利用同臺址地脈動記錄檢測井下地震計水平向方位角*

李少睿，惠少興，董平江

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

0 引言

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進，各種人為噪聲不斷增加，地面觀測已遠遠不能滿足監(jiān)測預報及科研工作的需要，而深井觀測則可以有效地減弱各種地面噪聲干擾，大大提高對微小地震的監(jiān)測能力。目前全國測震臺網(wǎng)在網(wǎng)運行的深井觀測臺站接近200個，井下地震計安裝時水平向方位基本采用磁通門、陀螺儀等設備定向，由于受外界環(huán)境、定向設備精度、地震計底座固定等因素的影響，井下地震計實際方位角與安裝時確定的方位角偏差較大。因此，地震計方位角的精確定向對剪切波分裂、接收函數(shù)和面波等的研究具有重要意義。

目前井下地震計方位角檢測通常借助于遠震、地脈動記錄(李少睿等，2012，2016；呂永清等，2007；謝劍波，2014)等資料確定；Aster和Shearer(1991)認為使用近震初至P波質點運動，可使井下地震計水平向定向達到5°的精度；Niu和Li(2011)利用多事件方法估算了中國地震臺網(wǎng)850多個地震臺站的儀器方位角，共鑒別出有270個臺站在方位角、極性等方面存在問題；陳繼鋒等(2016)利用甘肅省測震臺網(wǎng)遠震資料對所屬的44個臺站地震計方位角進行了檢核計算；周琳等(2013)分析了鄂爾多斯地塊周緣24個臺站記錄的73個7級以上遠震事件，得到的地震臺站地震計平均方位偏差與Niu和Li(2011)的結果基本一致。但是利用遠震、地脈動記錄等確定的井下地震計方位角一致性如何，結果是否可信，還沒有定論。本文使用波形相關法，對地面臺站方位角已知的地震計組合進行對比測試，同時利用同臺址地面與井下地震計組合對井下地震計方位角進行檢測，并利用遠震P波極性法進行驗證，分析檢測結果的可靠性。

1 深井觀測臺站概況

本文選取了江蘇鹽城，安徽界首、合肥、阜陽，河南航海5個井下觀測臺站進行檢測，臺站信息見表1，選取臺站觀測儀器涵蓋全國測震臺網(wǎng)在網(wǎng)運行的短周期、寬頻帶、甚寬頻帶井下地震計。這5個臺站地處市內(nèi)或近郊，臺站環(huán)境地噪聲水平高，地面與井下地噪聲水平相差較大，有一定代表性。

2 計算方法

2.1 波形相關法

測試中利用2臺地震計進行同臺址地脈動記錄測試，其中一臺為參考地震計，參考地震計方位角由陀螺尋北儀測定，一臺為測試地震計，分析時利用式(1)(2)對測試地震計記錄按照一定角度等間隔進行坐標旋轉，用式(3)分別計算各旋轉角度參考地震計的2個水平分量與測試地震計2個水平分量的相關系數(shù)，相關系數(shù)最大時所對應的旋轉角度即為測試地震計相對參考地震計的方位角，具體公式如下：

表1 深井地震臺站基本信息Tab.1 The fundamental information of borehole seismic stations

x=x1cosφ+y1sinφ

(1)

y=-x1sinφ+y1cosφ

(2)

(3)

式中：x1，y1分別為測試地震計EW和NS向數(shù)據(jù)；x，y分別為旋轉φ角度后EW向和NS向數(shù)據(jù)；x′和y′分別為參考地震計EW向和NS向數(shù)據(jù)；Rxx′為x與x′的相關系數(shù)，Ryy′同理。

2.2 地震觀測記錄的仿真

地震觀測記錄的仿真采用下式：

Y1(ω)=H1(ω)Y(ω)/H(ω)

(4)

式中：Y(ω)為地震記錄的傅里葉譜；H(ω)為地震觀測系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)；H1(ω)為需仿真的地震觀測系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)；Y1(ω)為仿真記錄的傅里葉譜，對Y1(ω)作傅里葉逆變換可得到仿真記錄。

筆者在陜西省測震臺網(wǎng)QLIT臺進行了寬頻帶地震記錄仿真到短周期地震記錄的檢驗。在同一儀器墩上架設BBVS-60寬頻帶地震計和FSS-3M短周期地震計，數(shù)據(jù)采集器使用EDAS-24IP，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉換因子為1.589 μV/count。BBVS-60寬頻帶地震計傳遞函數(shù)見式(5)，F(xiàn)SS-3M短周期地震計傳遞函數(shù)見式(6)：

