何思源，赵乃千，李贵元，刘华姣，龚 康
（四川省地震局成都地震监测中心站，四川 成都 611730）
随着数字化地震台站的快速建设，宽频带数字地震仪被广泛应用在各个台站上，极大地提升了台站的地震观测能力和水平，同时也带来了更高的采样率和分辨率、更宽的记录频带以及更大的动态范围（陈运泰等，2000）。成都地震监测中心站是四川地震台唯一拥有超宽频带地震计的台站，超宽频带地震计JCZ-1T于2012年架设于成都地震监测中心站，设计思路是替换站内已使用了十余年的JCZ-1地震计，JCZ-1T地震计在高频端和低频端有比JCZ-1地震计更高的分辨率和信噪比（田文德等，2013）。超宽频带JCZ-1T地震计记录了丰富的数字波形资料，为地震研究提供了扎实的基础。根据研究发现，成都地震监测中心站的测震资料存在2～4 Hz的干扰以及凌晨5时至6时时间段内水平分向所记录的低频长周期波动。由于2～4 Hz干扰是全日范围的影响且持续年限较长（何思源等，2019），结合低频长周期波动至今已经存在长达十几年的事实以及台站周边走访调查的结果，发现最近的设施就是位于测震山洞东偏南位置的罗汉桥水电站，与测震山洞直线距离约121 m。本研究围绕罗汉桥水电站进行多方位移动观测，在低频长周期波动时段内利用实地调查情况与波形实时形态进行对比分析，以此验证2～4 Hz干扰以及固定时段低频长周期波动与罗汉桥水电站的关联。
文中选择JCZ-1T超宽频带地震计记录的2017年12月10日8时14分四川九寨沟地震（M 2.7）及一段背景噪声，通过带阻滤波器压制2～4 Hz频率范围内的信号，得到滤波前后的对比图（图1）。图2是2019年6月9日2时被成都地震监测中心站的四台地震计同一时间记录的一段背景噪声频谱图。图1、图2的结果表明：2～4 Hz频率区间包含了干扰信息，宏观特征为波形“毛刺”。
图1 滤除2～4 Hz频率范围前后对比图
图2 四台地震计同一时间记录的地震波形频谱图
图3a是2019年6月30日5时JCZ-1T记录的波形，低频长周期波动开始于5时32分，持续的时间为14分钟。对这1小时波形的南-北分向采用希尔伯特-黄变换进行时频分析，从希尔伯特谱（见图3b）中可知在5时32分附近出现了低频信号，信号强度从逐渐增大到衰退持续时间约14分钟，对应了低频波动开始以及持续时间。
图3 JCZ-1T地震计低频长周期波动及其希尔伯特谱
为了排查该波动是否因为仪器设备所引发，将台站另外三台地震计（分别是一台超宽频带地震计ITCF360、两台甚宽频带地震计BBVS-120以及ITC-120）记录的波形进行对比。结果表明，ITC-F360、BBVS-120和ITC-120地震计均在同一时间记录到该低频长周期波动（图4），排除了由仪器设备引起该低频长周期波动的可能性。其中，甚宽频带地震计BBVS-120以及ITC-120仅在南-北分向记录到低频长周期波动且形态不够完整光滑；
超宽频带地震计JCZ-1T以及ITC-F360能记录到的低频长周期波动更加清晰、波形形态更加完整光滑。
图4 不同地震计记录的低频长周期波动（2019年6月15日05时）
由于低频长周期波动只存在于固定时段内，因此首先考虑人为因素的可能性。台站附近固定时间作业单位便是重点关注对象。通过对成都地震监测中心站历史数据资料的整理，发现记录到的低频长周期波动时期可追溯到2004年。如图5所示，低频长周期波动每日的形态并不完全一致，南-北分向的波动幅度略大于东-西分向，但南-北分向的形态变化在相位上总是略晚于东-西分向。
图5 低频长周期波动连续3日形态变化（JCZ-1T）
3.1 对罗汉桥水电站的多点位监测
以罗汉桥水电站为中心布设了9个测点进行移动观测，如图6所示。以测震山洞到水电站的直线距离作为基本距离单位，通过扩大测点与水电站的距离来研究2～4 Hz干扰是否随距离的改变而变化。为了避免河流水流的影响，测点的分布基本垂直于河道。西南方向由于离成灌公路较近，数据受车辆干扰过大，未过多布设测点。研究中采用40T短周期地震计搭配EDAS-24IP数据采集器进行测点数据的记录。
