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        崇州臺與成都臺測震觀測技術對比分析

        2022-09-23 09:37:36何思源李雪浩劉華姣
        山西地震 2022年3期
        關鍵詞:測震崇州背景噪聲

        何思源,李雪浩,劉華姣,龔 康

        (四川省地震局成都地震監(jiān)測中心站,四川 成都 611730)

        0 引言

        成都地震臺(以下簡稱成都臺)位于龍門山構造帶前沿的成都凹陷盆地內,臺址所處的走石山是白堊系礫巖經(jīng)風化剝蝕后形成,基巖不完整,發(fā)育多層溶洞,部分已被風化黃土充填。臺址基巖屬白堊系底部礫巖,擺墩處的基巖較破碎,長期存在頻率范圍為2~4 Hz的干擾[1]。較破碎的臺基及長期存在的干擾導致臺站產(chǎn)出的觀測資料質量欠佳。為提高臺站測震觀測水平,需找到合適的測震觀測點位。崇州地震臺(以下簡稱崇州臺)是“5·12”汶川地震后成都臺原部分觀測項目擴展的新建臺,2011年6月開建,2014年投入觀測,目前僅有前兆觀測手段。距場地最近的龍門山斷裂帶前山斷裂的次級分支——萬家坪斷裂,展布于場地北西側約4.8 km,距成都臺直線距離27.2 km,斷裂的主斷層面均傾向北西(見第10頁圖1,由四川省地震局工程地震研究院提供)。

        圖1 成都臺及其他臺站地區(qū)地質構造圖Fig.1 Geological structure map of Chengdu Seismic Station and its station area

        為對比兩臺的測震觀測技術,選取崇州臺GL-CS120甚寬頻帶地震計搭配EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器2021年3月9日至15日的數(shù)據(jù)記錄,及成都臺同一時間段記錄的地震波形。通過對比分析,明確兩臺站觀測條件及技術的優(yōu)劣勢,為成都臺后續(xù)的測震觀測發(fā)展規(guī)劃、提高觀測質量提供參考。

        1 地震計GL-CS120與JCZ-1T背景噪聲的差異分析

        由于崇州臺與成都臺使用的并非同一臺地震計,需確定不同地震計記錄的數(shù)據(jù)用于背景噪聲計算產(chǎn)生的差異情況。若采用兩臺地震計在同一時間同一地點記錄的數(shù)據(jù)進行背景噪聲計算對比,結果更具客觀性。GL-CS120在2021年3月9日用于崇州臺進行觀測前,一直作為輔助觀測手段架設于成都臺測震觀測室,同樣搭配EDAS-24GN數(shù)采。因此,選取GL-CS120與JCZ-1T2021年2月26日至28日凌晨1點至6點的數(shù)據(jù)進行背景噪聲計算及對比。

        式中:P為加速度或速度功率譜密度;f0為分度倍頻程中心頻率;RBW為相對帶寬。

        RBW=(fu-fl)/f0=(2n-1)/2n/2,

        式中:fu為分度倍頻程上限頻率;fl為分度倍頻程下限頻率。在實際噪聲數(shù)據(jù)分析過程中,將得到的連續(xù)波形文件進行分道,分道后的文件擴展名由臺網(wǎng)臺站序號(0、1、2)和U、E、N組成,選擇三分向來測定臺基噪聲功率譜密度[2]。

        通過GL-CS120與JCZ-1T的數(shù)據(jù)計算得到成都臺三分向地噪聲RMS均值。依據(jù)第11頁表1可知,若以JCZ-1T的計算結果為基準,GL-CS120的計算結果總體差異在2%以內,說明兩臺地震計在同一觀測環(huán)境下對背景噪聲的計算結果影響較小,采用GL-CS120記錄的地震數(shù)據(jù)進行背景噪聲計算是可行的、客觀的。

        表1 2021年2月GL-CS120和JCZ-1T地噪聲RMS值計算結果Table 1 Calculation results of RMS value of ground noise of GL-CS120 and JCZ-1T in February 2021

        2 背景噪聲水平對比

        臺站的背景噪聲水平關系到其測震環(huán)境及對地震的監(jiān)測能力,影響臺站產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)的質量[3]。為了解崇州臺的背景噪聲水平,將GL-CS120甚寬頻帶地震計搭配EDAS-24GN數(shù)采架設于臺站,于2021年3月9日至15日開展觀測,選取期間每日凌晨1至2點、3至4點和5至6點3個相對平靜時段的數(shù)據(jù)進行計算。