(5)

式中：K=2 000 V/(m·s-1)；A0=63 165。

(6)

式中：K=2 000V/(m·s-1)；A0=1.350 2×108。

應用式(4)～(6)，即可實現(xiàn)BBVS-60寬頻帶地震記錄仿真到FSS-3M短周期地震記錄，從圖1可以看出，仿真后的記錄與FSS-3M短周期實際記錄波形基本一致。

圖1 UD向BBVS-60寬頻帶地震記錄(a)、仿真FSS-3M短周期地震記錄(b)及FSS-3M短周期實際記錄(c)Fig.1 The broadband seismic data of BBVS-60 in the UD direction(a)，simulation short period data of FSS-3M(b) and measured short period data of FSS-3M(c)

2.3 遠震P波極性法

遠震P波極性法是基于在均勻成層介質中傳播的P波開展的，其運行軌跡應在包含震源與接收臺站的垂直平面內(nèi)，P波能量集中在徑向分量上，切向分量上沒有能量。假設地震計方位角為φ，入射P波的后方位角為θa，理論計算的入射P波后方位角為θc，后方位角baz：θc=θa+φ，地震計方位角示意見圖2。對每一地震事件的水平分量進行旋轉后得到徑向和切向分量，然后計算所有事件切向分量中的P波能量加權和，搜索角度空間φ使切向分量疊加后的P波能量達到最小值時，即得到臺站地震計的方位角。

圖2 地震計方位角示意圖(N，E為臺站觀測墩處的地理北和東方向，BHN和BHE為地震計的北和東方向)
Fig.2 Schematic map of seismometer azimuth(N and E are geographical north and East in the station observation pier，BHN and BHE are the north and east directions of the seismometer)

3 計算結果和對比分析

3.1 地面觀測臺站觀測數(shù)據(jù)對比分析

為對波形相關法、遠震P波極性法在地震計方位檢測中的適用性、一致性進行分析，本文用2種方法對測試地震計方位角進行計算。

3.1.1 波形相關分析

地面觀測臺站選定陜西省測震臺網(wǎng)QLIT，HZHG，XAN，ZOZT等4個臺進行對比分析，QLIT和ZOZT臺為BBVS-60寬頻帶地震計，HZHG和XAN臺為CTS-1EF甚寬頻帶地震計。分別在這4個臺站同儀器墩安裝相同帶寬的地震計作為參考地震計，數(shù)據(jù)采集器全部使用EDAS-24IP，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉換因子為1.589 μV/count。參考地震計使用NV-NF301型陀螺尋北儀進行定向，方位角數(shù)據(jù)見表2，連續(xù)波形數(shù)據(jù)記錄12 h以上，對記錄數(shù)據(jù)進行相關分析。由表3可見，4個臺的10次測試結果基本一致，QLIT臺NS向極性反向，QLIT1為NS向數(shù)據(jù)經(jīng)人工校正后的結果，QLIT2為對地震計NS向信號線經(jīng)過改正后的結果。由于每個臺站測試時，參考與測試地震計帶寬相同，且2套儀器架設在同一儀器墩上，因此計算時直接使用地震記錄進行對比分析。

表2 地面參考地震計方位角Tab.2 Azimuth of surface referenced seismometer

表3 地面觀測臺站同儀器墩寬頻帶地震計方位角檢測結果Tab.3 The broadband seismometer detection results of the surface seismic observation station on the same instrument frusta 單位：(°)

筆者在陜西省測震臺網(wǎng)QLIT臺進行了同儀器墩寬頻帶與短周期地震計組合的測試。寬頻帶地震計使用BBVS-60寬頻帶地震計，方位角為0.3°，在同儀器墩安裝FSS-3M短周期地震計，方位角為0.1°。從表4的分析結果來看，未仿真計算結果：相關系數(shù)為0.985 8，相對方位偏差為0.8°，經(jīng)BBVS-60地震計方位角校正后為1.1°；仿真計算結果：相關系數(shù)為0.996 8，相對方位偏差為-0.5°，經(jīng)BBVS-60地震計方位角校正后為-0.2°，綜合分析認為仿真結果優(yōu)于未仿真結果。

表4 QLJT臺同儀器墩寬頻帶與短周期地震記錄分析結果Tab.4 The analysis results of the broadband seismic data and short period seismic data on the same instrument frusta of QLJT station

注：序號1～18表示使用了18個小時記錄數(shù)據(jù)進行分析.

