河北VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀映震效能及時頻特征分析

馬武剛

1 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側路40號，430071 2 中國地震局地震大地測量重點實驗室，武漢市洪山側路40號，430071 3 湖北省地震局，武漢市洪山側路48號，430071

VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀是用來記錄由天體相互作用力引起的地傾斜固體潮變化的地震觀測設備，其基本原理是利用垂直于地面的懸掛擺系來拾取地傾斜變化，由高精度電容式微位移傳感器將這種變化轉變為微弱電信號，通過放大、整形、濾波等環節，由數采記錄、整理，還原出實際的地傾斜變化狀況的過程。研究表明[1-2]，秒采樣gPhone重力儀可以準確記錄到地震波的同震響應信號，且記錄的P波信號也能真實反映震源破裂過程。VP寬頻帶傾斜儀自2012年投入觀測以來，將形變觀測儀器采樣率從min提升到s，采樣率的大幅提升使其能記錄到更多的高頻信息。與地震計、秒采樣gPhone重力儀等類似，該儀器也能夠觀測到地震的同震波、地脈動等豐富的地球物理信息[3]。

本文利用河北地區8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的連續觀測資料，從映震特征、映震能力等方面討論傾斜儀(儀器參數修改前后)的映震效能，并對其時頻響應特征進行分析，為VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀連續觀測數據在同震信號分析中的應用和儀器的參數修改提供科學參考。

1 觀測概況及資料選取

河北地區共有12個定點形變臺站，其中8個臺站布設有VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀，包括懷來臺、張家口臺、易縣臺、承德臺、赤城臺、豐寧臺、寬城臺及崇禮臺，主要分布在黑山寺與狼山斷裂帶、北東向蔚縣山前大斷裂帶、桑干河斷裂帶、東西向狼窩溝-崇禮-赤城斷裂帶和懷安-宣化斷裂帶、紫荊關斷裂帶上。除崇禮地震臺外，VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的儀器硬件技術參數均一致。2015年，武漢地震科學儀器研究院在對崇禮地震臺VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀進行設備質量自查后，為解決調零頻繁和頻帶范圍高頻端不足的問題，將儀器的輸出信號放大倍數和低通濾波電路參數進行調整，其中輸出信號放大倍數降低至原來的1/8，低通濾波電路濾波常數降低至原來的1/2，之后儀器于2020-09入網產出觀測數據，具體觀測效果正在實際觀測中進行檢驗。

自觀測以來，除張家口臺儀器NS分量由于儀器原因觀測曲線存在干擾、赤城臺儀器NS分量存在不明原因畸變外，其他各臺儀器觀測資料均穩定、可靠且連續性好。為方便對各臺觀測資料進行比對，在本文后續分析過程中，選取各臺站VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀EW分量2020-09至今的秒采樣數據進行處理和分析。

2 數據處理

2.1 數據預處理

VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀觀測數據通常包括潮汐和非潮汐2個部分，其中非潮汐部分包含有地震波信號?？紤]到固體潮信號非常強，在對地震波信號進行分析時，為更好地識別地震波信息，需要利用小波分解去除固體潮及長趨勢等影響。此外，原始觀測資料中還會有突跳、間斷等錯誤記錄和儀器自身的漂移，這些影響也應一并去除，最后才能得到地震波信號占主要成分的非潮汐觀測序列。圖1為記錄到地震的VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀原始數據和經過預處理后的觀測序列，可以看出，去除固體潮及長趨勢等信號的影響之后，地震波信息更為突顯。

2.2 功率譜密度PSD計算

設信號為x(j)，j=1,2,…,n，則信號的功率譜密度(PSD)為：

(1)

式中，Δt為采樣間隔，N為采樣點總數。一定頻率范圍內的平均功率譜密度為：

(2)

式中，k1和k2分別為所選取頻率范圍的上限和下限，M為所選取頻率范圍內的采樣點數。

3 映震效能分析

3.1 映震特征

3.1.1 近震映震特征

據中國地震臺網測定，北京時間2021-04-16 16:06河北灤州(39.75°N，118.72°E)發生M4.3地震，震源深度9 km。河北省內8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀均記錄到本次地震，震中距為96～344 km，其中離震中最近的是寬城臺，最遠的是張家口臺。

