西安地震臺VP 垂直擺傾斜儀對臺灣花蓮MS6.5 級地震同震響應分析＊

（陜西省地震局，陜西 西安 710068）

地傾斜觀測是記錄地殼變形和固體潮變化的重要手段，是連續(xù)地殼形變觀測的重要組成部分。地傾斜觀測不僅能夠記錄到地殼運動的潮汐現(xiàn)象，也能夠記錄到因人類活動、大氣運動、地震等引起的地面振動信息。VP 垂直擺傾斜儀是寬頻帶傾斜儀的一種，具有采樣周期短、頻帶范圍寬的優(yōu)點，其成功運行有效填補了地震計與傳統(tǒng)形變儀器之間在頻率領域的空白[1]。本文通過對西安地震臺VP 垂直擺傾斜儀的觀測數(shù)據(jù)在時域和頻域進行分析，探索反映地震前后地殼運動的信息。

2018-02-06T23：50，在臺灣省花蓮縣海域發(fā)生了MS6.5級地震，本次地震的震中位置為24.13°N，121.72°E，震源深度為10 km。花蓮縣位于臺灣的東北部，是歐亞板塊和菲律賓板板塊的交匯區(qū)，在兩大板塊的共同作用下地震頻發(fā)。根據(jù)USGS 提供的地震目錄，在本次地震發(fā)生前02-04 至震后02-07，花蓮縣共記錄到3 級以上地震38 次，其中6 級以上地震2 次，5 級以上地震7 次，4 級以上地震28 次，3 級以上地震1 次。

1 數(shù)據(jù)選取

本文選取的地震位于西安地震臺東南方向，震中距約1 700 km，該臺VP 垂直擺傾斜儀對本次地震序列中的4.5級以上地震記錄良好。根據(jù)本次地震的發(fā)震時間，選取西安地震臺2018-02-06—02-07，VP 垂直擺傾斜儀原始記錄的秒采樣數(shù)據(jù)。為了更好分析記錄地震的特征，首先需去除原始觀測數(shù)據(jù)中的固體潮汐和線性趨勢。

2 時域分析

西安地震臺記錄花蓮MS6.5 級地震波形如圖1 所示。

圖1 西安地震臺記錄花蓮MS6.5 級地震波形

西安地震臺距離花蓮MS6.5 級地震震中距約1 700 km，根據(jù)理論走時，本次地震P 波到達西安地震臺的時間為02-06T23：54，S 波達到時間為23：57。由圖1 可知，NS和EW 兩個方向P 波到達時間相同，為23：54，與理論到時一致，但S 波到達時間與理論時間略有差異，兩個方向的波形記錄都較理論到達時間稍早，并且EW 向略早于NS到達。

3 頻域分析

時頻分析方法能夠描述信號的頻譜等信息隨時間的變化特征，常用的時頻分析方法有傅里葉變換、短時傅里葉變換、小波變換、HHT 變換等，本文在計算時主要使用了小波變換和HHT 變換兩種方法。

3.1 計算方法

小波變換是一種常用的時頻分析方法，是傅里葉變換和短時傅里葉變換的進一步發(fā)展，首先由地球物理學家MORLET 對地震信號進行處理后引入，具有多分辨率、多尺度特性。對信號進行小波變換，首先將信號按某一小波函數(shù)展開，展開后的小波系數(shù)可以反映信號頻率分布情況。小波分析用不同時窗解決時域和頻域的分辨率矛盾，即對于信號的低頻成分，可以用寬時窗降低時域分辨率、提高頻域分辨率，對于信號的高頻成分，可以用窄時窗獲得時域的高分辨率和頻域的低分辨率，小波分析適用于處理諸如寬頻帶傾斜儀觀測數(shù)據(jù)等非平穩(wěn)信號的分析[2]。

3.2 計算結果

根據(jù)小波變換理論，對西安地震臺VP 垂直擺傾斜儀NS和EW 兩個方向02-06—02-07 的預處理數(shù)據(jù)做小波變換。計算結果如圖2 所示。震前擾動如圖3 所示。

圖2 小波變換頻譜圖

圖3 震前擾動

由圖2 可知，NS 向和EW 向的頻譜圖大致相似，但是也存在差異，由圖2 可以看出EW 向記錄的地震較NS 向較多，如02-06T00：55：35 發(fā)生的緬甸4.0 級地震、12：59：15 發(fā)生的菲律賓4.8 級地震（數(shù)據(jù)來源于USGS：https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/）在EW 向的時頻圖上均有反映，但在NS 向的記錄較為模糊甚至沒有記錄，表明EW向的映震能力優(yōu)于NS 向，這種情況可能與地震波的傳播路徑有關，也可能是儀器的兩個方向的性能存在差異[3-4]。

由圖3 可以看出，21：48 左右，時頻圖上有明顯的變化，對照該時段的地震序列，在該時間并沒有地震發(fā)生，21：48 左右在兩個方向同時出現(xiàn)一個非常小的突跳，其形態(tài)也與其他地震記錄不同，因此，可以排除該變化為地震信號。為進一步確定該信號的來源，經(jīng)查詢當天觀測日志，在該時段并未出現(xiàn)人為或天氣擾動，因此，該信號很有可能就是震前的異常擾動，這種現(xiàn)象在其他研究中也有報道[5-6]。

4 結束語

通過對西安地震臺VP 垂直擺傾斜儀原始觀測數(shù)據(jù)進行去除固體潮汐和趨勢、均值等因素后，在時域分析了該儀器兩方向記錄的臺灣花蓮MS6.5 級地震的P 波、S 波到達情況。結果表明，兩個方向的波形記錄的P 波基本同時到達臺站，而S 波到達臺站的時間略有差異，但基本與理論到時吻合，S 波到時存在差異可能與該地震與臺站的相對位置及地下結構有關。

在頻率域，通過對地震發(fā)生前后共2 d 的波形及地震發(fā)生前后3 個多小時的預處理數(shù)據(jù)進行小波變換，計算表明，西安地震臺VP 垂直擺傾斜儀NS 和EW 兩個分向記錄的數(shù)據(jù)并不完全一致，EW 向的映震能力要優(yōu)于NS 向。通過小波時頻圖，發(fā)現(xiàn)在花蓮MS6.5 級地震前2 個多小時出現(xiàn)了一次較小擾動。