蒙城野外站不同频带地震计性能评价

张明明，杨骏，曾宪军，陈俊，应允翔，汪继林

(安徽省地震局蒙城地震台，安徽蒙城 233527)

蒙城野外站不同频带地震计性能评价

张明明，杨骏，曾宪军，陈俊，应允翔，汪继林

(安徽省地震局蒙城地震台，安徽蒙城 233527)

通过对蒙城野外站FSS-3M、FBS-3A、BBVS-60、BBVS120与JCZ-1T 5套地震计系统记录台基噪声功率谱密度计算，并通过对仪器系统记录的典型地震震相分析，比较几种不同频带地震计系统的性能差异及记录地震事件的优越性，为野外站地震记录震相分析、仪器维护、地震速报等提供有力的数据支持，具有深远的现实意义。

不同频带；噪声功率谱密度；震相分析

0 引 言

蒙城地震台作为107个国家基本数字地震台之一，于1997年底开始建设数字地震观测系统，并于2001年1月1日正式运行。经过“九五”、“十五”改造和蒙城地球物理国家野外科学观测研究站的建设，蒙城地震台数字化测震手段相继增上FBS-3A宽频带地震仪、BBVS-60宽频带地震仪、BBVS-120甚宽频带地震仪、FSS-3M 短周期地震仪、JCZ-1T超宽频地震仪(包括速度通道和加速度通道)，基本达到全频带观测。在实际运行中发现，不同观测系统在记录不同类型地震事件时，地震波震相存在差异。为此，由记录数据对五套观测系统性能一致性进行分析，通过在同一台基上5套地震计记录的地动噪声功率谱

分析，选取典型地震记录波形进行对比，分析差异存在的主要原因，这将为蒙城野外科学观测研究站资料分析、地震速报等方面提供有力数据支持。

1 观测条件与仪器系统参数

蒙城地震台位于安徽省西北部，著名的郯庐断裂带位于台站西侧约140 km，北西向的涡河断裂带从台站东南侧通过，海拔高程54 m，台基主要是震旦纪沙岩及第四纪覆盖层，有大量基岩出露。测震摆房内年温差在5℃，相对湿度为50%。五套地震计放置在同一摆墩上，系统工作的外环境基本相同，故可以通过记录的波形数据对五套观测系统的性能一致性进行对比观测。用于对比观测的5套地震观测系统的主要技术参数见表1。

表1 蒙城地震台地震观测系统主要技术参数

2 地动噪声功率谱对比分析

2.1 地动噪声功率谱计算方法

经典功率谱估计是以离散傅里叶变换(DFT)为基础的算法[1]。若通过对序列x(n)进行FFT计算来估计x(n)的功率谱，则称之为周期图法。周期图法谱估计的波动比较大，增大序列长度N可改善频率分辨力，但无助于减小波动。由Peter D welsh 提出的改进周期图法有效减小谱估计的波动，获得较为广泛的应用，Welsh方法的基本原理是：将输入数据序列分段，每段之间部分重叠，分别求出每段的谱估计，计算谱估计时使用窗函数，最后对各段数据的谱估计求平均作为最终结果。

Matlab中使用Welsh方法计算功率谱的函数是pwelsh，本文使用pwelsh函数计算地动噪声功率谱。

2.2 同一台基地动噪声功率谱分析

计算台基地动噪声功率谱可以很好的反映台站各频段台基噪声水平，然而，在台站台基噪声水平不变的情况下，由于仪器噪声的影响，计算结果与所使用地震计及数据采集器有很大关系，使用不同地震计或数据采集器的地震观测系统计算得到的地动噪声功率谱也不相同。因此，在数据采集器完全相同的情况下，通过计算、对比5套观测系统的地动噪声功率谱，可以得到这5类地震计之间的某些差别[2]。

蒙城地震台5套地震计的数据采集器型号一致，为排除季节变化可能对观测系统造成的影响，本课题选取同一台基上春、夏、秋、冬4个季节具有代表性的某一天5套地震计同一时段的连续地动波形数据进行分析，选取的时间为2015年3月10日、6月25日、9月30日、12月21日00时～04时凌晨无较大干扰、无地震事件的4个小时垂直向的连续地动数据进行地动噪声功率谱密度值计算，将同一天5套仪器的计算结果用Matlab绘制在同一张图上，便于对比分析，见图1。

图1 4个季节噪声功率谱密度变化曲线

3 不同频带地震计记录波形对比

分别利用FSS-3M、FBS-3A、BBVS-6O、BBVS-120和JCZ-1T观测系统记录的典型近震和远震波形进行对比，分析不同频带地震计的观测特点和优越性。

3.1 对于近震波形的对比

由于篇幅有限，本文只选取了5套仪器在垂直向的原始波形进行对比。图2为不同频带地震计记录2O15年3月23日安徽阜阳Ms3.6级地震(Δ=74.11 km)的原始波形，利用Msdp交互分析软件，标出Pg和Sg波震相位置，见图2。

