紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)地震記錄儀記錄汶川MS8.0地震震相到時準確性驗證

韓 進 謝蓉華

(四川省地震局，成都 610041)

紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)地震記錄儀記錄汶川MS8.0地震震相到時準確性驗證

韓 進 謝蓉華

(四川省地震局，成都 610041)

紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)是離汶川MS8.0地震震中最近的地震臺網(wǎng)，記錄了不可多得的地震事件資料。為討論這些資料的精確度，將臺網(wǎng)使用的地震記錄儀的型號、硬件組成和性能指標與美國的RefTek地震記錄儀進行了比較，并從地震記錄數(shù)據(jù)處理結(jié)果方面進行了分析驗證。結(jié)果表明，臺網(wǎng)記錄儀自身硬件帶來的最大誤差＜1.8ms;該臺網(wǎng)記錄的汶川MS8.0地震震相拾取結(jié)果與美國的RefTek地震記錄儀記錄的結(jié)果相差0.02s。與綜合四川臺網(wǎng)得到的發(fā)震時刻比較，最大相差0.48s，最小相差－0.03s;由包括該臺網(wǎng)在內(nèi)的21個臺的P波到時和震中距繪制的時程圖線性度較好。這說明，紫坪鋪臺網(wǎng)所用的地震記錄儀所產(chǎn)生的誤差，遠比震相讀取產(chǎn)生的誤差小，亦比地震波傳播過程中介質(zhì)不均勻性造成的影響要小。該臺網(wǎng)所用地震記錄儀的時間精度完全能夠滿足現(xiàn)代地震分析需要。

紫坪鋪臺網(wǎng) 汶川MS8.0地震 時間準確性

0 引言

紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)是距汶川MS8.0地震震中最近的地震臺網(wǎng)，該臺網(wǎng)歷經(jīng)了此次地震的全過程，記錄了不可多得的地震事件波形資料，正在為此次地震的成因研究發(fā)揮著重要的作用。紫坪鋪水庫臺網(wǎng)由7個大動態(tài)、高精度的遙測地震臺組成。地震臺以大約10km的臺距，較均勻地分布在水庫區(qū)域，并將水庫誘發(fā)地震區(qū)段和穿越庫區(qū)的斷裂包圍其中。監(jiān)測能力在包含庫壩區(qū)的9km×15km重點監(jiān)測區(qū)內(nèi)定位震級下限為ML0.5，實際震中定位精度為誤差≤2km(韓進，2009)。地震震相的識別與測量是地震學研究中最基本、也是最基礎(chǔ)的工作。只有在這一基礎(chǔ)上，才能測定地震的震源位置和震級等基本參數(shù)，并進一步編制地震報告。這無論是對地球結(jié)構(gòu)和震源的認識，還是對地震活動性的研究，以及對防震減災工作的開展都是十分重要的(鄒立曄，2004)。這說明了震相及其拾取的重要性。影響震相測量準確性的主要因素，一是地震記錄儀時間精度，二是震相測量帶來的誤差。地震記錄儀時間精度高低由校時基準和守時精度決定，校時基準取決于地震記錄儀時間系統(tǒng)所用外部基準時間的精度和校對的頻度;守時精度則取決于地震記錄儀內(nèi)部時間系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。影響震相測量誤差的主要因素有，在自動測量中受制于算法的因素;在人工拾取中取決于人的認知程度。由于現(xiàn)代地震臺網(wǎng)采用了接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的授時系統(tǒng)，地震臺站可以很好地接收原子鐘的時間信號，這使臺站的絕對時間不再存在問題(鄒立曄，2004)?！笆濉币詠碇袊卣鹋_網(wǎng)已經(jīng)全面進入數(shù)字化，《中國數(shù)字測震臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定地震臺站授時/守時精度優(yōu)于1ms①中國地震局，2005，中國數(shù)字測震臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程。，以新一代全球地震臺網(wǎng)(GSN)為代表的地震監(jiān)測系統(tǒng)，采用了Precision TCXO+Phase locked to GPS(GSN Instrumentation)守時/授時配置，為地震記錄儀時間精度提供了很好的保障。紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)是距初始破裂震中最近的一個臺網(wǎng)，其中最近的八角(BAJ)臺距震中約5.3km，因此，該臺網(wǎng)記錄的汶川MS8.0地震及其序列數(shù)據(jù)的震相時間準確性更受到了地震工作者的高度重視。在后續(xù)處理中，仍然對地震記錄儀記錄震相時間準確性提出疑問。這一點已在開展的“十一五”國家科技支撐重點課題“水庫地震監(jiān)測與預測技術(shù)研究”項目中被提了出來。然而，怎樣才能驗明紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)汶川MS8.0地震的時間服務是良好的，記錄事件數(shù)據(jù)的時間是準確的，是能夠滿足研究人員需要的。筆者通過對地震記錄儀的硬件組成、性能指標、地震記錄情況和地震數(shù)據(jù)分析結(jié)果等多個方面做了必要的分析，以期得到較為客觀的結(jié)果。

