利用P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)福建臺(tái)網(wǎng)地震計(jì)方位角

陳家樑，戴麗金，張寶劍

（福建省地震局，福州 350003）

0 引言

現(xiàn)代地震學(xué)研究中包括SKS剪切波分裂[1]、接收函數(shù)研究等，都需要以精確可靠的三分量寬頻帶地震記錄為前提進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如果通過震源與臺(tái)站經(jīng)緯度計(jì)算得出的理論方位角與真實(shí)值存在較大的差異，勢(shì)必會(huì)影響以上所有的研究結(jié)果。國外地震工作者很早就對(duì)地震計(jì)方位角進(jìn)行過研究計(jì)算，也確實(shí)發(fā)現(xiàn)了有些臺(tái)站存在有較大的方位角偏差問題。國內(nèi)Niu等[2]利用P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)原理，通過多地震事件橫向能量最小的“SNR為權(quán)重的多事件”方法，對(duì)國內(nèi)部署有寬頻帶地震計(jì)的臺(tái)站進(jìn)行研究計(jì)算，發(fā)現(xiàn)多數(shù)省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中均存在有方位角偏差的問題。在監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司的統(tǒng)一部署下，2013年福建臺(tái)網(wǎng)中心工作人員利用高精度尋北儀對(duì)所有臺(tái)站進(jìn)行真北方向校正，校正過程中也確實(shí)發(fā)現(xiàn)有方位角偏差的問題。

隨著福建“十二五”建設(shè)的完成，福建臺(tái)網(wǎng)中布設(shè)有寬頻帶地震計(jì)的臺(tái)站共有74個(gè)[3]，在提高本區(qū)域臺(tái)站密度的同時(shí)，急需要全方位多手段地去監(jiān)控并提升臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。福建省地震局經(jīng)過科學(xué)系統(tǒng)的改革后，在福建地震預(yù)警與監(jiān)測(cè)中心成立了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)管室。方位角作為數(shù)據(jù)質(zhì)量的一部分，需要我們數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)管部門對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，并反饋給臺(tái)站維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的校核和校正。隨著科技水平的提高，現(xiàn)代化的地震計(jì)其三分量傳感器之間的方向正交性基本上可以得到保障。之所以還會(huì)出現(xiàn)偏差較大的問題，在于人為的通道命名、后期的維護(hù)更換以及外部環(huán)境的影響等。本文利用Niu等[1]提出的方法，基于Python程序語言開發(fā)一套相應(yīng)算法的程序，對(duì)福建臺(tái)網(wǎng)的寬頻帶地震計(jì)方位角進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比臺(tái)站方位角在校正前后的實(shí)際變化，并持續(xù)性地跟蹤臺(tái)站方位角的變化情況。

1 計(jì)算方法

基于合理的假設(shè)利用壓縮P波運(yùn)動(dòng)的原理，即P波在水平面的投影將會(huì)集中在徑向分量上。假設(shè)地震計(jì)N分量嚴(yán)格指北，則計(jì)算得到的最大偏振能量的方向與臺(tái)站至地震震中的理論反方位角一致，即圖1中的θc。但若N方向不能夠嚴(yán)格指北，存在偏差φ，則計(jì)算得到的最大能量的方向應(yīng)該為θa=θc-φ。因此通過地理方位計(jì)算出θc，通過最大偏振能量計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)角θa，就可以確定N通道是否存在偏差及偏差的角度。本文將采用Niu等提出的利用多事件信噪比加權(quán)疊加（“SNR”為權(quán)重）法，基本步驟為：先計(jì)算出每個(gè)臺(tái)站與具體事件的反方位角θc，并在0°～180°之間以1°為間隔定義φ值；再以旋轉(zhuǎn)角θa=θc-φ對(duì)每個(gè)事件進(jìn)行徑向和橫向的能量分解計(jì)算，并對(duì)橫向的P波能量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算；而后疊加每個(gè)事件相同φ值的能量后求出最小能量對(duì)應(yīng)的φ值，認(rèn)為此時(shí)的φ為最終的偏移角度[4]。

