井下地震計方位角檢測技術(shù)應(yīng)用研究

李少睿， 毛國良， 王黨席， 羅治國

1 陜西省地震局， 西安　710068 2 河北省地震局， 石家莊　050021

?

井下地震計方位角檢測技術(shù)應(yīng)用研究

李少睿1， 毛國良2， 王黨席1， 羅治國1

1 陜西省地震局， 西安710068 2 河北省地震局， 石家莊050021

摘要本文利用波形相關(guān)分析法對井下地震計方位角檢測精度及一致性進(jìn)行分析研究.研究中在地表布設(shè)地震計進(jìn)行不同距離、不同頻帶多套地震計方位角檢測對比測試，并在四川瀘州、寧夏靈武、陶樂、河南安陽、清豐、陜西定邊等6個分別安裝井下甚寬頻帶、寬頻帶、短周期地震計的臺站，進(jìn)行地表同臺址不同頻帶多套地震計與井下地震計方位角檢測及一致性對比測試.根據(jù)全球噪聲模型1～10 s之間存在明顯的噪聲峰值的特點，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行0.2～0.3 Hz帶通濾波和仿真處理，通過分析得出，對于不同地震計組合，測試地震計方位角檢測結(jié)果一致性較好，根據(jù)地表不同距離、不同頻帶地震計組合的檢測精度和地脈動記錄的特點，認(rèn)為井下地震計方位角檢測精度優(yōu)于4°.

關(guān)鍵詞井下地震計; 相關(guān)分析; 地震計方位角; 均方根誤差; 檢測精度

A correlation analysis method was used in the azimuth detection of a borehole seismometer. To confirm its reliability and consistency, we first made comparison test of a set of seismometers on the surface with different frequency bands. And then, another comparison test was made on a set of seismometers with different distances apart from each other to verify the result accuracy and correlation coefficient variation trend on different bands and apart distances. We assume that it should be true also in the case of correlation analysis between borehole and surface seismometers.Finally, multiple sets of surface and borehole seismometers comparison tests were made, and their result reliability and consistency are discussed also.

Test results at 3 ground surface experiment sites ZOZT, XAN and QLIT, show that measuring cases with the same device distance but different frequency bands may yield azimuth and correlation coefficient with good consistency.As distance between compared devices increased, the bias of estimated azimuth relative to the real one increased, and the correlation coefficient decreased.For the experiment with device distance of 220 m, the root mean square error (RMSE) of estimated azimuths to the true case is less than 1 degree, the averaged correlation coefficient is about 0.97.For the experiment with device distance of 2514 m, the RMSE of estimated azimuths is less than 3.4 degree, and the correlation coefficients vary from 0.84 to 0.80. At 6 borehole stations LWU,TLE, AY, QF, DBT, LZH, multiple surface seismometers of different frequency band with gyroscope direction aligned were mounted near each wellhead. Analyses for different band devices show their results on relative azimuth and correlation coefficient in good agreement. At 5 out of 6 stations as LWU, TLE, AY, QF and DBT, their estimated azimuths deviate greatly from azimuths given by directional equipment used in their installation. It reveals that there are some defects in the orienting method used in the installation of borehole seismometer, and horizontal azimuth error of borehole seismometer exists commonly. At station LZH, the borehole seismometer was installed without directional device orientation, its seismometer azimuth was given during installation by Scream software of Güralp company via estimation with a synchronized and oriented surface seismograph system. Our work at LZH yields a result consistent with the given azimuth.

Our works show that correlation analyses between ground surface seismometers with different distances and frequencies yield results consistent with those of analyses between surface and borehole devices. So, the correlation analysis method may be used to estimate the horizontal azimuth of a borehole seismometer with frequency band from very broad band to short period. The correlation analysis is done on microtremor in the frequency band 0.2～0.3 Hz, which has a wave length that is far greater than the depth of borehole in study and is the common dominant microtremor records in both surface record and borehole record. Hence, the accuracy of estimated azimuth of a borehole seismometer may be inferred from the results of experiments on the ground surface occupied seismometers with different apart distances. The results of surface experiments show that the accuracy of estimated azimuth gets lower and correlation coefficient gets smaller as the seismometers apart distance increased. For the instance case of 920 m, 2249 m and 2514 m surface seismometer apart distance, the errors of estimated azimuths are less than 4°. Therefore, considering the impact of various factors on our experiments, we believe that the azimuth estimation accuracy of a borehole seismometer with depth less than 400 m should be better than 4°.

1引言

測震臺站地震計方位的精確定向?qū)τ诶玫卣鹩^測資料開展各向異性、面波頻散、接收函數(shù)和震源機制解等研究具有重要意義.井下地震觀測可有效降低地面噪聲干擾的影響，提高對微小地震信號的觀測精度.目前我國井下地震觀測臺站達(dá)到180多個，涵蓋了甚寬頻帶、寬頻帶、短周期等觀測儀器，這些井下地震計安裝時一般使用磁通門或陀螺儀進(jìn)行定向，部分未使用磁通門或陀螺儀進(jìn)行定向的臺站，安裝儀器后也采用了間接方法確定井下地震計水平向方位角.

