甘肅省測震臺網(wǎng)地震臺站地震計(jì)方位角檢驗(yàn)與校正①

陳繼鋒， 李　亮， 李少睿， 劉白云， 陳曉龍

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000； 2.陜西省地震局，陜西 西安 710068)

甘肅省測震臺網(wǎng)地震臺站地震計(jì)方位角檢驗(yàn)與校正①

陳繼鋒1， 李亮1， 李少睿2， 劉白云1， 陳曉龍1

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000； 2.陜西省地震局，陜西 西安 710068)

摘要：利用2007年8月—2013年9月甘肅省測震臺網(wǎng)記錄的549個(gè)MS≥6遠(yuǎn)震事件的P波資料，對所屬44個(gè)地震臺站分量方位等問題進(jìn)行檢核計(jì)算?？紤]到地震計(jì)維修、更換等因素，提供了甘肅省測震臺網(wǎng)地震臺站按時(shí)間序列計(jì)算的方位角偏差及方位校正變化情況，以保障測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性與可靠性。研究結(jié)果表明，反演的方位偏差與文獻(xiàn)[1]的結(jié)果基本一致，表明中國“十五”數(shù)字地震網(wǎng)絡(luò)確實(shí)存在部分臺站方位偏差較大等方面問題。因此，在進(jìn)行現(xiàn)代地震學(xué)研究中應(yīng)充分考慮臺站地震計(jì)方位誤差較大和研究時(shí)間段內(nèi)方位角變動等因素的影響。

關(guān)鍵詞：P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動； 檢核； 地震計(jì)； 方位角； 甘肅臺網(wǎng)

0引言

現(xiàn)代寬頻帶地震計(jì)普遍采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三分量的傳感器正交安裝在一個(gè)底盤上且偏差小于1°，地震計(jì)之間的方向正交性基本得到保障。但由于野外臺站受安裝條件、磁性環(huán)境等多方面因素的影響，不能保障所安裝的地震計(jì)三分量一定準(zhǔn)確位于正北、正東和垂直三個(gè)方向，即可能存在一定的方位偏差。而現(xiàn)代地震學(xué)研究強(qiáng)烈依賴于精確可靠的三分量寬頻帶地震觀測記錄，如SKS剪切波分裂研究、接收函數(shù)研究和面波研究等，都需要通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)將兩水平分量BHN和BHE質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動分解為徑向R(水平入射方向)和橫向T(水平面內(nèi)與入射方向垂直)。如果臺站地震計(jì)的BHN方向與真北方向存在較大的方位偏差(相應(yīng)BHE分量與真東方向也存在較大偏差)，則方位角理論值旋轉(zhuǎn)得到的結(jié)果也將存在較大的系統(tǒng)偏差，從而影響現(xiàn)代地震學(xué)研究結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。因此，多年來國內(nèi)外地震工作者十分重視臺站地震計(jì)方位的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)和校正等基礎(chǔ)研究工作。如Laske等[2]通過長周期面波偏振方法計(jì)算全球相速度變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)全球分布的臺站中有37個(gè)Geoscope臺站的地震計(jì)方位不正確，偏差超過了5°。Larson等[3]在進(jìn)行中長周期面波的偏振研究時(shí)也得到了類似的臺站地震計(jì)方位偏差問題，并給出了全球地震臺網(wǎng)GSN中臺站地震計(jì)方位偏差大于10°的10個(gè)臺站，與Laske[2]得出的地震計(jì)方位存在偏差的臺站基本一致。Yoshizawa等[4]和Schulte-Pelkum等[5]在對GSN地震臺站進(jìn)行P波偏振分析時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了面波偏振分析方法提到的地震計(jì)方位偏差問題。G?ranEkstr?m等[6]對美國USarray臺陣一些固定地震臺站進(jìn)行了地震計(jì)方位的計(jì)算，結(jié)果表明有7.4%的臺站地震計(jì)方位偏差大于7°。周琳等[7]對鄂爾多斯地塊周緣地區(qū)測震臺站地震計(jì)方位角進(jìn)行計(jì)算,顯示中國數(shù)字地震臺網(wǎng)某些臺站確實(shí)存在方位偏差較大、極性反向等方面的問題。

我國于2007年底建設(shè)完成的“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目，在中國大陸及周邊地區(qū)建設(shè)完成了由1個(gè)國家骨干臺網(wǎng)和31個(gè)區(qū)域臺網(wǎng)組成的大規(guī)模測震臺網(wǎng)，測震臺站總數(shù)量達(dá)1 000多個(gè)，其中寬頻帶地震臺站850多個(gè)。這些臺站的建設(shè)為中國地震局地震監(jiān)測預(yù)報(bào)體系的建設(shè)和地震科學(xué)基礎(chǔ)研究提供了數(shù)據(jù)服務(wù)[8-10]。