圖1 地震計(jì)方位角關(guān)系示意圖

2 數(shù)據(jù)選擇及結(jié)果分析

按照監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司要求，福建地震預(yù)警與監(jiān)測(cè)中心儀器維護(hù)室人員利用高精度尋北儀，于2013年上半年對(duì)福建臺(tái)網(wǎng)所轄臺(tái)站的地震計(jì)進(jìn)行方位角現(xiàn)場(chǎng)校正。為便于對(duì)比校正前后方位角的準(zhǔn)確性，本文以2013年為界，分兩個(gè)階段對(duì)同一臺(tái)站地震計(jì)的方位角用以上方法進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 數(shù)據(jù)選擇及計(jì)算

在數(shù)據(jù)的選取上，本文選取的地震事件均為遠(yuǎn)震，且為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，還對(duì)每個(gè)地震事件進(jìn)行人工檢視，將由于零飄、卡擺及噪聲大造成信噪比差等的問題臺(tái)站進(jìn)行剔除。為保證帶寬的一致性，在計(jì)算偏振能量之前對(duì)所有的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行5～50 s的帶通濾波，并定義正北方向?yàn)?°，順時(shí)針方向?yàn)檎槟軌蚍从吵霾煌瑫r(shí)間段方位角的變化情況，還對(duì)每個(gè)臺(tái)站單個(gè)地震事件進(jìn)行計(jì)算。

2.2 結(jié)果分析

表1是通過“SNR法”計(jì)算得出的2個(gè)階段不同臺(tái)站的具體方位角偏差值，以及2013年通過高精度尋北儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。圖2則分別列出了同一臺(tái)站在不同時(shí)間段方位角隨時(shí)間演變的序列圖。

圖2 各臺(tái)站地震計(jì)方位角偏差計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列圖

表1 SNR方法計(jì)算及尋北儀所測(cè)福建測(cè)震臺(tái)站地震計(jì)方位角偏差大于5°的列表

綜合以上可以看出，經(jīng)過尋北儀的校正后，絕大部分臺(tái)站方位角的偏差得到了明顯改善，并且從序列圖可以看出，從2015年到2019年之間也保持了較好的狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果顯示，尋北儀測(cè)得值與“SNR法”計(jì)算第一階段的值相近，但少數(shù)臺(tái)站因?yàn)檩^為高頻的地震計(jì)維護(hù)更換及分向命名等的錯(cuò)誤，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在較大出入。通過分析2個(gè)階段的臺(tái)站時(shí)間序列圖發(fā)現(xiàn)，個(gè)別臺(tái)站存在較為明顯的異常，結(jié)合福建地震監(jiān)測(cè)中心2012年以來的臺(tái)站電子維護(hù)日志，現(xiàn)具體分析如下：

1）WYXF（武夷新豐）臺(tái)，從其序列圖可以看出在2010年7月5日的地震事件之前，其方位角的偏差均在-46°及以上，通過文獻(xiàn)[1]中的虛擬臺(tái)陣的方法發(fā)現(xiàn)此臺(tái)分量擺放錯(cuò)誤，將BHE分量擺放在指北方向。經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后再計(jì)算2009年6月至2010年7月之間的數(shù)據(jù)，得出該臺(tái)的方位角偏差為30°。利用2010年7月以后的數(shù)據(jù)計(jì)算此臺(tái)的方位角偏差則為-2°，可見兩者之間有較大的差值，這也突顯了時(shí)間序列圖的重要性。

2015年后WYXF臺(tái)的方位角偏差達(dá)到了15°，之所以有這么大的偏差，經(jīng)推測(cè)應(yīng)與多次更換地震計(jì)有關(guān)。如表2所示，此臺(tái)于2013年5月份經(jīng)過尋北操作之后到2019年8月止，與移動(dòng)地震計(jì)有關(guān)的維修次數(shù)有9次。時(shí)間序列圖顯示在2017年10月以后，方位角的偏差就一直穩(wěn)定在30°附近，而此臺(tái)截止到2019年8月為止，最后一次移動(dòng)地震計(jì)時(shí)間在2017年10月25日，因此有理由相信此臺(tái)的偏差與更換地震計(jì)的操作有關(guān)。