深井觀測臺站與地表觀測臺站不同，難以直接使用陀螺儀等定向設(shè)備驗證地震計的方位，通常只能借助于遠(yuǎn)震、地脈動記錄等確定井下地震計方位角.由于井下地震計與地表地震計同時段的地震記錄在頻譜上有一定的差異(徐永林等，1991)，因此如何保證遠(yuǎn)震、地脈動記錄測定的井下地震計方位角可信度是一個難題.地震噪聲顯示不同的頻率依賴性，對于長周期海洋微震動，有較高相關(guān)性，其相關(guān)半徑即兩臺地震儀在某些譜范圍噪聲記錄相關(guān)的最大距離隨噪聲周期的增大而增大，可達(dá)到數(shù)千米(Bormann，2002).Peterson(1993)觀測和研究了全世界各地正常地球噪聲，給出了新的全球公認(rèn)的地球正常噪聲模型，從噪聲模型曲線可以看出，在1～10 s之間存在明顯的峰值，這個范圍內(nèi)的地噪聲(地脈動)被認(rèn)為同海洋與陸地的相互作用有關(guān)，且噪聲源能量十分穩(wěn)定.Lacoss等(1969)對地脈動做了詳細(xì)的分析，認(rèn)為頻率在0.2 Hz到0.3 Hz的地脈動中含有體波和瑞利面波成分，其中高階模式瑞利面波為主要成分.Aster和Shearer(1991)認(rèn)為使用近震初至P波質(zhì)點運動，可使井下地震計水平向定向到約5°的精度.Niu和Li(2011)利用遠(yuǎn)場P波極性分析方法對全國測震臺網(wǎng)運行臺站儀器方位角進(jìn)行計算，顯示部分深井觀測臺站儀器方位角極性等方面存在一定問題.國內(nèi)外也先后有人利用相關(guān)函數(shù)方法(Bormann，2002；謝劍波，2014)，在地面安裝一臺已知方位的地震計，對地面地震記錄與井下地震記錄作相關(guān)分析，確定井下地震計相對于地面地震計的方位角.但是采用同臺址地表與井下地震計記錄進(jìn)行相關(guān)分析確定井下地震計方位角,其檢測結(jié)果的可靠性和檢測精度沒有人進(jìn)行較詳細(xì)的分析.

本文利用相關(guān)分析方法并采用地震波形仿真技術(shù)，對地表不同頻帶多套地震計進(jìn)行對比測試，用以檢測地表不同頻帶地震計測試結(jié)果的可靠性和一致性；對不同距離多套地震計進(jìn)行對比測試，用以檢測地表不同頻帶地震計測試結(jié)果的檢測精度及波形相關(guān)系數(shù)隨距離的變化情況，從而為推測井下地震計水平向方位角提供依據(jù)；同臺址多套地震計及井下地震計對比測試，用以檢測不同頻帶地震計測試結(jié)果的可靠性和一致性.井下地震計方位角對比測試應(yīng)用研究，將為下一階段全國測震臺網(wǎng)井下地震計方位角檢測工作的開展提供依據(jù)和技術(shù)支持.

2地震計方位角檢測方法

2.1相關(guān)分析法

相關(guān)分析可以得到反映兩個隨機變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標(biāo).對于地表或井下地震計定向，在同臺址或附近地表安裝一臺使用陀螺尋北儀確定方位角的地震計作為參考地震計，另一臺地震計作為測試地震計，對參考地震計與測試地震計水平向地脈動記錄進(jìn)行相關(guān)分析，分析時對測試地震計水平向地脈動記錄按照一定角度等間隔進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，分別計算各旋轉(zhuǎn)角度參考地震計與測試地震計兩個水平分量記錄的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)最大值所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度即為測試地震計相對于參考地震計的方位角.

2.2地震觀測數(shù)據(jù)仿真

地震記錄為真實地面運動和記錄系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的褶積，仿真處理為根據(jù)地面運動，求得某一特定觀測系統(tǒng)的地震記錄，通常根據(jù)工作需要我們可以把寬頻帶地震記錄仿真為中長周期、短周期等地震記錄.數(shù)字地震記錄仿真方法分為頻域濾波法和時域濾波法，有多人進(jìn)行了這方面的研究工作(李鴻吉，1992；何少林等，1997；劉瑞豐等，1997；金星等，2004；謝劍波，2014)，本文采用傅里葉分析法即頻域濾波法，仿真計算中只考慮地震觀測系統(tǒng)的低頻部分即地震計的特性,沒有考慮高頻部分即數(shù)據(jù)采集器部分的影響.

假設(shè)對于一個寬頻帶地震觀測系統(tǒng),如觀測系統(tǒng)地震記錄為y(t),地面運動為x(t),系統(tǒng)脈沖響應(yīng)為h(t)，在時間域表示為

(1)

在頻率域可表示為

(2)

式中Y(ω)、X(ω)分別為y(t)和x(t)的傅里葉譜，H(ω)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù).如需仿真的短周期地震觀測系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為H1(ω)，短周期地震觀測系統(tǒng)的地震記錄為y1(t)，Y1(ω)為y1(t)的傅里葉譜，則

(3)