图6 测点位置
首先选择相对平静的波形记录，然后尽可能地剔除其中行人、机动车产生的干扰，所得的结果如图7所示。1、2、3号测点到水闸的直线距离与测震山洞到罗汉桥水电站的直线距离一致（约121 m），2～4 Hz频率范围的幅值非常明显；
4号测点距离罗汉桥水电站最近且2～4 Hz频率范围的幅值在9个测点中为最高；
5、6号测点到罗汉桥水电站的距离是2倍测震山洞到罗汉桥水电站的直线距离（约259 m），2～4 Hz频率范围的幅值较1、2、3号测点有所下降；
7、8号测点到罗汉桥水电站的距离是3倍测震山洞到罗汉桥水电站的直线距离（约404 m），2～4 Hz频率范围的幅值下降幅度较5、6号测点更明显；
9号测点距离罗汉桥水电站最远，是10倍于测震山洞到罗汉桥水电站的直线距离（约1018 m），2～4 Hz频率范围的幅值最低。9个测点的数据分析结果表明：距离水闸越远，2～4 Hz干扰对波形数据的影响越小，证明2～4 Hz干扰与罗汉桥水电站之间存在直接关联。图中同一圆圈上的点表示距离罗汉桥水库的距离相等。
图7 9个测点的频谱图
3.2 对低频长周期时间段的分析研究
罗汉桥水电站始建于1997年，内部水闸有3道闸门，总宽8 m。近年来每日凌晨5时至6时值守人员会抬起水闸闸门进行“冲闸”，“冲闸”过程中三道闸门依次开启及关闭。“冲闸”目的即是通过快速流动的河水带走河道内沉积的杂物。
经过多次在低频长周期波动时段内的实地考查验证，证明了低频长周期波动是由罗汉桥水电站冲闸引起的。本研究以2021年7月9日低频长周期波形的变化为例说明在冲闸的过程中不同时间节点的状态和波形形态变化的对应关系。由于东-西分向波形形态变化启动更快，因此以东-西分向进行阐述。如图8所示，第一道闸门在05∶31∶54启动时，水流量开始变大，波形上也逐渐出现了向上抬升的现象；
三道闸门在05∶33∶42均完全开启，水流量达到最大；
第一道闸门在05∶35∶30开始关闭，水流量开始逐渐减小，波形开始出现一些小幅度的高频反应，这是由于闸门关闭时闸门和闸身摩擦及撞击产生的震动；
三道闸门在05∶36∶30依次关闭，水流量逐渐恢复到起始水平，波形中出现的较大幅度的高频震动是由于第三道水闸关闭是和底部产生的较大碰撞所致。由于执行“冲闸”操作的值守人员会轮换，控制水闸抬起时间难以统一，则河水流量以及水位变化量也不一致，因此便会造成不同时间的低频长周期波动形态有所差异。然而，低频长周期波动的形态变化的原理还未能形成解释，后续将继续与罗汉桥水电站接洽，以获取足够的水位、水流量数据支撑下一步的研究工作。
图8 2021年7月9日低频长周期波动形态变化与冲闸时间节点的对应关系（JCZ-1T）
通过对研究结果进行汇总，可归纳为四点：（1）2～4 Hz干扰会随着与水电站距离的改变而变化，距离水电站越远的区域2～4 Hz干扰对波形数据的影响越小，证明罗汉桥水电站是成都地震监测中心站测震资料中2～4 Hz干扰产生的重要原因。（2）成都地震监测中心站凌晨5时至6时的低频长周期波动是由于台站附近的罗汉桥水电站每日凌晨“冲闸”操作所致。南-北分向波动幅度略大于东-西分向，但南-北分向形态变化在相位上总是略晚于东-西分向。由于执行“冲闸”操作的值守人员会轮换，控制水闸抬起时间难以统一，则河水流量以及水位变化量也不一致，因此便会造成不同时间的低频长周期波动形态有所差异。（3）罗汉桥水电站“冲闸”造成的低频长周期波动对于超宽频带地震计记录的测震资料的影响较大，对甚宽频带地震计记录的测震资料的影响有限。水电站产生的2～4 Hz对超宽频带、甚宽频带地震计均有较大影响。（4）罗汉桥水电站“冲闸”引发低频长周期波动的形态变化的原理、东-西分向形态变化快于南-北分向的原因以及形态变化与“冲闸”过程的水流水位变化量的相关性仍需更多冲闸过程中水位、水流量数据支撑后续的研究。
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