薊縣地震臺gPhone、DZW和GS-15重力儀重力噪聲水平對比

李 響 江 穎,3 劉子維,3 張曉彤 韋 進 周 浩

1 防災科技學院信息工程學院,河北省三河市學院街465號,065201

2 中國地震局地震研究所,武漢市洪山側路40號,430071

3 武漢引力與固體潮國家野外科學觀測研究站,武漢市洪山側路40號,430071

重力儀不僅可以記錄到連續重力觀測數據,還可以記錄到微弱的連續震動信號,該信號通常被稱為背景噪聲[1],其主要受季節變化、海洋活動[2]和大氣等因素的影響。利用連續重力觀測數據進行背景噪聲計算可以探究地球內部結構[3]、捕捉地球動力學信號[4]以及開展水文地質研究等[5]。地球背景噪聲的研究是其他研究的基礎,為數據的篩選提供判斷依據,對于提取地球內部微弱信號[6]具有重要意義。

計算臺站背景噪聲水平并進行評估是評價觀測數據質量和臺站觀測環境的關鍵[7]。徐建橋等[8]分析全國13臺超導重力儀非潮汐不同頻段的背景噪聲水平發現,超導重力儀所記錄的連續觀測數據可以識別長周期核膜信號,并通過計算得到兩個潮汐間頻段和亞潮汐頻段的平均噪聲水平分別為0.064 9 nm/s2、0.035 0 nm/s2和0.013 8 nm/s2。不同頻段的背景噪聲水平不同,江穎等[9]通過對比分析全球超導重力儀不同頻段的背景噪聲水平認為,超導重力儀更適合用來研究地球自由振蕩信號等低頻信號,并給出地震頻段和亞地震頻段背景噪聲水平的范圍。同一地點不同儀器的背景噪聲水平也不同,李航等[10]計算超導重力儀和地震儀的背景噪聲水平表明,1 mHz以上時地震儀的背景噪聲水平更低,而1 mHz以下時超導重力儀觀測的數據更準確;在亞地震頻段,相較于地震儀,超導重力儀的數據更準確,也更適合觀測長周期信號[11]。溫度是造成地震儀在亞地震頻段中背景噪聲水平較高的原因之一[12],此外,局部水文變化、海浪脈動和地質構造活動頻繁對重力觀測也有影響[13]。

Peterson[14]通過計算全球8個臺網中75個臺站的背景噪聲功率譜密度(power spectral density, PSD),提出全球新低噪聲模型(new low noise model,NLNM)。Banka等[15]通過計算200～600 s頻段數據的平均PSD及地震頻段等級(seismic noise magnitude, SNM),提出背景噪聲水平評價方法。根據臺站的連續重力觀測數據計算其PSD,可以評估地震臺網的探測能力[16]、臺網的可靠性以及地震監測能力[17]。

中國地震局在薊縣地震臺布設有同址觀測的3臺不同型號的彈簧重力儀,分別是gPhone型、DZW型和GS-15型。在相同的觀測環境下,可以認為環境噪聲一致,這為研究不同重力儀的背景噪聲水平提供了有利條件。本文選取薊縣臺同址觀測的3臺重力儀2022年全年連續觀測數據,通過計算3臺重力儀的PSD,對比潮汐改正、氣壓改正、不同采樣率對PSD的影響,并對薊縣臺地震頻段背景噪聲進行分析。同時收集2022年全國gPhone重力儀的觀測數據,給出所有gPhone重力儀臺站的地震噪聲等級。

1 數據處理

1.1 臺站概況

薊縣臺地處京津唐地震帶,在臺站周邊三河、平谷、唐山、玉田曾經多次發生過5級以上地震。臺站位于距天津市薊州區城東約10 km的倉上屯村北1 km的南坡山麓上,距薊縣山前斷裂約700 m,北依燕山山脈,向南約3 km的于橋水庫可儲水2～3億m3。臺站及附近地區在地質史上經歷多次構造運動,斷裂構造較為復雜,存在一系列斷裂和褶皺。臺站所在區域屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候,四季分明,陽光充足,熱量豐富,晝夜溫差大,雨季集中在7～8月,常有雷暴發生,年平均氣溫11.5 ℃,年平均降水量678.6 mm。

1.2 數據處理方法

影響重力觀測數據的主要因素包括地球潮汐、氣壓變化、地殼運動、地震活動[16]、溫度變化和儀器漂移等,這些干擾因素都會對重力觀測數據產生影響,需要在數據處理過程中予以剔除,以得到更準確的重力殘差結果。首先,采用Tsoft軟件去除理論潮汐值;然后,使用-0.3 μGal/mbar的大氣重力導納值來抵消氣壓對測量結果的影響[15];最后,采用9階多項式對長期漂移進行擬合,以消除儀器漂移的影響,得到去掉長期漂移的重力殘差數據。經過以上步驟處理后得到每天的重力殘差數據,計算其均方根(RMS),并選取RMS值最小的5 d(這5 d是全年最平靜的5 d),將這5 d的數據作傅里葉變換,得到振幅譜并計算均值,進而計算振幅譜對應的PSD和SNM。

