精密測(cè)量院在利用高精度超導(dǎo)重力儀提取微弱背景噪聲信號(hào)方面獲進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院地震與地球內(nèi)部物理學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于全球分布的高精度超導(dǎo)重力儀網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)資料，在地球運(yùn)動(dòng)微弱信號(hào)提取方面取得進(jìn)展。研究人員成功提取到高信噪比的地球長(zhǎng)周期面波，這是利用重力技術(shù)的首次嘗試。

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題一直是地球科學(xué)前沿基礎(chǔ)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。最近十幾年來(lái)，利用地震背景噪聲提取到的面波信號(hào)在地殼和上地幔結(jié)構(gòu)研究中得到了廣泛應(yīng)用，寬頻帶地震儀在長(zhǎng)周期信號(hào)提取方面存在頻帶限制問(wèn)題，因此利用該技術(shù)進(jìn)行地球深部結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的超導(dǎo)重力儀具有很高的靈敏度、穩(wěn)定度和觀測(cè)精度，它類似于垂直分量的地震儀，能夠有效記錄到各類地震波信號(hào)，并在研究長(zhǎng)周期地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)方面具有其它類型儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)地震技術(shù)缺陷。如果能夠從超導(dǎo)重力儀背景噪聲中取到高信噪比的長(zhǎng)周期面波和自由振蕩信號(hào)，則可探索地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)信息。

基于以上考慮，地震與地球內(nèi)部物理學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用全球分布的超導(dǎo)重力儀和同址觀測(cè)的STS-1地震儀長(zhǎng)時(shí)間積累的觀測(cè)資料，實(shí)施了精細(xì)的數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析，并采用自相關(guān)方法提取了長(zhǎng)周期面波（2-7.5mHz，即133.3-500s）和地球自由振蕩，并對(duì)提取到的面波信號(hào)進(jìn)行了群速度頻散曲線的測(cè)量，通過(guò)對(duì)兩種不同觀測(cè)技術(shù)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了超導(dǎo)重力儀提取結(jié)果的可靠性。

圖1給出了利用背景噪聲數(shù)據(jù)提取到的長(zhǎng)周期面波波形，可以看出超導(dǎo)重力儀與地震儀都能清晰記錄到繞地球傳播一周（R1+R2）和兩周（R3+R4）的面波信號(hào)。圖2為利用背景噪聲觀測(cè)資料檢測(cè)到的自由振蕩信號(hào)，由圖可知，盡管在4.5-7mHz頻段受減采樣濾波器振幅衰減的影響，結(jié)果形態(tài)略差外，但在2-4.5mHz頻段，超導(dǎo)重力儀能夠像STS-1地震儀那樣清晰顯示高信噪比的自由振蕩信號(hào)。圖3為面波群速度頻散曲線的測(cè)量結(jié)果，使用的是圖1中由相位自相關(guān)方法（PAC）提取到的R1+R2面波信號(hào)（藍(lán)線），從圖中可以看出，超導(dǎo)重力儀與同址觀測(cè)的地震儀結(jié)果，以及由PREM（Preliminary Reference Earth Model）地球模型計(jì)算得到的理論值之間均較為一致。本項(xiàng)研究成果可拓展到沿兩個(gè)臺(tái)站間傳播的長(zhǎng)周期面波信號(hào)的提取，為聯(lián)合重力與地震技術(shù)開(kāi)展地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)問(wèn)題探索提供了有效途徑。

圖1 不同臺(tái)站超導(dǎo)重力儀與地震儀同址觀測(cè)到的地球長(zhǎng)周期面波信號(hào)（SG表示超導(dǎo)重力儀，STS-1表示地震儀；紅線表示未扣除地震影響的結(jié)果，藍(lán)線表示扣除地震影響后的結(jié)果；PAC表示相位自相關(guān)方法，CAC表示傳統(tǒng)自相關(guān)方法；CAN和CB、SUR和SU、BFO和BF_L表示各同址觀測(cè)臺(tái)站）

圖2 利用扣除地震影響后的背景噪聲數(shù)據(jù)提取到的自由振蕩信號(hào)（紅色豎線為自由振蕩理論頻率，各字符縮寫(xiě)含義同圖1）

圖3 群速度頻散曲線結(jié)果對(duì)比（（a）中黑色實(shí)線表示由PREM地球模型計(jì)算得到的理論頻散曲線，各字符縮寫(xiě)含義同圖1）

該研究成果近日以Extracting Long‐Period Surface Waves and Free Oscillations Using Ambient Noise Recorded by Global Distributed Superconducting Gravimeters為題發(fā)表在國(guó)際期刊Seismological Research Letters上。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目資助。