摘要短周期密集台阵观测是目前开展深浅部地球物理探测的一种低成本、高环保、高效率的地震学手段，目前处于蓬勃发展的重要阶段。为了对短周期地震仪的观测资料有一个全面认识，本文选择接近野外噪声的观测环境，对短周期和宽频带地震记录仪的观测资料进行了系统时频分析和对比。结果表明：短周期地震仪虽存在仪器频带宽度的限制，但对于观测到的天然地震和背景噪声，在选择合适的滤波器条件下，其观测与宽频带地震仪有较好一致性。本文将两种仪器记录的远震波形进行了接收函数计算与分析对比，结果也表现出较好一致性。本文结果表明传统地震学探测地下结构的方法在合适的频带范围内也可应用于短周期密集台阵资料。该研究对于密集短周期台阵数据的应用具有一定参考价值。
关键词短周期地震仪宽频地震仪一致性分析频谱分析接收函数
0引言
地震学是以观测为基础的科学，天然地震波观测资料是得到地下深部结构的最为重要的信息。自19世纪第一台现代意义的地震仪出现，经历百余年科学技术的发展，现今地震仪也已步入数字时代，其中宽频带地震仪的发展与应用推动了20世纪中叶至今地震台网建设和全球深部探测研究(朱铉，2002;陈瑛，宋俊磊2013;刘婷婷等，2013)，也积累海量高质量数据，并据此得到了全球和不同区域的地下结构信息(刘启元，1991;郭飚，2003;李顺成等，2005)。
鉴于观测成本和研究深部结构的资料需求，在宽频带台网和流动台阵的设计上，即便是相对密集的流动台阵观测，台站布设间距也一般大于10km，观测周期一般为1-2年。这种高经济成本和高时间成本的限制，使得宽频带流动台阵观测只能依托于一些执行周期长的大项目，限制了该方法的广泛应用。近年来具有小型化低功耗的一体化便携式数字地震仪开始快速发展(彭朝勇等，2014)。相比一套宽频带观测系统十几万的价格，集成度高的短周期地震仪价格仅在万元左右。由于仪器成本的大幅度降低，使得研究者可以在一个研究区进行台站间距小于1km的密集观测。由于空间的加密，1个月左右的观测资料就可得到一个研究区较高精度的深部结构结果，达到了以密集空间观测换长期时间观测的效果。近期，已有较多研究者利用密集短周期台阵资料开展了区域深部结构的精细研究，如Liu等(2017)利用短周期密集台阵接收函数方法对青藏高原东缘岷江断裂、西秦岭断裂等下方地壳结构进行了研究;Bao等(2018)利用HVSR法进行微震测量对唐山断裂带区域浅层沉积物的二维成像;Li等(2016)对东北地区五大连池区域火山锥下的岩浆房进行了高分辨率的环境噪声层析成像研究;Wang等(2019)利用环境噪声进行双波束形成层析成像技术应用于美国圣哈辛托断层短周期地震阵列得到了断层破坏区域高分辨率图像。从目前发展趋势看，密集短周期地震观测技术，将在未来深部结构的研究中发挥日益重要的作用。
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短周期地震仪设计之初的目的为监测地震波频率较高的地方震，通过牺牲频率带宽度的方法可以达到对高频的成分信号的增益(张艾民，1991)，近年来的一体化短周期地震仪便携程度大大提升，十分符合快速、便捷的野外观测布设需求，但短周期器本身受频率范围受到限制，尤其是在低频段，其观测资料与宽频带地震仪相比有较大差别(李霞等，2010)，同时，短周期地震仪在野外布设过程中会遇到观测环境噪声较为复杂的问题，以远震直达波P波为代表的重要地震波震相信号是否会被噪声干扰也值得探究。因此传统的地震学方法如何适用于短周期密集台阵观测资料，仍需要进行系统分析和对比。目前的研究工作较少针对不同型号地震仪实际观测应用效果的比较，对此，本文将从不同型号地震仪在较复杂噪声观测环境下的实际观测资料出发，重点对两类仪器记录的远震P波及后续波形进行了时域和频域分析，对观测噪声频谱进行对比，并对两种仪器记录的远震波形资料得到的接收函数进行对比，以此为短周期密集台阵资料应用提供参考。
1仪器及数据收集