        表2 2021年3月崇州臺和成都臺地噪聲RMS值Table 2 RMS value of ground noise at Chongzhou and Chengdu Seismic Stations in March 2021

        圖2 崇州臺與成都臺臺基噪聲功率譜密度圖Fig.2 Base noise power spectral density map of Chongzhou and Chengdu Seismic Stations

        3 地震波形質量對比

        選取成都臺與崇州臺記錄的2021年3月13日19點11分云南鹽津ML3.3地震作為樣例進行研究。兩個臺站背景噪聲的差異主要來自UD向,下文從UD向記錄的地震波形進行對比。從崇州臺的記錄來看,震相與背景噪聲區(qū)分明顯,UD向20 s附近Pn能準確識別,隨后30 s附近可識別Pg震相;成都臺的UD向中,Pn震相因受背景噪聲干擾無法直接辨認,Pg震相混雜在背景噪聲中也難以辨別。分別對兩個臺站UD向記錄的地震波形求取小波時頻圖(見圖3)。其中,成都臺UD向高頻信息充斥整個時間段,Pn和Pg震相的信息混合于高頻信息中難以識別,表明成都臺UD向記錄的波形受到的干擾較大,直接影響初動震相的識別。在崇州臺的小波時頻圖中,20 s和30 s附近出現(xiàn)聚集性的高頻信號,兩個時間點恰好對應Pn和Pg震相出現(xiàn)的時間,表明崇州臺UD向記錄的信噪比高,能準確地拾取地震初動震相。

        圖3 UD分向記錄的同一地震波形小波時頻圖Fig.3 Wavelet time-frequency diagram of the same seismic waveform

        4 小震級地震記錄能力對比

        為研究兩個臺站在小震級地震記錄能力方面的差異,選取2021年3月9日00點20分、04點03分、00點58分阿壩理縣ML1.7、四川什邡ML1.5及四川綿竹ML1.6三次地震作為研究樣本。由成都臺的波形記錄情況可知,3個小震級地震波形基本被UD向的背景噪聲掩蓋,難以辨別初動震相(見第13頁圖4)。分別對三段地震波形求取小波時頻圖,仍無法準確判定地震初動的起始點。崇州臺的地震波形記錄情況如第13頁圖5所示,3個小震級地震波形均被清晰、完整地記錄,地震事件與背景噪聲區(qū)分明顯,能辨別初動震相位置,再結合小波時頻圖,可確認地震初動的起始點并拾取初動震相。結果表明,崇州臺在小震級地震記錄能力方面優(yōu)于成都臺。

        圖4 成都臺記錄的3個小震級地震波形及小波時頻圖Fig.4 Waveformsandwavelettime-frequencydiagramofthreeSmall-magnitudeearthquakesrecordedbyChengduSeismicStation圖5 崇州臺記錄的3個小震級地震波形及小波時頻圖Fig.5 Waveformsandwavelettime-frequencydiagramofthreeSmall-magnitudeearthquakesrecordedbyChongzhouSeismicStation

        5 結論與討論

        通過對崇州臺與成都臺在背景噪聲水平及記錄波形質量方面的比較,可得出如下結論:

        (1) 崇州臺水平分向、垂直分向具有更低的背景噪聲,綜合背景噪聲水平優(yōu)于成都臺。

        (2) 崇州臺垂直分向記錄的波形受到的干擾較小,信噪比高,能準確地識別地震初動震相。成都臺垂直分向記錄的波形受到的干擾較大,直接影響初動震相的識別。

        (3) 成都臺記錄的小震級地震波形易被背景噪聲掩蓋,崇州臺具有較強的小震級地震記錄能力。

        (4) 崇州臺較成都臺具有更好的背景噪聲水平,能較準確地記錄反映地震初動震相,產(chǎn)出高信噪比的地震數(shù)據(jù)。若在崇州臺增加測震手段并納入測震資料分析評比,將可能彌補成都臺測震觀測缺陷,提高整體的觀測水平,產(chǎn)出較多高質量的地震數(shù)據(jù)。

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