Niu等[1]利用基于P波質(zhì)點(diǎn)偏振原理和多地震事件信噪比加權(quán)疊加方法，對中國大陸數(shù)字地震臺站地震計(jì)的BHN向方位偏差等問題進(jìn)行了計(jì)算研究。他們發(fā)現(xiàn)在已建成的“十五”數(shù)字地震臺網(wǎng)中有近三分之一的臺站存在BHN方位偏差較大或BHN、BHE極性反向等方面的問題，并給出了存在地震計(jì)方位偏差等問題臺站的列表，引起了中國地震局和地震數(shù)據(jù)用戶的高度重視。極性的問題主要是儀器出廠前存在的問題，需要返廠維修，這類問題很少。方位角的偏差究其原因在于架設(shè)測震儀器時(shí)采用羅盤確定方位，受房屋內(nèi)磁性物質(zhì)和各地不同的磁偏角的影響，指北方位精度很難保證。

本文應(yīng)用P波極性檢測程序計(jì)算了甘肅測震臺網(wǎng)44個(gè)子臺自2007年以來地震計(jì)方位角的變化情況，分段給出了44個(gè)甘肅測震臺站不同時(shí)期內(nèi)地震計(jì)方位角的偏差值，確保了觀測數(shù)據(jù)的可用性，方便了科研人員對甘肅測震數(shù)據(jù)的使用。

1計(jì)算方法和數(shù)據(jù)選取

假設(shè)壓縮P波通過水平成層各向同性介質(zhì)傳播到地震臺站，則其粒子運(yùn)動軌跡應(yīng)該在包含震源與接收臺站的平面內(nèi)，同時(shí)假定各臺站地震計(jì)的“BHN”和“BHE”分量嚴(yán)格水平并正交，因此P波在水平面內(nèi)的投影集中在徑向分量上，切向分量上沒有能量。在圖1所示的臺站平面地理坐標(biāo)系(N，E)中，如果臺站地震計(jì)BHN方向與正北方向N重合(相應(yīng)BHE方向與正東方向E重合)，則由BHN方向到P波平面入射方向(偏振能量最大方向)的旋轉(zhuǎn)角度即為臺站至地震的理論反方位角θc。

如果臺站地震計(jì)的BHN方向與正北N方向存在一方位偏差φ，則P波偏振旋轉(zhuǎn)角度θa變?yōu)棣萢=θc-φ。因此從原理上來講，根據(jù)臺站-地震理論反方位角θc和BHN、BHE分量確定的最大偏振能量旋轉(zhuǎn)角θa即可確定臺站地震計(jì)BHN方向方位偏差φ[7]。

(圖中，N、E為臺站處的真地理北和東方向，BHN和BHE　　為地震計(jì)的視北和視東方向，θc為根據(jù)臺站、地震經(jīng)緯度計(jì)算得到的臺站-地震理論反方位角，θa為利用P波質(zhì)點(diǎn)偏振原理計(jì)算得到的偏振旋轉(zhuǎn)角，φ為臺站BHN方向方位偏差，以正北方向瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正)圖1　 地震計(jì)方位角關(guān)系原理示意圖Fig.1　A schematic plot showing the relationship between φ,θa and θc

Niu等[1]利用多事件信噪比加權(quán)疊加法SNR計(jì)算臺站地震計(jì)BHN方位偏差φ，方法原理詳見文獻(xiàn)[1,7]。其基本方法步驟為：首先根據(jù)臺站和地震經(jīng)緯度，計(jì)算理論反方位角θc；然后對φ在0°～180°范圍內(nèi)按1°增量間隔進(jìn)行全局掃描，并對給定時(shí)窗內(nèi)的BHN、BHE分量P波振動，按偏振旋轉(zhuǎn)角

θa=θc-φ進(jìn)行徑向和橫向振動分解，并進(jìn)行多地震事件的橫向P波能量加權(quán)疊加(按信噪比加權(quán))；最后取使橫向P波能量加權(quán)疊加值最小的φ為臺站地震計(jì)BHN分量的方位偏差。

本文利用2007年8月—2013年9月的549個(gè)MS≥6.0、震中距在30°～90°、信噪比較好的遠(yuǎn)震事件進(jìn)行研究。臺站和震中分布見圖2。

圖2　研究區(qū)域臺站和本文計(jì)算所使用的549個(gè) 遠(yuǎn)震事件的分布圖Fig.2　Distribution of stations in the study area and epicenters of 549 teleseismic events used in the study

