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利用芦山地震自由振荡信号检验中国大陆超导重力仪的高频特性

江颖 胡小刚

江颖, 胡小刚. 利用芦山地震自由振荡信号检验中国大陆超导重力仪的高频特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857
引用本文: 江颖, 胡小刚. 利用芦山地震自由振荡信号检验中国大陆超导重力仪的高频特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857
JIANG Ying, HU Xiaogang. Investigation of High-Frequency Noise for Superconducting Gravimeters of China Using Normal Modes of Lushan Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857
Citation: JIANG Ying, HU Xiaogang. Investigation of High-Frequency Noise for Superconducting Gravimeters of China Using Normal Modes of Lushan Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857

利用芦山地震自由振荡信号检验中国大陆超导重力仪的高频特性

doi: 10.13203/j.whugis20140857
基金项目: 

国家自然科学基金 Nos. 41174022

国家自然科学基金 41021003

国家自然科学基金 41404064

大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金 No. SKLGED2015-1-2-EZ

详细信息
    作者简介:

    江颖, 博士, 主要从事地球自由振荡、重力数据分析及其应用研究。jiangyingchen@126.com

    通讯作者: 胡小刚, 博士, 研究员。E-mail:hxg432@whigg.ac.cn
  • 中图分类号: P223.1;P223.3

Investigation of High-Frequency Noise for Superconducting Gravimeters of China Using Normal Modes of Lushan Earthquake

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China Nos. 41174022

The National Natural Science Foundation of China 41021003

The National Natural Science Foundation of China 41404064

the Open Research Fund Program of State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics No. SKLGED2015-1-2-EZ

More Information
    Author Bio:

    JIANG Ying, PhD, specializes in Earth's free oscillations, gravity data analysis and its application. E-mail: jiangyingchen@126.com

    Corresponding author: HU Xiaogang, PhD, research fellow. E-mail:hxg432@whigg.ac.cn
  • 摘要: 2013-04-20发生在四川芦山的地震,是一个震级为Mw 6.6的高角度逆冲型地震,在2.3~5.3 mHz频段激发了微弱的球型简正模信号。芦山地震的自由振荡信号为人们提供了检验中国大陆超导重力仪高频特性的机会。分析了中国大陆现有的5台超导重力仪和部分宽频带地震仪在芦山地震后的观测数据,结果表明,超导重力仪SG057(拉萨)、SG053(武汉)和流动超导重力仪iGrav(武汉)在2~5 mHz频段具有较低的噪音水平,超导重力仪SG065(武汉)、SG066(丽江)具有较高的噪音水平。
  • 图  1  震源和台站的相对位置图

    Figure  1.  Location of Hypocenter and Stations

    图  2  拉萨台超导重力仪的芦山地震自由振荡在2.3~5.3 mHz频段的观测值和模拟值

    Figure  2.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2.3~5.3 mHz Frequency Band at Lhasa SG Station

    图  3  拉萨台超导重力仪的芦山地震自由振荡在5.3~8.5 mHz频段的观测值和理论模拟值

    Figure  3.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 5.3~8.5 mHz Frequency Band at Lhasa SG Station

    图  4  拉萨地震台STS-1和STS-2的芦山地震自由振荡在2~8.5 mHz频段的观测值和台站理论模拟值

    Figure  4.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2~8.5 mHz Frequency Band at Lhasa Seismostation STS-1 and STS-2

    图  5  武汉超导重力仪SG065,iGrav,SG053芦山地震自由振荡在2~8.5 mHz频段的观测值和理论模拟值

    Figure  5.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2~8.5 mHz Frequency Band at Wuhan SG Station SG065, iGrav and SG053

    图  6  丽江超导重力仪SG066的芦山地震自由振荡在2~8.5 mHz频段的观测值和模拟值

    Figure  6.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2~8.5 mHz Frequency Band at Lijiang SG Station SG066

    图  7  昆明地震台宽频带地震仪STS-1和STS-2芦山地震后在2~8.5 mHz频段的观测值

    Figure  7.  Observation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in the 2~8.5 mHz Frequency Band of Kunming Broadband Seismometer STS-1 and STS-2

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-23
  • 刊出日期:  2017-05-05

利用芦山地震自由振荡信号检验中国大陆超导重力仪的高频特性

doi: 10.13203/j.whugis20140857
    基金项目:

    国家自然科学基金 Nos. 41174022

    国家自然科学基金 41021003

    国家自然科学基金 41404064

    大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金 No. SKLGED2015-1-2-EZ

    作者简介:

