利用气枪主动源资料研究高频GPS与强震仪信号特征

李祖宁，郑勇，李军，陈超贤，洪明泉，陈光，王紫燕，赵文波

1 福建省地震局，福州 350003 2 中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉 430074

0 引言

目前常见的地震监测设备包括测震仪、强震仪以及GPS.测震仪则可获取高精度的速度和加速度信息，且信噪比高，但存在着大地震近场限幅等缺陷；强震仪虽然精度较高，且不受限幅影响，但存在因基线漂移引起的积分成位移后的偏差（Tu et al.,2014b;Wang et al.,2013），需对其趋势进行矫正，最好的办法是利用并址观测的高频GPS进行矫正（Tu et al.,2014a,b）.相对于地震观测仪器而言，高频GPS可以直接获取位移信息，且不存在限幅问题，对于近场强震具有独特的优势，在近场观测中具有重要的意义，被广泛应用于很多研究中.

从1994年以来，多位学者提出利用高频GPS捕获地震信号的设想（Hirahara et al.,1994;Ge,1999;Bock et al.,2000），他们提出GPS观测能够不同于传统的方式，可以获取短时间尺度上的连续位移信息.2003年，Larson 等（2003）通过1 Hz的高频GPS资料首次获取了2002年发生在Denali 断层上的7.9级地震引起的地表位移信号，并分析了与GPS观测点相邻近的地震仪观测信号，对比分析的结果显示两种观测资料的相关性较好.由于高频GPS不受限幅的影响，因此，高频GPS被广泛应用到地震震源性质、破裂过程以及地下介质变形等的研究中（如，Zheng et al.,2012;Guo et al.,2020;Zheng and Liu,2016;Liu et al.,2015a,b;Avallone et al.，2011；张小红等，2012；方荣新等，2013；Wang et al.,2020）.此外，由于高频GPS的噪声比较大，主要集中在低频信号;强震仪精度高噪声小，涵盖了高频和中低频信息，两者存在明显的互补性（Wang et al.,2013）.因此，很多学者联合高频GPS和地震仪资料来进行地震研究（如，丁学仁等，2007；李祖宁等，2016；Liu et al.，2004；Jiang et al.,2020;Tu et al.,2014a;Elósegui et al.，2006；Hong et al.,2016；Liu et al.,2016,2017;Guo et al.,2019,2020）.

然而，由于高频GPS资料在处理过程中需要进行大气电离层改正、历元矫正等问题，导致结果中包含很多不确定的噪声信号影响.一部分学者（如，Li et al.,2017;Geng,2016;Riquelme et al.,2016;Smalley,2009）质疑高频GPS记录到的信号是否是真实的位移记录.此外GPS的稳定性也存在着一些争议（如，Ebinuma and Kato,2012;Genrich and Bock,2006;Elósegui Pet et al.,2006），GPS观测数据存在系统误差 （如卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射误差等）以及偶然误差 （如观测误差和多路径效应误差等）都对GPS的精确定位结果产生一定的影响，因此高频GPS记录的地震信号的可靠性、频率特征和适用范围成为GPS地震学研究中的关键性问题.

由于高频GPS的信噪比较低，获得高质量的GPS地震波形，通常需要近场观测数据.然而近场天然地震的发生次数有限，大多数地震近场很难有合适的高频GPS台站记录.此外，天然地震震源的大小和波形难以控制，特别是大地震的震源信号，持续时间很长，波形复杂，导致利用天然地震来进行高频GPS信号的准确性分析存在着精度不足的问题.而解决这一问题的关键，就是需要有准确可靠的主动震源（罗桂纯等，2006;林建民等，2008;杨微等，2013；Chen et al.,2007；陈颙等,2017;Ji et al.,2021;Wang et al.,2018;Zhang et al.,2020）.因此本文的研究工作将利用气枪主动源观测数据，通过并址的高频GPS和强震仪观测，对比分析GPS和强震仪的数据记录，为进一步联合高频GPS和地震仪数据进行地震预警与烈度速报以及快速确定大震破裂过程等工作提供技术支撑，也为气枪震源的信号特征及其在地震学研究中的应用提供观测依据.

