孟彩菊,張淑亮,李 麗,楊世英
(1.山西省地震局太原地震監(jiān)測(cè)中心站,山西 太原 030025;2.山西省地震局,山西 太原 030021;3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,山西 太原 030025)
日常地球物理場(chǎng)觀測(cè)不可避免地受到各種干擾,不同來(lái)源的干擾因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響各不相同。孫伶俐等對(duì)地殼形變觀測(cè)的大氣變化響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究,認(rèn)為大氣壓強(qiáng)和溫度的影響集中在較低頻段,臺(tái)風(fēng)在形變觀測(cè)較高頻段上有明顯影響[1]。王寧等認(rèn)為,氣壓對(duì)形變分鐘值數(shù)據(jù)的影響明顯,其優(yōu)勢(shì)頻率在時(shí)頻域上低于0.05 Hz,在氣壓變化明顯區(qū)域信號(hào)能量較大;降水對(duì)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)影響明顯,集中在低頻部分[2]。段元澤等認(rèn)為,降水總量引起洞體應(yīng)變和水管傾斜儀的變化增大,排除降水干擾后的變形增大,多與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)[3]。彭鈺翔等認(rèn)為,近場(chǎng)環(huán)境的某些細(xì)微變化能夠引起形變觀測(cè)數(shù)據(jù)振幅、頻率、組分、穩(wěn)定性的變化,導(dǎo)致前后數(shù)據(jù)不一致,影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[4]。李智蓉等定量分析降雨對(duì)昭通地震臺(tái)測(cè)項(xiàng)的影響,認(rèn)為形變變化與降雨相關(guān)性較高[5]。以上研究結(jié)果表明,環(huán)境、氣象等變化對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響較為普遍。因此,在資料分析中需首先對(duì)干擾進(jìn)行識(shí)別。
2020年6月24日16:30至18:00,太原地震監(jiān)測(cè)中心站(以下簡(jiǎn)稱太原站)洞體應(yīng)變測(cè)項(xiàng)記錄到一組高頻振動(dòng)信號(hào),周期為2~5 min。與半日、日變等更大周期背景變化相比,該波形的變化特征與洞體應(yīng)變?nèi)粘S涗浀牡卣鹗录咏?,疑為地震波形。?duì)比臺(tái)網(wǎng)地震目錄,未發(fā)現(xiàn)有對(duì)應(yīng)的地震發(fā)生。為確定此信號(hào)的類型及來(lái)源,對(duì)該站不同儀器記錄的波形進(jìn)行對(duì)比,并運(yùn)用S變換法對(duì)該事件的時(shí)頻特征進(jìn)行分析。
地球物理觀測(cè)信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào),對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)或時(shí)變信號(hào),了解不同時(shí)刻附近的頻域特征至關(guān)重要。因此,可采用時(shí)間-頻率(即時(shí)頻)描述時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)[6]。時(shí)頻分析能較好反映非平穩(wěn)信號(hào)在時(shí)間和頻率軸上能量強(qiáng)度的分布及信號(hào)局部時(shí)頻特征,因此,其在信號(hào)分析中得到廣泛應(yīng)用[7-12]。
時(shí)頻分析法包括小波變換、傅立葉變換及S變換等。傳統(tǒng)傅立葉變換為一種全局變換法,無(wú)法表征頻率隨時(shí)間變化的局部特征。Stockwell提出的S變換法可較好地突出信號(hào)的局部特征,保留每個(gè)頻率的絕對(duì)相位特征。他提出的假設(shè)信號(hào)S變換為:
s(t)∈L2(R),