設x(j)(j= 1,2,…,n) 為平靜期重力殘差信號,采樣率為Δt,采樣點總數為n,補零后總數為np,利用周期圖法計算其功率譜密度:

Δt/n,m=1,…,np

(1)

(2)

式中,m1、m2對應一定頻率范圍的上下限,M為一定頻率范圍內的頻譜采樣點數。

SNM的計算公式為:

SNM=lg(meanPSD)+2.5

(3)

式中,m1=200 s,m2=600 s。

2 地震頻段噪聲水平分析

2.1 1 d重力數據的PSD

從gPhone、DZW和GS-15重力儀的觀測數據中隨機抽取同一天的連續重力數據,檢查數據的完整性、干擾和異常值。在進行計算之前,對原始數據不作任何處理。相關研究結果表明,不同區域的背景噪聲的特征不同,相同區域、不同儀器的背景噪聲不同,相同區域重力儀在不同頻段的背景噪聲水平以及記錄的連續重力觀測數據的準確程度也不同。

為了對比同址不同型號重力儀對環境噪聲的敏感性以及固體潮、氣壓改正對PSD的影響,選取3種不同型號的重力儀2022-06-16一整天不間斷、不經數據處理、min采樣的原始重力觀測數據,分別將其扣除理論固體潮并進行氣壓改正,最后進行9階多項式擬合,結果如圖1所示。

圖1 3臺重力儀2022-06-16連續重力觀測的預處理結果Fig.1 Preprocessing results of three gravimeters for continuous gravity observations on June 16, 2022

由圖1可見,3種不同類型重力儀的原始重力信號的振幅相差不大,約為 300 μGal。經過潮汐和氣壓改正后,3臺重力儀重力殘差的振幅分別為7 μGal、20 μGal、13 μGal。顯而易見,扣除理論固體潮并進行氣壓改正,可以在很大程度上改進重力數據。DZW型重力儀的振幅最大,相比于gPhone型重力儀,DZW型重力儀漂移較為明顯。用9階多項式對長期漂移進行擬合,扣除擬合的長期漂移后,3個重力殘差的振幅分別為2 μGal、2.3 μGal、2.3 μGal。經過9階多項式擬合,得到去長期漂移后的重力殘差,可以清晰直觀地看到,和gPhone型重力儀相比,DZW型重力儀和GS-15型重力儀去漂移效果更為顯著。

基于以上3種不同類型的重力儀不同程度的數據預處理結果,分別計算其相應的PSD,結果如圖2(NLNM為新低噪聲水平)所示。由圖可知,經過每一個處理步驟后,噪聲水平都有一定程度的降低,其中,潮汐和大氣改正改進重力數據的PSD效果更為顯著,尤其在頻率低于10-3Hz時,對地震頻段(200～600 s)內的重力PSD的影響比對亞地震頻段(1～6 h)內的重力PSD的影響小。因此,利用重力數據檢測低頻信號時,必須要進行精細的潮汐、大氣改正,采用合理的方法去掉長期漂移,以降低噪聲水平。

圖2 薊縣臺2022-06-16三臺重力儀重力殘差PSD Fig.2 Gravity residual PSD of three gravi meters at Jixian station on June 16, 2022

2.2 采樣率對PSD的影響

為了對比同一重力儀不同采樣率對PSD的影響,利用抽取濾波器將采樣率為1 s的原始重力觀測數據轉化為采樣率為1 min的數據,將薊縣gPhone重力儀2022年全年采樣率為1 s和1 min的連續重力數據分別進行潮汐和氣壓改正,并進行9階多項式擬合,計算每天重力殘差的RMS,將RMS由小到大排序,選出 RMS 最小的5 d。對gPhone重力儀2022年連續觀測的重力數據進行分析,秒采樣全年最平靜的5 d分別為第168、169、214、215和217天,分鐘采樣全年最平靜的5 d分別為第153、168、181、215和224天。由于采樣率不同,最平靜的5 d不完全相同,分別計算秒采樣和分鐘采樣的重力PSD最平靜5 d的平均振幅譜,得到平均振幅譜對應的功率譜,如圖3所示。結果表明,在地震頻段分鐘采樣的PSD始終低于秒采樣的PSD,主要是由于降采樣是對信號低通濾波造成的。

圖3 薊縣臺gPhone重力儀2022年最平靜 5 d的秒采樣和分鐘采樣的重力殘差PSD Fig.3 Gravity residual PSD of second and minute sampling of the gPhone gravimeter at Jixian station during the quietest 5-day period in 2022

