高臺(tái)YRY鉆孔應(yīng)變儀與BBVS-120地震儀青海瑪多MS7.4地震同震對(duì)比分析

陳麗君 閆 勛 蘇小蕓 姜振海 王志棟 胡 源

1 甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,蘭州市東崗西路410號(hào),730000

2 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號(hào),730000

隨著形變觀測技術(shù)的發(fā)展,高采樣率鉆孔應(yīng)變儀開始在國內(nèi)安裝使用,經(jīng)過多年觀測,產(chǎn)出大量高頻率觀測資料。理論上,鉆孔應(yīng)變儀在低頻端可與GPS銜接,高頻端觀測數(shù)據(jù)與地震計(jì)觀測數(shù)據(jù)有很好的可比性和一致性[1-3]。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,對(duì)高臺(tái)臺(tái)秒采樣YRY-4鉆孔應(yīng)變儀及同址觀測的BBVS-120地震儀記錄到的2021-05-22青海瑪多(34.59°N,98.34°E)MS7.4地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究同址應(yīng)變儀與測震儀在波形記錄方面的數(shù)據(jù)變化、地震學(xué)震相形態(tài)及頻譜特征,以期為利用二者變化規(guī)律研究地震引起的地面運(yùn)動(dòng)特征、利用應(yīng)變儀數(shù)據(jù)測定震級(jí)及拓寬鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域等提供參考。

1 臺(tái)站背景及儀器概況

高臺(tái)地震監(jiān)測站位于祁連山地震帶,是合黎山-龍首山褶皺帶南緣與河西走廊斷陷分界處,河西區(qū)是高臺(tái)-榆木山隆起、祁呂西褶皺外緣與古NW向構(gòu)造斜撞復(fù)合部位,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以合黎山-龍首山NWW向隆起帶為主,臺(tái)基為海西期花崗巖。YRY-4鉆孔應(yīng)變儀于2007-06-21安裝完成,井深45 m,儀器數(shù)據(jù)入網(wǎng)時(shí)元件代碼與分量代碼順次對(duì)應(yīng),元件1(S1,方位角-65°)為2321,元件2(S2,方位角-20°)為2322,元件3(S3,方位角25°)為2323,元件4(S4,方位角70°)為2324。傳感器安裝完成后,穩(wěn)定運(yùn)行超過16 a,四分量元件工作正常,滿足自洽要求。后續(xù)升級(jí)更新數(shù)據(jù)采集器,提高采樣率,產(chǎn)出大量秒采樣觀測數(shù)據(jù)。測震儀于1965-12安裝并開始觀測,經(jīng)過多年發(fā)展,目前觀測系統(tǒng)主要由BBVS-120甚寬頻帶地震儀和EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器組成,采樣頻率為100 Hz。鉆孔應(yīng)變儀的觀測基本覆蓋地球動(dòng)力學(xué)所有觀測頻帶[4],與地震儀觀測頻段部分重疊,且兩種觀測手段都記錄到2021-05-22青海省瑪多縣發(fā)生的MS7.4地震的地震波信號(hào),這也為二者對(duì)比分析的科學(xué)性和可行性奠定了基礎(chǔ)[5-6]。

2 初步分析

選取2021-05-22 02:04高臺(tái)臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變儀秒采樣觀測數(shù)據(jù),并截取02:03:36～02:36:54時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為保證研究結(jié)果的可靠性,先對(duì)分析時(shí)段觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。本文采用鉆孔應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)月評(píng)質(zhì)量報(bào)告中高臺(tái)臺(tái)YRY-4數(shù)據(jù)精度、儀器自檢內(nèi)精度進(jìn)行質(zhì)量控制,具體見表1。依據(jù)形變學(xué)科質(zhì)量規(guī)范,高臺(tái)臺(tái)YRY-4儀器各分量精度均小于0.05,精度較高;自檢內(nèi)精度為0.015 2,滿足觀測要求。

