形圖(掃描時(shí)間2 400 s)，震中距為46.31°，在圖6中可清晰辨認(rèn)P，S，sS，SS等震相。

圖7是2017年9月8日12時(shí)49分16秒墨西哥沿岸近海M8.2地震波形圖(掃描時(shí)間1d)，震中距達(dá)123.81°，極遠(yuǎn)震地幔折射波消失，其初到波分別為衍射波、內(nèi)核穿透波和外核穿透波等[5]。從圖7中可以看出，海洋地震波形要比陸地地震波形清晰干凈，由于該震仍然處在核幔分界面造成的“影區(qū)”內(nèi)，可辨認(rèn)的初至震相為PKP，PP初相難確定，只能看到其波列；且1 h以后出現(xiàn)面波。記錄較為清晰的震相有PKP，PP，SS。

2.3 爆破波形

圖8所示為臨汾臺(tái)記錄到的2018年2月2日14時(shí)20分28秒山西省呂梁市中陽(yáng)縣M1.7爆破波形(震中距1.2°，掃描時(shí)間120 s)。從圖8中看出其主要特征為P波初動(dòng)向上且較強(qiáng)、波列衰減較快、頻譜較為單調(diào)、面波發(fā)育較同等震中距的天然地震較大，周期卻較小。

2.4 塌陷波形

圖9為記錄到的2017年11月30日03時(shí)09分41秒陜西省神木市M2.6塌陷波形圖(震中距2.98°，掃描時(shí)間120 s)。由圖9可看出，由于塌陷震源較淺，地震波傳播過(guò)程中通過(guò)的介質(zhì)較為松散，其高頻成分被松散的介質(zhì)所吸收，因而它的周期相較天然地震大[8]，頻譜較單一，有面波且較發(fā)育。

3 結(jié)語(yǔ)

臨汾臺(tái)CTS-1E型甚寬頻帶數(shù)字地震儀記錄不同類(lèi)型地震的波形不一樣，不同的震中距記錄的地震也不一樣。每個(gè)類(lèi)型都有各自的顯著特征，這與震源位置、深度、破裂方式等諸多因素有關(guān)，但主要是與傳播路徑上介質(zhì)的吸收有關(guān)[9-11]。

該型地震計(jì)對(duì)于各類(lèi)天然地震及非天然地震都有比較好的監(jiān)測(cè)能力，相較于短周期地震計(jì)記錄的波形，具有更寬的頻帶，能更好記錄大周期面波，基本實(shí)現(xiàn)了全頻帶觀測(cè)。進(jìn)一步保證了臺(tái)站數(shù)字化記錄的觀測(cè)質(zhì)量，為獲得更加廣泛、準(zhǔn)確和清晰的震相資料提供保障，有效提高了地震臺(tái)的地震監(jiān)測(cè)能力和大震速報(bào)質(zhì)量。