分频段排干扰方法的建立与应用

在处理连续观测数据过程中,有时信号呈现出周期变化,如固体潮观测值中的潮汐信号等.直接对信号进行处理,如拟合、回归、调和分析等,是最常用的方法.当低频噪声背景和高频噪声均较强时,信号频率域(可称之为有用频段)内的信号被淹没了.直接提取信号较为困难.在这种情况下,本文试图利用分频段排干扰的方法,先将低频噪声和高频噪声分别排除掉,以便于进一步分析处理.本文实例计算表明,通过这样处理的应变固体潮观测资料,突出地显示了固体潮曲线的变化特征,而处理前的资料所对应的观测曲线,其固体潮汐的变化特征被噪声淹没了.     

地壳应变场对气压短周期变化的响应

大气压力变化可分为由日、月引力和太阳热辐射产生的潮汐变化和非潮汐频段的短周期气压变化,其引起的地壳应变可达10-9量级.我们选用分钟采样的观测精度达10-9量级的钻孔应变仪,对山东省泰安台2O02～2005年气压及体应变分钟值资料进行深入分析,研究了地壳应变场对短周期气压变化的响应规律.频谱分析结果表明,短周期气压变化对体应变的影响主要集中在周期大于2000 s的低频段.利用小波分解方法,得出了短周期气压系数随不同频段和不同时间的变化规律:高频段(周期小于960 s)气压系数数值较小,随频率变化幅度较大;低频段(周期大于960 s)气压系数数值较大,但变化趋于平稳;在频段一定的情况下,短周期气压系数随时间变化较平稳.从钻孔应变仪观测原理和按余弦函数分布的载荷作用于地壳表面的应力解出发,得出了地壳不同深度对不同频率短周期气压场的响应,理论计算与实际观测基本相符.研究结果表明,短周期气压变化对低频信号(周期大于2000 s)的影响较大,提取低频地球自由振荡信号时要消除气压影响,对苏门答腊大地震激发的地球球型自由振荡的功率谱分析验证了这一结论.     

基于AD7762的广域电磁接收机采集器设计

根据广域电磁仪系统分频段发送和接收包含多个频率的伪随机电磁信号,以及接收机采集电磁信号时要求高频段高速采样,低频段高精度低速采样的特点,选择了符合接收机采集特性的高性能、高速度24位模数转换器AD7762,简要介绍了AD7762的特性,设计了基于AD7762的广域电磁采集器,并从硬件、软件方面给出了实现方案.实验结果表明,AD7762在广域电磁接收机应用中取得了良好的性能指标.     

频率细化技术在超低频/极低频电磁信号检测中的应用

离散快速傅里叶变换算法在频谱分析中得到了广泛的应用,这种算法得到的计算结果是在整个频段上的频谱信息. 在一些应用中,需要了解的仅仅是某一窄带内的频谱精细结构,要求频谱的分辨率较高. 而要得到一个较高分辨率的频谱,直接采用快速傅里叶变换计算则会导致参加快速傅里叶变换运算的数据点数的增加,从而引起计算量和存储量的急剧增大,这样,快速傅里叶变换算法就不能满足要求了. 本文介绍了基于复调制的频率细化技术的原理及其在超低频/极低频电磁接收机研制中的应用,阐述了采用这种技术如何实现高分辨率频谱的计算,并给出了理论数据和实际观测数据的计算结果.      

部分饱和条件下砂岩的速度频散实验室测量和Gassmann流体替换

在地震频带(2～2000hz)和超声频段(1MHz)测量了四块砂岩样品分别饱和水和饱和甘油条件下的弹性模量。我们观察到,不同水饱和度的高渗透率样品和不同甘油饱和度的低渗透率样品,低频(2-2000Hz)范围内的速度频散是非常很小。然而,在高渗透率样品的不同甘油饱和度条件下和低渗透率样品不同水饱和度条件下,相同的频率范围(2～2000Hz),速度频散却非常明显。观测表明,流体的流动性很大程度上控制着孔隙内流体的运动和孔隙之间的压力。高流动性使得孔隙之间或非均匀区间的孔隙压力容易达到平衡,导致岩石处于一个低频控制状态,而满足Gassmann方程条件。相反,即使在地震频率范围,低流动性也会产生孔隙之间的压力梯度,而引起频散。随着流动性的降低,速度频散曲线显示出了一个向低频区间系统性迁移的趋势。同时,我们针对这些具有纵波速度频散背景下的砂岩样品,探讨了Gassmann理论的应用。预测纵波速度的两个边界公式,分别是Gassmann-Wood和Gassmann-Hill理论。观察表明,波致流机制影响着纵波速度在Gassmann-Wood和Gassmann-Hill理论边界之间的转变。随着流动性的降低,低频(2～2000Hz)纵波速度从Gassmann-Wood理论边界向Gassmann-Hill理论边界移动。同时我们也研究了不同频率下的岩石-流体机制。     

亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征 ——实验与分析

断层亚失稳模型指出,在临震亚失稳阶段中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源的力学过程.为深入观测和分析该过程,文中介绍了一套自主研发的64通道、16位分辨率、4MHz采样频率、可并行连续采集的超动态变形场观测系统(Ultra-HiDAM),首次实现了在4MHz频率下对应变信号和声发射...     

基于EEMD分解的气压改正方法研究

利用超导重力仪观测数据精确测定低于1 mHz的地球自由振荡简正模式的分裂频率,是在不与任何弹性系数发生联系的情况下改善一维密度模型的有效方法.但在该频段台站局部气压变化对重力观测数据的影响成为主要干扰来源,且具有频率依赖特性,因此精细地开展气压改正成为利用超导重力数据检测低频自由振荡信号的必要手段.本文基于EEMD方法,提出了一种具有频率依赖特性的气压改正方法.该方法将重力观测和气压变化分解成处于不同频段的本征模态函数,并在相应频段上分别进行重力-气压变化的回归分析,计算得到具有频率依赖特性的气压导纳值,精细地消除气压变化对重力观测的影响,并以此对微弱低频地球自由振荡信号开展高分辨率分析.基于本文提出的气压改正方法,利用大地震后的超导重力数据检测了频率小于1.5 mHz的低频地球自由振荡及其频谱分裂现象.研究结果表明：利用该方法进行气压改正后检测得到的各简正模具有更高的信噪比,估计的本征频率误差水平明显降低,获得的基频球型振荡₀S₂和₀S₃以及一阶球型振荡₁S₂的分裂谱峰的估计精度更高,同时还检测到了部分环型振荡在重力观测中的耦合现象.对低频地球振荡的高分辨率检测结果验证了基于EEMD分解提出的气压改正方法的有效性,同时再次证明了超导重力仪观测数据在低频地球自由振荡检测中的优势.     

辽宁地区Lg波衰减及场地响应特征

准确的衰减特征及台站响应对于定量确定地震台网观测环境和分析其构造机制具有重要意义。选取2008—2017年辽宁数字地震台网地震波形资料,利用Lg波谱比与台站场地响应联合反演方法,获得了1～7 Hz Lg波三分向(UD,NS,EW)衰减关系,参与评估的32个台站的场地响应幅值曲线较为平滑,各频段衰减效应存在差异。大多数台站的场地效应幅值在1～8,少数台在低频或高频段上呈现放大效应,最大的幅值近16。结果表明:辽宁地区为低Q0(对应频率1 Hz)和低频率依赖性的构造活跃区,场地响应特征与浅层结构及地质构造有密切关系。不同场地类型的场地响应特征差异明显:井下场地类型的场地响应在低频段内(1～2 Hz)有明显的放大效应;地表较山洞场地类型的场地响应幅值在径向和垂向上都有抬升;相同场地类型中,场地响应放大效应在径向上比垂向上大的多,可能与台基岩性特征有关,而岩性差异对场地响应特征的影响不明显。     

江苏省区域地表背景噪声特性的分析

利用welch方法,计算了江苏省"十五"数字地震台站地表背景噪声在0.01～20 Hz频带范围内的功率谱值,结果显示在周期10～16 8、4～8 s处分别存在两个明显的峰值.对比白天和夜晚时段台站三分向地表背景噪声的功率密度谱比值发现,地表台站三分向背景噪声在高频段(≥1 Hz)变化最为显著,在微震峰值频段(0.125～1 Hz)几乎所有台站之间的差异都不大,低频段(≤0.125 Hz)大部分台站垂直向白天时段的噪声水平比夜晚的值低,水平向则相反;但井下观测系统全频段内的比值变化都很小.此外,在2～16 Hz频率范围内,沿长江的苏南-上海地区的平均噪声水平高于苏中和苏北地区,比NLNM(低噪声模型)值高约45 dB左右;在0.125～1 Hz频率范围内,江苏中东部的噪声水平高于其他区域,推测这可能是与区域地质构造差异有关.     