另外,gPhone重力儀和超導重力儀明顯不同的是,超導重力儀分鐘采樣的重力PSD在高于1.67 mHz處急劇降低,但是對低頻來說沒有影響[10]。這是由于超導儀器安裝了抗混淆低通濾波器GGP-1,可以衰減60 mHz以上的頻段,而gPhone重力儀沒有。不同的采樣率對200～600 s頻段的重力PSD影響不大。為了保證對比分析的一致性,后續研究均以分鐘采樣進行計算。

2.3 不同重力儀的噪聲水平分析

采用相同方法分別計算薊縣臺gPhone重力儀、DZW重力儀和GS-15重力儀2022年連續重力的地震頻段噪聲水平,結果列于表1,相應的重力殘差PSD如圖4。由圖4和表1可知,gPhone重力儀在地震頻段和亞地震頻段的背景噪聲水平最低,SNM值僅有3.355。不管是分鐘采樣還是秒采樣,DZW重力儀的背景噪聲水平均略高于gPhone重力儀。GS-15重力儀由于使用年限較長,有老化問題,相比于其他兩種重力儀,該儀器在地震頻段和亞地震頻段的背景噪聲水平略高,SNM值為3.543。

表1 薊縣臺重力儀2022年的背景噪聲水平

圖4 薊縣臺3臺重力儀最平靜5 d的分鐘采樣的平均PSD Fig.4 Minute sampling mean PSD of three gravimeters at Jixian station on the 5 quietest days

此外,基于2022年全年的連續重力觀測數據,對每一天的重力數據都進行平均PSD的計算,結果如圖5所示。可以看出,GS-15重力儀的PSD分布比較發散,gPhone重力儀的PSD分布最為集中。gPhone重力儀平均PSD最低,只有7.168(nm/s2)2/Hz,DZW重力儀平均PSD為9.931(nm/s2)2/Hz,GS-15重力儀平均PSD為11.033(nm/s2)2/Hz(約是最低的1.5倍),說明相同臺站不同儀器的背景噪聲也不相同。

圖5 薊縣臺3臺重力儀2022年每天的平均PSD Fig.5 Daily mean PSD of three gravimeters at Jixian station in 2022

同種類型的重力儀才具備可比性,因此收集全國分布的63個gPhone型重力儀2022年連續觀測的重力數據和氣壓數據等,并將所有的重力數據進行潮汐改正、大氣改正、長期漂移改正等,利用分鐘采樣數據分別計算每個臺站的地震噪聲等級,結果如圖6所示。

圖6 全國63個gPhone重力儀臺站 2022年地震噪聲等級Fig.6 SNM of 63 stations nationwide in 2022

由圖6可見,全國63個臺站的地震噪聲等級在2.721和8.027之間,均值為5.418,其中低于均值的臺站有27個,在3.465～5.418之間的臺站(其中薊縣臺為3.465)有23個,高于均值的臺站有36個,在5.418～7.550之間的臺站比較多,有34個(占整體的54%)。63個臺站中,姑咱地震臺的地震噪聲等級最低,其值為2.721;萬州長嶺地震臺的地震噪聲等級最高,其值為8.027。相比于超導重力儀的SNM(0.180～1.964)[11],gPhone重力儀的SNM更大,說明不同的重力儀對高頻噪聲的響應不同,因此計算得到的SNM值不具備可比性。同種類型重力儀的高頻噪聲響應是否相同,也需要進一步研究。

3 結 語

本文利用薊縣地震臺同址觀測的3臺不同型號重力儀(gPhone、DZW和GS-15) 2022年全年連續觀測數據,采用PSD分析方法,計算其在地震頻段(200～600 s)的SNM。此外,利用gPhone重力儀2022年全年連續觀測數據,研究采樣率、固體潮和氣壓改正對PSD的影響。通過對比分析發現:1)數據預處理可以很大程度上改進重力數據,在頻率低于10-3Hz時,扣除固體潮和氣壓改正可以明顯改進重力PSD;在利用重力數據檢測低頻信號時,必須進行精細的潮汐、大氣以及長期漂移改正等處理。2)分鐘采樣的PSD略低于秒采樣的PSD,不同的采樣率對200～600 s頻段的重力PSD影響不大。3)gPhone重力儀在地震頻段和亞地震頻段的背景噪聲水平最低,SNM值僅有3.355,DZW重力儀的背景噪聲水平均略高于gPhone重力儀,薊縣臺為低噪聲臺站。4)2022年全國重力儀地震頻段分鐘采樣率的噪聲水平平均值為5.418,薊縣臺的噪聲水平平均值為3.465,低于全國的噪聲水平。下一步工作將在亞地震頻段和潮汐頻段對不同類型的地震儀進行背景噪聲的計算與分析,為提取低頻信號的數據選取提供判斷依據。