1 地震記錄儀類型、硬件組成和性能指標分析

紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)使用的地震記錄儀是北京港震機電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EDAS－24L3和四川省地震局水庫地震研究所生產(chǎn)的RSDA－24A。記錄數(shù)據(jù)使用的采樣率為100Hz，即2個數(shù)據(jù)間取樣間隔為10ms。這2種記錄儀外部基準時間均采用目前國際上大多數(shù)主流地震記錄儀(比如RefTek 130－01、Nanometrics Taurus)所采用的全球定位系統(tǒng)(GPS)作為時間基準，內(nèi)部使用了高精度的溫度補償壓控晶體振蕩器(TCXO)。這2種記錄儀的時間精度指標均優(yōu)于1ms。

以RSDA－24A地震記錄儀為例，使用了Motorola M12 GPS接收機作為接收的基準時間標準，該接收機獲取的時間精度優(yōu)于0.5μs(M12 M應用指南)。內(nèi)部晶體振蕩器使用的是型號為V2164－N56F161105，溫度穩(wěn)定度在－20℃ ～+70℃范圍內(nèi)優(yōu)于1.0ppm。加電后，在GPS接收機捕獲到3顆以上衛(wèi)星后，就可獲取GPS時間，RSDA－24A把GPS時間作為自己的基準時間，開始對內(nèi)部溫度補償晶體振蕩器進行自動協(xié)調(diào)，使之與GPS提供的頻率、相位同步，大約1h后，RSDA－24A內(nèi)部時間與UTC保持μs級的誤差。為省電，GPS接收機每30min開啟一次進行自動校時，以校對內(nèi)部時鐘的準確度②王翠芳等，2007，RSDA－1型地震數(shù)據(jù)采集器(技術(shù)報告)。。

那么影響內(nèi)部時鐘準確性的主要因素有哪些呢?一是采用的基準時間，二是內(nèi)部守時穩(wěn)定度。同樣以RSDA－24A為例，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)作為時間基準，其精度優(yōu)于0.5μs，遠優(yōu)于10ms的采樣間隔，應該沒有問題。那么影響內(nèi)部時鐘準確性的主要因素就主要取決于內(nèi)部守時了。內(nèi)部守時的穩(wěn)定度主要是由內(nèi)部晶體振蕩器決定的，而從采用的晶體振蕩器溫度穩(wěn)定度優(yōu)于1.0ppm這個指標看，在設定每30min校時1次顯得稍微欠缺一點。當30min GPS校1次時，如果從最不利的情況來考慮，理論上最大可能出現(xiàn)1.8ms的誤差。地震記錄儀設計時，從既要滿足低功耗，又要滿足較高的時間精度出發(fā)，選用了現(xiàn)行的晶體振蕩器穩(wěn)定度是一種綜合的考慮，因為穩(wěn)定度再高一點，就需要采用恒溫結(jié)構(gòu)，這樣功耗就會有較大增加。當然也可以把校時時間縮短為15min，即使從最不利的情況來考慮，理論上最大也只有0.9ms誤差，但也會增加一定功耗。在設定不會出現(xiàn)最不利條件這一假設下，現(xiàn)在的這種選擇和設置是合適的。實際上RSDA－24A記錄儀在生產(chǎn)調(diào)試時，通過嚴格測試是保證時間精度優(yōu)于1ms的。紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)各臺站的5月平均氣溫為18～26℃(都江堰旅游)，對儀器工作狀態(tài)來說溫度適宜。頻率的溫度穩(wěn)定度是，在指定溫度范圍內(nèi)振蕩器的輸出頻率相對于25℃時測量值的最大允許頻率偏差。當時的氣溫條件正好處于標準溫度附近，由此導致的內(nèi)部晶體振蕩器變化應該較小，一般不會出現(xiàn)最不利情況。