数字地震台网中的深低频脉动观测？

深低频脉动(Deep Low Frequency Tremor,即LFT)的观测近年来引起地震科学界的关注,相关的观测和研究在地震机理和地震预测预报的探索中显示出重要的应用价值.随着中国数字地震观测网络的建设和完善,通过常规地震观测对板块内部和碰撞型板块边界地区LFT是否存在、(如果存在则)是否具有普遍性、是否与间歇性地震脉动与滑动(Epidemic Tremor and Slip,即ETS)相联系等问题进行系统的调查研究,在技术上已逐步成为可能.为此,本文讨论了目前用数字地震观测系统进行LFT观测的现状和方法,并对将LFT的系统调查引入中国数字地震观测系统的常规观测提出操作建议.     

SLF/ELF电磁接收机研究及观测试验

大功率、人工源的超低频/极低频电磁波技术已经成为当今国际地球物理学界瞩目的一个新兴研究领域,采用此方法计算获得的地下介质电性结构具有很高的精度和稳定性,特别适用于地震预测等需要精确观测数据的研究。在中国,从20世纪90年代末开始,开展了基于大功率人工源超低频/极低频技术的方法研究,也开展了该方法在地震监测领域的应用研究,然而对于适用于地震监测应用的观测系统的研究进展比较缓慢。文中介绍了专门用于地震监测应用的超低频/极低频电磁接收机的研发,详细说明了仪器的硬件系统组成、主要技术指标及其关键技术。试验观测结果表明该仪器能满足目前0.1～300Hz频段人工源电磁信号观测的需求。     

低频事件频谱特征分析

根据文献记录低频事件可根据频率特征划分为低频震动(LFE),超低频地震(VLE)和慢滑移事件(SSE),间歇性脉动与滑移事件(ETS),深低频震颤事件(DLF)等.随着更多低频观测资料的出现,需要对各种地面震动做出类别属性划分的深入研究结果,为未知事件的判别提供依据.     

速度、加速度检波器在超深层地震勘探中应用效果分析——以川南赤水地区为例

川南地区重要产气层之一的震旦系灯影组埋深约9000 m,以往多期地震勘探未能取得高品质资料,原因之一就是灯影组反射信息频率较低,而常规检波器(六串两并20DX-10 Hz速度型检波器)在低频段衰减严重,未能完整接收到地震反射信息.为得到深层高品质的资料,在川南赤水地区开展了不同类型检波器试验研究工作,首先研究了3种检波器(20 DX-10 Hz速度型检波器、自然频率5 Hz速度型检波器、单点陆用压电加速度检波器)的幅频特征,分析了不同检波器对低频信号接收能力的差异;对比测试了3种检波器对主频为25 Hz的雷克子波的波形、频率响应;结合实际地震资料,分析了加速度型检波器的实际地震资料在加速度域和速度域的频率特征;最后将加速度检波器地震资料转换至速度域,与其他两种速度型检波器地震资料对比分析得到以下认识:(1)加速度检波器具有宽频带特性,对提高分辨率较为有利,适用于勘探目的层相对较浅地区的高分辨率勘探.(2)加速度检波器地震资料在加速度域、速度域两种不同域的资料差别较大,前者积分转换虽然提高了低频段响应但频带变窄,不利于提高分辨率,生产中使用原始域数据更为合适.(3)野外实际资料表明,低频速度型检波器在保持常规20DX-10 Hz的勘探效果的基础上提高了低频段的响应,与加速度检波器转域后的低频效果接近,频带比加速度检波器转域后要宽,更加适合超深层地震勘探.     

分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ：主动源高频面波

近年来发展的新型地震观测系统--分布式光纤声波传感器(DAS,Distributed Acoustic Sensing)可以实现低成本高密度观测,有望提高浅层结构成像的精度以及分辨率.最近国内研发了一系列具有自主知识产权的DAS设备,为验证国产设备在浅层结构研究中的可行性以及应用效果,2018年7月我们开展了一次DAS观测实验.实验采集了50kg落锤震源激发的地震信号,并采用多道面波分析方法提取了8~20Hz频段的主动源Rayleigh波相速度频散曲线,得到了实验区浅层30m的S波速度结构.获得的主动源面波频散曲线与共址检波器的结果吻合,也与背景噪声提取的结果具有较好的一致性,表明国产设备的可靠性和DAS在浅层结构主动源面波成像研究中的可行性.     