1 数据及处理方法

1.1 实验概况

福建省地震局在2016—2018年进行了“福建及台湾海峡三维地壳结构陆海联测”实验，采用主动震源与被动震源、流动观测与固定观测相结合的方案，用三年的时间，分三期完成探测工作.2016年5月福建省地震局在福建省漳州市南一水库进行为期20天的水库移动浮台式气枪观测，浮台采用钢质材料焊接而成，在后续的实验数据分析中均认为浮台近似为刚体.气枪震源位于浮台的正下方，分别放置4支2000 in3的气枪，每支气枪的工作压力为 2000 psi，实验现场示意图如图1所示.在大容量气枪震源实验中，不同气枪容量、枪阵尺寸、沉放深度激发出的子波特性不同，激发效果也不一样.为了获取最好的气枪激发效果，得到最远的气枪信号传播距离，观测前对不同的枪阵尺寸（由4支枪组成的矩形尺寸）以及不同的枪深水深进行了21组枪控工况实验，具体实验参数见表1.为了获取高频GPS和强震仪的并址观测数据，我们在浮台上布设了并址观测设备，利用不同工况的实验条件，分析在不同工况下，研究GPS设备记录到的位移信号与强震仪仿真的位移信号的相关性.我们在前几次的实验均在岸边布设了GPS设备，但是由于气枪激发所产生的震动小，岸边的GPS设备没有记录到有效的位移信号，因此本次实验不在岸边再布设GPS设备.实验中GPS设备采用天宝公司的NETR9，采样率设为50 Hz,强震仪使用的是Grualp强震仪,数据采样率为200Hz.设备具体布置如图2所示，仪器设备信息见表2，有2组GPS和强震仪并址观测，分别位于浮台的对角.

1.2 强震仪和高频GPS数据处理

我们首先需要将数据记录都仿真成位移信号，就需要对加速度进行仿真处理.加速度信号在频域仿真需要进行一次傅里叶变换，接着再对其进行频域积分（顾名坤和吕振华，2011），而后再对GPS直接记录的位移信号进行相关性分析.强震仪记录的加速度信号在频率域上可以表示为

图1 实验现场示意图Fig.1 Schematic figure of on-site instruments and equipment

表1 枪实验工况表Table 1 Working conditions of airgun experiment

图2 气枪实验设备布置图（a） 设备布置示意图;（b） 设备布置现场图.Fig.2 Arrangement of experimental equipment（a） Schematic figure of equipment arrangement;（b） The picture of equipment arrangement.

表2 仪器设备信息Table 2 The information sheet of the instruments

a（t）=Aeiω t，

（1）

其中i为虚数，ω为频率，A为加速度信号a（t）的频谱，接着进行一次积分可以得速度信号:

（2）

其中V为v（t）的傅里叶系数，v（t）为速度分量.因此，当初始速度和位移均为0时，位移可以表示为

=Xeiω t，

（3）

式中，X为x（t）的傅里叶系数，x（t）为位移分量.因此，其相互关系可以表示如下:

（4）

最后将上述计算后的结果进行傅里叶逆变换就可得到位移信号.

为了得到噪声小、精度高的GPS记录，我们选取距离气枪位置较近的GPS观测站，用TEQC计算GPS数据质量最好的参考站，再采用差分的数据处理方式，利用的解算软件是RTKLIB，采样率为10 Hz.