本文采取常规天然地震事件观测方法，将多套不同型号的地震仪同时布设于相同的实验环境中采集天然的地震事件(图1)。为便于检验在复杂环境下采集条件下的效果，综合考虑到目前短周期在野外的布设环境受到交通条件限制，布设空间可选择性较小，本实验场地选取在中山大学地球科学与工程学院教学楼架空层实验室(图1c)，日常教学活动及新近附近施工使之具有较为复杂背景噪声环境，其观测结果和野外短周期台阵的观测具有较高可比性。本实验所选取的地震仪型号为英国Guralp公司3T型号宽频带地震仪与中地装(重庆)地质仪器有限公司EPS短周期地震仪(图1d)，二者主要技术参数表如表1。由于具有经济成本及制造工艺上的差异，两套仪器的频带范围明显不同，宽频带地震仪的频率范围为0.0083Hz-50Hz，而短周期地震仪的频率范围为0.2Hz-150Hz，频带宽度的限制是造成短周期地震仪在实际应用中观测效果差异的重要因素。利用厂家提供的传递函数信息可以获得在两类仪器的幅频(图2a)及相频响应特征(图2b)。
数据来源为自主观测，2019年3-4月两类仪器布设于同一观测环境下(图1c，d)进行了近一个月的连续观测，将获取到的两类仪器miniseed格式原始地震数据转存为SAC格式，并根据美国地质调查局(USGS)的地震目录截取远震事件波形，在其中选择波形记录较好的地震事件。然后通过对记录的一致性对比、频谱分析以及接收函数比较，系统分析不同仪器记录资料的差异。
2观测资料对比分析
2.1一致性比较
一致性比较是检验地震仪器性能的常用方法。通过一致性的对比，可以检验排除单台仪器存在偶然误差(刘旭宙等，2014)，因此实验首先对多台同种型号地震仪记录到的波形进行一致性比较。选取观测期间一次较为典型的地震震例(表2中事件1)，为压制噪声，突出地震信号，我们首先对原始地震数据进行了滤波、去均值、去线性趋势、归一化处理，并参考标记震相理论到时，作为拾取实际震相的参考。
由于滤波参数对压制噪声、突出观测波形中主要震相有重要影响，我们首先结合两类仪器的频带范围设定了多组滤波参数进行比较。考虑短周期地震仪的低频限制，设置0.02-0.1Hz的滤波范围(图3a,b)，对包含表2地震事件1的连续一小时原始资料进行滤波，并对比了是否去除仪器响应的滤波后结果的差异。比较如图3a和3b所示的低频信号的记录特征，可以发现宽频带地震仪滤波后的波形在地震波信号到达之前随机噪声水平较低，而短周期地震仪随机噪声较高。我通过对多组不同滤波范围进行了尝试，发现对此次天然远震记录的较好滤波频率为0.1-2Hz(图3c,d)，并以此频率为基础进行后续一致性对比。
在两套仪器中各选取四台作为样本，对其观测记录中P波、S波所在范围数百秒的数据滤波后进行波形一致性比较(图4,图5)。根据波形的相似程度初步可以定性判断宽频带与短周期地震仪记录一致性较好，但肉眼无法直观分辨同类型仪器之间的差异，我们进一步对四套仪器E、N、Z分量记录进行相关系数计算(表3)。结果表明宽频带地震仪同分量相关系数均在0.99以上，一致性较高，短周期地震仪一致性相对逊色于宽频带地震仪，但整体上仍具有较高的相关性，均达到0.83以上。
2.2频谱分析
时频分析方法是处理和分析地震信号一种重要手段。地震波所携带的信息极为复杂，而天然地震事件的主频则处在一定范围内，频谱可以反映地震波信息在频率域的特征，根据特征可以对不同的地震事件类型进行判断(王玥琪，2015)。短时傅里叶变换(shorttimeFouriertransform，STFT)(Allen，1977)是数字信号处理中频谱分析的一种常用方法，可以同时展现地震信号时域与频域特性，该方法通过设定较短时间窗口将地震信号分成多个连续的小的时间区段，再利用傅立叶变换得到每一小段内的信号频谱，以此可以得到两类仪器记录的地震信号的相对的瞬时频域属性。
由于两种类型同类型仪器间的一致性对比结果良好，后续将对两种类型仪器仅各取一套进行频谱分析及对比讨论。首先通过设置滑动数据窗的长度为15秒，滑动间隔为0.01秒，对包含表2中地震事件1的未经滤波的十几分钟的原始波形进行短时傅里叶变换(图6)，地震波的波形记录被噪声所覆盖，无法直接观察到震相，为使震相清晰可见，这里使用0.05-2Hz滤波后的波形图象作为参照，结合频谱功率的变化图也表明地震信号已经被仪器记录到，两套仪器的所体现的频率随时间的响应变化基本一致。但频率成分却体现出一定的差异，总体表现为在二者频带范围内存在一定的信号强度的差异，在频率向下接近短周期仪器频带范围下限及之外的部分时，二者差异明显且逐渐增大，如P波到时附近的0.05-0.2Hz频率范围的信号，短周期仪器同样记录到瞬时功率的变化，但已经体现强度上的差异，而0.02-0.05Hz范围内的功率更高的S波信号则并未在短周期仪器的频谱图上体现出来。——论文作者：周启明1,2)沈旭章1,2),*