2.3濾波參數(shù)選取

濾波參數(shù)選取參考Peterson(1993)給出的全球噪聲模型相關(guān)數(shù)據(jù)并結(jié)合實測數(shù)據(jù)計算結(jié)果，AY測點檢測地震計測定的臺基地動噪聲功率譜密度曲線見圖1.圖1中BBVS-60、CMG-40T、CMG-40TDE、FSS-3DBH頻帶范圍見表2，從圖中可以看出1～10 s之間存在明顯的峰值且寬頻帶及短周期地震計都有很好的反映，在1 Hz以上，地表測點BBVS-60、CMG-40T、CMG-40TDE地震計測定的噪聲水平已大于全球噪聲模型的高噪聲水平，而對于同臺址井下測點FSS-3DBH井下地震計測定的噪聲水平，在其頻帶范圍內(nèi)仍處于全球噪聲模型的高噪聲水平之下，這也說明井下觀測可有效減小短周期地震噪聲水平.為了更好地說明問題，我們以低頻10 s為界，高頻延伸到10 Hz，即選取0.1～10 Hz頻段，把0.1～10 Hz進(jìn)行分段計算.寬頻帶記錄與短周期記錄計算時，寬頻帶記錄需仿真到相應(yīng)短周期記錄.如不進(jìn)行仿真處理直接使用地震計記錄進(jìn)行計算，對于我們將要選用的頻帶范圍0.2～0.3 Hz，其計算結(jié)果與仿真處理的計算結(jié)果相差180°，且相關(guān)系數(shù)比仿真處理的計算結(jié)果要低一些，見表1、圖2及圖3.仿真與不仿真處理結(jié)果相差180°的問題從圖4可以看出，對于BBVS-60、CMG-40T寬頻帶地震計，在0.2～0.3 Hz頻帶范圍，相頻特性曲線為0°附近一條變化平緩的直線，相頻特性變化較小，如0.2 Hz處相位角分別為7°、13°，而對于CMG-40TDE、FSS-3DBH短周期地震計，在0.2～0.3 Hz頻帶范圍，相頻特性曲線為一條變化較大的斜線，相頻特性變化較大，0.2 Hz處相位角分別為146°、146°，其BBVS-60、CMG-40T寬頻帶地震計分別與CMG-40TDE、FSS-3DBH短周期地震計組合在0.2 Hz處相位差均大于130°，遠(yuǎn)超過了90°，表現(xiàn)出波形反相現(xiàn)象.因此計算中對于甚寬、寬頻帶地震計組合，可直接使用地震計記錄進(jìn)行計算，而對于甚寬、寬頻帶與短周期地震計組合，甚寬、寬頻帶地震計記錄需仿真到相應(yīng)短周期記錄.表1中所列地震計安裝時均使用陀螺尋北儀確定方位，對于地表BBVS-60寬頻帶地震計和CMG-40TDE短周期地震計組合(序列號G10821VS、T4U81)，5 Hz以內(nèi)的測試頻段，地震計方位角偏差比較小，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上，而對于BBVS-60寬頻帶地震計和FSS-3DBH井下短周期地震計組合(序列號G10821VS、889)，1 Hz以上的測試頻段地脈動記錄已不相關(guān)，其中0.2～0.3 Hz頻帶范圍地脈動記錄相關(guān)性較好.這是由于在近地表，隨著深度的增加，高頻信號比低頻信號能量衰減更加嚴(yán)重.同時，0.2～0.3 Hz的地脈動中含有體波和瑞利面波成分，其中高階模式瑞利面波為主要成分(Lacoss et al.，1969).面波的理論研究也表明，瑞利面波的能量主要集中在約半個波長深度范圍內(nèi)傳播，即我們所研究的井下地震計均處于瑞利面波的半個波長深度范圍，這也避免了近地表土層的各向異性產(chǎn)生的影響，因此0.2～0.3 Hz的地脈動記錄在地表和井下記錄都有很好反映.對于井下地震計與地表地震計記錄在高頻段相關(guān)系數(shù)低的問題，已經(jīng)有人在實際資料分析中發(fā)現(xiàn)了這個問題，同一地震信號，地表地震記錄高頻成份比深井記錄豐富(徐永林等，1991)，井下地震計測定的地震波譜高頻較弱(韋士忠和李玉萍，1990).表1中的儀器名對應(yīng)的具體地震計信息見表2.

圖1　AY測點臺基地動噪聲功率譜密度曲線(檢測地震計測定)

儀器組合BBVS_4CMG_1BBVS_4CMG_1BBVS_4FSS_1BBVS_4FSS_1仿真不仿真仿真不仿真濾波頻帶/Hz方位差相關(guān)系數(shù)方位差相關(guān)系數(shù)方位差相關(guān)系數(shù)方位差相關(guān)系數(shù)0.1～0.2-0.060.9939179.900.963628.640.9889-151.570.96160.2～0.3-0.060.9980179.530.960627.740.9867-152.560.96890.2～1.0-0.060.9952179.890.899127.520.8796-152.610.92910.2～5.0-0.370.9443-0.060.9052*0.0698*0.20801.0～5.0-0.260.94190.020.9740*0.0649*0.05845.0～10.02.480.78822.610.7680*0.0471*0.0439

注：* 數(shù)據(jù)不可用.

圖2　G10821VS與T4U81地震計組合地脈動記錄未仿真計算結(jié)果(a) G10821VS地震計EW向原始記錄波形； (b) T4U81地震計EW向原始記錄波形； (c) 濾波未旋轉(zhuǎn)前EW向記錄波形； (d) 濾波旋轉(zhuǎn)后EW向記錄波形； (e) 全方位角EW向相關(guān)系數(shù)圖； (f) EW向最佳旋轉(zhuǎn)方位角附近相關(guān)系數(shù)圖．

3地震計方位角檢測

本文開展對比測試研究中，據(jù)Peterson(1993)全球噪聲模型在1～10 s之間存在明顯的峰值的特點及文中2.3節(jié)濾波參數(shù)選取的計算結(jié)果，濾波頻帶選取0.2～0.3 Hz，與呂永清等(2007)及謝劍波(2014)研究中所選的濾波頻帶不同，本文測試結(jié)果使用兩個水平向計算角度的均值.