    江颖, 博士, 主要从事地球自由振荡、重力数据分析及其应用研究。jiangyingchen@126.com

    通讯作者: 胡小刚, 博士, 研究员。E-mail:hxg432@whigg.ac.cn
  • 中图分类号: P223.1;P223.3

摘要: 2013-04-20发生在四川芦山的地震,是一个震级为Mw 6.6的高角度逆冲型地震,在2.3~5.3 mHz频段激发了微弱的球型简正模信号。芦山地震的自由振荡信号为人们提供了检验中国大陆超导重力仪高频特性的机会。分析了中国大陆现有的5台超导重力仪和部分宽频带地震仪在芦山地震后的观测数据,结果表明,超导重力仪SG057(拉萨)、SG053(武汉)和流动超导重力仪iGrav(武汉)在2~5 mHz频段具有较低的噪音水平,超导重力仪SG065(武汉)、SG066(丽江)具有较高的噪音水平。

English Abstract

江颖, 胡小刚. 利用芦山地震自由振荡信号检验中国大陆超导重力仪的高频特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857
引用本文: 江颖, 胡小刚. 利用芦山地震自由振荡信号检验中国大陆超导重力仪的高频特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857
JIANG Ying, HU Xiaogang. Investigation of High-Frequency Noise for Superconducting Gravimeters of China Using Normal Modes of Lushan Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857
Citation: JIANG Ying, HU Xiaogang. Investigation of High-Frequency Noise for Superconducting Gravimeters of China Using Normal Modes of Lushan Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 583-588. doi: 10.13203/j.whugis20140857
  • 超导重力仪利用磁悬浮超导小球感应重力场的变化。在现有测定重力变化的仪器中,美国GWR仪器公司生产的超导重力仪是性能最好的相对重力仪,具有高精度、低噪音、低漂移、高稳定性的特点和极宽的频率响应范围。在世界各地的地球动力学研究项目中,超导重力仪广泛应用于监测固体潮、地壳构造运动、长周期地震、地球长周期自由振荡,近年来也应用于观测火山、地热、水文等地球动力学活动引起的重力变化[1-7]。重力仪的采样周期一般是1 min (60 s),根据采样定律,这样的低频采样数据只能记录到周期大于120 s的长周期地球物理信号。如果重力仪的采样率提高到1 Hz,即采样周期为1 s,就可以记录到较多高频地球物理信号,如地脉动信号、高频简正模信号等,采样率提高扩大了重力仪的应用范围。超导重力仪是目前低频特性最好的相对重力仪,但其高频特性受分子热运动的影响,本机噪音比较大。GWR推出了新一代的超导重力仪,改善了其高频特性。地球物理研究是基于观测的科学研究,超导重力仪的高频段噪音水平也越来越受到研究者的关注。

    宽频带数字地震仪利用金属弹簧振动及其反馈系统在较大的频带范围记录地震信号。受弹簧机械特性的影响,其低频测量范围受到局限。宽频带数字地震仪的低频测量极限值最能反映地震仪宽频带品质特征。地震仪带宽及其最低频有效测量值反映了地震仪记录地震信号的能力。在地震学研究中,国际学术界和工程界一致用周期值表示地震仪有效测量的最低频率,用频率值表示地震仪有效测量的最高频率。瑞士Streckeisen公司生产的STS-1型地震仪的频带范围为360 s~8.5 Hz,号称是全球低频特性最好的甚宽频带数字地震仪。研究表明,在频率范围1 mHz以下,超导重力仪的噪音水平低于宽频带地震仪的噪音水平;在1~1.5 mHz频率范围,超导重力仪的噪音水平相当于宽频带地震仪STS-1的噪音水平;在2~4 mHz频率范围,超导重力仪的噪音水平高于宽频带地震仪的地震水平[8-11]。受制作、调校、安装等因素的影响,同一类型仪器的噪音水平往往相差较大。仅利用噪音模型无法区别仪器的环境噪音和本机噪音,需要多台仪器同址实测地球物理信号,分析对比后确定噪音来源,鉴定仪器的噪音水平。长周期地球自由振荡信号是直观检验重力仪的高频特性和宽频带地震仪的低频特性的最佳选择。

    固体地球是一个近似弹性的球体,震级Mw>5.5的地震会激发地球的自由振荡。自由振荡是地震面波在传播过程中形成的球面驻波,是一种规则的地球物理信号。在0.3~10 mHz范围内,自由振荡简正模的频率是一系列固定的离散值。利用地球模型和地震的震源机制解能够较准确地模拟计算出地震在台站激发的自由振荡信号。超导重力仪和宽频带地震仪都能清楚地记录到大地震 (Mw≥7.5) 激发的长周期自由振荡信号[12]。很难用大地震激发的长周期自由振荡信号检验仪器的噪音水平。记录中等量级的地震 (Mw≤7) 激发的自由振荡信号,要求仪器本身噪音水平较低。根据超导重力仪和宽频带地震仪记录中强度地震自由振荡信号的能力,可检验超导重力仪的高频噪音水平和宽频带地震仪的低频噪音水平。