那么，時間精度優(yōu)于1ms這樣的精度對于震中距最大僅為24km的紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)會帶來多大的誤差呢?如果用經(jīng)典的蓋格法(Geiger，1912)進行定位，如果分析人員的震相讀取是準確的，如果以P波速度為6.0km/s來計算，那么1ms的誤差帶來的P波傳播誤差為6.0m。其精度大大高于目前實際定位中能達到的km級或精確定位能達到的0.1km量級的精度。即使以最不利的1.8ms來計算，帶來的P波傳播誤差也僅為10.8m。而在100Hz/s采樣率時，2個采樣點之間的間隔為10ms，即，由震相讀取誤差1個點帶來的P波傳播誤差也達60m。因此，當?shù)卣鹩涗泝x在100Hz/s采樣率，且時間穩(wěn)定度優(yōu)于1ms時，震相讀取誤差與記錄器時間誤差，大約是10:1，即使在最不利情況下讀數(shù)誤差帶來的影響也是記錄儀的近6倍。也就是說，從硬件組成和性能指標上判定，由紫坪鋪臺網(wǎng)使用的地震記錄儀本身時間精度帶來的對地震定位精度的影響遠沒有震相讀數(shù)誤差的大，是可以忽略的。

2 事件記錄時間精度分析

下面通過美國產(chǎn)RefTek－130B0l實際記錄地震與四川省部分地震臺記錄地震的比較，進一步驗證紫坪鋪臺網(wǎng)記錄汶川MS8.0地震的時間準確性的可信度。

2.1 與美國產(chǎn)RefTek-130B0l比較

劉啟元主持的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2004CB418402)，在四川省西部(100°～105°E，26°～32°N)布設了由297個寬頻帶地震臺組成的密集流動地震觀測臺陣。其中的KCD05號臺，與四川省地震局的油榨坪(YZP)臺同址。這就為2種記錄儀的對比提供了很好的條件。流動地震觀測臺陣所使用的地震記錄儀是美國的RefTek－130B0l(Third Generation Broadband Seismic Recorder)，該記錄儀時間系統(tǒng)采用GPS接收器/時鐘外加一個振蕩器，3－D修正并鎖定后精度±10μs。為了有利于近震數(shù)據(jù)的后續(xù)分析，采樣率也是采用100Hz/s，其MS8.0地震記錄和讀取的 P波到時是14︰28︰3.33(劉啟元，2008)。圖1是 RefTek記錄儀MS8.0地震記錄截圖。而四川省地震局油榨坪臺使用的是EDAS-IP24地震記錄儀，觀測到的P波到時是14︰28︰3.35。圖2是EDAS－IP24地震記錄儀MS8.0地震記錄截圖。對比圖1和圖2可看出，事件記錄質(zhì)量較好，震相清晰，震相測量精度應該很高，二者僅有0.02s誤差，即僅僅差2個采樣點，應該說誤差非常之小。由于震相到時測量存在一定的隨機性，不同的人對于同一個震相到時的識別，甚至是同一個人的前后2次測量都可能有所不同。因此，0.02s誤差極有可能是讀取震相時的誤差造成的，且這個誤差遠小于地震編目評比標準震相測量誤差以及＜0.2s①中國地震臺網(wǎng)中心，2010，省級地震臺網(wǎng)地震編目評比標準(2010版)。的要求。這個旁證說明紫坪鋪臺網(wǎng)使用的EDAS地震記錄儀時間準確性與RefTek記錄儀一樣值得信賴。另外，油榨坪(YZP)臺本身也是紫坪鋪臺網(wǎng)的實時共享臺之一，參與紫坪鋪水庫地震數(shù)據(jù)聯(lián)合處理。

圖1 RefTek記錄儀MS8.0地震記錄截圖Fig.1 Intercepted seismogram of the MS8.0 Wenchuan earthquake recorded by a RefTek seismometer.