2計(jì)算結(jié)果和分析

利用P波質(zhì)點(diǎn)偏振原理對甘肅測震臺站地震計(jì)方位偏差進(jìn)行對比計(jì)算分析，延續(xù)Niu等工作,通過增加地震事件，計(jì)算甘肅測震臺站地震計(jì)自安裝使用以來方位角變化情況。以正北為0°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)角度為正；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)角度為負(fù)。表1列出了甘肅省測震臺網(wǎng)地震計(jì)方位角偏差大于5°的臺站及具體時(shí)間分段。圖3描繪了地震計(jì)方位角偏差大于5°的臺站地震計(jì)方位偏差反演結(jié)果時(shí)間序列圖。

表 1　SNR方法計(jì)算的甘肅測震臺站地震計(jì)方位偏差表

圖3　各臺站地震計(jì)方位偏差計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列圖Fig.3　Time-series of the deviations of seismometer azimuth for each station

由于選取的地震事件個(gè)數(shù)較多、時(shí)間序列長度也相應(yīng)地加長，本文的計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[1]相比略有變化，其中地震計(jì)方位角偏差大于5°的臺站有15，占甘肅省測震臺網(wǎng)的34%。

3甘肅測震臺站方位角校正

2012年10月中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司為進(jìn)一步提高測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量，決定利用高精度尋北儀對各自轄區(qū)內(nèi)的地震計(jì)方位角重新進(jìn)行校正、制作永久方位標(biāo)志，重新安裝地震計(jì)。甘肅測震臺網(wǎng)于2013年6月前利用NV-NF301型尋北儀完成了44個(gè)測震臺站的儀器方位角校正工作，確保了44個(gè)臺站的指北標(biāo)志安裝精度≤1。

校正結(jié)果顯示：臺站儀器架設(shè)方位角(φ)≥8°共有9個(gè)，占所有臺站的20.4%；2°≤φ≤8°的共有16個(gè)，占所有臺站的36.3%；φ≤2°的共有17個(gè)，占所有臺站的38.6%。根據(jù)國家規(guī)范要求對φ≥2°的臺站進(jìn)行了校正和重新安裝，其中安西臺準(zhǔn)備異地重建沒有測量，玉門關(guān)臺由于地處軍事禁區(qū)，新址尚未堪選，剩余42個(gè)臺站的原儀器方位角測定結(jié)果及校正情況見表2。

從表2中可以看出：

(1) 本文得到的44個(gè)地震臺站的地震計(jì)平均方位偏差結(jié)果跟Niu等的結(jié)果基本一致。Niu等結(jié)果中地震計(jì)方位偏差絕對值<10°的臺站(原文列表中未給出)，本文的處理結(jié)果也大部分在10°范圍以內(nèi)，只有WDT(武都)臺不一致，該臺2008年7月調(diào)整儀器前方位角偏差小于5°，后維修設(shè)備導(dǎo)致地震計(jì)擺放位置變化，2008年7月至2013年6月方位角偏差達(dá)-21°，2013年6月22日尋北儀檢測結(jié)果偏差為-18.1°。

(2)Niu等結(jié)果中地震計(jì)方位偏差較大的臺站，本文的處理結(jié)果也顯示這些臺站的地震計(jì)確實(shí)存在較大的方位偏差，這和現(xiàn)場利用尋北儀檢測出的偏差結(jié)果基本一致。

(3)NXT(寧縣)臺2009年6月至2010年10月間BHE分向地震計(jì)故障導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果非常離散，維修后正常。 其中2008年6月至2009年6月方位角偏差為-26°；2009年06月至2010年10月由于儀器故障導(dǎo)致計(jì)算的方位角偏差值錯(cuò)誤，2010年10月29日維修后計(jì)算結(jié)果恢復(fù)正常；2010年10月至2013年4月方位角偏差為-29°，2013年4月28日尋北儀檢測結(jié)果偏差為-31.1°，這個(gè)結(jié)果顯示利用遠(yuǎn)震事件P波記錄反演檢核臺站地震計(jì)方位偏差的可靠性和準(zhǔn)確性。

(4) 對于Niu等文獻(xiàn)中列出的JYG和HXT臺地震計(jì)某分量極性接反以及BHN、BHE分量互換問題，計(jì)算結(jié)果顯示JYG臺在2007年8月—2008年7月期間BHN和BHE分量互換。根據(jù)甘肅省測震臺網(wǎng)部值班日志記載2008年7月JYG(嘉峪關(guān))臺原地震計(jì)KS2000更換為BBVS-120，恢復(fù)正常；2010年5月HXT(環(huán)縣)臺原地震計(jì)CMG-3ESPC更換為BBVS-60，方位角偏差為-46°。本文計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場儀器極性確認(rèn)都證實(shí)甘肅測震臺網(wǎng)44個(gè)測震臺站均不存在極性接反和分量互換的問題。