中国中东部地区地震电离层低频电场扰动频段及背景时段选取分析

诸多卫星观测结果表明,地震前后电离层会出现宽频带电场扰动,而背景场时频段的合理选取是电离层电场扰动提取的基础.本研究遴选了地磁活动平静期(Dst＞-30 nT,Kp＜3)飞越中国中东部地区(29°N—39°N,107°E-117°E)长达6年共计1527轨DEMETER卫星数据,在电离层低频电场随频率和时间的变化特征分...     

一种自动同步的可控源频率域电磁探测系统

在分析当前可控源电磁法仪器发展趋势的基础上,针对现有仪器存在噪声大、设计难度大、数据处理复杂的问题,提出了一种便于实现的高效抗干扰收发系统,接收机和发射机按照相同的时间—频率表自动变频,实现灵活的多频同步收发;接收机利用乘法变频技术,将不同的信号频率变换到固定的频率,简化了滤波放大电路的设计,降低了对ADC采样速率的要求,采用低速高分辨率ADC实现高质量的信号采集,并采用数字互相关算法实现对强干扰情况下信号的提取;使得这种探测系统具有易于实现、自动高效、抗干扰能力强等特点,可广泛应用于音频大地电磁法(CSAMT)、人工源极低频电磁技术(CSELF)、频谱激电法(SIP)等频率域电磁法中.     

赤城台水位检测基频球型自由振荡的再认识

针对印尼9.0级大地震,我们在既保证低频自由振荡信号的分辨率,又不对高频自由振荡信号产生抑制效应的前提下,采取逐步增减样本数据的方法进行试验,首次用赤城台的水位观测资料较好地检测到了0S2~0S76的基型球型振荡,并与地球初步参考模型(PREM)的理论自由振荡频率进行了对比,发现实测振荡频率与PREM预测的振荡频率基本符合。     

太阳活动低年时太阳同步轨道电场高频(HF)波的观测特性研究

文章使用搭载在DEMETER卫星上的电场探测仪器(Instrument Champ Electrique,ICE)在太阳活动低年(2007年2月4日到2008年2月3日)所探测的数据,研究频率从10 kHz到3.33 MHz宽频段的高频(HF)电场波功率谱的空间分布特征.地磁宁静期间,从2.08 MHz到3.33 MH...     

DEMETER卫星观测的LF/MF电场频谱特征初步研究

利用法国DEMETER卫星观测的电场数据,研究了中国及邻区(0°—60°N,60°E—140°E),频段为10kHz—3MHz,时间段为2008年1月1日—2008年9月12日期间的平均功率谱密度特征.文中选择了Kp指数的日平均值小于或等于4的数据,获得LF频段(10—20kHz)和MF频段(20kHz—3MHz)以16天为周期的昼侧和夜侧的平均功率谱密度空间分布图,得到了以下初步结果.LF频段:①昼侧,不同频率的谱在对应时段上形态相似度不高,主要呈现纬度分带特征.夜侧,不同频率的谱在对应时段上形态相似度较高,主要差异在于谱的幅度,同一频率不同时段的谱分带特征不明显;②昼侧谱的幅度值跨度要比夜侧的小很多,前者一般为1—1.5个数量级,而后者一般在2个以上,甚至达到4个数量级;③在汶川地震前后,平均功率谱密度在成都—兰州一线存在明显的变化.MF频段:①昼侧,不同频率对应时段的谱形态没有明显的相似性,同一频率不同时段的谱形态可能具有较好、弱或不具有相似性,具有明显、弱或不具纬度分带特征.夜侧,某些频段对应时段的谱形态具有明显的相似性,同一频率不同时段或者分时期的不同时段的谱形态具有较好的相似性,不具有明显的纬度分带特征,具有弱分区或者弱经度分带特征;②昼侧和夜侧的谱幅度变化都不大,基本都在0.5个数量级之内;③在汶川地震前后没有发现明显的平均功率谱密度变化.     

大气环境变化对地壳形变观测的影响研究

采用2003~2013年湖北省数字化地壳形变潮汐分钟值资料,利用小波分析方法,对地壳形变观测数据对大气环境变化各影响因素(大气压强、温度、降雨、台风及日食活动)的响应规律进行了研究。结果表明:近地表大气环境因素对形变观测数据的影响频段各不相同。大气压强和温度对形变观测的影响频段主要集中在较低频段(64~128 min);降雨的影响主要集中在0~全日波(0~32 min)范围内,且存在高频、非潮汐成份。而台风在形变观测较高频段上有明显影响,频段分布在1~4 s和2~4 min之间。黄梅台应变观测对2009年日食事件在128~256 min低频段上有响应。