圖2 EDAS記錄儀MS8.0地震記錄截圖Fig.2 Intercepted seismogram of the MS8.0 Wenchuan earthquake recorded by a EDAS seismometer.

2.2 與四川省的部分地震臺記錄地震比較

汶川地震后，在中國地震局的支持和幫助下，四川省地震局開展了大規(guī)模的地震數(shù)據(jù)復核工作。作為距汶川MS8.0地震初始破裂最近的紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)也對記錄數(shù)據(jù)進行了全面的清理和復核。這期間尤其是蘇金蓉高級工程師在參與由馬宗晉院士主持的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973)“汶川地震發(fā)生機理及其大區(qū)動力環(huán)境研究”中，做了許多基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)整理和復核工作。筆者有幸引用了該項目的數(shù)據(jù)整理成果，對紫坪鋪臺網(wǎng)各臺站記錄的汶川MS8.0地震時間精度進行了分析。

2.2.1 發(fā)震時刻

在選定紫坪鋪臺網(wǎng)7個臺站的基礎(chǔ)上，又選取了四川省內(nèi)的14個臺站。讀取了P波到時，通過高程校正后，應用朱介壽給的四川東區(qū)速度結(jié)構(gòu)模型①朱介壽，2009，成都市地震精定位與地震活動性研究。，計算出共21個臺站的發(fā)震時刻(表1)。從表1中可看出，殘差是0.070，平均發(fā)震時刻為14︰27︰58.04，紫坪鋪臺網(wǎng)各臺站最大誤差是靈巖寺(LYS)0.48s，最小誤差是白巖(BAY)－0.03s，大大小于地震臺網(wǎng)1類地震發(fā)震時刻誤差≤±5s的標準(中國地震臺網(wǎng)中心，2010)，即是說，得到的各臺發(fā)震時刻較接近。表明紫坪鋪臺網(wǎng)各臺站記錄的汶川MS8.0地震的時間準確性可信度較高。

表1 汶川MS8.0地震主震定位結(jié)果Table 1 The location results of the MS8.0 Wenchuan earthquake.

2.2.2 時程曲線

應用表1中的數(shù)據(jù)繪制的時程曲線，如圖3所示，時程曲線的線性較好。這也較為直觀地表明，紫坪鋪臺網(wǎng)各臺站記錄的汶川MS8.0地震的時間準確性可信度較高。

3 討論與結(jié)論

影響紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)地震記錄儀記錄MS8.0汶川地震震相到時準確性的主要因素，一是地震記錄儀的時間精度，二是震相測量帶來的誤差。筆者從地震記錄儀使用型號及軟硬件結(jié)構(gòu)、與美國Reftek記錄儀實際記錄震相到時數(shù)據(jù)對比、發(fā)震時刻可信度和時程曲線4個方面，對紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)地震記錄儀記錄的MS8.0汶川地震主震數(shù)據(jù)時間準確性進行了分析。結(jié)果表明:

圖3 汶川MS8.0地震時程曲線Fig.3 Time-history curve of the MS8.0 Wenchuan earthquake.