YRY-4鉆孔應(yīng)變儀秒采樣觀測曲線如圖1所示,由圖可見,YRY-4鉆孔應(yīng)變儀于02:05:34清晰記錄到同震連續(xù)突跳變化,各分量具有明顯不同的振幅、周期差異,持續(xù)約6 424 s,且因地震震級(jí)較大、震中距較小,同震曲線明顯壓制了日變形態(tài)。各分量同震變化最大變化幅度、同震記錄起始時(shí)間及持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表2。

圖1 秒采樣四分量鉆孔應(yīng)變儀地震波Fig.1 Seismic wave of second sampling four-component borehole strain gauge

表2 應(yīng)變儀各分量同震最大振幅

為對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行自洽分析,繪制S1+S3、S2+S4曲線(圖2)。分析發(fā)現(xiàn),記錄到的地震同震曲線也基本滿足四分量面應(yīng)變之和相等這一規(guī)律。為進(jìn)一步量化分析,使用唐磊等[7]提出的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)對(duì)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià):

圖2 秒采樣四分量鉆孔應(yīng)變儀面應(yīng)變地震波Fig.2 Surface strain seismic wave of second sampling four-component borehole strain gauge

r=

(1)

式中,r表示相關(guān)系數(shù),其值越接近1,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高;S13表示S1+S3;S24表示S2+S4;N表示數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。計(jì)算得到2021-05-22秒采樣數(shù)據(jù)面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)為0.987,為高度相關(guān),說明本次記錄到明顯壓制日變形態(tài)的同震記錄時(shí),秒采樣數(shù)據(jù)面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)依舊較高,數(shù)據(jù)自洽效果較好。

為進(jìn)一步研究YRY-4儀器同震記錄中存在的明顯不同振幅、周期的信號(hào)成分,使用高臺(tái)臺(tái)同址觀測的BBVS-120甚寬頻帶地震儀進(jìn)行對(duì)比分析,考慮到地震儀采樣率遠(yuǎn)高于應(yīng)變儀,對(duì)地震儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣處理,原有采樣率為100 sps,目標(biāo)采樣率為1 sps,數(shù)據(jù)截取時(shí)段為02:03:36～02:36:54。應(yīng)變儀秒采樣數(shù)據(jù)與地震儀降采樣后秒采樣數(shù)據(jù)如圖3所示,對(duì)二者進(jìn)行一階差分計(jì)算后的結(jié)果見圖4。由圖3和4可見,二者都清晰地記錄到此次地震的同震波形,且波形曲線形態(tài)相似度較高,均為連續(xù)震蕩型,地震儀在同震波大幅階躍前記錄到小幅度的突跳。二者同震波形的衰減速度和幅度差異較小,說明四分量鉆孔應(yīng)變儀秒采樣數(shù)據(jù)對(duì)地震波具有高敏感性,波形曲線與地震儀觀測到的波形曲線具有較高的一致性。

圖3 應(yīng)變儀與地震儀秒采樣數(shù)據(jù)Fig.3 The second sampling data of strain gauge and seismometer

圖4 應(yīng)變儀與地震儀秒采樣數(shù)據(jù)的一階差分曲線Fig.4 First-order difference curves of second sampling data of strain gauge and seismometer

3 震相特征分析

結(jié)合地震儀記錄情況,分別在應(yīng)變儀與地震儀記錄到的波形曲線中標(biāo)注Pn(02:05:31)、Sg(02:06:57)、Sm震相(02:07:41),如圖5所示。可以看出,二者記錄到的震相到時(shí)一致或接近,形態(tài)類似,均為連續(xù)突跳,呈包絡(luò)狀。其中,Pn震相變化幅度較小,振幅在Sg震相到后達(dá)到最大;Sm震相振幅小于Sg震相,且可被地震儀UD測向及應(yīng)變儀2321、2322、 2324分量記錄到。通過標(biāo)注震相,驗(yàn)證了鉆孔應(yīng)變秒采樣值同震記錄中不同振幅、不同周期的信號(hào)成分實(shí)際上就是記錄到的不同震相。這一發(fā)現(xiàn)與唐磊等[2]及楊選輝等[3]的研究結(jié)果一致,說明二者雖分屬不同學(xué)科,但同震觀測數(shù)據(jù)具有一致性和可比性,可利用二者的變化特征研究地震引起的地面運(yùn)動(dòng)特征。

