石英水平擺高采樣率實驗

方燕勛，劉 超，卞根發(fā)，惠若愚

（1.浙江省地震局湖州地震臺，浙江 湖州 313000；2.中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036；3.浙江省地震局，杭州 310013）

石英水平擺高采樣率實驗

方燕勛1，劉 超2，卞根發(fā)1，惠若愚3

（1.浙江省地震局湖州地震臺，浙江 湖州 313000；2.中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036；3.浙江省地震局，杭州 310013）

采用測震儀數(shù)據(jù)采集器記錄石英水平擺的高采樣輸出實驗。結(jié)果表明：實驗數(shù)據(jù)與同一臺站分采樣石英水平擺觀測的潮汐波一致，表明本文的實驗是成功的。秒采樣觀測能記錄到完整的地震波和臺風(fēng)引起的震顫過程，且對應(yīng)不同秒采樣，形變觀測儀器對臺風(fēng)引起的震顫過程的記錄具有一致性。

湖州地震臺；石英水平擺；高采樣率

0 引言

目前，大多數(shù)的形變觀測儀器以采樣率為1次/分鐘采集，信號中包含了潮汐變化、月變化、年變化或更長周期的信息?？梢詽M足日常分析預(yù)測人員對震情的跟蹤監(jiān)視。但1次/min的采樣率只能記錄一些低頻信號，當(dāng)有特殊事件發(fā)生時，細(xì)節(jié)部分信息就難以被完整地記錄下來。為了可靠地記錄地震監(jiān)測中的形變觀測儀器對高頻事件的響應(yīng)信息，解決采集形變儀器輸出高頻信息方法，2011年湖州地震臺（簡稱湖州臺）和中國地震局地震預(yù)測研究所劉超合作，在湖州臺開展使用測震儀器數(shù)據(jù)采集器記錄數(shù)字石英水平擺傾斜儀的輸出實驗。

近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的提高，一些前兆觀測臺站開展了利用高頻數(shù)采記錄前兆信息的實驗，如福建省地震局開展了對水位觀測的高頻采集工作[1]，記錄到了完整的水震波形。舒優(yōu)良等在陜西周至井開展的用EDAS-3S數(shù)采記錄水震波實驗也獲得了非常有益的結(jié)果[2]。

SSQ-2型石英水平擺是中國地震局地震預(yù)測研究所馮海英研制的一種高精度傾斜觀測儀，儀器有兩個擺，分別觀測東西、南北向地傾斜變化，它采用Zouner雙吊絲懸掛的石英水平擺體接收地傾斜信號，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生傾斜時，擺桿繞旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量被電渦流傳感器轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出，再經(jīng)放大、濾波以后，由數(shù)字采集器實時采集存儲。 數(shù)據(jù)采樣率為1個/min，頻響范圍0～8.333× 10-3Hz[3]，實驗中又增加一套觀測儀器。我們把該數(shù)據(jù)與臺站現(xiàn)有的分鐘采樣的石英水平擺觀測資料進(jìn)行對比分析。測震儀器數(shù)據(jù)采集器是港震公司研制的EDAS-24IP型24位帶IP功能的高性能數(shù)據(jù)采集器。

1 觀測臺站及儀器概括

湖州臺位于浙江北部、太湖南岸的湖州市南郊。該區(qū)域?qū)俚缊錾矫}，為燕山期花崗巖體。有蘇州-湖州的北東向斷裂、長興（湖州）-屯溪北東向斷裂、及湖州-嘉善東西向斷裂三條斷裂交匯。湖州臺有水管傾斜儀、伸縮儀、鉆孔應(yīng)變儀、垂直擺傾斜儀、石英水平擺傾斜儀、重力等多種定點形變儀器安裝在完整性極好的花崗巖上[4]。 “十二五”期間被浙江省地震局確定為浙北地震前兆觀測實驗場。石英水平擺2010年安裝在人防11號山洞內(nèi)。洞室進(jìn)深60 m，洞頂覆蓋層厚度約28 m，年平均溫度為17.7℃，日變＜0.05℃。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

測震儀器數(shù)據(jù)采集器采集的原始數(shù)據(jù)D是以count為單位的采集量，要得到地傾斜量Q，需要通過公式（1）計算：

計算得到的地傾斜量Q的單位為：ms，公式（1）其中K為轉(zhuǎn)換系數(shù)，1 count=1.192 uv(10 v檔)，S為儀器標(biāo)定格值，東西向格值為：S=0.646 ms/mv，南北向格值為：S=0.6211 ms/mv。

