武安地震台位于河北省邯郸西部武安石井沟村,台基岩性为白云质灰岩(完整灰岩露头),为河北地震观测网络无人值守台站,观测条件良好。武安台所采用的仪器墩为基岩上向下做摆坑(120 cm×80 cm×120 cm),即实验3号仪器墩。为此次实验,我们新建了1号仪器墩(在基岩上用混凝土浇铸仪器墩80 cm×80 cm×40 cm)和2号仪器墩(基岩磨平,直接做仪器墩)(图1)。

图1 武安地震台仪器墩放置示意图(单位:mm)
Fig.1 Placement of instrument piers at Wu'an seismic station

实验仪器全部采用北京港震公司生产的设备,其中包括1套EDAS-24IP6型数据采集器和2套BBVS-60型地震计,地震计的采样率为100 Hz,本实验使用的两套地震计标记为00号地震计与01号地震计(表1)。由于仪器设备的详细参数可以根据仪器型号在港震公司的官方网站上查到,此处只给出实验设备的工作参数。

表1 试验所用地震计的序列号及工作参数
Tab.1 Serial numbers and working parameters of the seismometers in the expriment

第一阶段:2009年7～9月,将两个地震计同时放在1号仪器墩上(图2a),对此期间的波形图和频谱图进行拟合比对,判断两个地震计的一致性。

第二阶段:2009年10～12月,将00号地震计仍放在1号仪器墩上(图2b),而将01号地震计移至2号仪器墩上(图2c)。

第三阶段:2010年1月～2010年3月,将00号地震计仍放在1号仪器墩上,而将01号地震计移至3号仪器墩上(图2d)。

图2 实验时地震计的安放情况
Fig.2 Placement of seismometers in the experiment

由于受观测设备影响,本实验采用两台仪器对3个仪器墩进行对比实验。为获得实验数据的可靠性,我们对两台仪器的一致性进行评价。常见的评价仪器一致性的方法有配对t检验、简单相关分析、组内相关系数等方法(Jens,Gerardo,2007)。其中配对t检验主要是对两组数据均值差异的检验,拒绝了有效假设时只能说明总体均数可能相同,而不能反映数据的一致性。系统误差对配对t检验影响较大,但对随机误差不敏感; 相关系数主要反映的是两组变量线性关系的密切程度而非一致性,组内相关系数受测量值范围的局限,在变异系数较小时会做出错误的判断。Bland-Altman法是由Bland和Altman(1986)提出的,它用图示的方法,将定量分析和定性分析有机结合,同时反映测量过程中的系统误差和偶然误差,能直观反映两组测量仪器的差异性。本实验结合测震仪器的特点,首先对波形进行拟合观测,然后对局部观测数据采用Bland-Altman法进行检验,采用两种方法检测两台仪器的一致性,确保实验数据的可靠。

第一步,对第一阶段所产生的波形图和频谱图做归一化后进行拟合比对,通过分析频谱图发现波形在频率10^-1～10¹ Hz范围内拟合较好。图3为2009年8月21日山西左权地震典型事例。

第二步,利用Bland-Altman法以图3中地震为例,从[30s,70s]区间中取300个点进行比对,利用Bland-Altman区间公式(Bland,Altman,1986)计算得到三分向区间分别为:垂直向区间[-14.8,14.8],东西相区间[-16.9,16.9],北南向区间[-15.1,15.1]。通过计算得到其一致率分别为95%、96%、95%,而通常取一致性界限为95%,所以得出两台地震计的一致性较好,符合实验比对要求。

(a)(b)

图3 2009年8月21日山西左权地震波形图(a)和频谱图(b)(红色线代表00号地震计,黑色线代表01号地震计)
Fig.3 Waveform(a)and spectrum(b)of Zuoquan earthquake,Shanxi on Aug.21,2009 (redline:No.00 seismometer,black line:No.01 seimometer)

图4 三分向Bland-Altman图(a)垂直向;(b)东西向;(c)北南向
Fig.4 Bland-Altman graph for 3-component(a)U-D direction;(b)E-W direction;(c)N-S direction

信噪比(signal to noise ratio,简称SNR或S/N),是指一个地震监测记录中信号与噪声的比例(刘洋君等,2010)。笔者将第二阶段与第三阶段两个地震计所记录到的地震信号的功率平均值分别与各自非地震信号的功率平均值进行比较,判断3个仪器墩的记录效果,如果比值大则认为其信噪比高,记录效果好。表1、表2分别是第二阶段、第三阶段的计算结果,其中SNR(u)、 SNR(e)、 SNR(n)代表三分向的比值。

表2 第二阶段记录事件信噪比计算结果
Tab.2 Signal to noise ratio on the second stage

表3 第三阶段记录事件信噪比计算结果
Tab.3 Signal to noise ratio on the third stage

通过对第二阶段获取的5个事件做对比分析,发现01号地震计的记录信号比00号地震计的好,可以认为2号仪器墩比1号仪器墩效果好。同时对第三阶段所获取的5个事件同样做了对比分析,发现01号地震计的记录信号比00号地震计的记录信号好,同样可以认为3号仪器墩比1号仪器墩效果好。

由于受时间和设备影响,没有对2号仪器墩和3号仪器墩做直接的对比试验,但从各自对1号仪器墩的试验数据也可以相对地判断出其优劣。2号仪器墩与1号仪器墩地震计记录到的地震信号的功率平均值与非地震信号的功率平均值的比值是1.045 381,3号仪器墩与1号仪器墩地震计记录到的地震信号的功率平均值与非地震信号的功率平均值的比值是1.067 429,说明3号仪器墩记录到的地震信号最为真实。

近年来,除了观测规范要求的以地脉动的有效值(均方根)来衡量台站的噪声水平外,国际上多以噪声功率谱来衡量台站的噪声水平,它可以表征整个观测频带的噪声水平状况,此方法也可相对地表征仪器墩的性能(中国地震局监测预报司,2007)。取01号地震计在所研究3个仪器墩上各连续记录48 h的地脉动波形(彼得·鲍曼,2006),然后,对记录信号波形进行数据分析处理和噪声功率谱分析,从表4可以看出3号仪器墩的效果最好。

表4 实验仪器墩记录地脉动背景噪声速度功率谱(m2/s)
Tab.4 Velocity power spectrum of microtremors background noise recorded by experimental instrument piers