1.3 频谱分析

为了分析不同频率的信号特征，需要尽量避免在数据处理过程中对不同频率信号产生的畸变.一般情况下，频域积分过程将低频的信号进行了不同程度的放大，若低频信号中噪声较大，则经过积分也容易产生波形扭曲的现象.为了降低噪声干扰，本文对矫正后的强震仪位移信号和高频GPS位移信号分别进行带通滤波，滤波频带的选取依据两种不同仪器的位移信号的频谱对比结果.强震仪的仪器频带响应范围在DC～50 Hz，GPS的仪器频带响应范围在小于2 Hz（李祖宁等，2016），因此选取二者的频段范围在小于2 Hz内进行分析

研究组2（子宫内膜腺癌患者）中MTSS1阳性表达率为56.67%，对照组2中MTSS1阳性表达率为16.67%。研究组MTSS1阳性表达率明显高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

图3a是水平方向的频谱，两者的位移信号在0.01～0.2 Hz频段相关性较好；其余部分信号出现一定的分离：（1）在大于0.2 Hz的高频部分，GPS信号幅值要大于强震仪的位移信号，这一方面可能与高频GPS信号本身的特性有关，另一方面可能与此频段内的GPS记录噪声较大引起的；（2）在小于0.01 Hz的低频部分，两者之间的信号存在较大偏差，这可能是由于强震仪对低频、长周期加速度信号不敏感，校正后得到的位移记录中夹杂了较多的噪声，而频域积分又会使这些噪声被大幅度地放大.由于GPS的垂直向精度远低于水平向监测精度（Bock et al.,2000;Elósegui et al.,2006），如果在垂直向上的运动较小，那么高频GPS垂直向位移记录的信噪比就会比较低.由于气枪激发主要引起浮台水平向的运动，垂直向震动较小，可以看到强震仪和GPS记录在垂直分量的吻合程度相比水平分量要低一些，特别是在高频频段，差别相对明显（图3b）.但总体而言，两者分别在水平向和垂直向的差别并不太大，我们将对不同频段的频谱特征进行定量的分析.

图3 强震仪与GPS位移频谱对比（a） 水平向的位移频谱对比;（b） 垂直向的对比.Fig.3 The contrast of frequency spectrum for displacement of strong motion seismograph and GPS（a） The frequency spectrum in horizontal directions；（b） Vertical direction.

2 结果及讨论

为了定量分析高频GPS和强震仪对地表震动的观测能力和适用范围，以及气枪信号不同的激发方式对信号及观测的影响，我们通过对滤波频段、枪阵沉放深度、枪阵尺寸以及水深这四个方面因素作对比研究.

2.1 不同滤波频段的信号特征

我们对不同频段记录到的GPS位移和强震仪仿真后得到的位移进行了相关性分析，各工况GPS、强震仪系数峰值见表3.可以看到，周期30～60 s水平分量的相关系数峰值为0.7，垂直分量为0.32；周期10～30 s的水平分量的相关系数峰值为0.63，垂直分量为0.22；周期2～10 s的水平分量的相关系数峰值为0.41，垂直分量为0.2；周期10～30 s的水平分量的相关系数峰值为0.13，垂直分量为0.31.在相同工况的情况下低频部分的相关性比较高，随着频率升高，特别是大于2 s后，水平向的相关性系数比较低，这与高频GPS的噪声水平关系很大.通过上文介绍，由于GPS的垂直向精度较低，气枪浮台在垂直向上的运动较小，高频GPS垂直向位移记录的信噪比比较低，导致在不同工况条件下，GPS的垂直分量的相关系数峰值低于水平分量.尽管如此，主要的震动信号依然有较好的一致性.

为分析不同频段的GPS位移信号特征，我们选取GPS、强震仪相关系数峰值相对较高的A18工况对不同信号进行分析.本实验用到的枪阵尺寸为7 m×7 m，水深40 m，沉放深度19 m，滤波范围选取2 Hz～2 s、2～10 s、10～30 s、30～60 s这四个频段（图4），气枪震源的激发间隔为180 s，气枪激发在本实验环境下对浮台作用的持续时间大约为100 s，进而可以利用气枪震源的高度可重复性，对比研究高频GPS和强震仪在气枪激发后的相关性.