圖5 應(yīng)變儀與地震儀記錄到的瑪多MS7.4地震Fig.5 Maduo MS7.4 earthquake recorded by strain gauge and seismometer

考慮到觀測應(yīng)變量為負(fù)值,為便于分析,將應(yīng)變儀四分量觀測值加同一常數(shù)變?yōu)檎?作為扇形半徑,按分量方位角投影至平面,繪制不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)各分量的應(yīng)變玫瑰圖。由圖5可知,02:05:31記錄到Pn震相后,2321及2322分量的初始形態(tài)向上,2323及2324分量向下,這一趨勢維持到02:05:56,選取這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)繪制應(yīng)變玫瑰圖見圖6(a)。可以看出,2321及2322這2個(gè)大致位于NW-SE向的分量表現(xiàn)為拉張變化,2323及2324這2個(gè)大致位于NE-SW向的分量表現(xiàn)為壓縮變化。由圖5可知,02:06:57記錄到Sg震相后,2321及2322分量的形態(tài)向下,2323及2324分量向上,這一趨勢維持到02:07:00,選取這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)繪制應(yīng)變玫瑰圖見圖6(b)。可以看出,2321及2322分量表現(xiàn)為壓縮變化,2323及2324分量表現(xiàn)為拉伸變化。由圖5可知,02:07:41記錄到Sm震相后,2321及2322分量形態(tài)向下,2323及2324分量向上,這一趨勢維持到02:07:46,而后反向,持續(xù)至02:07:49。選取上述時(shí)間點(diǎn)繪制應(yīng)變玫瑰圖見圖6(c)～6(d),可以看出,2321及2322分量在02:07:41～02:07:46表現(xiàn)為壓縮變化,在02:07:46～02:07:49表現(xiàn)為拉伸變化;2323及2324分量在02:07:41～02:07:46表現(xiàn)為拉伸變化,02:07:46～02:07:49表現(xiàn)為壓縮變化。結(jié)合地震震中與臺(tái)站相對(duì)方位可知,開始記錄到Pn震相后,接近震中指向臺(tái)站的NE-SW向2323及2324分量形態(tài)向下,呈現(xiàn)壓縮狀態(tài);大致與震中指向臺(tái)站方向垂直的2321及2322分量形態(tài)向上,呈現(xiàn)拉升狀態(tài);開始記錄到Sg震相后,曲線形態(tài)及應(yīng)變狀態(tài)與Pn震相相反。這一情況可能與P、S波傳播及振動(dòng)方向不同有關(guān)。

圖6 分量應(yīng)變不同震相變化示意圖Fig.6 Schematic diagram of different seismic phase variations of component strain

4 頻譜特征分析

為更好地厘清應(yīng)變儀及測震儀同震記錄的頻譜特性,從頻率域方面進(jìn)行深入分析。鉆孔應(yīng)變儀頻譜分析的常規(guī)方法是時(shí)頻類分析法[8],可以較方便地進(jìn)行信號(hào)頻譜的動(dòng)態(tài)研究[9-10]。本文選用傅里葉變換和連續(xù)小波變換對(duì)高臺(tái)臺(tái)秒采樣四分量鉆孔應(yīng)變儀和地震儀記錄到的瑪多7.4級(jí)地震的地震波進(jìn)行頻譜分析和時(shí)頻分析。