表2　本文所用地震計信息

圖3　G10821VS與T4U81地震計組合地脈動記錄仿真計算結(jié)果(a) G10821VS地震計EW向原始記錄波形； (b) T4U81地震計EW向原始記錄波形； (c) 仿真及濾波后未旋轉(zhuǎn)前EW向記錄波形； (d) 仿真及濾波旋轉(zhuǎn)后EW向記錄波形； (e) 全方位角EW向相關(guān)系數(shù)圖； (f) EW向最佳旋轉(zhuǎn)方位角附近相關(guān)系數(shù)圖．

圖4　AY測點檢測地震計頻率特性曲線

3.1地震計方位角檢測數(shù)據(jù)信息

本次地震計方位角檢測采用地表不同距離多套地震計對比觀測及井下地震計與觀測井孔附近地表多套地震計對比觀測，測點信息由GPS測定.地表地震計對比觀測選取了3個實驗場地，分別為QLIT、XAN、ZOZT，每個場地選取2個以上測點，測點之間間隔不同，其中1個測點為主測點，分別安裝甚寬頻帶、寬頻帶、短周期等多套地震計.井下地震計選取6個深井觀測臺站進(jìn)行對比觀測，分別為LWU、TLE、AY、QF、LZH、DBT，涵蓋了甚寬頻帶、寬頻帶及短周期井下地震計，地震計信息見表2.

地表地震計安裝時如室內(nèi)有儀器墩，地震計安裝在儀器墩上，否則的話，采用室外地埋方式.處理時在室外地表挖坑，坑內(nèi)放置大理石或花崗巖石板，地震計安裝在石板上，使用陀螺尋北儀定向，用儀器罩防護(hù)后進(jìn)行地埋，起到防風(fēng)、防氣流、防雨等功能.對比觀測連續(xù)記錄時間24 h以上，相關(guān)分析時選取24 h記錄，計算結(jié)果取24 h平均值.

對比測試中所用BBVS-120、BBVS-60、BBVS-60DBH、FSS-3DBH地震計及EDAS-24IP、EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器均為北京港震設(shè)備有限公司生產(chǎn)；CTS-1EF地震計為武漢力泉測震技術(shù)有限公司生產(chǎn)；CMG-3TB、CMG-3ESP、CMG-3ESPC、CMG-40T、CMG-40TDE地震計為英國Güralp公司生產(chǎn)；JDF-2地震計為北京賽斯米克地震科技發(fā)展中心生產(chǎn).序列號T4U81和T4V85的CMG-40TDE短周期地震計為一體機，采樣率100 sps，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子3.178 μV/count；EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，采樣率100 sps，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子1.589 μV/count；EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，采樣率100 sps，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子1.192 μV/count.

3.2地表地震計方位角檢測

第1個實驗場地QLIT場地有3個測點，分別為QLIT、Q01、Q02，其中QLIT為基巖場地，Q01、Q02為土層場地.Q01測點安裝序列號G08224VS、G10820VS兩臺BBVS-60寬頻帶地震計，地震計實測方位角分別為1.1°、0.3°.Q02測點分別沿0°和30°方向安裝地震計，0°方向安裝序列號G10891VS BBVS-60寬頻帶地震計和序列號T4U99 CMG-40T寬頻帶地震計，地震計實測方位角為0.3°；30°方向安裝序列號G10821VS BBVS-60寬頻帶地震計和序列號T4U81 CMG-40TDE短周期一體機，地震計實測方位角為29.7°.QLIT測點安裝序列號G10826VS BBVS-60寬頻帶地震計，地震計實測方位角為0.3°.序列號G10826VS BBVS-60寬頻帶地震計連接EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，其余地震計分別連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器.

QLIT測點與Q01測點，兩個測點相距2249 m，高程差130 m.序列號G10826VS參考地震計分別與G08224VS、G10820VS測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)序列號G10826VS參考地震計方位角校正后分別為-1.0°、-2.3°，與陀螺尋北儀確定的G08224VS、G10820VS測試地震計方位角1.1°、0.3°分別相差-2.1°、-2.6°，相關(guān)系數(shù)分別為0.8672、0.8694.

QLIT測點與Q02測點，兩個測點相距2514 m，高程差140 m.序列號G10826VS參考地震計分別與G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)序列號G10826VS參考地震計方位角校正后分別為28.0°、28.5°、-2.8°、-2.8°，與陀螺尋北儀確定的G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99測試地震計方位角29.7°、29.7°、0.3°、0.3°分別相差-1.7°、-1.2°、-3.1°、-3.1°，相關(guān)系數(shù)分別為0.8301、0.8053、0.8326、0.8166.

Q01測點與Q02測點，兩個測點相距275 m，高程差10 m.序列號G08224VS參考地震計分別與序列號G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)G08224VS參考地震計方位角校正后分別為30.0°、30.3°、-0.5°、-0.5°，與陀螺尋北儀確定的G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99測試地震計方位角29.7°、29.7°、0.3°、0.3°分別相差0.3°、0.6°、-0.8°、-0.8°，相關(guān)系數(shù)分別為0.9856、0.9689、0.9868、0.9646.序列號G10820VS參考地震計分別與序列號G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)G10820VS參考地震計方位角校正后分別為30.6°、30.8°、-0.1°、-0.1°，與陀螺尋北儀確定的G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99測試地震方位角29.7°、29.7°、0.3°、0.3°分別相差0.9°、1.1°、-0.4°、-0.4°，相關(guān)系數(shù)分別為0.9883、0.9678、0.9891、0.9639.