在水平分量上，强震仪与GPS位移信号在10～30 s、30～60 s频段内吻合情况较好，两者无论从振幅大小、到时等方面吻合度都很高.由于高频GPS获得是位移，避免了强震仪由于倾斜导致的垂直向分量叠加在水平向上产生的基线漂移问题，观测结果更为稳定.在垂直方向上两者的吻合度不高，这是因为本次实验气枪的布设是水平向的，激发的震动以水平向运动为主，垂直向的震动比较小，从图4可以看到，振幅在10 mm以下，而GPS垂直向的精度在厘米级（Larson et al.,2003），所以垂直向的震动小于GPS的噪声水平.此外，由于GPS和强震仪布设在浮台上，在气枪激发时，浮台会发生晃动，导致强震仪的方向发生变化，使得垂直方向上的振幅出现偏移，这种偏移在中长周期上更为明显，这使得强震仪的中长周期垂直向记录发生偏差，虽然进行了矫正，但垂直向位移仍存在偏差，这也在一定程度上造成了高频GPS和强震仪的位移信号差异.因此，在震动较强时，高频GPS在中长周期上能够完美地代替强震仪进行水平向近场观测；对于垂直向的观测，则需要垂直向的位移振幅大于几个厘米，才能克服由于GPS噪声产生的干扰.这些特性，使得高频GPS研究中强地震的近场形变非常适合，可为研究地震的破裂性质，以及地震预警提供关键的近场信息.

表3 各工况GPS、强震仪相关系数峰值表Table 3 The max value of correlation coefficient of strong motion seismograph and GPS at each working condition

在小于10 s的高频部分，两者信号出现明显分离，GPS信号振幅要大于强震仪信号，原因可能与振幅较小导致的噪声干扰较大有关，GPS受到噪声影响可能更大，这也是互相关系数比较低的可能原因之一，因此后文的对比选取10～30 s、30～60 s两个频段.此外，这种差异可能还与气枪震源本身的频率特性有关.一般情况下，气枪震源的频率比较高，所以强震仪接收的信号信噪比更高.而高频部分信号的振幅比较小，高频GPS噪声水平接近甚至大于有效信号的水平，导致高频GPS和强震仪在高频部分存在明显差异.因此，对于相对弱的高频信号，强震仪的信噪比更高；而高频GPS更适合较强震动的高频信号.

2.2 不同沉放深度

图4 不同滤波频段的GPS与强震仪信号对比Fig.4 The contrast of GPS and strong motion seismograph signals in different filtering frequency bands

随着沉放深度的减小，激发产生的地表位移信号在增强（图5），这表明气枪激发的地震动信号与激发深度关系密切.在激发深度比较小的情况下，随着激发深度的减小，在近场造成的振幅会相应变大.同时，由于振幅的增大，GPS位移信号的信噪比也越高，与矫正后的强震仪位移信号的相关性增加.

2.3 枪阵尺寸和水深深度对激发和信号的影响

气枪信号的激发强度和传播能力是决定气枪震源研究地球深部结构能力的关键性指标，如何提高气枪的信号强度一直是气枪震源研究的关键性问题（陈颙等，2017）.为了定量测试气枪激发的效果，我们选取水深40 m，沉放深度为20 m，枪阵尺寸分别为8 m×6 m，8 m×8 m，7 m×7 m的A12、A15、A16工况，滤波范围采用10～30 s、30～60 s.一般而言，气枪的尺寸越大，激发的地震波振幅越大，所以A15的振幅明显大于A12的振幅；同时A15激发的地震波振幅也大于A16振幅（图6）.

图5 不同沉放深度的GPS与强震仪信号对比（a） 工况A16，沉放深度为20 m;（b） 工况A20，沉放深度为16 m;（c） 工况B01，沉放深度为14 m.Fig.5 The contrast of GPS and strong motion seismograph signals at different depths（a） The depth of A16 is 20 m;（b） The depth of A20 is 16 m;（c） The depth of A14 is 14 m.