2.1 連續(xù)記錄

選取2011年8月1日至10日十天的秒采樣石英水平擺東西向記錄的秒采樣原始數(shù)據(jù)，采用降采樣的方法，把秒數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分鐘值。通過公式（1）計算傾斜量與另一套分鐘值采樣石英水平擺記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（見圖1），其中圖1（a）為秒采樣石英水平擺原始數(shù)據(jù)，記錄到的多組高頻震蕩衰減信號，為同震響應(yīng)。方燕勛等[5]通過地震響應(yīng)能力研究發(fā)現(xiàn)，秒采樣的石英水平擺地震響應(yīng)的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分鐘采樣的石英水平擺。秒采樣數(shù)據(jù)降采樣得到的分鐘值記錄到得潮汐波形沒有出現(xiàn)失真或畸變。石英水平擺采取秒采樣輸出同樣可以記錄到潮汐波。同一觀測分量的不同采樣頻率的兩種儀器記錄的潮汐波形形態(tài)完全相似。由于秒采樣數(shù)字石英水平擺安裝較晚，觀測儀器的零點漂移比分鐘采樣的石英水平擺大。尤其東西向的觀測數(shù)據(jù)往東加速傾斜。

2.2 調(diào)和結(jié)果分析

固體潮的潮汐因子為相應(yīng)潮汐波群的實測振幅與其理論振幅之比。潮汐因子是反應(yīng)巖石彈性力學(xué)性質(zhì)的物理量，通過該因子的變化可表征觀測點處介質(zhì)彈性模量的改變，從而推斷介質(zhì)狀態(tài)的變化。相位滯后是實測相位與其相應(yīng)的理論相位之差。潮汐觀測的相位滯后主要是由地殼的非完全彈性產(chǎn)生的，它反映的是地殼介質(zhì)的彈性狀態(tài)變化情況。

對湖州臺2011年8月份分采樣石英水平擺記錄的南北向數(shù)據(jù)做潮汐調(diào)和分析和同月份的秒采樣石英水平擺傾斜儀記錄的數(shù)據(jù)，降采樣成分鐘值后，根據(jù)公式（1）計算石英水平擺傾斜量后潮汐調(diào)和分析對比。圖2為秒采樣水平擺NS向的原始秒數(shù)據(jù)、通過計算得到的分鐘數(shù)據(jù)和整點值，表1為NS向調(diào)和分析結(jié)果。采用同樣方法得到東西向調(diào)和分析結(jié)果（表2）。

根據(jù)M2解算參數(shù)可知兩種觀測數(shù)據(jù)的潮汐波幅度較一致，東西向秒采樣潮汐因子為1.171 8，分采樣潮汐因子為 1.100 7，兩者相對偏差為0.064%。南北向秒采樣潮汐因子為0.426 9，分采樣潮汐因子為0.481 6，兩者相對偏差為0.113%。東西向秒采樣相位滯后為-16.105 7，分采樣相位滯后為-17.688 2，兩者相對偏差為0.089%。南北向秒采樣相位滯后為55.816 2，分采樣相位滯后為60.628 7，兩者相對偏差為0.079%。從不同采樣率的兩套石英水平擺觀測資料的調(diào)和分析結(jié)果看，兩者的潮汐因子一致，相位滯后一致。

圖1 不同采樣率石英水平擺EW向?qū)Ρ龋?月1日至10日）Fig.1 Comparison of the recorded data in EW direction of the quartz horizontal pendulum with different sampling rate（from 1st to 10d，August）

圖2 秒采樣率水平擺NS向 （8月1日至31日）Fig.2 The second sampling observation in NS direction of the quartz horizontal pendulum (from 1st to 31st，August)

2.3 同震響應(yīng)特征分析

2011年7月25日03∶05∶26新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)清河縣（北緯46.0°，東經(jīng)90.4°）發(fā)生5.2級地震，震源深度10.0 km。圖3a、b兩幅曲線圖分別是秒采樣石英水平擺南北向、東西向分別記錄到得地震波。能夠清楚的記錄到P波、S波、L面波。

3 臺風(fēng)引起的高頻 “異常波”