第2個實驗場地XAN場地有2個測點，分別為X01、XAN，均為基巖場地.XAN測點0°方向分別安裝序列號G08224VS BBVS-60寬頻帶地震計、序列號G08227VS BBVS-120甚寬頻帶地震計和序列號10011 CTS-1EF甚寬頻帶地震計，地震計實測方位角分別為-0.1°、0.0°、-0.9°；30°方向安裝序列號G08134VS BBVS-60寬頻帶地震計，地震計實測方位角為30.1°.X01測點分別安裝序列號G10821VS、G10891VS兩臺BBVS-60寬頻帶地震計，地震計實測方位角分別為-0.1°、-0.1°.序列號10011 CTS-1EF甚寬頻帶地震計連接EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，其余地震計分別連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器.

X01測點與XAN測點，兩個測點相距220 m，高程基本相同.序列號G10821VS參考地震計分別與序列號G08134VS、G08224VS、G08227VS、10011測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)G10821VS參考地震計方位角校正后分別為30.6°、0.4°、-0.1°、-0.5°，與陀螺尋北儀確定的G08134VS、G08224VS、G08227VS、10011測試地震計方位角30.1°、-0.1°、0.0°、-0.9°分別相差0.5°、0.5°、-0.1°、0.4°，相關(guān)系數(shù)分別為0.9698、0.9704、0.9705、0.9703.序列號G10891VS參考地震計分別與序列號G08134VS、G08224VS、G08227VS、10011測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)G10891VS參考地震計方位角校正后分別為30.8°、0.9°、0.2°、-0.2°，與陀螺尋北儀確定的G08134VS、G08224VS、G08227VS、10011測試地震計方位角30.1°、-0.1°、0.0°、-0.9°分別相差0.7°、1.0°、0.2°、0.7°，相關(guān)系數(shù)分別為0.9695、0.9700、0.9702、0.9700.

第3個實驗場地ZOZT場地有2個測點，分別為Z01、ZOZT，其中Z01為土層場地，ZOZT為基巖場地.ZOZT測點0°方向分別安裝序列號G10891VS、G10894VS兩臺BBVS-60寬頻帶地震計，地震計實測方位角分別為-0.5°、0.8°；30°方向分別安裝序列號G10821VS BBVS-60寬頻帶地震計、序列號T4U81 CMG-40TDE短周期一體機，地震計實測方位角分別為29.6°、30.1°；Z01測點分別安裝序列號G08224VS BBVS-60寬頻帶地震計、序列號G08228VS BBVS-120甚寬頻帶地震計，地震計實測方位角分別為0.1°、0.0°.序列號G10894VS BBVS-60寬頻帶地震計連接EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，其余地震計分別連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器.

Z01測點與ZOZT測點，兩個測點相距920 m，高程差-60 m.序列號G08224VS參考地震計分別與序列號G10821VS、T4U81、G10891VS、G10894VS測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)G08224VS參考地震計方位角校正后分別為28.6°、29.1°、-3.2°、-1.8°，與陀螺尋北儀確定的結(jié)果29.6°、30.1°、-0.5°、0.8°分別相差-1.0°、-1.0°、-2.7°、-2.6°，相關(guān)系數(shù)分別為0.8227、0.7763、0.8235、0.8236.序列號G08228VS參考地震計分別與序列號G10821VS、T4U81、G10891VS、G10894VS測試地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)G08228VS參考地震計方位角校正后分別為29.2°、29.8°、-2.1°、-0.9°，與陀螺尋北儀確定的結(jié)果29.6°、30.1°、-0.5°、0.8°分別相差-0.4°、-0.3°、-1.6°、-1.7°，相關(guān)系數(shù)分別為0.8310、0.7845、0.8315、0.8333.

3個實驗場地不同測點間對比分析數(shù)據(jù)見表3，從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著對比測試地震計組合之間距離的增大，測試地震計方位角的檢測結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的方位角偏差逐漸增加，相關(guān)系數(shù)逐漸減小.對于相同距離的兩個測點，不同頻帶測試地震計的測定方位角、記錄波形的相關(guān)系數(shù)一致性較好.對于220 m實驗距離，測試地震計方位角的檢測結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的方位角的均方根誤差(RMSE)小于1.0°，地震計記錄的相關(guān)系數(shù)約為0.97；對于2514 m實驗距離，測試地震計方位角的檢測結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的方位角的均方根誤差(RMSE)小于3.4°，地震計記錄的相關(guān)系數(shù)在0.80～0.84之間變化，本文中的檢測精度使用均方根誤差(RMSE)作為衡量標(biāo)準(zhǔn).

