JCZ-1型甚宽频带地震计是中国国家数字地震台网于20世纪90年代末在全国十几个观测环境较优的台站中使用的高性能仪器,由一个垂直向和两个水平向地震计组成,为分体式装置,频带为20 Hz-DC(中国地震局监测预报司,2003)。JCZ-1T型是JCZ-1型甚宽频带地震计的改进型,为三分量一体机,带宽为50 Hz-DC。成都基准地震台于1999年7月1日安装试运行JCZ-1型数字地震仪,2000年1月1日开始正式记录。2012年1月8日成都基准地震台在同一仪器墩上加装了一套JCZ-1T型地震计,设计思路是替换已使用了12年的JCZ-1型地震计。

甚宽频带地震计对观测环境噪声、温度变化、气压变化比短周期地震计和一般的宽频带地震计有更高的要求。成都基准地震台在JCZ-1T型甚宽频带地震计安装过程中,经过反复调试、比对、与厂家交流探讨,研究可能影响地震计正常工作的因素并采取了相应的防护措施。为了检验和检测两套甚宽频带地震计各项性能的一致性,JCZ-1T型甚宽频带地震计在安装过程中所采取的保温、防气流扰动等各种防护措施的可靠性,笔者取同一时间段两套仪器记录的地脉动噪声进行功率谱密度分析,同时对同一时段记录的地方震、近震和远震进行功率谱分析,从实际观测的角度研究分析两套甚宽频带地震仪在相同观测环境下记录的数字振动波形数据。从波形记录的时域和频域两个方面分析两套甚宽频带地震仪的差异性,是分析研究两套地震仪记录一致性的一种实用方法。

本文取2012年3月13日至3月20日成都基准地震台JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震计在同一仪器墩上记录的数字振动波形数据,采用频谱分析方法,分析研究两套甚宽频带地震仪在实际观测中存在的差异性和一致性。

在修建成都基准地震台观测山洞测震观测室时,为了解决甚宽频带地震计对温度、湿度、气压变化非常敏感的问题,采用了特殊的混凝土双层拱型结构与钢质抗压门密闭的设计方案。建成后,洞室内常年温度保持在(16±1)℃,湿度介于70%～80%,形成了一个恒温、恒湿、恒压的

表1 成都台记录的地震基本参数
Tab.1 Basic parameters of the earthquakes recorded by Chengdu Station

适宜甚宽频带地震计稳定运行的观测环境。从2012年1月8日至3月10日,JCZ-1T型甚宽频带地震计经过安装调试、保温、防气流扰动等处理后,系统运行平稳。JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震计都使用EDAS-24IP型数据采集器,数据采样率均为100 Hz。本文取2012年3月13日00时至3月20日23时JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震仪BB通道记录的192 h连续观测数据,作为地脉动噪声功率谱计算的基础数据。期间记录了12个地震事件,表1列出了这些地震事件的基本参数,同时列出了1个极远震,地震参数为单台处理结果。

台站地脉动噪声计算采用台基背景噪声测试软件(杨晶琼,杨周胜,2005),将各台仪器记录按小时进行分道处理,分别为垂直、东西和北南分量。图1为成都地震基准台JCZ-1和JCZ-1T型甚宽频带地震仪192 h背景噪声图,图中上下两条红色曲线分别为地球的高噪模型HNM(High Noise Model)和低噪声模型LNM(Low Noise Model)。

利用成都基准地震台JCZ-1和JCZ-1T型甚宽频带地震仪记录的连续波形数据,通过事件

图1 成都地震基准台JCZ-1(a)和JCZ-1T型(b)甚宽频带地震仪192 h垂直分量背景噪声
Fig.1 Background noise of 192 hours in invertical components recorded by JCZ-1(a)and JCZ-1T (b)ultra broadband seismometers at Chengdu Seismic Station

有限长信号数据序列为x(n),其Fourier变换和功率谱密度估计S^{^}_x(f)的关系

S^{^}_x(f)=1/N〖JB<1*|〗x(f)〖JB>1*|〗².(1)

式中,N为信号数据序列为x(n)的长度。在离散的频率点f=kΔf,有

S^{^}_x(k)=1/N〖JB<1*|〗X(k)〖JB>1*|〗²=1/N〖JB<1*|〗FFT[x(n)]〖JB>1*|〗²,

k=0,1,…,N-1.(2)

式中,FFT[x(n)]为对序列x(n)的Fourier变换。

表1)波形的功率谱密度估计
Fig.2 Power spectral density estimates of the No.5 seismic event in Tab.1 recorded by JCZ-1 (a)and JCZ-1T(b)ultra broadband seismometers at Chengdu Seismic Station">图2为成都基准地震台JCZ-1和JCZ-1T型甚宽频带地震仪记录的地震事件波形的功率谱密度估计,该地震事件为表1中5号事件,汶川都江堰交界地区发生的M_L3.2地震,由图可见两台仪器记录的地方震功率谱密度估计完全一致。

表1)波形的功率谱密度估计
Fig.2 Power spectral density estimates of the No.5 seismic event in Tab.1 recorded by JCZ-1 (a)and JCZ-1T(b)ultra broadband seismometers at Chengdu Seismic Station">表1)波形的功率谱密度估计
Fig.2 Power spectral density estimates of the No.5 seismic event in Tab.1 recorded by JCZ-1 (a)and JCZ-1T(b)ultra broadband seismometers at Chengdu Seismic Station"/>

图2 成都地震基准台JCZ-1(a)和JCZ-1T型(b)甚宽频带地震仪记录5号地震事件(表1)波形的功率谱密度估计
Fig.2 Power spectral density estimates of the No.5 seismic event in Tab.1 recorded by JCZ-1 (a)and JCZ-1T(b)ultra broadband seismometers at Chengdu Seismic Station

从实际观测的角度研究对比分析两套类型相似的甚宽频带地震仪在相同观测环境下记录的数字振动波形数据,可以相互印证地震仪各项功能的可靠性和一致性。成都基准地震台JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震计在相同的观测环境下运行,其影响运行和观测质量的内在因素如何,通过对比观测研究分析,可以检验和检测两台套甚宽频带地震计各项性能的一致性,也可分析验证JCZ-1T型甚宽频带地震计在安装过程中所采取的保温、防气流扰动等各种防护措施的可靠性。由地脉动噪声和地震波记录的时频分析,可以得出以下几点认识。

(1)成都基准地震台JCZ-1和JCZ-1T型甚宽频带地震仪在主要频带内对地噪声的响应程度是一致的。

(2)在高频端和低频端JCZ-1T有比JCZ-1型甚宽频带地震计更高的分辨率,信噪比更高,高出10～20 dB。

(3)JCZ-1型甚宽频带地震计因长期使用导致材料老化以及受环境温度或气流微量变化的影响,地震计的噪声较高,可能对地震波记录的幅值产生5%左右的影响。

(4)JCZ-1T型甚宽频带地震计在安装过程中所采取的保温、防气流扰动等各种防护措施是可靠的。