近年來，國內(nèi)有不少學(xué)者報道了秒以上采樣的重力、地震計觀測到了震顫、擾動信號。這些震顫或擾動信號周期大都集中在2～8 s，特征為信號的包絡(luò)線呈紡錘狀疊加在觀測背景上，信號持續(xù)的時間為1 d到幾天不等。

3.1 高采樣的石英水平擺對臺風(fēng)的響應(yīng)

我們采用db4小波對秒采樣石英水平擺觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解到第4層，所用的資料石英水平擺秒采樣數(shù)據(jù)（采樣步長為1 s），原始信號與分解后的信號的關(guān)系為：S=d1+d2+d3+d4+a4，S為原始數(shù)據(jù)，di為細(xì)節(jié)信號，ai為趨勢項。

表1 不同采樣率的石英水平擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)觀測精度（NS）Table 1 Observation precision of the quartz horizontal pendulum tiltmeter with different sampling rate（NS）

表2 不同采樣率的石英水平擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)觀測精度（EW）Table 2 Observation precision of the quartz horizontal pendulum tiltmeter with different sampling rate（EW）

湖州臺秒采樣石英水平擺多次記錄到強(qiáng)臺風(fēng)的整個過程，呈 “紡錘狀”，一般持續(xù)時間為3 d，圖4為秒采樣石英水平擺NS向?qū)?011年9號熱帶風(fēng)暴 “梅花”的響應(yīng)特征，通過db4小波分析，第一層細(xì)節(jié)信號，第二層細(xì)節(jié)信號完整的記錄臺風(fēng)的整個過程，呈 “紡錘狀”。圖5為秒采樣石英水平擺EW向?qū)?011年9號熱帶風(fēng)暴 “梅花”的響應(yīng)特征，通過db4小波分析，第一層細(xì)節(jié)信號，第二層細(xì)節(jié)信號完整的記錄臺風(fēng)的整個過程，呈“紡錘狀”。

3.2 同采樣率的不同形變儀器對臺風(fēng)的響應(yīng)對比

湖州臺秒采樣VP型寬頻帶垂直擺和秒采樣石英水平擺能完整的記錄臺風(fēng)的整個過程。選取2013年第12號臺風(fēng) “潭美”對秒采樣石英水平擺和寬頻帶垂直擺的高頻震顫特征做對比分析。

2013年第12號臺風(fēng) “潭美”于8月22日02時40分前后在福建省福清市沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力有12級 (35 m/s)，中心最低氣壓為958百帕。登陸后 “潭美”向西偏北方向移動，強(qiáng)度逐漸減弱，于22日05時減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，05時其中心位于福建省永泰縣境內(nèi)，就是北緯25.8°，東經(jīng)119.1°，中心附近最大風(fēng)力有11級(30 m/s)，中心最低氣壓為970 hPa。

圖3 新疆維吾爾自治區(qū)5.2級地震曲線Fig.3 Curve of MS5.2 earthquake in Xinjiang Uygur Autonomous Region

圖4 秒采樣石英水平擺NS向觀測數(shù)據(jù)db4小波分析 (8月2日-10日)Fig.4 The db4 wavelet analysis of observation data in NS direction of the quartz horizontal pendulum with second sampling（from 2nd to 10th，August）

圖5 秒采樣石英水平擺EW向觀測數(shù)據(jù)db4小波分析(8月2日-10日)Fig.8 The db4 wavelet analysis of observation data in EW direction of the quartz horizontal pendulum with second sampling（from 2nd to 10th,August）

圖6石英水平擺和寬頻帶垂直擺震顫信號對比（8月20至24日EW向）Fig.6 Signal comparison of the quartz horizontal pendulum and wideband vertical pendulum（from 20th to 24th,August,EW direction）