式中:s(t)為假設(shè)信號(hào);L2(R)表示能量有限函數(shù)空間,則s(t)的S變換為:
(1)
式中:τ、f分別為時(shí)間和頻率,均為實(shí)數(shù)。反變換為:
(2)
式(2)是以Morlet小波為基本小波的連續(xù)小波變換的延伸。基本小波是由簡(jiǎn)諧波與高斯函數(shù)的乘積構(gòu)成,則:
(3)
S變換既解決短時(shí)傅立葉變換中時(shí)窗大小未能調(diào)節(jié)的問(wèn)題,又具備小波變換的多分辨率特性,避免小波變換無(wú)法與傅立葉變換保持聯(lián)系的問(wèn)題。因此,這些優(yōu)點(diǎn)使得S變換廣泛應(yīng)用于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析[13-14]。
2020年6月24日15:00至18:00,太原站洞體應(yīng)變儀EW分量原始分鐘值曲線出現(xiàn)高頻波動(dòng),表現(xiàn)為毛刺增多。其與正常時(shí)段較光滑的周期、形態(tài)存在明顯差異,高頻波動(dòng)持續(xù)1 h左右,形態(tài)類似洞體應(yīng)變儀記錄的地震波形(見(jiàn)圖1)。對(duì)比當(dāng)日臺(tái)網(wǎng)地震目錄,未發(fā)現(xiàn)在異常時(shí)段有相應(yīng)的地震發(fā)生。
圖1 洞體應(yīng)變儀原始分鐘值觀測(cè)曲線
為查找當(dāng)天17:00左右數(shù)據(jù)變化的原因,筆者首先查閱臺(tái)站當(dāng)日觀測(cè)日志,檢查是否存在觀測(cè)環(huán)境、人為和觀測(cè)儀器等因素的影響。結(jié)果顯示,當(dāng)日未進(jìn)行儀器標(biāo)定和維修、無(wú)人為進(jìn)洞等,也未出現(xiàn)過(guò)停電,臺(tái)站周圍也無(wú)施工等。因此,初步判定此次變化與上述干擾因素?zé)o關(guān)。
排除以上因素后,對(duì)氣象變化情況進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)值班人員反映,當(dāng)天刮大風(fēng),在17:00左右,院里一棵大樹(shù)被刮斷。再通過(guò)院內(nèi)監(jiān)控回放,發(fā)現(xiàn)在當(dāng)天下午約5:30開(kāi)始刮風(fēng),一直持續(xù)至6:30。期間,大風(fēng)造成院內(nèi)樹(shù)木來(lái)回?cái)[動(dòng),使樹(shù)枝折斷。因此,從時(shí)間的對(duì)應(yīng)性上分析,認(rèn)為此次洞體應(yīng)變高頻信號(hào)為大風(fēng)干擾所致。
太原站洞體應(yīng)變儀記錄的地震信號(hào)與風(fēng)擾信號(hào)極相似,為識(shí)別兩者特征,選取同時(shí)有地震記錄的2020年6月24日太原站洞體應(yīng)變分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析。
文中,時(shí)頻結(jié)果的頻率為歸一化頻率fn,即實(shí)際頻率f與采樣頻率fs的比值:
fn=f/fs。
(4)
歸一化頻率fn的范圍為0~0.5。時(shí)頻圖中的色標(biāo)由相應(yīng)頻率和時(shí)間對(duì)應(yīng)的S變換結(jié)果轉(zhuǎn)換得到,與原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中不同頻率成分振幅值的變化特征一致,反映觀測(cè)數(shù)據(jù)中各頻率信號(hào)能量隨時(shí)間變化和相互之間能量的對(duì)比[15]。運(yùn)用S變換法對(duì)2020年6月24日洞體應(yīng)變的分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行S變換計(jì)算,以獲取當(dāng)日數(shù)據(jù)的時(shí)頻特征(見(jiàn)圖2)。
圖2 洞體應(yīng)變?cè)加^測(cè)曲線及時(shí)頻特征分析