3.3井下地震計方位角檢測

LWU井下觀測臺，安裝序列號06 JDF-2井下寬頻帶地震計，地震計安裝深度為248 m.檢測時井孔附近室內(nèi)儀器墩分別安裝序列號G10821VS BBVS-60寬頻帶地震計、序列號G08228VS BBVS-120甚寬頻帶地震計、序列號T4V85 CMG-40TDE短周期地震計、序列號T4U99 CMG-40T寬頻帶地震計等4套地震計，地表地震計使用陀螺尋北儀定向，JDF-2井下寬頻帶地震計連接EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，其余地震計分別連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器.序列號G10821VS、序列號G08228VS、序列號T4U99等3套地震計分別與井下地震計組合計算井下地震計相對方位角時，直接使用地震計記錄計算.序列號T4V85短周期地震計與井下地震計組合計算井下地震計相對方位角時，由于所選帶通濾波頻率0.2～0.3 Hz處于序列號T4V85短周期地震計的通頻帶之外過渡帶，因此井下地震計記錄需仿真到序列號T4V85短周期地震計記錄進(jìn)行計算.地表序列號G10821VS、序列號G08228VS、序列號T4V85、序列號T4U99等4套地震計分別與井下地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)地表參考地震計方位角校正后，井下地震計的方位角分別為31.4°、31.4°、31.6°、31.4°，計算結(jié)果一致性較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.9926、0.9918、0.8714、0.9919，其中序列號T4V85短周期地震計與序列號06 JDF-2井下寬頻帶地震計組合相關(guān)系數(shù)偏低.

表3　地表測點測試地震計地脈動記錄相關(guān)分析結(jié)果

TLE井下觀測臺，安裝序列號05 JDF-2井下寬頻帶地震計，地震計安裝深度為245 m.檢測時井孔附近室內(nèi)儀器墩安裝地震計與LWU臺相同，地表地震計安裝時使用陀螺尋北儀定向，JDF-2井下寬頻帶地震計連接EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，其余地震計分別連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器.計算結(jié)果經(jīng)地表參考地震計方位角校正后，井下地震計的方位角分別為9.3°、9.0°、10.0°、9.0°，相關(guān)系數(shù)分別為0.9891、0.9882、0.8861、0.9894，其中3套甚寬、寬頻帶地震計計算結(jié)果比較接近，序列號T4V85短周期地震計情況與LWU相同.

AY井下觀測臺，安裝序列號889 FSS-3DBH井下短周期地震計，地震計安裝深度為393 m.檢測時井孔附近室內(nèi)儀器墩分別安裝序列號G08134VS BBVS-60寬頻帶地震計、序列號T4U81 CMG-40TDE短周期地震計、序列號T4V85 CMG-40TDE短周期地震計、序列號T4U99 CMG-40T寬頻帶地震計等4套地震計，室外采取地埋方式安裝序列號G10821VS BBVS-60寬頻帶地震計、序列號G08228VS BBVS-120甚寬頻帶地震計，地表安裝地震計使用陀螺尋北儀定向，F(xiàn)SS-3DBH井下短周期地震計連接EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，其余地震計分別連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器.由于FSS-3DBH為井下短周期地震計，計算時地表4套甚寬、寬頻帶地震計記錄分別仿真為FSS-3DBH短周期地震計記錄，序列號T4V85短周期地震計與FSS-3DBH井下短周期地震計記錄計算時，同樣進(jìn)行了仿真處理，序列號T4U81短周期地震計與FSS-3DBH井下短周期地震計頻帶范圍一致，直接使用地震計記錄計算.序列號G08134VS、序列號G10821VS、序列號G08228VS、序列號T4U81、序列號T4V85、序列號T4U99等6套地震計分別與井下地震計組合，計算結(jié)果經(jīng)地表參考地震計方位角校正后，井下地震計的方位角分別為28.0°、27.7°、28.0°、27.8°、28.1°、27.7°，相關(guān)系數(shù)分別為0.9871、0.9846、0.9871、0.9864、0.9035、0.9861，計算結(jié)果一致性較好，序列號T4V85短周期地震計與序列號889 FSS-3DBH井下短周期地震計組合相關(guān)系數(shù)偏低.

QF井下觀測臺，安裝序列號911 FSS-3DBH井下短周期地震計，地震計安裝深度為308 m.檢測時井孔附近室內(nèi)儀器墩及室外安裝地震計與AY臺相同，地表地震計安裝時使用陀螺尋北儀定向，F(xiàn)SS-3DBH井下短周期地震計連接EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，其余地震計分別連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器.計算結(jié)果經(jīng)地表參考地震計方位角校正后，井下地震計的方位角分別為103.6°、102.8°、103.5°、103.2°、102.6°、102.9°，相關(guān)系數(shù)分別為0.9830、0.9827、0.9828、0.9830、0.9045、0.9830，計算結(jié)果一致性較好，序列號T4V85短周期地震計情況與AY相同.

LZH井下觀測臺,安裝序列號T34620 CMG-3TB井下甚寬頻帶地震計，地震計安裝深度為95 m.檢測時室外儀器墩分別安裝序列號T3S74 CMG-3ESPC寬頻帶地震計、序列號T36545 CMG-3ESP寬頻帶地震計，地表地震計使用陀螺尋北儀定向，其中CMG-3TB井下甚寬頻帶地震計和序列號T3S74寬頻帶地震計分別連接兩臺EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，序列號T36545寬頻帶地震計連接EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，分析時直接使用地震計記錄計算，計算結(jié)果經(jīng)地表參考地震計方位角校正后，序列號T36545寬頻帶地震計與CMG-3TB井下甚寬頻帶地震計組合計算結(jié)果為118.4°，序列號T3S74寬頻帶地震計與CMG-3TB井下甚寬頻帶地震計計算結(jié)果為118.1°，計算結(jié)果一致性較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.8592、0.8573.