圖6 （a）給出的秒采樣石英水平擺EW向2013年8月20日至24日觀測數(shù)據(jù)db4小波分析，原始數(shù)據(jù)、第1層細(xì)節(jié)信號和第2層細(xì)節(jié)信號。圖6（b）給出的寬頻帶垂直擺EW向2013年8月20日至24日觀測數(shù)據(jù)db4小波分析，原始數(shù)據(jù)、第1層細(xì)節(jié)信號和第2層細(xì)節(jié)信號。通過對湖州臺秒采樣石英水平擺和寬頻帶垂直擺同一個分量的相同時段的觀測資料分析和處理發(fā)現(xiàn)，兩者具有一致性：震顫波頻率主要集中在2～8 s，其中4～8 s頻帶內(nèi)的振幅大于2～4 s頻帶內(nèi)的振幅，信號的形態(tài)呈 “紡錘狀”，持續(xù)3 d時間。兩者的振幅有小幅偏差，是由于兩套儀器的格值不同造成的。同一臺站的不同秒采樣形變觀測儀器對臺風(fēng)引起的震顫波的記錄具有一致性，頻段一致、形態(tài)一致、持續(xù)時間一致。說明臺風(fēng)造成了大范圍的遠(yuǎn)場影響，被湖州臺秒采樣形變觀測儀器記錄到，湖州臺秒采樣石英水平擺和寬頻帶垂直擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)對高頻信息記錄可相互檢驗，相互映證的效果[6]。

4 結(jié)語

通過對湖州臺分鐘采樣、秒采樣的兩套石英水平擺觀測資料的對比分析，初步得到如下結(jié)論：

（1）石英水平擺采用測震數(shù)采進(jìn)行秒采樣，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分鐘值計算，與現(xiàn)有分鐘采樣的觀測數(shù)據(jù)，在潮汐波觀測上一致、潮汐參數(shù)一致,表明本文的實驗是成功的。

（2）通過秒采樣的石英水平擺觀測數(shù)據(jù)，信息更豐富。在地震事件中能記錄到清晰地P波、S波。

（3）石英水平擺秒采樣能完整記錄臺風(fēng)引起的震顫波，且同一臺站的不同秒采樣形變觀測儀器對臺風(fēng)引起的震顫波的記錄具有一致性，頻段一致、形態(tài)一致、持續(xù)時間一致。

（4）據(jù)我們所知，石英水平擺采用 EDAS-24IP型測震儀器數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行秒采樣，全國首次試驗。

[1]繆麗霞，陳昌永，倪曉寅，等.不同型號儀器水位記震能力對比分析[J].地震研究，2009，33（2）：137-144.

[2]舒優(yōu)良，張世民.周至深井水震波數(shù)字化記錄與地震波記錄的對比研究[J].地震地磁觀測與研究，2004，24（5）：26-31.

[3]方燕勛，卞根發(fā)，惠若愚.湖州臺高采樣率傾斜儀同震響應(yīng)初析[J].地震工程學(xué)報，2014，36（3）：628-633.

[4]方燕勛，闞寶祥.湖州地震臺鉆孔體應(yīng)變和伸縮儀記錄資料對比[J].地震地磁觀測與研究，2010，31（2）：101-103.

[5]方燕勛.不同采樣率數(shù)字石英水平擺記錄資料對比[J].地震地磁觀測與研究，2012，33（3/4）：291-293.

[6]起衛(wèi)羅，匡福江，余慶坤.騰沖臺水平擺在中強(qiáng)以上地震前異常特征分析 [J].華南地震，2014，34（3）：120-124.

High Sample Rate Experiment of the Quartz Pendulum Tiltmeter

FANG Yanxun1，LIU Chao2，BIAN Genfa1，HUI Ruoyu3
（1.Huzhou Seismic Station，Earthquake Administration of Zhejiang Province，Huzhou 313000，China；2.Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China；3.Earthquake Administration of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，China）

The high sample output data of quartz horizontal pendulum tiltmeter are recorded by a seismograph data collector.Results show that with the same data points sampling the quartz horizontal pendulum tiltmeter observed tidal wave;the quartz horizontal pendulum tiltmeter with seconds sampling observation can record the complete seismic wave and the tremor wave caused by the typhoon;the tremor wave recorded by the deformation observation instrument with different second sampling have consistency.

Huzhou seismic station；The quartz horizontal pendulum tiltmeter；High sampling rate；Capability analysis

P315.7

A

1001-8662（2015）04-0098-06

10.13512/j.hndz.2015.04.15

方燕勛，劉 超，卞根發(fā)，等.石英水平擺高采樣率實驗[J].華南地震，2015，35（4）：98-103.[FANG Yanxun， LIU Chao，BIAN Genfa，et al. High Sample Rate Experiment of the Quartz Pendulum Tiltmeter[J].South china journal of seismology，2015，35（4）：98-103.]

2014-11-10

中國地震局“三結(jié)合”課題和浙江省地震局科技項目資助

方燕勛（1983-），男，工程師，主要從事地震監(jiān)測工作.

E-mail：fangyanxun@126.com.