圖2(a)為各臺站經預處理之后的震后觀測序列，考慮到近震同震持續時間較短，這里只選取震后0.5 h的數據，由于大部分臺站處理結果一致，本文僅給出部分臺站結果；圖2(b)為承德臺同址觀測的寬頻帶垂直擺傾斜儀和寬頻帶地震儀的震后觀測序列曲線對比。可以看出，從地震發生時刻16:06開始，各臺觀測數據陸續出現小幅突跳，1 min左右出現最大脈沖，隨后逐漸減小并衰減至震前水平。各臺觀測曲線在地震前后趨勢一致，未出現漂移及大的階躍現象。除崇禮臺外，相較于寬頻帶地震儀，其他各臺儀器均未記錄到較完整的地震波信息，無法獲得P波、S波等震相，而崇禮臺記錄的同震信號則較為完整。這是由于崇禮臺低通濾波電路參數有改變，濾波常數降低，高頻成分就會大量保留，對于近震而言，地震波幅度不會衰減太多。但值得注意的是，崇禮臺震中距并非最遠，但該臺儀器在地震發生2 min之后才出現同震響應，這一現象除了與地震信號傳輸介質相關外，其他成因還需作進一步探尋。

圖2 2021-04-16河北寬頻帶傾斜儀和寬頻帶地震儀觀測序列Fig.2 Observation sequence of Hebei broadband tiltmeter and broadband seismograph on April 16, 2021

3.1.2 遠震映震特征

據中國地震臺網測定，北京時間2021-01-15 02:28蘇拉威西(西里伯斯)島(3.04°S，118.99°E)發生M6.2地震，震源深度10 km。圖3(a)為各臺站經預處理的震后1 h觀測序列，震中距為4 727～4 926 km；圖3(b) 為承德臺同址觀測的寬頻帶垂直擺傾斜儀和寬頻帶地震儀的震后觀測序列對比曲線。河北省內8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀均明顯地記錄到了本次地震的同震響應，本文只給出具有代表性的結果。由圖3可以看出，幾套儀器的映震特征較為一致，表現為地震波初至時曲線小幅震蕩，面波到達時振幅達到最大值，之后振幅逐漸減小、衰減至震前水平；且P波與S波的起始時刻非常清晰，S波振幅大于P波振幅，其中崇禮臺記錄到的地震波信號中P波和S波信號成分占比更大、能量更強。由圖3(b)可以看出，承德臺寬頻帶垂直擺傾斜儀EW分量與寬頻帶地震儀E分量記錄到的遠震地震波波形基本吻合，兩者具有較高的一致性。

圖3 2021-01-15河北寬頻帶傾斜儀和寬頻帶地震儀觀測序列Fig.3 Observation sequence of Hebei broadband tiltmeter and broadband seismograph on January 15, 2021

3.2 映震能力

本文擬從震級、震源深度及震中距3個方面對河北地區VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的映震能力進行分析。對于VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀來說，遠震的地震波信息能夠記錄得比較完整，因此本文共選取了6個遠震事件作為研究對象。

3.2.1 震級

為分析不同震級對河北地區VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀映震能力的影響，本文選取發震地點相近的2個不同震級的地震事件，基本參數見表1。2次地震震中位置最遠相距約39 km，河北地區8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的震中距分別為10 236～10 496 km和10 222～10 481 km，遠超2次地震之間的距離，可將其視為同一震源。河北地區8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀對這2次地震的同震響應結果見表2及圖4，由于篇幅限制，本文僅展示部分結果?？梢钥闯?，相比于新西蘭克馬德克群島M5.5地震，各儀器記錄的新西蘭克馬德克群島M7.8地震的地震波振幅要大得多，而對于新西蘭克馬德克群島M5.5地震而言，張家口臺和豐寧臺儀器由于儀器自身或環境背景噪聲略大，因此記錄到的地震波信號較不明顯；崇禮臺由于調整了儀器的電路參數，導致儀器記錄曲線噪聲較大，在震級較小時地震波信號基本被噪聲湮沒。

表1 地震基本參數

表2 2次地震同震響應參數

圖4 河北寬頻帶傾斜儀觀測序列Fig.4 Observation sequence of the broadband tiltmeter in Hebei

綜上所述，地震震級對VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀映震能力的影響是顯而易見的，震級越大，儀器記錄到的地震波信號越強。