DBT井下觀測臺，安裝序列號G13015BH BBVS-60DBH井下寬頻帶地震計，地震計安裝深度為300 m.BBVS-60DBH井下寬頻帶地震計與地表安裝序列號G08222VS BBVS-60寬頻帶地震計連接一臺EDAS-24GN6數(shù)據(jù)采集器，地表地震計使用陀螺尋北儀定向，分析時直接使用地震計組合記錄計算，計算結(jié)果經(jīng)地表G08222VS參考地震計方位角校正后，井下地震計方位角為-28.7°，相關(guān)系數(shù)為0.9933.

從以上6個井下觀測臺的對比檢測結(jié)果來看，同臺址不同頻帶地震計的檢測結(jié)果一致性較好，見表4，因此對于井下地震計方位角檢測可使用甚寬頻帶、寬頻帶和短周期地震計等不同頻帶的地震計作為參考地震計進(jìn)行對比測試.對于表中CMG_2(序列號T4V85)短周期一體機與井下地震計組合，相關(guān)系數(shù)偏低，經(jīng)檢查是由于該地震計東西向本身問題所致.井下地震計安裝時均使用磁通門或陀螺儀進(jìn)行定向，地震計方位均校正到正北方向，但從LWU、TLE、AY、QF、DBT 5個臺站井下地震計方位角的檢測結(jié)果來看，井下地震計方位角偏差較大，這也說明目前井下地震計安裝時所采用的固定方法有一定的缺陷，現(xiàn)運行的井下地震計水平向方位角存在較普遍的方位偏差問題，亟需開展方位角檢測工作.LZH臺廠家安裝井下地震計時未進(jìn)行定向，而是使用英國Güralp公司提供的數(shù)采控制軟件Scream實測井下地震計方位角，廠家給出的實測結(jié)果為117.3°，與本文測定的結(jié)果相差1°左右，這主要因為本文的測試結(jié)果為地表與井下地震記錄兩水平向相關(guān)分析結(jié)果的平均值，數(shù)據(jù)長度選取1 h，最終結(jié)果取24 h的平均值，而廠家安裝儀器時測試計算選取的樣本數(shù)與前不同，且分析時選取地表地震計NS向記錄與井下地震計兩水平向記錄坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的結(jié)果做相關(guān)分析得出，同時分析時兩者選取的濾波頻帶范圍也不盡相同.

表4　地表與井下地震計組合地脈動記錄相關(guān)分析結(jié)果

4結(jié)論

根據(jù)本文對地表場地不同測點、地表和井下地震計地脈動記錄對比檢測結(jié)果,歸納得出以下幾點結(jié)論.

(1) 據(jù)Peterson給出全球地球噪聲模型及實測數(shù)據(jù)計算結(jié)果顯示，在1～10 s之間存在明顯的噪聲峰值，結(jié)合地脈動記錄相關(guān)分析結(jié)果，我們認(rèn)為相關(guān)分析時可選取3～8 s的濾波頻帶進(jìn)行處理.

(2) 對于地表不同距離、不同頻帶多套地震計組合及地表不同頻帶多套地震計與井下地震計組合檢測結(jié)果顯示，檢測結(jié)果一致性較好，因此甚寬頻帶、寬頻帶、短周期地震計均可使用相關(guān)分析測定地震計水平向方位角.在研究中所選取的頻帶范圍，地脈動的波長遠(yuǎn)大于測試井深，地脈動記錄在地表及井下記錄中都有很好的反映，且波形一致性較好，因此可以利用地表不同間距地震計組合記錄相關(guān)分析結(jié)果推斷井下地震計的檢測精度.

(3) 地表實驗顯示，隨著地表檢測地震計組合之間距離的增大，測試地震計方位角的檢測精度及地脈動記錄的相關(guān)系數(shù)逐漸變小，對于地表間距920 m、2249 m、2514 m的地震計組合，測試地震計方位角檢測精度可控制在4°以內(nèi)，其地震計組合地脈動記錄相關(guān)系數(shù)約為0.8左右.研究的6個深度400 m以內(nèi)的井下觀測臺站，地表與井下地震計組合記錄的相關(guān)系數(shù)均大于地表間距920 m、2249 m、2514 m地震計組合記錄的相關(guān)系數(shù).檢測精度分析中，選取地表地震計組合及地表與井下地震計組合地脈動記錄相關(guān)系數(shù)基本一致，即大于0.85的結(jié)果設(shè)定為井下地震計方位角檢測精度可控范圍，同時考慮人為因素對檢測結(jié)果的影響，即400 m以內(nèi)井下地震計方位角的檢測精度優(yōu)于4°.

(4) 使用相關(guān)分析檢測井下地震計方位角時，地表參考地震計與井下測試地震計頻帶范圍不一致或選取的濾波頻帶范圍相頻特性變化較大時，如寬頻帶地震計與短周期地震計組合，寬頻帶記錄應(yīng)仿真到短周期記錄進(jìn)行分析.對于頻帶范圍1 s～50 Hz短周期地震計，同樣也可用相關(guān)分析檢測.

致謝本應(yīng)用研究實施中寧夏回族自治區(qū)地震局、河南省地震局、四川省地震局金濤、李鴻亭、趙暉、諶亮等人給予協(xié)助，中國地震臺網(wǎng)中心趙仲和研究員、中國地震局地球物理研究所鄭秀芬研究員、美國萊斯大學(xué)鈕鳳林教授對本文提出了一些寶貴、有益的建議，在此一并表示感謝！

References

Aster R C, Shearer P M. 1991. High-frequency borehole seismograms recorded in the San Jacinto fault zone, Southern California. Part 1. Polarizations.Bull.Seismol.Soc.Am.,81(4): 1057-1080. Bormann P. 2002. IASPEI New Manual of Seismological Observatory Practice (NMSOP).Geo Forschungs Zentrum (GFZ),Potsdam. He S L, Guo Y X, Li H L. 1997.The simulation processing of CDSN digital seismic data.NorthwesternSeismologicalJournal(in Chinese), 19(3): 11-17.

