背景噪聲在數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)時(shí)間系統(tǒng)中的穩(wěn)定性估計(jì)

王 俊 繆發(fā)軍 詹小艷 霍祝青 孫業(yè)君 朱 峰 徐 戈

(江蘇省地震局，南京 210014)

核查地震波形數(shù)據(jù)記錄中的時(shí)間系統(tǒng)是數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)最困難的任務(wù)之一，特別是當(dāng)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行離線保存或使用時(shí)，在時(shí)空部署上通常具有不確定性。對(duì)于層析成像、地震定位、預(yù)警等來(lái)說(shuō)，時(shí)間系統(tǒng)的精度是極其關(guān)鍵的。盡管目前數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)中都普遍采用了GPS 或廣播信號(hào)來(lái)進(jìn)行授時(shí)，但當(dāng)GPS 重復(fù)不斷地連接外部時(shí)鐘失敗時(shí)，數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間就只能依賴于內(nèi)部時(shí)鐘。通常情況下，內(nèi)部時(shí)鐘的校正信息會(huì)以日志的形式進(jìn)行保存，但在沒(méi)有GPS 信號(hào)期間的精確時(shí)間則是無(wú)法估計(jì)的；或日志信息不隨數(shù)據(jù)一起分發(fā)，那么對(duì)于數(shù)據(jù)的使用者來(lái)說(shuō)依然無(wú)法控制時(shí)間系統(tǒng)的精確度。因此，如何從記錄數(shù)據(jù)中直接計(jì)算出地震臺(tái)網(wǎng)的時(shí)間精度就顯得十分必要。

近年來(lái)的研究表明，對(duì)地震臺(tái)記錄到的背景噪聲進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到的互相關(guān)函數(shù)在一定程度上可以代表兩個(gè)地震臺(tái)之間真實(shí)的格林函數(shù)。較長(zhǎng)時(shí)間的背景噪聲互相關(guān)函數(shù)可以使隨機(jī)場(chǎng)中的噪聲源和地殼內(nèi)地震波散射的非均勻性得到足夠的平均，從而保證格林函數(shù)有效性。進(jìn)一步的理論和實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)有3種主要因素會(huì)導(dǎo)致走時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)：①介質(zhì)的物理性質(zhì)發(fā)生改變；②臺(tái)站對(duì)中其中一個(gè)存在時(shí)間誤差、或其中一個(gè)臺(tái)站的傳感器相位響應(yīng)發(fā)生改變；③介質(zhì)中噪聲源的空間分布發(fā)生變化。

在某一給定的路徑和頻帶范圍內(nèi)，背景噪聲互相關(guān)函數(shù)中求取的面波走時(shí)δt 與“參考走時(shí)”之間的偏差，可以用下式來(lái)表示：

D（t）是由臺(tái)站時(shí)鐘誤差（或傳感器的相位響應(yīng)偏移）引起的時(shí)間延遲；φ（t）表示由于介質(zhì)物理性質(zhì)變化引起的時(shí)間擾動(dòng)；ε（t）是由于噪聲源在空間上的分布變化而引起的時(shí)間偏移。通過(guò)互相關(guān)格林函數(shù)的滑動(dòng)窗函數(shù)疊加技術(shù)，我們可求出D 和φ。

選取了江蘇臺(tái)網(wǎng)的連云港（LYG）、徐圩（XW）、灌云（GUY）3 個(gè)臺(tái)站2011 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)性計(jì)算，將它們兩兩組合成臺(tái)站對(duì)，即：LYG-XW（31.6 km）、GUY-XW（34.7 km）、GUY-LYG（37.8 km）。取各臺(tái)站對(duì)全年的格林函數(shù)進(jìn)行疊加，記為“參考格林函數(shù)”。我們采用了30 天的時(shí)間尺度來(lái)作為窗函數(shù)的長(zhǎng)度，對(duì)每一天的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行滑動(dòng)疊加并進(jìn)行振幅歸一化后，即得到當(dāng)天的格林函數(shù)；然后再測(cè)量與“參考格林函數(shù)”之間的時(shí)間偏差，結(jié)果如圖1 所示。LYG-XW、GUY-XW、GUY-LYG互相關(guān)走時(shí)相對(duì)偏差平均分別為0.6 334 s、3.9 771 s、2.2 887 s，可以看出偏差大的臺(tái)站對(duì)中均有GUY 臺(tái)，偏差最小的是LYG-XW，則說(shuō)明3 個(gè)臺(tái)中GUY 臺(tái)的時(shí)鐘誤差最為嚴(yán)重。例如GUY-XW 的結(jié)果顯示2011年的前60 天左右互相關(guān)走時(shí)相對(duì)偏差均在+5 s 左右，這與江蘇臺(tái)網(wǎng)1、2 月的地震記錄中的真實(shí)情況一致（GUY 臺(tái)約有4 s 左右的時(shí)鐘誤差），LYG-XW、GUY-XW 在270～320 天之間也出現(xiàn)+6 s 左右的相對(duì)偏差，而在此期間的地震記錄中顯示XW 臺(tái)有3 s 左右的時(shí)鐘誤差。這表明理論計(jì)算能較為真實(shí)地反映出實(shí)際情況，但各臺(tái)的絕對(duì)時(shí)間偏差和相對(duì)精度還需要更深入研究。

圖1 2011 年LYG-XW、GUY-XW、GUY-LYG 的互相關(guān)格林函數(shù)與“參考格林函數(shù)”之間的時(shí)間偏差