洞体应变对高频气压波响应的传递函数——以陕西宁强台为例.pdf
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1、书书书第 卷第 期()年 月中 国 地 震 杨小林,危自根,杨锦玲 洞体应变对高频气压波响应的传递函数 以陕西宁强台为例 中国地震,():洞体应变对高频气压波响应的传递函数 以陕西宁强台为例杨小林,)危自根)杨锦玲)中国科学院精密测量科学与技术创新研究院,大地测量与地球动力学国家重点实验室,武汉 )陕西省地震局,西安 )闽江学院,福州 摘要自 年观测以来,陕西宁强台洞体应变的高频气压效应甚为显著,但其频率依存性至今尚不明晰。为此,本文尝试采用相干函数和传递函数等方法,对该台 年 月 日 月 日的洞体应变和气压数据进行了系统诊断。结果表明,在 频段内,洞体应变对气压具有较强的频率依赖性,即气压系
2、数和相移均会随频率的变化而呈现非线性变化,其中,最大气压系数为 ,相位超前可达 ,且 和 分量的气压响应有所差异。上述结果将有助于该台高频噪声的物理溯源,同时还能为高频气压效应的分频段改正等提供量化依据。关键词:洞体应变传递函数高频带气压陕西宁强台 文章编号 ()中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别 国家自然科学基金()、地震科技星火计划()共同资助 作者简介 杨小林,男,年生,高级工程师,主要从事地震强地面运动、陆面过程和社会物理学等方面的研究。:危自根,通讯作者,男,年生,副研究员,主要从事壳幔结构研究。:引言在高频带(,),其中 表示周期数 天),洞体应变的同震响应可用于
3、震源物理(中西一郎,;高桥浩晃等,)和地球自由振荡(,;上垣拓郎等,;森井?等,;方燕勋等,)等研究。但受到短周期气压波的持续干扰,其信噪比会明显下降(张嘉敏等,;樊冬等,);此外,高频带的气压效应还具有频率依存性(,;周龙寿等,;张凌空等,)。因此,如何厘清洞体应变对高频气压波动的频响效应,一直是地壳形变观测与研究中的一大难点。由于传统的最小二乘法(,)和线性回归法(樊冬等,)等时域方法尚不足以揭示气压效应的频响特征,小波分析(刘强等,;晏锐等,;张闯等,;严吉等,;王嘉琦等,)和传递函数(,)等频域法便受到了国内外学者的青睐。例如,张闯等()对抚顺台的洞体应变和气压进行了小波分析,发现二者
4、在 中国地震 卷()频段内的相关性最高。尽管这种方法可有效刻画高频带的频响全貌,但其计算精度会受到小波基的影响(孙和平等,;王嘉琦等,)。与之相比,由台基结构本征属性所决定的传递函数更具可靠性(,),鉴于这一独特优势,传递函数法在井水位(,)和钻孔应变(杨小林等,)等研究中均得到了有效应用。宁强台洞体应变自 年观测以来,其高频气压效应尤为显著(图 ()。为突出其细节特征,本文对 图 ()中 年 月 日的观测数据进行 了 高 通无 相 移 滤波(),不难发现,当气压快速波动时,洞体应变的响应形态与之极为相仿(图 ()。然而,在高频带其频响特征究竟如何,截至目前还鲜有定量研究。为此,本文着重对该台
5、进行了传递函数诊断,相关结果不仅有助于明晰其高频噪声的物理源,同时还能为气压效应的分频段改正提供参考。图 宁强台洞体应变与气压的分钟值观测曲线 台站及仪器简介陕西宁强台坐落于青川平武断裂附近(图 (),其海拔高约 ,台基岩性以灰岩为主,岩体的完整度较好,岩层倾角近乎水平。由于地处山区,台域周边的地形起伏较大(图 (),方圆 内的地形标准差高达 。洞室进深约 ,具体的洞体布局见图 ()。此外,该台覆盖层的厚度达 ,山坡植被覆盖良好,洞内年温差小于 。该台伸缩仪于 年 月架设,型号为 型,观测精度优于 ,其 和 分量的基线长度分别为 和 (图 (),且相互垂直,采样率均为 次 。另外,台站还布设有
6、气压和气温计,二者均布设在洞室入口外的观测室内。自观测以来,伸缩仪运行较为稳定,能记录到固体潮信号,但同时也叠加有较强的高频气压噪声。数据和预处理为了尽量减少仪器等问题的不利影响(例如传感器故障和停电等),首先选取了伸缩仪和气压计运行较为稳定的时段,即数据选择为 年 月 日月 日共 天的分钟值数据,各测项的完整率均在 以上。针对缺数和突跳等问题,也进行了线性插值或人工剔除等处理,最终的预处理数据曲线,如图 所示。期杨小林等:洞体应变对高频气压波响应的传递函数 以陕西宁强台为例图 宁强台所在位置()及观测洞室布局()图 洞体应变和气压的分钟值曲线 分析方法 相干函数法相干函数可以在频域内定量评估
7、两种信号的相关性,从统计学的视角来看,当相干值介于 、时,分别意味着弱、中等和强相关。而只有强相关时,才能确保传递函数的有效性;否则,可能会失去其真实的物理意义。相干函数 的定义为 ()()(),()()式中,()和 ()依次为信号 和 的自功率谱,()则表示互功率谱。在进行相 中国地震 卷干函数计算时,本文以 (汉明)窗为窗函数,窗长和步长分别取 天和 天。而在频带属性的界定上,则主要参照 等()的划分依据,即将 定义为高频带。传递函数法在高频带,洞体应变 ()对不同频率气压波 ()激励响应的传递函数 可表达为 ()()()()()(,)(,)()()(,)()其中,为气压和洞体应变的互功率
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