3.2.2 震源深度

為分析震源深度對河北地區VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀映震能力的影響，選取發震地點相近、震級相同的2個地震，基本參數見表3。2021-01-08 08:28與2021-01-06 14:20新西蘭克馬德克群島海域發生2次M6.1地震，震源深度分別為200 km和10 km，河北地區8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的震中距分別為10 156～10 414 km和10 175～10 436 km，遠超2次地震之間的距離(156 km)，可視為發震地點相同。河北地區8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀對這2次地震的同震響應的部分結果見表4及圖5?？梢钥闯?，除崇禮臺外，不管是從最大振幅還是同震持續時間上來看，其他7套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀均對淺源地震的映震效能更加突出；而崇禮臺VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀則恰好相反，對震源深度較深的地震有更好的映震表現，這一現象可能是由于儀器的頻帶寬度和輸出信號放大倍數改變造成的。

表3 地震基本參數

表4 2次地震同震響應參數

圖5 河北寬頻帶傾斜儀觀測序列Fig.5 Observation sequence of the broadband tiltmeter in Hebei

3.2.3 震中距

為分析不同震中距的地震對河北地區VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀映震能力的影響，選取2個震級和震源深度相同但發震地點不同的地震，基本參數見表5。其中，2020-12-21 01:23日本本州東岸近海的M6.3地震距離河北較近，震中距為2 040～2 334 km；2021-02-16 08:49瓦努阿圖群島的M6.3地震較遠，震中距為8 241～8 495 km。河北地區8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀對這2次地震的部分同震響應結果見表6及圖6。可以看出，就同震最大振幅而言，8套寬頻帶垂直擺傾斜儀對震中距最近的日本本州東岸近海M6.3地震的波幅均大于瓦努阿圖群島的M6.3地震；就同震持續時間而言，8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀表現一致：同震持續時間與震中距呈現出負相關，即對震中距較遠的瓦努阿圖群島M6.3地震的同震持續時間長，對震中距較近的日本本州東岸近海M6.3地震的同震持續時間短。這是由于，隨著震中距增加，P波和S波的周期也明顯增大，同震持續時間也越長，記錄的震相也越完整。

表6 2次地震同震響應參數

圖6 河北寬頻帶傾斜儀觀測序列Fig.6 Observation sequence of the broadband tiltmeter in Hebei

4 時頻響應特征

為分析VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀記錄地震波信號的頻譜特征，以2021-04-16 16:06河北灤州M4.3地震(震中距96～344 km)及2021-01-15 02:28蘇拉威西(西里伯斯)島M6.2地震(震中距4 727～4 926 km)為例，選擇懷來、赤城、崇禮3個臺站記錄的震后1 h數據進行分析。

圖7為懷來、赤城、崇禮3個臺站VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀河北灤州M4.3地震震后1 h數據的波形圖、時頻譜和功率譜。由于采樣率為1 s，根據采樣定理，寬頻帶垂直擺傾斜儀只能記錄到0.5 Hz以內的信號和能量。由懷來臺和赤城臺時頻譜結果可以看出，地震發生時，信號能量在0～0.5 Hz之間均有增強，特別是0～0.2 Hz之間，能量增強尤為明顯，功率譜圖也顯示出同樣結果；而崇禮臺時頻譜和功率譜圖結果與前兩臺完全不同：信號能量集中在較高頻段的0.2～0.5 Hz之間。這主要是由于廠家對崇禮臺VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的低通濾波電路參數進行調整，使得儀器頻帶寬度的高頻端得到擴展，所以崇禮臺能記錄到更多的高頻信號，故信號能量在高頻端較為集中。

圖7 河北灤州M4.3地震震后1 h波形、時頻譜和功率譜Fig.7 1-hour waveform, time spectrum and power spectrum after Luanzhou M4.3 earthquake in Hebei province