設(shè)φ(t)為一個(gè)基本小波,φa,b(t)為連續(xù)小波函數(shù),對(duì)于f(t)∈L2(R),其連續(xù)小波變換可定義為:

(2)

式中,a≠0,b、t均為連續(xù)變量,φ*(t)為φ(t)的共軛。

對(duì)應(yīng)變儀和地震儀的同震曲線進(jìn)行傅里葉變換,并繪制頻譜。由圖7可見,四分量鉆孔應(yīng)變儀同震曲線的頻帶范圍為0～0.2 Hz,優(yōu)勢頻率分布在0.022 8 Hz、0.06 Hz、0.106 Hz、0.15 Hz左右,2323分量0.022 8 Hz、0.106 Hz頻率不明顯,2324分量0.106 Hz頻率不明顯,各分量振幅分布在0.1～400之間;地震儀觀測數(shù)據(jù)的頻帶范圍為0～0.25 Hz,優(yōu)勢頻率分布在0.017 Hz、0.056 Hz、0.1 Hz、0.14 Hz、0.17 Hz、0.21 Hz左右,NS向0.17 Hz、0.21 Hz頻率不明顯,各通道振幅分布在102～2×105之間。對(duì)比發(fā)現(xiàn),二者優(yōu)勢頻率的分布范圍基本接近,頻率譜曲線形態(tài)高度相似,同一類儀器不同分量(測向)存在不同的頻譜分布特征,但地震儀的優(yōu)勢頻率振幅遠(yuǎn)大于應(yīng)變儀,其中地震儀EW向、UD向出現(xiàn)了獨(dú)有的0.17 Hz、0.21 Hz優(yōu)勢頻率。

圖7 應(yīng)變儀與地震儀秒采樣數(shù)據(jù)頻譜Fig.7 The second sampling data frequency spectrum of strain gauge and seismometer

利用連續(xù)小波函數(shù)對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析,對(duì)比分析二者的同震變化時(shí)頻特性(圖8)發(fā)現(xiàn),應(yīng)變儀與地震儀的時(shí)頻分布具有相似性。四分量鉆孔應(yīng)變儀記錄的同震波形最大幅度可達(dá)2×104量級(jí),地震儀信號(hào)的最大幅度可達(dá)6×106量級(jí)。應(yīng)變儀在第230～280 s記錄到最大強(qiáng)度信號(hào),各分量記錄的信號(hào)形態(tài)基本一致,不同分量信號(hào)強(qiáng)度存在差異。如2322分量記錄到的地震波信息相對(duì)豐富,信號(hào)變化幅度也最大,而平行于臺(tái)站-震中連線的2323分量記錄的信號(hào)變化幅度最小,這可能與臺(tái)站局部構(gòu)造環(huán)境、鉆孔耦合條件等因素有關(guān)。

圖8 應(yīng)變儀與地震儀秒采樣數(shù)據(jù)時(shí)頻譜Fig.8 Time-frequency spectrum of second sampling data of strain gauge and seismometer

地震儀在第160～280 s出現(xiàn)了0.05 Hz、0.06 Hz、0.068 Hz、0.075 Hz、0.145 Hz五組優(yōu)勢頻率信號(hào),之后優(yōu)勢頻率信號(hào)能量逐漸衰減。與應(yīng)變儀相比,地震儀記錄到的信號(hào)強(qiáng)度更大,高頻部分信號(hào)更加豐富,反映出不同震相引起的同震信號(hào)到時(shí)、持續(xù)時(shí)間的差異性,后期還記錄到地震波不斷衰減時(shí)的信號(hào)。兩種觀測手段的頻譜特征相似度較高,可在地震定位及異常識(shí)別方面互相佐證。結(jié)合震相到時(shí)可知,兩種儀器的頻譜在時(shí)間-頻率方面具有很好的一致性,與陳燚飛等[1]的研究結(jié)果一致。

