成都地震台JCZ—1与JCZ—1T甚宽频带地震仪对比观测分析
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摘要：采用成都基准地震台jcz-1型和jcz-1t甚宽频带数字地震仪同一时间段记录的地方震、近震和远震的地脉动噪声做功率谱分析。结果表明，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。在高频端和低频端JCZ-1T型地震计分辨率更高，且信噪比更高，高出10～20 dB。JCZ-1型地震计由于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。JCZ-1T型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。
中图分类号：P315622文献标识码：A文章编号：1000-0666（2013）03-0372-07
0引言
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。
1观测数据
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
1极远震
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。
1地震研究136卷第3期田文德等：成都地震台JCZ-1与JCZ-1T甚宽频带地震仪对比观测分析2数据处理方法
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
Fig1Background noise of 192 hours in invertical
components recorded by JCZ1（a）and JCZ1T
（b）ultra broadband seismometers at
Chengdu Seismic Station回放处理程序（EDSP-IAS）进行数据回放检查，将观测到的地震事件数据文件进行裁剪并转换成文本文件格式，即利用MATLAB数值分析软件（张志涌，2000，陈慧等，2006，叶建庆等，2008）对事件波形数据进行回放，在回放过程中对波形数据进行零点校正和去倾斜的数据预处理，扣除仪器响应，使事件波形数据直接反映地面运动的速度（μm/s），对近震事件波形取4096 s窗长处理，采用高通滤波器，对于远震事件波形取最大面波数据，窗长为8192 s。采用周期图法对取窗数据进行速度功率谱密度估计。（万永革，2007）。
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）=11Nx（f）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）=11NX（k）2=11NFFT[x（n）]2，
k=0，1，…，N-1（2）式中，FFT[x（n）]为对序列x（n）的Fourier变换。
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ML32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。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
Fig2Power spectral density estimates of the No5 seismic event in Tab1 recorded by JCZ1
（a）and JCZ1T（b）ultra broadband seismometers at Chengdu Seismic Station3对比观测结果分析131地脉动噪声测量结果台站地脉动噪声测试不能直接检测地震仪器的各项参数，但是数台地震仪器置于同一地点，同时观测该台站噪声及地震响应，通过观测记录的时间域、频率域的对比观察和分析，可考查各台地震仪器的工作状态是否正常，各台地震仪在同频带内对地噪声的响应程度，由此可以判定参与对比观测的同类地震仪器的一致性。图3和图4分别给出了成都基准地震台JCZ-1、JCZ-1T型甚宽频带地震仪192 h东西分量和北南分量的背景噪声图。
由图1、图3和图4可见，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，图中离散的曲线为该小时时段内有地震事件，相对集中的曲线代表了这些时段内的地动噪声分频响应。图中反映两套仪器分别在低频部分和高频部分响应不同，JCZ-1型甚宽频带地震仪显示出的地噪声比JCZ-1T型高10 dB左右，垂直分量更显突出，高20 dB左右。由此可见，在10～20 Hz频带内，JCZ-1T型比JCZ-1型甚宽频带地震仪有更好的分辨率，信噪比更高。对于地方震和近震记录，JCZ-1T型优于JCZ-1型甚宽频带地震仪。低频端两水平分量差异性不明显，但垂直分量差异性较大，存在10～20 dB的差异，JCZ-1T型小于JCZ-1型甚宽频带地震仪，也说明在远震、极远震的初动记录或极低频的大地扰动记录方面JCZ-1T型甚宽频带地震仪更具有优势。图3成都地震基准台JCZ-1（a）和JCZ-1T
型甚宽频带地震仪（b）192 h
321时域分析
表2列出了JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震仪记录的13个地震事件的峰值速度，这些峰值速度是地震事件完整波列中的最大值，近震主要以S波为主，远震主要以面波为主。由时域波形的峰值速度的对比，可以看出两套仪器在地震记录幅值方面基本一致，仅有5%左右的差异不存在数量级上的差异。图5展示了JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震仪记录的表1中12号地震事件的时域波形图。由图可见，JCZ-1型记录初动前面的噪声明显高于JCZ-1T型记录，JCZ-1型记录的较高噪声可能是受环境温度或气流微量变化的影响，也可能是地震计长期使用导致材料老化所致，这些噪声直接使JCZ-1型地震计的地震事件波形记录产生振动波形的干涉现象，从而引起数值的增长或消减，产生差异。表2JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震仪记录地震的峰值速度对比
22频域分析
采用周期图法对记录的地震事件取窗数据进行速度功率谱密度估计，对于近震取地震波全波列，远震取面波测算。由图2可见，两套甚宽频带地震仪记录的地震事件功率谱密度估计完全一致，表明两套地震仪在近地震事件记录频域方面的一致性。表3列出了JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震仪记录的13个地震事件的卓越周期。由表3可见，13个地震39个分量中仅有3个分量卓越周期差异较大，并用黑体注明，其他36个分量的卓越周期值两套地震仪的测量值完全一致，一致性达到923%。图6给出了表3中9号地震事件的速度功率谱密度估计。由图可见，该地震事件的北南分量存在两个峰值周期，JCZ-1型记录测算结果显示077 d为卓越周期，JCZ-1T型记录测算结果显示033 s为卓越周期。从地脉动噪声分析和地震波时域分析结果可知，在高频端和低频端JCZ-1型地震计有比JCZ-1T型地震计更高的噪声，当地震波含有两个以上幅值相当的主要频率时，含有不同频率较大噪声的JCZ-1型地震记录里则会叠加进噪声信息，因此产生差异。从一致性角度考察，9号地震是地方震，地震波传输路径的介质不可能存在较大异性，因此两水平分量S波频率不可能存在较大差异，由此可以判定，地震波卓越周期差异主要是由JCZ-1型地震计噪声叠加引起。表3JCZ-1型和JCZ-1T型甚宽频带地震仪记录的13个地震事件卓越周期对比
4结论
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。参考文献：
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Comparison Analysis of Waveform Observation between JCZ-1
and JCZ-1T Ultra Broadband Seismometers
in Chengdu Seismic Station