Jin X, Ma Q, Li S Y, et al. 2004.Comparison research on the records of wide band strong motion seismograph and seismometer at same station.EarthquakeEngineeringandEngineeringVibration(in Chinese), 24(5): 7-12. Lacoss R T, Kelly E J, Toksoz M N. 1969. Estimation of seismic noise structure using arrays.Geophysics, 34(1): 21-38.

Li H J. 1992.Determination of the ground displacement using FFT and modern control engineering.ActaGeophysicaSinica(in Chinese), 35(1): 37-43.

Liu R F, Chen P S, Dang J P, et al. 1997. The application of imitation for broad band digital seismic recording.SeismologicalandGeomagneticObservationandResearch(in Chinese), 18(3): 7-12. Lü Y Q, Cai Y X, Cheng J L. 2007. Orientation for seismometer with coherence analysing method.JournalofGeodesyandGeodynamics(in Chinese), 27(4): 124-127. Niu F L, Li J. 2011. Component azimuths of the CEArray stations estimated from P-wave particle motion.EarthquakeScience, 24(1): 3-13.

Peterson J. 1993. Observation and modeling of seismic background noise.Open-FileReport, 93-322, USGS.

Wei S Z, Li Y P. 1990.Possible effect of deep borehole observations on the determination of seismic spectrum and focal parameters.SeismologicalandGeomagneticObservationandResearch(in Chinese), 11(5): 56-62.

Xie J B. 2014. Deconvolution, simulation of seismic records in the time domain and application in the relative measurements of seismometer orientation.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 57(1): 167-178, doi: 10.6038/cjg20140115.

Xu Y L, Li P, Zhao Z G, et al. 1991. A preliminary study on the affect of bore-hole to seismic waves in the observation system of deep bore-holes.EarthquakeResearchinChina(in Chinese), 7(4): 46-52.

附中文參考文獻(xiàn)

何少林, 郭永霞, 李海亮. 1997. 中國數(shù)字地震臺網(wǎng)數(shù)字化地震數(shù)據(jù)的仿真處理. 西北地震學(xué)報, 19(3): 11-17.

金星, 馬強, 李山有等. 2004. 寬頻帶強震儀與地震儀同一臺基上記錄仿真對比研究. 地震工程與工程振動, 24(5): 7-12.

李鴻吉. 1992.用FFT和現(xiàn)代控制論方法恢復(fù)地面位移. 地球物理學(xué)報, 35(1): 37-43.

劉瑞豐, 陳培善, 黨京平等. 1997. 寬頻帶數(shù)字地震記錄仿真的應(yīng)用. 地震地磁觀測與研究, 18(3): 7-12.

呂永清, 蔡亞先, 程駿玲. 2007. 確定地震計安裝方位的相干性分析法. 大地測量與地球動力學(xué), 27(4): 124-127.

韋士忠, 李玉萍. 1990. 深井觀測對測定地震波譜和震源參數(shù)的可能影響. 地震地磁觀測與研究, 11(5): 56-62.

謝劍波. 2014. 地震記錄的時間域反褶積、仿真及在地震計方位角相對測量中的應(yīng)用. 地球物理學(xué)報, 57(1): 167-178, doi: 10.6038/cjg20140115.

徐永林, 李平, 趙志光等. 1991. 深井觀測中井對地震波影響的初步研究. 中國地震, 7(4): 46-52.

(本文編輯胡素芳)

基金項目中國地震局測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(20140329)資助.

作者簡介李少睿，男，1964年生，高級工程師，主要從事地震監(jiān)測及數(shù)字地震資料的應(yīng)用研究工作. E-mail：lshaorui@163.com

doi:10.6038/cjg20160125 中圖分類號P631

收稿日期2015-03-16，2015-06-16收修定稿

Research on the application of borehole seismometer azimuth detection technology

LI Shao-Rui1， MAO Guo-Liang2， WANG Dang-Xi1， LUO Zhi-Guo1

1EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince，Xi′an710068，China2EarthquakeAdministrationofHebeiProvince，Shijiazhuang050021，China

AbstractBorehole seismic observation can effectively reduce the impact of ground noise, and improve the observation accuracy of micro seismic events. At present, there are more than 180 borehole seismic stations in China, covering observations from very broad band to short period. Orienting equipment such as gyroscope is generally used in the installation of a borehole seismometer to determine its azimuth.Due to the difference between borehole and surface observation, it is difficult to verify the actual horizontal azimuth of a borehole seismometer directly using a gyroscope or other orienting equipment.

KeywordsBorehole Seismometer; Correlation analysis; Seismometer azimuth; Root-mean-square error; Detection accuracy

李少睿， 毛國良， 王黨席等. 2016. 井下地震計方位角檢測技術(shù)應(yīng)用研究.地球物理學(xué)報，59(1):299-310,doi:10.6038/cjg20160125.

Li S R, Mao G L, Wang D X, et al. 2016. Research on the application of borehole seismometer azimuth detection technology.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):299-310,doi:10.6038/cjg20160125.