5 結(jié) 語

本文以高臺(tái)臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變儀記錄到的青海瑪多MS7.4地震同震數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,并與同址觀測的BBVS-120地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)變化特征、地震學(xué)震相特征、頻譜特征等對(duì)比分析,得到以下結(jié)論:

1)秒采樣四分量鉆孔應(yīng)變儀清晰記錄到瑪多7.4級(jí)地震同震數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)滿足四分量鉆孔應(yīng)變觀測的自檢特性,驗(yàn)證了鉆孔應(yīng)變儀在高頻段的監(jiān)測結(jié)果可靠、有效。

2)通過測震學(xué)分析,兩套儀器7個(gè)分量都記錄到了此次地震的Pn、Sg、Sm震相,到時(shí)基本相同,形態(tài)基本一致,可進(jìn)行對(duì)比分析。基于鉆孔應(yīng)變儀高采樣率數(shù)據(jù)進(jìn)行震相學(xué)分析,可將兩套觀測儀器相結(jié)合,研究地震引起的地面運(yùn)動(dòng)特征。

3)通過選取不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)繪制鉆孔應(yīng)變空間投影玫瑰花圖可知,記錄到Pn震相后2321、2322這兩個(gè)大致位于NW-SE向的分量表現(xiàn)為拉張變化,2323、2324這兩個(gè)大致位于NE-SW向的分量表現(xiàn)為壓縮變化;記錄到Sg震相后2321、2322分量表現(xiàn)為壓縮變化,2323、2324分量表現(xiàn)為拉伸變化。結(jié)合地震震中與臺(tái)站相對(duì)方位可以看出,大致接近震中指向臺(tái)站的分量和垂直于震中指向臺(tái)站的分量受拉張/壓縮狀態(tài)相反,這一情況可能與P、S波傳播規(guī)律有關(guān)。

4)鉆孔應(yīng)變儀和地震儀雖然觀測的物理量不同,但在高頻段的頻譜特征相似度較高,能夠反映地震同震變化的運(yùn)動(dòng)過程,頻譜特性可互相參考,以甄別記錄信號(hào)的來源。

5)兩套儀器同震曲線在頻率分布、時(shí)頻特征等方面有一定的差異,這與儀器的觀測原理、頻帶寬度、觀測靈敏度等有關(guān)。未來可考慮提高四分量鉆孔應(yīng)變儀采樣率,進(jìn)一步深化鉆孔應(yīng)變應(yīng)用研究,為地震學(xué)提供新的數(shù)據(jù)資源。

6)對(duì)比鉆孔應(yīng)變儀高采樣觀測與地震儀觀測發(fā)現(xiàn),二者在同震波形時(shí)頻特征及波形特征方面具有較高的一致性,可完整記錄地面運(yùn)動(dòng),對(duì)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、促進(jìn)不同學(xué)科優(yōu)勢互補(bǔ)具有重要意義。

7)地震儀在同震波大幅階躍前記錄到小幅度的突跳,造成該現(xiàn)象的原因可能有兩種:一是應(yīng)變儀時(shí)鐘誤差造成的,但現(xiàn)有的YRY-4觀測儀一般入庫數(shù)據(jù)為min值,小于1 min的鐘差并無有效手段進(jìn)行識(shí)別;二是二者的響應(yīng)機(jī)理不同,應(yīng)變儀記錄的是介質(zhì)微弱的形變變化,而地震儀記錄的是對(duì)地震波的動(dòng)態(tài)響應(yīng),當(dāng)P波到達(dá)臺(tái)站引起地震儀響應(yīng)時(shí),介質(zhì)尚未產(chǎn)生形變,因此地震儀的響應(yīng)稍前于應(yīng)變儀。但具體原因有待觀測手段進(jìn)一步升級(jí)后進(jìn)行討論和確定。

致謝：感謝中國地震臺(tái)網(wǎng)中心唐磊為本文提供高臺(tái)臺(tái)鉆孔應(yīng)變秒采樣觀測數(shù)據(jù)。