表2 WYXF臺(tái)有關(guān)地震計(jì)的維護(hù)日志

2）TNSC（泰寧杉城）臺(tái)計(jì)算結(jié)果偏差了21°，與實(shí)測(cè)結(jié)果0°相差較大，從序列圖中也發(fā)現(xiàn)了與WYXF臺(tái)一樣的問題，以2010年7月為界兩邊的偏差值有明顯的區(qū)別。同樣通過虛擬臺(tái)陣的方法，得出在2010年7月份之前因BHN分量置于正東方向，導(dǎo)致了兩邊計(jì)算結(jié)果有較大的差異性。為盡量真實(shí)地反演出此臺(tái)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)之前的方位角偏差，對(duì)于此臺(tái)采取直接去除2010年7月份之前的數(shù)據(jù)，并增加遠(yuǎn)震事件到2012年底后計(jì)算得到方位角偏差值為6°。

Niu等[2]認(rèn)為，方位角偏差在-7°～7°之間的臺(tái)站數(shù)據(jù)不會(huì)對(duì)面波極性研究結(jié)果帶來較大影響，且這樣水平的偏差，除去地震計(jì)方位角偏差外還由多種因素組成。以上述偏差范圍為界，通過對(duì)2015年1月到2019年8月之間的遠(yuǎn)震事件的處理，得到福建測(cè)震臺(tái)網(wǎng)74個(gè)部署寬頻帶地震計(jì)的方位角偏差值，其中有72個(gè)臺(tái)站的方位角偏差值在-7～7°之間。除武夷新豐臺(tái)及漳平永福臺(tái)，福建測(cè)震臺(tái)站方位角在2013年尋北之后保持了較高的準(zhǔn)確率，具體臺(tái)站偏差情況如圖3（除武夷新豐和張平永福臺(tái)外，以地震計(jì)方位角偏差值為色差的福建臺(tái)網(wǎng)寬頻帶臺(tái)站的分布圖）所示。

圖3 方位角偏差臺(tái)站分布圖

漳平永福臺(tái)為2013年“背景場(chǎng)”項(xiàng)目新建臺(tái)站，在儀器初裝時(shí)即使用尋北儀進(jìn)行過精確的尋北操作，但與武夷新豐臺(tái)一樣存在地震計(jì)的更換與其他維護(hù)操作。經(jīng)實(shí)地觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)兩個(gè)臺(tái)站所用儀器均為港震的BBVS-60地震計(jì)，該地震計(jì)的外殼沒有明顯的指北線標(biāo)識(shí)。圖4為該儀器的簡易圖，在安裝時(shí)需要將方位基準(zhǔn)面的法線方向指向地理東，由于安裝人員沒有留意導(dǎo)致2個(gè)臺(tái)站均出現(xiàn)了較大的偏差。利用高精度尋北儀測(cè)得后發(fā)現(xiàn)武夷新豐臺(tái)偏差13°，而漳平永福臺(tái)則偏差了-53°，與用該方法所測(cè)得的15°及-59°的偏差結(jié)果也較為接近。

圖4 BBVS-60安放示意圖

3 結(jié)論

1）“SNR為權(quán)重的多事件”方法能夠有效檢驗(yàn)地震計(jì)方位角的偏差，但需要對(duì)有極性反轉(zhuǎn)等問題臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在用程序處理中還需要特別注意有時(shí)間延遲的臺(tái)站，否則計(jì)算結(jié)果不正確。

2）為提供全面客觀的計(jì)算結(jié)果及臺(tái)站方位角的演變歷程，需要提供用各臺(tái)站所有單個(gè)地震事件的時(shí)間序列圖。若出現(xiàn)一張序列圖中有兩段及以上較為明顯不一致的結(jié)果，則需要進(jìn)一步查找和分析原因。因此，建議所使用地震事件的時(shí)間跨度要盡可能大一些，否則有可能在序列圖上不能明顯地反演出問題臺(tái)站。

3）福建臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站在2013年尋北之前確實(shí)有地震計(jì)方位角偏差的問題，而在尋北之后至2019年8月份之間，整個(gè)臺(tái)網(wǎng)所屬寬頻帶地震計(jì)方位角總體上保持了較高的準(zhǔn)確率，但也出現(xiàn)因多次維護(hù)更換地震計(jì)導(dǎo)致重新出現(xiàn)較高偏差的臺(tái)站，故對(duì)于方位角的監(jiān)控應(yīng)該是持續(xù)性的。