在圖2的時(shí)頻分析圖像中,存在兩道明顯的條狀異常信號(hào),頻率范圍為0.1~0.5。對(duì)比地震目錄發(fā)現(xiàn),2020年6月23日23:29曾發(fā)生墨西哥M7.4地震。因此,24日00:00至01:20時(shí)段的為地震波形,17:00左右的為上文提到的大風(fēng)擾動(dòng)。可以看出,地震波列與風(fēng)擾波列的頻率展布均在0.1之上,背景性大周期(低頻)頻率展布一般在0.1之內(nèi),有明顯區(qū)別。地震波列與風(fēng)擾波列相比,頻率分布無(wú)明顯區(qū)別,不易辨識(shí)。
上述洞體應(yīng)變的時(shí)頻分析結(jié)果顯示,地震與風(fēng)擾信號(hào)特征相似,不易分辨。為進(jìn)一步探討同震記錄與風(fēng)擾的差異性,選取同時(shí)段太原站甚寬頻帶地震計(jì)BBVS-120的波形記錄(見(jiàn)第11頁(yè)圖3)。該地震計(jì)的采樣率為每秒100次,因數(shù)據(jù)量過(guò)大,時(shí)頻分析中降頻為秒數(shù)據(jù)。
第15頁(yè)圖3a、3b分別為太原站地震計(jì)NS向地震波形及大風(fēng)事件仿真763儀(原始波形信號(hào)不突出)曲線圖。從波形特征來(lái)看,地震波形起伏變化較大,大風(fēng)事件波形的形態(tài)較為單一;在周期上,地震波形明顯密集且周期小,風(fēng)擾波形的周期較大。另外,記錄結(jié)果顯示,地震信號(hào)在地震計(jì)的三分向上均有分布,大風(fēng)擾動(dòng)信號(hào)只在水平方向有顯示。下面進(jìn)行地震計(jì)記錄的地震與風(fēng)擾信號(hào)時(shí)頻分析。
圖3 地震儀記錄地震波形與高頻事件波形時(shí)頻特征分析
圖3c、3d分別為地震計(jì)記錄的地震與風(fēng)擾信號(hào)S變換時(shí)頻分析結(jié)果,可以看出,地震儀記錄兩次事件的時(shí)頻結(jié)果差異較大。地震波列頻率展布在0.01~0.2,即周期為5~100 s;大風(fēng)事件頻率展布在0.05以內(nèi),優(yōu)勢(shì)頻率為0.01~0.02,即周期為50~100 s。能量分布差異極大。從圖3a、3b的原始數(shù)據(jù)變化范圍來(lái)看,地震引起的波動(dòng)幅度大,達(dá)到400 counts,高頻事件的幅度值為2 counts。相應(yīng)時(shí)間段的時(shí)頻結(jié)果圖也顯示,地震波動(dòng)的能量色塊值幾乎達(dá)到1以上,風(fēng)擾能量值最高為0.25。因此,從地震計(jì)與洞體應(yīng)變儀記錄對(duì)比結(jié)果來(lái)看,地震計(jì)的記錄能較好地反映出地震與風(fēng)擾信號(hào)的差別。
通過(guò)對(duì)太原站地震計(jì)、洞體應(yīng)變儀原始記錄波形及基于S波變換法的時(shí)頻分析,可得到如下結(jié)論:
(1) 2020年6月24日16:30~18:00太原站洞體應(yīng)變儀記錄的高頻信號(hào)為大風(fēng)干擾。
(2) 洞體應(yīng)變儀記錄的大風(fēng)干擾信號(hào)與當(dāng)日記錄的地震信號(hào)主要頻率接近,均分布于歸一化頻率0.1~0.5范圍內(nèi),不易分辨。
(3) 地震儀記錄的地震信號(hào)與大風(fēng)信號(hào)存在明顯區(qū)別。地震波形密集,周期更小,地震信號(hào)形態(tài)復(fù)雜多變;風(fēng)擾信號(hào)周期相對(duì)大,波形形態(tài)單一。
(4) 時(shí)頻結(jié)果顯示,地震計(jì)(仿真763儀)記錄的當(dāng)日地震信號(hào)主要頻率展布在0.01~0.2,即周期為5~100 s;大風(fēng)事件頻率展布在0.01~0.02,即周期為50~100 s。表現(xiàn)為地震信號(hào)含有更高的頻率成分。
綜上所述,太原站洞體應(yīng)變儀記錄的大風(fēng)信號(hào)與地震信號(hào)相似,頻率接近,不易辨識(shí);地震計(jì)的波形記錄可以較好地分辨出兩者。因此,引入同期地震計(jì)波形進(jìn)行對(duì)比分析,可為地球物理測(cè)項(xiàng)的干擾識(shí)別及數(shù)據(jù)分析處理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。