表 2　甘肅測震臺站方位角測定及校正結(jié)果

4結(jié)論

(1) 利用遠(yuǎn)震P波質(zhì)點(diǎn)振動和臺站—地震理論后方位角，可以有效檢核臺站地震計(jì)水平分量方位偏差及其可能的方位校正變化情況。

(2) 本文利用多個(gè)遠(yuǎn)震事件P波記錄反演檢核臺站地震計(jì)方位偏差，計(jì)算了甘肅測震臺站地震計(jì)自安裝使用以來方位角的變化情況，特別是分段給出了臺站地震計(jì)方位角的偏差值，一方面延續(xù)了Niu等在地震計(jì)方位角檢測方面的工作，另一方面也系統(tǒng)地給出了臺站地震計(jì)方位角的變化情況，確保了觀測數(shù)據(jù)可用性。

(3) 無論P(yáng)波極性檢測程序計(jì)算結(jié)果還是尋北儀現(xiàn)場檢測結(jié)果都表明中國數(shù)字地震臺網(wǎng)個(gè)別臺站確實(shí)存在方位偏差較大等方面的問題，通過現(xiàn)場對地震計(jì)方位角重新進(jìn)行校正、制作永久方位標(biāo)志，重新安裝地震計(jì)等手段進(jìn)一步提高了測震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(4) 應(yīng)用P波極性檢測程序計(jì)算了甘肅測震臺網(wǎng)44個(gè)子臺自2007年以來地震計(jì)方位角的變化情況，分段給出了不同時(shí)間段的方位角偏差，方便了科研人員對測震數(shù)據(jù)的使用。

致謝：感謝中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)，感謝美國萊斯大學(xué)地球科學(xué)系鈕鳳林教授提供地震計(jì)方位角檢測計(jì)算程序。

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CheckandCorrectionofSeismometerAzimuthforGansuSeismicNetworkStations

CHENJi-feng1,LILiang1,LIShao-rui2,LIUBai-yun1，CHENXiao-long1

(1.Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, Gansu, China;2.Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi’an 710068, Shaanxi, China)

Abstract：The orientation accuracy of three component station seismometers is very important for modern seismology research. Modern seismic studies rely heavily on precise three-component broadband observations. Similar to time travel, three dimensional particle motion is a key factor provided by a seismogram. It forms the basis of many functions, such as shear-wave splitting, receiver function, and surface and normal mode studies. Three component records are often rotated to isolate longitudinal, radial, and transverse motions. A critical parameter for performing rotation is the geographical orientation of the two horizontal components (BHN and BHE). Because the orthogonality between components of modern broadband instruments is accurate to a fraction of a degree, what really affects a correct rotation is the orientation of the BHN component, which could deviate from the true north direction. Knowledge of the orientations of the two horizontal components is thus important to perform a correction rotation. The particle motions of teleseismic P waves recorded by the network were analyzed and used to estimate the north component azimuth of each station. An SNR-weighted-multievent method was introduced to obtain component azimuths that best explain the P-wave particle motions of all the events recorded at a station. This method provides robust estimates including a measurement error calculated from background noise levels. In this study, the component azimuths of the seismic stations in Gansu province were rechecked using the P-wave particle motions of 549 MS > 6 teleseismic events from August 2007 to September 2013. Robust estimates were provided including a measurement error calculated for each station in the time series. The azimuths calculated in this study are very consistent with the results of Niu (2011), which implies that the stations of Gansu province have some problems with misorientation. The SNR-weighted-multievent method can be used to effectively check the seismometer stations horizontal azimuth deviations. Therefore, we provide deviation value of the azimuth including a measurement error calculated for each station in the time series to be taken into account for any rotation based seismic studies.

Key words：P-wave particle motion; check; seismometer; azimuth; Gansu Seismic Network

收稿日期：①2015-05-07

基金項(xiàng)目：中國地震局蘭州地震所科技發(fā)展基金(2015Q04)；地震行業(yè)科研專項(xiàng)課題(201208009)

作者簡介：陳繼鋒(1978-)，男，甘肅清水人，高級工程師，主要從事地震臺網(wǎng)和地震學(xué)的研究工作。E-mail:chenjf163@163.com。

中圖分類號:P315.78

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0460-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0460