图2 5套地震计记录的地方震波形

从图2可知，5套仪器记录近震震相Pg和Sg到时相互之间误差不到1秒，P波初动和S波初动方向一致，各项参数基本相同，波形一致性较好。这是由于近震记录的频带范围一般在0.1 Hz～10 Hz之间，5套仪器在此观测频带范围内均可以记录到清晰的震相。从图2可以看到，BBVS-60地震计记录的波形出现短时丢包现象，经工作人员分析排查发现，造成此现象的原因是BBVS-60地震计的稳压电源工作时间较久，元器件出现老化，在记录震级较大的近震时，电源电压不稳定，造成横波波列短时断记，更换稳压电源后，系统工作正常。

3.2 对于远震波形的对比

对于震中距超过1 000 km的远震，面波观测频带超出短周期地震计带宽，在记录中无法看到面波波形。而宽频带与超宽频带的波形对比差异主要体现在“影区”地震上。由于上地幔低速层的影响，使地震震相的走时曲线出现间断，蒙城地震台数字化记录大约在8°～18°范围内，即使是6级以上地震，多数情况下P波起始微弱，S波震相记录不清楚[3]。然而，JCZ-1T地震仪的加速度通道却能记录到比较清晰的P、S震相。图3a和图3b分别是宽频带地震仪FBS-3A与超宽频带地震仪JCZ-1T的加速度通道和在垂直方向记录到的2016年2月2日台湾地震(Δ=10.2°)，处在“影区”范围内，可以看出JCZ-1T记录的P、S震相较FBS-3A清晰可辨。因此在日常工作中，分析此区域地震的时候，结合JCZ-1T超宽频带地震计的加速度通道记录波形，可以更准确有效的确定主要震相，提高地震分析精度。

图3 FBS-3A及JCZ-1T在UD方向记录的台湾地震

4 结 论

(1)通过对蒙城野外站5种不同频带地震计系统台基噪声功率谱计算，与仪器系统记录的典型地震震相分析发现：5套地震计记录的地动噪声功率谱密度在不同时段的变化形态具有较好的一致性，不会随着季节变化出现大的波动。5套仪器在低频端噪声水平较低，差异性不大，短周期地震计FSS-3M在高频段整体噪声水平高于其他宽频带地震计，BBVS-120地震计噪声功率谱密度曲线变化趋势平缓，整体噪声水平较小，长期工作稳定性较好，可作为日常资料分析和速报的主观测仪器。

(2)对于大部分近震的波形记录，短周期、宽频带、甚宽频带和超宽频带地震计一致性比较好，差别不大；对于远震，由于面波观测频带超出短周期地震计(FSS-3M)带宽，记录中无法看到面波波形；宽频带与超宽频带的波形对比差异主要体现在“影区”地震上，超宽频带地震计JCZ-1T加速度通道记录影区地震波形优于宽频带地震计FBS-3A、BBVS-6O、BBVS-120。因此在分析“影区”地震的时候，结合JCZ-1T超宽频带地震计的加速度通道记录波形，可以更准确有效的确定主要震相，提高地震分析精度。

(3)蒙城野外站不同频带地震观测系统同时观测，使得台站不论对于地方震、近震、远震都有比较好的监测能力，基本实现了全频带观测。充分利用不同频带地震计的性能特点，可以更好的提高地震分析精度，并且在观测频带范围内尽可能确保所记录地震信号频率的完整性，进一步保证了野外站数字化记录的观测质量。

[1] 任枭,刘瑞丰,梁建宏,等．国家数字地震台网台站地动噪声功率谱分析[J]．地震地磁观测与研究,2004,25(1):23-26.

[2] 段天山，袁顺．BBVS-60、CMG-3ESPC型地震计工作参数对比分析[J]．地震地磁观测与研究,2011,32(5):109-114.

[3] 张娟,陈海博,张有林,等．不同频带数字化测震对比[J]．地震地磁观测与研究.2011,32(1):39-47.

PERFORMANCE EVALUATION OF MENGCHENG SEISMOMETER FIELD STATION IN DIFFERENT FREQUENCY BANDS

ZHANG Mingming, YANG Jun, ZENG Xianjun, CHEN Jun, YING Yunxiang, WANG Jilin

(MengchengSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfAnhuiProvince,Mengcheng233527,China)

The noise power spectral density is calculated by the FSS-3M, FBS-3A, BBVS-60, BBVS120 and JCZ-1T five sets seismometer recording system in Mengcheng field station, the typical earthquake phases recorded by those seismometers are analyzed.Their differences and advantages are compared,and the results are references for seismic phases analysis, instrument maintenance and earthquake quick report and other data analysis.

Different frequency bands; Noise power spectral density; Seismic phase analysis

2016-03-10

安徽省地震局合同制课题基金项目(项目编号：201532)资助。

张明明(1991— )，男，安徽宿州人，助理工程师，现主要从事台站测震、电磁观测方面的工作。 E-mail：670563395@qq．com。

P315-39

A

1005-586X(2016)04-0055-04