(1)由于紫坪鋪臺網(wǎng)使用的地震記錄儀時間系統(tǒng)采用Precision TCXO+Phase locked to GPS這種先進的守時/授時配置，時間精度已經(jīng)完全得到了保證。以RSDA－24A地震記錄儀為例，從最不利因素考慮，理論上由地震記錄儀自身產(chǎn)生的最大誤差為1.8ms。當采樣率為100Hz/s時，震相讀取帶來的最小誤差為10ms。震相讀取誤差帶來的時間誤差至少是記錄儀本身帶來誤差的5倍以上，因此，讀取震相到時的精準性更重要，地震記錄儀產(chǎn)生的誤差對震相到時精度影響較小。

(2)在同一臺址放置的EDAS和RefTek兩種地震數(shù)據(jù)記錄儀記錄的汶川MS8.0地震數(shù)據(jù)讀取震相到時表明，P波到時誤差為0.02s，僅有2個采樣點的差距，誤差非常之小。其實，讀取同一個震相記錄數(shù)據(jù)，前后移動1或2個采樣點都有一定的道理，本身會帶來讀數(shù)誤差，是正常誤差。這說明紫坪鋪臺網(wǎng)使用的EDAS地震數(shù)據(jù)記錄儀的時間準確性與RefTek記錄儀一樣值得信賴。

(3)紫坪鋪臺網(wǎng)7個臺與四川省內(nèi)14個地震臺綜合處理的發(fā)震時刻對比，最大誤差0.48s，最小誤差－0.03s，小于地震速報評比±5s的要求。

(4)由21個臺P波到時和震中距繪制的時程圖線性度較好，表明包含紫坪鋪臺網(wǎng)在內(nèi)的這21個臺的震相到時讀取是較為可信的。

綜上所述，從最極端情況考慮，震相測量誤差也至少接近地震數(shù)據(jù)記錄儀記錄的汶川MS8.0地震震相到時的6倍。因此，地震數(shù)據(jù)記錄儀產(chǎn)生的到時誤差，相對于震相讀取時產(chǎn)生的誤差來說是很小的，可以忽略。另外，介質(zhì)變化的復雜性和非均質(zhì)性也是影響地震傳播的重要因素，它會給震相到時帶來一定影響，從而導致發(fā)震時刻的誤差和時程曲線的擾動。紫坪鋪臺網(wǎng)記錄的地震數(shù)據(jù)應該為汶川地震的進一步研究發(fā)揮應有的作用。

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ACCURACY VERIFICATION OF SEISMIC PHASE ARRIVAL TIMES OF THE MAY 12 WENCHUAN EARTHQUAKE RECORDED BY ZIPINGPU RESERVOIR SEISMIC NETWORK

HAN Jin XIE Rong-hua

(Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China)

The Zipingpu Reservoir Seismic Network is the nearest network to the epicenter of the MS8.0 Wenchuan earthquake and it recorded the rare data of this earthquake event.In order to discuss the accuracy of these data，we compared the seismometers used in this network in terms of the types，hardware components and performance index with the US RefTek seismometer and analyzed the processing results of the earthquake records for the verification.Results show that the seismometer of the network has a maximum error of ＜1.8ms.There is a difference of 0.02s in the phase picking result of the MS8.0 Wenchuan earthquake from the recordings of this network with that from the US RefTek recordings.And compared with the earthquake occurrence time determined from the recordings of the Sichuan seismic network，the maximum difference is 0.48s，and the minimum－0.03s.The time-history curve plotted using P－wave arrivals and epicentral distances of 21 stations(including the network stations)has a good linearity.This indicates that the error generated from the seismometers used in Zipingpu network is far less than the error from phase picking，and the impact of it is also smaller than that caused by the heterogeneity of medium in seismic wave propagation.The time accuracy of the seismometer used in this network can satisfy completely the needs of modern earthquake analysis.

Zipingpu network，Wenchuan earthquake，time accuracy

P315.61

A

0253－4967(2012)03－0449－07

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.006

2012－02－07收稿，2012－05－30改回。

“十一五”國家科技支撐重點課題“水庫地震監(jiān)測與預測技術(shù)研究”(2008BAC38B04)資助。

韓進，男，1958年生，2008年畢業(yè)于四川大學網(wǎng)絡學院軟件工程專業(yè)，高工，主要從事地震觀測技術(shù)工作，電話:028－85437471，E －mail:jinh028@sina.com。