同时，枪阵设置的尺寸也会对气枪激发产生影响.尽管A16的枪阵是7 m×7 m的，和A12的8 m×6 m的面积差不多，但是，在枪阵尺寸8 m×6 m的A12工况中两者在低频（30～60 s）的相关性较高，而枪阵尺寸7 m×7 m的A16的低频部分相关性较低；而在10～30 s周期上，两者的相关性比较接近，说明气枪激发时的枪阵尺寸影响GPS信号与强震仪仿真信号的相关性.因此，在气枪激发时，需要选择合适的气枪空间布设方式：对于激发周期较长的信号，尽量采用较大面积的枪阵布设；而对于频率较高的情况下，可以采用相同气枪容量下尺寸小一些的布设方式.

图7 不同水深的GPS与强震仪信号对比（a） 工况C02，水深30 m;（b）工况D02，水深25 m.Fig.7 The contrast of GPS and strong motion seismograph signals in different water depths（a） The water depth of C02 is 30 m;（b） The water depth of D02 is 25 m.

除气枪阵尺寸之外，不同水深也会对激发效果（林建民等,2008）以及GPS的记录产生影响.我们选取枪阵尺寸7 m×7 m，沉放深度为12 m，水深分别30 m、25 m的C02、D02工况，滤波范围采用10～30 s、30～60 s进行对比实验.如图7所示，根据表2列出的相关性系数，不同水深的GPS信号与强震仪仿真信号的相关性差异性明显：D02工况下，GPS和强震仪的相关性系数明显高于C02的情况，无论是长周期还是中等周期，D02工况的互相关系数都明显偏高.这种相关性差异应该体现了高频GPS和强震仪在中长周期上监测能力上的差异.一般情况下，在激发深度一定的情况下，水深越浅，从水底反射回来的波动应该越大，主频向中短周期偏移.强震仪和高频GPS的高度相关性表明高频GPS和强震仪在该频段（10～30 s）具有良好的一致性.然而，在水深较深时，中长周期的振幅比较大，可以看到高频GPS的记录很稳定，而强震仪的记录则出现明显的震荡和不稳定性；在长周期（30～60 s）情况也是如此，表明在中长周期上，高频GPS的记录更为稳定可靠.因此，在研究地震近场震动时，如果振幅足够大，高频GPS将能够发挥比强震仪更可靠的作用.同时，不同水深的实验也表明，气枪震源的主频在一定程度上与水深有关，水深越深，激发的主频频率越低，传播的衰减相应减小，该特性对我们利用气枪主动源研究地下结构提供了重要支撑.

3 结论

本文将2016年福建省地震局在漳州南一水库进行的气枪主动源探测实验，记录10 Hz高频GPS和200 Hz的强震仪并址观测数据，然后将加速度信号仿真成位移信号分别与GPS在不同滤波范围、气枪沉放深度、尺寸、水深作对比，结果表明：

（1） 气枪震源由于其可控性和高度可重复性，能够作为不同仪器监测能力的标定手段.本次实验中，高频GPS和强震仪在沉放深度14 m、枪阵的尺寸8 m×6 m以及水深25 m的工况条件下，二者的相关性最高.

（2） 在低频部分，高频GPS和强震仪的相关性高，但是GPS的噪声明显要大于强震仪.随着频率的升高，以及振幅的减小，两者的相关性会明显降低.总体而言，高频GPS记录到的位移信号与强震仪获取的位移信息在滤波频段10～60 s的相关性较高.这一方面表明高频GPS主要的适用范围在中长周期，强震仪在高频部分的敏感度更高；另一方面，高频GPS的噪声限制了对较弱信号的监测能力，如果中短周期段的信号振幅较大，高频GPS也能很好地监测.

（3） 通过以上分析，GPS和强震仪具有较高的互补关系，是目前监测预警台网不可或缺的组成部分，可以作为地震仪观测的有效补充，在烈度速报与预警中能够发挥有效作用.

致谢感谢主编和两位匿名审稿人对本论文的建议，您们的建议和意见对提高论文的水平有非常大的帮助；感谢中国地震局陈颙院士团队在气枪实验中的支持，同时感谢中国科学技术大学王宝善教授的指导和建议.