3.1.2 遠震P波極性分析

對2011年1月—2013年7月陜西省測震臺網(wǎng)記錄的MW≥5.0、震中距為30°～90°的地震事件進行遠震P波極性分析，4個臺站地震計方位偏差遠震記錄計算結果時間序列見圖3。從表5統(tǒng)計情況來看，遠震P波極性分析的計算結果與儀器方位角普查陀螺尋北儀檢測的結果有一定偏差，最大達2.9°；陀螺尋北儀檢測的結果與波形相關分析得到的結果偏差較小，在0.4°以內(nèi)。使用遠震P波極性分析得出的HZHG臺方位偏差為-8.5°，與周琳等(2013)給出的-10.8°以及Niu和Li(2011)給出的-9°基本一致，但與儀器方位角普查及波形相關分析的結果有一定的偏差。遠震P波極性分析相對波形相關分析結果偏差較大，這是由于遠震P波極性分析方法得到的地震計方位角，受臺站下方介質各向異性、速度的橫向不均勻性以及傾斜界面等因素的影響，但總體來講，3種方法確定的方位角數(shù)據(jù)均比較可信。

表5 臺站地震計方位偏差結果統(tǒng)計Tab.5 Statistics of deviation of the seismometer azimuth

3.2 同臺址地面多套地震計與井下地震計觀測數(shù)據(jù)對比分析

選定河南省測震臺網(wǎng)HH臺進行對比分析。HH臺為深井觀測臺站，架設FSS-3DBH短周期地震計，數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24IP，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉換因子為1.589 μV/count。臺站地處市內(nèi)區(qū)域，人為干擾較大，經(jīng)計算井下450 m處于Ⅲ級環(huán)境地噪聲水平，地面處于Ⅴ級環(huán)境地噪聲水平。測試時在距觀測井15 m處分別架設2套BBVS-60寬頻帶地震計、1套CMG-40T寬頻帶地震計、1套FSS-3M短周期地震計，F(xiàn)SS-3M短周期地震計使用EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉換因子為1.589 μV/count，其它3套地震計均使用EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，采樣率100 sps，最小相位濾波，轉換因子為1.192 μV/count。

圖3 地面觀測臺站地震計方位偏差遠震記錄計算結果時間序列
Fig.3 The time series of the calculated results of seismometer azimuth deviation based on teleseism data in the surface seismic observation stations

參考地震計安裝時，由于室內(nèi)沒有儀器墩，測試地震計在室外土層場地安裝，挖除表層松散回填土，放置40 cm×40 cm×1 cm花崗巖板，石板與土層緊密結合，地震計安裝于石板上，地震計方位角由陀螺尋北儀測定，4套參考地震計方位角均為0°，地面觀測系統(tǒng)連續(xù)記錄24 h以上，分析4套地震計與井下地震計組合24 h數(shù)據(jù)，相關分析時采用0.2～0.3 Hz帶通濾波(李少睿等，2016)，其中地面BBVS-60寬頻帶地震計、CMG-40T寬頻帶地震計記錄仿真到FSS-3DBH短周期地震記錄，計算結果見表6，7。對2011年1月—2013年7月HH臺記錄的MW≥5.0、震中距為30°～90°的地震事件進行遠震P波極性分析，臺站地震計方位偏差遠震記錄計算結果時間序列見圖4，計算結果見表7。從表6，7中可以看出，4套地震計組合得出的井下地震計方位偏差基本一致，其中遠震P波極性分析結果與相關分析的結果偏差較大，除3.1.2列出的影響因素外，HH臺井下地震計為短周期地震計也是因素之一。

表6 HH臺同臺址多套儀器地震記錄與臺站井下短周期地震記錄分析結果Tab.6 The analysis results of multigroup instruments seismic data in the same surface station and borehole short period seismic data in HH station 單位：(°)

表7 同臺址地脈動記錄相關法及遠震P波極性法測定HH臺井下地震計方位角結果Tab.7 The results of the borehole seismometer azimuth detection of the HH station by the method of microtremors data correlation and teleseism P-wave polarity at the same station

圖4 HH臺井下地震計方位偏差遠震記錄計算結果時間序列Fig.4 The time series of the calculated results of borehole seismometer azimuth deviation based on teleseism data in the HH station

