精密測量院在利用高精度超導重力儀提取微弱背景噪聲信號方面獲進展

近日，中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院地震與地球內(nèi)部物理學研究團隊基于全球分布的高精度超導重力儀網(wǎng)絡(luò)觀測資料，在地球運動微弱信號提取方面取得進展。研究人員成功提取到高信噪比的地球長周期面波，這是利用重力技術(shù)的首次嘗試。

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題一直是地球科學前沿基礎(chǔ)領(lǐng)域關(guān)注的焦點。最近十幾年來，利用地震背景噪聲提取到的面波信號在地殼和上地幔結(jié)構(gòu)研究中得到了廣泛應(yīng)用，寬頻帶地震儀在長周期信號提取方面存在頻帶限制問題，因此利用該技術(shù)進行地球深部結(jié)構(gòu)的研究相對較少。20世紀80年代發(fā)展起來的超導重力儀具有很高的靈敏度、穩(wěn)定度和觀測精度，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，并在研究長周期地球內(nèi)部動力學方面具有其它類型儀器無法比擬的優(yōu)勢，可彌補地震技術(shù)缺陷。如果能夠從超導重力儀背景噪聲中取到高信噪比的長周期面波和自由振蕩信號，則可探索地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動力學信息。

基于以上考慮，地震與地球內(nèi)部物理學研究團隊利用全球分布的超導重力儀和同址觀測的STS-1地震儀長時間積累的觀測資料，實施了精細的數(shù)據(jù)預處理與分析，并采用自相關(guān)方法提取了長周期面波（2-7.5mHz，即133.3-500s）和地球自由振蕩，并對提取到的面波信號進行了群速度頻散曲線的測量，通過對兩種不同觀測技術(shù)得到的結(jié)果進行對比，驗證了超導重力儀提取結(jié)果的可靠性。

圖1給出了利用背景噪聲數(shù)據(jù)提取到的長周期面波波形，可以看出超導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。圖2為利用背景噪聲觀測資料檢測到的自由振蕩信號，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。圖3為面波群速度頻散曲線的測量結(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（藍線），從圖中可以看出，超導重力儀與同址觀測的地震儀結(jié)果，以及由PREM（Preliminary Reference Earth Model）地球模型計算得到的理論值之間均較為一致。本項研究成果可拓展到沿兩個臺站間傳播的長周期面波信號的提取，為聯(lián)合重力與地震技術(shù)開展地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動力學問題探索提供了有效途徑。

圖1 不同臺站超導重力儀與地震儀同址觀測到的地球長周期面波信號（SG表示超導重力儀，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表示各同址觀測臺站）

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（紅色豎線為自由振蕩理論頻率，各字符縮寫含義同圖1）

圖3 群速度頻散曲線結(jié)果對比（（a）中黑色實線表示由PREM地球模型計算得到的理論頻散曲線，各字符縮寫含義同圖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)表在國際期刊Seismological Research Letters上。該研究得到了國家自然科學基金委項目資助。