圖8為懷來、赤城、崇禮3個臺站VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀蘇拉威西(西里伯斯)島M6.3地震震后1 h數據的波形、時頻譜和功率譜。由時頻譜結果可以看出，P波到時，信號能量開始有增強跡象，頻域較寬，能量集中在0.1～0.3 Hz之間；S波到時，信號能量有明顯增強，能量集中頻段較P波稍低，集中在0～0.2 Hz之間；面波在P波后十幾min到達，強度遠高于其他信號，能量在整個頻域內最強，頻域隨后收窄，集中在0～0.1 Hz之間，而后逐漸減弱。懷來、赤城的功率譜圖也顯示出本次地震VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀所記錄到的地震波能量集中在0～0.1 Hz之間；崇禮臺功率譜圖結果與前兩臺稍有不同，信號能量集中的頻帶更寬，在0.1～0.3 Hz之間。

圖8 蘇拉威西(西里伯斯)島M6.2地震震后1 h波形、時頻譜和功率譜Fig.8 1-hour waveform, time spectrum and power spectrum after the M6.2 earthquake in Sulawesi (Celebes)

5 結 語

本文利用河北地區8套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的連續觀測資料，從映震特征、映震能力等方面討論河北地區VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的映震效能，并對其時頻響應特征進行分析，結果表明：

1)VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀能夠記錄到較為完整的遠震地震波信息，從波形上能夠看到清晰的P波與S波起始時刻；對于近震而言，除崇禮臺外，其他各儀器均未記錄到較完整的地震波信息，只能夠記錄到面波，無法獲得P波、S波等震相，而崇禮臺儀器由于低通濾波電路參數改變，使得記錄的同震信號較為完整，但同震響應存在延時現象，其原因還需進一步探尋。

2)從6個震例的同震響應結果可以初步推斷，在映震能力方面張家口臺VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的映震能力最優，赤城和易縣臺儀器映震能力相對較弱，更全面的結果還需更多的震例來驗證。此外，從震級、震源深度和震中距3個方面對河北地區VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀映震能力進行分析，結果表明：

①地震震級和震中距對VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀映震能力的影響較為明顯，震級或震中距越大，儀器記錄到的地震波信號越強；

②除崇禮臺外，不管是從最大振幅還是同震持續時間上來看，其他臺站7套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀均對淺源地震的映震效能更加突出，而崇禮臺VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀則恰好相反；

③對于同一地震，各臺站的震中距遠近與VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀的映震能力沒有表現出明顯的相關性。震中距遠，映震能力卻不一定差。這可能跟臺站所處環境和地下介質密度差異有關：由于地下介質密度不均，因此即使震級和震源深度相同，地震波傳播方向不同，也會造成地表振動強度不一致。

3)VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀記錄地震波信號的頻譜特征分析結果顯示，該儀器能夠記錄到較為完整的面波信號，但由于受到采樣率的限制，體波(P波和S波)信號記錄不全，無法記錄到0.5 Hz以上的信號。但目前研究結果顯示，地震計記錄的P波的優勢頻帶在0.5 Hz以內[2]，因此認為，VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀能夠記錄到大部分的P波信號。

4)崇禮臺VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀對淺源地震的映震效能產生了與其他儀器相反的結論，并且對震級較小地震的映震能力明顯降低。產生這一現象的原因可能是由于儀器廠家在2018年對儀器參數進行了調整，將儀器電路放大倍數降低至原來的1/8，低通濾波電路時間常數降低至原來的1/2。其主要目的是通過降低放大倍數擴大儀器的量程，在相同零漂的情況下減少調零次數；通過減小濾波電路常數使得高頻截止頻率變大，以達到對儀器頻帶寬度的要求。這樣的調整是在儀器的機械部分不變動的前提下進行的，所以對儀器的安裝沒有影響。儀器參數調整之后，高頻端信號響應能力與其他各臺儀器區別明顯，能夠記錄到更多的高頻信號，但同時也引入了更多的噪聲信號。而對于長周期形變儀器而言，信噪比是其重要的參數之一，儀器參數的調整雖然滿足了部分測試要求，但引入的大量的噪聲信號使儀器記錄曲線變得不再平滑，對于幅度較小的同震信號或異常的高頻信號而言，其提取將會變得更加困難。因此認為，發揮儀器的優勢觀測頻段才是儀器設計者的初衷，過多地跨頻段使用儀器，效果值得商榷。

致謝：廖成旺研究員、呂永清研究員、趙瑩博士、馬廣慶高級工程師、焦成麗高級工程師為本文提供專業支持，中國地震局地殼形變臺網中心、河北省地震局承德中心地震臺、易縣地震臺等為本文提供數據支持，在此一并表示感謝!