    根据美国地质调查局的报告,北京时间2013-04-20T08:02四川芦山县发生了一个震级为Mw 6.6、深度为14 km中等强度内陆逆冲型地震,其震中位于龙门山南部的彭县-灌县断裂,距离2008-05-12 Ms 8.0汶川大地震的震中仅100多千米。芦山地震是汶川大地震后5 a来发生在龙门山断裂带最强的地震,其震源性质、发震构造及激发的自由振荡引了许多学者的关注[13-21]。芦山地震是一个高角度浅层逆冲型地震[15, 21],这样的地震容易激发长周期球型自由振荡。类似的高角度浅层逆冲型中等强度地震在中国内陆地区很少发生。芦山地震激发的自由振荡信号为人们提供了检验中国大陆超导重力仪高频特性的机会。本文的检验方法和结果可为超导重力仪的噪音水平研究及明确其应用范围提供参考。

    • 中国大陆目前有5台GWR超导重力仪。中国科学院测量与地球物理研究所为开展中国大陆地球动力学研究,建立了3个超导观测站,如图 1所示,其中黄色星号表示芦山地震的震源位置,蓝色三角表示超导重力仪观测站、地震台的位置。超导重力仪SG057、SG065、SG066分别安置于拉萨、武汉以及丽江,国家重力台网中心在武汉九峰地震台安置了超导重力仪SG053。武汉大学新购置了一台GWR流动型超导重力仪iGrav,其特点是简单轻便,采用了超导恒流技术,而且移动iGrav不会影响仪器的刻度系数和漂移率,是目前最稳定的相对重力仪,芦山地震发生期间该设备正在武汉站测试运行。这些仪器都提供采样率为1 Hz的观测数据。

      图  1  震源和台站的相对位置图

      Figure 1.  Location of Hypocenter and Stations

      采用傅里叶变换从观测数据中提取自由振荡信号。在用傅里叶变换方法提取信号前,需要先对观测数据进行预处理,采用数据预处理软件Tsoft[22]消除仪器本身原因引起的观测器数据尖峰值和突跳值。观测站附近气压变化会影响微弱自由振荡信号的观测[23-24],本文采用小波方法消除观测数据中的气压噪音[24-25]

      为检验超导重力仪记录到的自由振荡信号,本文利用地球模型和芦山地震的震源机制解,计算了拉萨、武汉以及丽江3个台站自由振荡的理论模拟值。计算过程中,地球模型采用初始参考地球模型[26],震源机制采用全球矩心矩张量项目提供的芦山地震震源机制解。本文主要分析2.3~8.3 mHzz频段的自由振荡信号,数据长度小于18 h。这种情况下, 由地球自转引起的谱峰分裂现象在频谱上还未明显出现。

      作为对比,本文对超导重力仪观测站附近的宽频带地震仪LHZ通道的观测数据也进行了分析,其中包括两台位于拉萨站的宽频带地震仪、两台位于昆明站的宽频带地震仪,型号为STS-1、STS-2。地震观测数据由国际地震学联合会地震数据中心提供,采样率为1 Hz。

    • 本文中所有模拟计算和实测数据的长度均为18 h,且数据开始时刻为地震发生后100 s,傅里叶变换时采用了汉宁窗。图 23显示了拉萨站超导重力仪SG057的观测结果以及其与台站模拟数据的比较,SG057清楚地记录到了芦山地震激发的自由振荡。拉萨台站模拟数据显示,芦山地震在2.3~8.3 mHz频段激发了较强的自由振荡信号。在2.3~5.3 mHz频段,自由振荡谱峰值约为50~240 μGal,SG057的观测数据和台站模拟数据符合良好 (见图 2),表明在此频率范围SG057有良好的频谱特性。在5.3~7 mHz频段,观测记录的信噪比下降,观测值和模拟值大体符合 (见图 3),还能分辨较强的自由振荡信号 (谱峰值>150 μGal/Hz)。在7~8.3 mHz频段,由于行波的干扰,观测记录的自由振荡信号的信噪比显著下降,观测数据和模拟数据已经不相符合。

      图  2  拉萨台超导重力仪的芦山地震自由振荡在2.3~5.3 mHz频段的观测值和模拟值

      Figure 2.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2.3~5.3 mHz Frequency Band at Lhasa SG Station

      图  3  拉萨台超导重力仪的芦山地震自由振荡在5.3~8.5 mHz频段的观测值和理论模拟值

      Figure 3.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 5.3~8.5 mHz Frequency Band at Lhasa SG Station