3.3 深井觀測臺站記錄數(shù)據(jù)對比分析

3.3.1 波形相關分析

本次測試JSO，F(xiàn)YT，YC 3個臺使用CMG-40T寬頻帶地震計作為參考地震計，地震計安裝于臺站觀測室內(nèi)；HEF臺使用臺站地面觀測儀器CTS-1EF甚寬頻帶地震計作為參考地震計。測試使用EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，采樣率為100 sps，最小相位濾波，轉換因子為1.192 μV/count，臺站地面參考地震計方位角見表2。JSO，F(xiàn)YT，YC，HEF臺井下地震計信息見表1，其中EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，采樣率100 sps，最小相位濾波，轉換因子為1.589 μV/count；CMG-DM24數(shù)據(jù)采集器，采樣率為100 sps，最小相位濾波，轉換因子為3.178 μV/count。參考地震計與井下地震計并行觀測12 h以上，進行記錄數(shù)據(jù)相關分析，測定井下地震計的方位角。

JSO，YC，HEF 3個臺，參考地震計與井下地震計均為寬頻帶地震計，直接使用地震記錄進行對比分析，在相關分析時使用0.2～0.3 Hz帶通濾波。FYT臺地面參考地震計為寬頻帶地震計，井下地震計為短周期地震計，分析時地面寬頻帶地震記錄仿真到FSS-3DBH短周期地震記錄，使用0.2～0.3 Hz帶通濾波。以上4個臺中，YC和HEF臺井下地震計安裝時沒有進行定向，JSO和FYT臺均使用陀螺儀進行了定向，但從表8可以看出，除HEF臺外，其余3個臺站井下地震計方位角偏差都較大，其中YC臺為155.1°，經(jīng)地面參考地震計方位角校正后為154.9°；JSO臺為-121.3°，經(jīng)校正后為-120.8°；HEF臺為-2.8°，經(jīng)校正后為-1.1°；FYT臺為-89.4°，經(jīng)校正后為-89.7°。

表8 深井觀測臺站井下地震計方位角檢測結果Tab.8 The results of borehole seismometer azimuth detection of the borehole seismic observation stations 單位：(°)

3.3.2 遠震P波極性分析

對2011年1月—2013年7月JSO，YC，HEF，F(xiàn)YT這4個井下觀測臺站記錄的MW≥5.0、震中距為30°～90°地震事件進行遠震P波極性分析，4個臺站地震計方位偏差遠震記錄計算結果時間序列如圖5所示。從表9的結果來看，對于井下地震計，地脈動記錄波形相關分析與遠震P波極性分析得到的井下地震計方位角基本一致，同樣FYT臺由于井下地震計為短周期地震計，遠震記錄的分析結果偏差相對較大。

圖5 深井觀測臺站井下地震計方位偏差遠震記錄計算結果時間序列
Fig.5 The time series of the calculated results of borehole seismometer azimuth deviation of the borehole seismic observation stations based on teleseism data

表9 同臺址地脈動記錄波形相關法及遠震P波極性法確定的井下地震計儀器方位角統(tǒng)計Tab.9 The statistics of borehole seismometer azimuth determined by the method of microtremors data correlation and teleseism P-wave polarity at the same station

4 結論

本文通過使用波形相關法、遠震P波極性法對地面及井下地震計方位角進行對比檢測，得出以下結論：

(1)由于井下地震計固定方法的缺陷，使用陀螺儀、磁通門等傳統(tǒng)方法定向井下地震計方位角，實際定向結果不可靠。

(2)地面、井下地震計方位角檢測中波形相關法和遠震P波極性法都可以得到較為滿意的結果，其中波形相關法檢測精度優(yōu)于遠震P波極性法，因此波形相關法可作為井下地震計安裝時方位角的現(xiàn)場檢測方法，遠震P波極性法可作為臺網(wǎng)中心日常檢測地震計方位角的方法。

(3)使用遠震P波極性法檢測井下地震計方位角，井下寬頻帶記錄檢測效果優(yōu)于短周期記錄。

中國地震局地球物理研究所鄭秀芬研究員提供了遠震數(shù)據(jù)，美國萊斯大學鈕鳳林教授提供檢測程序，江蘇省地震局盧永高級工程師、河南省地震局趙暉高級工程師在檢測中給予協(xié)助，在此一并表示感謝。