河北区域VP型宽频带垂直摆倾斜仪同震响应分析——以2019年河北唐山M4.5地震为例

王嘉琦，杨东辉，常玉柱，郭亚亚

(河北省地震局承德地震监测中心站，河北 承德 067000)

0 引言

地壳运动是地震产生过程中最直接的现象，其定量特征通常反应在地壳形变上[1]。应用数字化地倾斜仪可观测到地震的同震形变波，地震破裂及传播中的部分信息通常包含在同震形变波中，因此，对同震信息的分析是一种认识短临前兆的重要方法[2]。地倾斜观测仪器包括垂直摆倾斜仪与水管倾斜仪，能对地面的倾斜变化进行连续测量，为地震研究提供实测数据[3]。垂直摆倾斜仪主要分宽频带VP垂直摆倾斜仪和VS垂直摆倾斜仪两种。相较于VS垂直摆倾斜仪，VP宽频带倾斜仪在采样率、频带宽度方面有较大提升，采样率为1 s[4]。由于各台站地质构造背景的差异性，表现出对地震信号的响应各有特征，研究不同台站对同一地震的同震响应具有重要意义。

该文以河北区域6套VP垂直摆倾斜仪记录的2019年12月5日河北唐山M4.5地震波信号为例，进行同震响应分析。从同震响应特征、最大响应幅度与震中距的关系、最大振幅和震级关系等方面进行分析[5-6]，采用功率谱密度(PSD)分析法对观测数据同震响应的PSD分布进行分析，为VP型宽频带倾斜仪数据同震研究提供借鉴。

1 地质构造背景及资料选取

“十五”项目以来，河北省各前兆台站先后架设7套VP型垂直摆，布设台站主要沿张家口-渤海断裂带分布在河北省北部地区(见第29页图1)，分别为怀来台、张家口台、赤城台、易县台、承德台、丰宁台、宽城台，各台站情况如表1所示[7-9]。自运行观测以来，各台站VP垂直摆观测精度较高，运行率均在99%以上。以2019年12月5日河北唐山丰南(118.04°E，39.31°N)M4.5地震为例，将河北省内6套VP垂直摆EW分量当天的秒数据作为研究对象，对地震前后4 h的连续观测数据进行分析。

表1 台站信息表Table 1 Station information table

图1 台站分布图Fig.1 Distribution map of stations

2 方法原理

2.1 功率谱密度PSD

设信号为x(j)，j=1,2,…,n,Δt为采样间隔，N为采样点总数，则信号的PSD为：

(1)

一定频率范围内的平均功率谱密度为：

(2)

式中：i为虚数单位；k1和k2分别为所选取频率范围的上限和下限;M为选取频率范围内的采样点数[11]。

2.2 数据处理方法

形变观测数据一般由固体潮、线性趋势和背景噪声三部分组成，地脉动信号主要集中在两个频率范围内，0.03～0.1 Hz为第一类地脉动，0.1～0.25 Hz为第二类地脉动[12]。VP垂直摆的采样率为1 s，PSD结果能反映到0.5 Hz，清晰记录到两类地脉动信号，且第二类地脉动噪声的能量较第一类大。扣除固体潮信息和线性趋势后，长周期频段的功率谱大大降低，其他频段功率谱基本不受影响[13]。先对观测数据进行预处理，去掉线性趋势及固体潮，为保留低频信息，下文所用数据均只去掉固体潮。为减少计算过程中的“频谱泄露”效应，将选取的观测数据划分为1 h的数据段，再将1 h的连续数据划分为4个小数据段，每段的PSD采用FFT求得，分别计算每段的PSD，即得到所选取的PSD结果，将所得结果做时频图(见图2)，即可获得选取时段内观测数据功率谱密度随时间的分布特征。

3 结果分析

3.1 同震响应特征分析

以河北区域内6套VP垂直摆记录的2019年12月5日河北唐山丰南M4.5地震EW分量观测数据为研究样本进行对比，发现对于同一地震，不同台站的地倾斜仪响应不同，结果如第30页表2所示。下面从四方面对同震响应进行分析。

表2 同震响应参数统计表Table 2 Statistical table of parameters of co-seismic response

(1)地震响应幅度。除易县台外，同震响应幅度随着震中距增大而减小。

(2)地震响应延迟时间。表现出随震中距增加响应延迟时间增长。

(3)地震响应持续时间。表现出随震中距增加响应持续时间增长。

(4)同震阶变特征上。除承德台、张家口台上升外，其余各台均下降，应与选取分量方向及所处断裂有关(见图2)。

图2 VP垂直摆EW向秒采样数据Fig.2 VP vertical pendulum EW second sampling data

图3 VP垂直摆同震响应PSD结果Fig.3 PSDresultsofVPverticalpendulumco-seismicresponse图4 VP垂直摆同震响应时频图Fig.4 Time-frequencydiagramofco-seismicresponseofVPverticalpendulum

3.2 功率谱密度

功率谱密度分析是用于信号处理较成熟的方法之一，对垂直摆倾斜仪来说，分钟采样数据的PSD结果最大能反映8.3 mHz的PSD分布，秒采样PSD结果能反映到0.5 Hz。对于分钟和秒采样观测数据，垂直摆倾斜仪可观测到震扰时各频段的噪声信号。

选取VP垂直摆EW分量2019年12月5日地震前后4 h的数据进行分析，各台PSD结果如第30页图3所示。可以看出，各台站VP垂直摆均清晰记录到两类地脉动噪声，曲线形态稳定一致，表明各台站VP垂直摆记录的信号具有一致性；各台站地震时段PSD结果增大，具体表现为在低频段10-3～10-1Hz范围内明显增大，在高频段0.1～0.5 Hz范围也有增大现象，增大幅度较弱；各台站地震时段PSD结果最大值基本出现在10-2Hz左右，且PSD结果最大值随震中距增加逐渐减小，最大值为宽城台25.74 dB/Hz。图4为各台站地震时段PSD结果时频图，可以看出，地震波影响时段出现纵向带状区域，地震信息主要集中在0～0.15 Hz。由低频到高频，带状区域逐渐变窄。各台站VP垂直摆的频谱在时间-频率上有较好的一致性。

4 结语

综合以上分析，河北区域内6套VP垂直摆倾斜仪均记录到同震响应，表现良好，时间序列与地震记录有较好的一致性。对比不同台站VP型垂直摆倾斜仪对同一震例的响应幅度看出，除易县台外，其余台站同震响应幅度与震中距呈负相关；地震响应延迟时间与震中距呈正相关；地震响应持续时间与震中距呈正相关。由PSD结果可知，地震信息主要集中在0～0.15 Hz，各台站地震时段PSD结果增大，最大值随震中距增加逐渐减小，各台站VP垂直摆的频谱在时间-频率上有较好的一致性。