      值得关注的是拉萨地震台的STS-1的低频特性表现不佳,不如在同址观测的宽频带地震仪STS-2的低频特性 (见图 4)。图 4显示STS-1未能记录到芦山地震激发的自由振荡,STS-2却清楚记录到了自由振荡信号。宽频带地震仪STS-2的标称频带宽度为120 s~40 Hz,最低频周期值仅为甚宽频带地震仪STS-1的1/3。

      图  4  拉萨地震台STS-1和STS-2的芦山地震自由振荡在2~8.5 mHz频段的观测值和台站理论模拟值

      Figure 4.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2~8.5 mHz Frequency Band at Lhasa Seismostation STS-1 and STS-2

      图 5显示了3台超导重力仪在武汉的观测结果,超导重力仪SG065在2.3~8.3 mHz频段有很强的噪音,未能记录到自由振荡信号。同址观测的移动超导重力仪iGrav却清楚记录到了芦山地震激发的自由振荡信号。在2.3~5.3 mHz频段,移动超导重力仪观测信号与台站模拟信号符合良好。这一结果表明SG065的高频噪音不是源自环境因素的影响,而是仪器自身的原因。武汉九峰地震台的SG053高频特性也表现良好,清楚地记录到了自由振荡信号。图 5直观比较了SG053和iGrav在2~8.5 mHz频段的观测结果,表明SG053的高频噪音水平低于移动超导重力仪iGrav的高频噪音水平。

      图  5  武汉超导重力仪SG065,iGrav,SG053芦山地震自由振荡在2~8.5 mHz频段的观测值和理论模拟值

      Figure 5.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2~8.5 mHz Frequency Band at Wuhan SG Station SG065, iGrav and SG053

      丽江台超导重力仪SG066在2~8.5 mHz频段也显示了较高的噪音水平,没能清楚地记录到芦山地震的自由振荡信号 (见图 6)。昆明地震台距离丽江台很近,其两台地震仪STS-1和STS-2均清楚记录到了芦山地震的自由振荡信号 (见图 7),且STS-1的低频噪音水平明显低于STS-2的低频噪音。昆明台地震仪的记录表明SG066未能记录到芦山地震自由振荡信号与信号的强度、设备距离震中的距离以及方位无关。

      图  6  丽江超导重力仪SG066的芦山地震自由振荡在2~8.5 mHz频段的观测值和模拟值

      Figure 6.  Observation and Simulation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in 2~8.5 mHz Frequency Band at Lijiang SG Station SG066

      图  7  昆明地震台宽频带地震仪STS-1和STS-2芦山地震后在2~8.5 mHz频段的观测值

      Figure 7.  Observation of Earth's Free Oscillations Caused by Lushan Earthquake in the 2~8.5 mHz Frequency Band of Kunming Broadband Seismometer STS-1 and STS-2

    • 利用中等强度地震激发的微弱自由振荡信号可直接检验超导重力仪的高频噪音水平和宽频带地震仪的低频噪音水平。本文根据芦山地震的自由振荡检验中国大陆现有的5台超导重力仪,结果表明,在2~5 mHz频段超导重力仪SG057和SG053具有较好的高频特性,移动式超导重力仪iGrav的高频噪音水平略高。超导重力仪SG066和SG065高频特性很差,不能记录到芦山地震的自由振荡信号。

      在2~4 mHz频段,拉萨台超导重力仪SG057的噪音水平低于宽频带地震仪STS-2的噪音水平;在4~5.5 mHz频段,其噪音水平与宽频带地震仪STS-2的噪音水平相当;在高于5.5 mHz的范围,其噪音水平低于STS-2的噪音水平。观测结果表明SG057和SG053可分辨的振幅谱峰为80 μGal/Hz。模拟数据显示5 nGal的连续重力变化在18 h内形成的谱峰值约为80 μGal/Hz。因此可推论在安静的环境下,SG057和SG053有能力在2~5 mHz频段分辨一天内由地球动力活动导致的振幅大于5 nGal的连续重力变化。

      SG066和SG065在2~5 mHz频率范围有较高的本机噪音信号,使其不能记录到弱地球自由振荡信号。SG065和SG066是同批次生产出厂的产品,其低频特性都很优异,但在高频段的噪音水平很高。这些共同的特征表明这两台仪器的优劣性与其生产和调试过程有关,而与安装及其环境因素无关。检验结果表明,超导重力仪噪音水平受制作、调校、安装、环境等因素的影响,同一类型超导重力的高频噪音水平往往相差较大。拉萨地震台STS-1未能记录到芦山地震激发的自由振荡,表明该设备的低频通道存在较大问题。

      利用中等强度地震自由振荡信号直接检验超导重力仪的高频噪音水平和宽频带地震仪的低频噪音水平,是其他噪音水平检验方法的重要补充,其结果可为超导重力仪的噪音水平研究及明确其应用范围提供参考。

参考文献 (26)

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