蘭州和海拉爾核查地震臺陣慢度和方位角校正方法研究①

王 娟，邱宏茂，張 波，劉俊民，王曉明，王 洪，盧遠鐳，許 進，李 健，崔甲甲

（禁核試北京國家數據中心和北京放射性核素實驗室，北京 100085）

蘭州和海拉爾核查地震臺陣慢度和方位角校正方法研究①

王 娟，邱宏茂，張 波，劉俊民，王曉明，王 洪，盧遠鐳，許 進，李 健，崔甲甲

（禁核試北京國家數據中心和北京放射性核素實驗室，北京 100085）

介紹了一種地震臺陣慢度和方位角格點校正方法，在預定義的格點空間調整校正慢度和方位角，從而消除系統偏差，提高地震臺站慢度與方位角估計的精度。利用該方法對我國核查地震臺陣海拉爾和蘭州方位角和慢度進行了校正，離線和在線的測試顯示了臺站慢度和方位角估計性能的提高。

核查地震臺陣；慢度；方位角；校正

Abstract：A method of slowness－azimuth station corrections（SASC）for seismic array which is designed to correct slowness and azimuth in predefined small bins is introduced.The aim of SASC is to remove the systematic bias from observations so that the performance slowness－azimuth for stations can be improved.The slowness－azimuth for HILR and LZDM Verification Seismic Arrays in Comprehensive Nuclear－Test－Ban Treaty（CNBT）Beijing National Data Centre（NDC）is corrected using this method，and the rusults of testing with new correction show improvement of slowness and azimuth estimation.

Key words：CTBT seismic array；Slowness；Azimuth；Correction

0 引言

地震監測臺站從結構上一般來說有三分向單臺臺站和臺陣兩種類型。核查地震臺陣是由日內瓦裁軍談判特設科學專家組在1958年提出，目的是探測遠方地下核試驗的地震信號，給禁止核試驗提供核查手段。此后美國、英國等一些國家開始了建設地震臺陣的試驗與研究，先后建立了十多個地震臺陣，包括加拿大的黃刀臺陣、美國的LASA臺陣和挪威的NORSAR臺陣［1］。1996年9月10日的聯合國大會通過了全面禁止核試驗條約（CTBT），要求建立全球范圍內的地震監測臺網，它包含兩部分：基本臺網和輔助臺網。基本臺網由50個基本臺站組成，輔助臺網由120個輔助臺站組成。基本臺網將形成地震監測系統的主干，將近60%的基本臺站將最終為地震臺陣，其中包括我國的海拉爾臺陣（HILR）和蘭州臺陣（LZDM）。2004年下半年海拉爾和蘭州地震臺陣通過了我國的驗收，開始試運行，并于2007年7月向禁核試北京國家數據中心傳送實時數據。

簡單地說，地震臺陣是在與所觀測地震波波長相當的孔徑范圍內有規則排列的一組地震計，通過這組地震計的輸出信號進行各種組合分析，壓低干擾背景，突出有用地震信號和獲取有關震源及地球內部結構的信息。與單一的三分向地震臺站相比，臺陣的主要優點之一是可用頻率－波數分析比較準確地提取出地震信號到達臺站的方位角和慢度。這兩個參數是表征地震信號的兩個關鍵參數，在地震信號的識別、震相的關聯和地震定位等多個方面都起著十分重要作用。但在實際運行中，臺站的方位角和慢度會出現一定的系統偏差［2］。由此需要進行一系列的標定來校正慢度和方位角，從而進一步校正震源位置。

本文提出的臺站慢度、方位角格點校正，其目的是消除慢度與方位角的系統偏差，提高地震臺站慢度與方位角估計的精度。本文所有的校正以IASPEI91模型為理論值，該模型是國家數據中心基本的地球模型。

1 慢度與方位角的計算與校正方法

1.1 計算方法

地震臺陣的方位角、慢度用頻率波數分析方法計算。地震臺陣原始時域數據轉換為頻率波數功率譜，其尖峰表示空間相干波形數據的慢度和方位角。

國家數據中心數據處理系統使用寬帶f－k算法［3］計算頻率波數功率譜，計算公式如下：

式中sn，se分別為慢度矢量的北南和東西分量；Fi（f）是第i個臺陣傳感器在頻率f的傅立葉振幅；dnorthi和deasti分別為第i個臺陣元素相對于參考子臺的北南、東西坐標；f1、f2分別為最低和最高頻率；J為臺陣傳感器個數。

f－k頻譜的尖峰顯示掠過臺陣信號的慢度和方位角。兩維插值可提高f－k功率譜的尖峰的慢度坐標（Sep，Snp）的精確性，經過插值處理的慢度坐標可用來計算信號空間相干平面波能量的方位角和慢度：

1.2 慢度與方位角校正

為了實現地震臺站慢度與方位角格點校正（SASC），我們在慢度空間設計了一個極平面格點文件，每個格點都由唯一的慢度和方位角間隔決定。對于慢度－方位角觀察值的分布來說，極平面格點比簡單的笛卡爾平面格點更合適。選取的慢度值范圍從0到40sec／deg，包括區域性震相在不同的慢度區間方位角的劃分有所不同，設計的格點文件一共包括906個格點，如圖1所示。慢度－方位角的觀察值、殘差與理論值之間的關系如下［4］：

上兩式中，ξr、θr分別為慢度、方位角殘差，SASC校正的目的是減小預定義格點內觀察值的系統偏差。在預定義的格點內的慢度與方位角校正值定義為該格點內慢度和方位角殘差的中間值，校正后的慢度和方位角觀察值如下兩式所示：

圖1 SASC格點文件圖形表示Fig.1 SASC grid in slowness space.

ξc、θc為預定義格點內的慢度、方位角校正值。在一個格點內震相的慢度與方位角須符合以下條件：該格點內的震相觀察值個數需大于10，慢度殘差的標準偏差小于1sec／deg，方位角殘差的標準偏差小于15deg，該格點內的校正才視為有效。以上限制是為了防止預定義格點內觀察值的散度太大，當格點內觀察值個數不夠或有較大散度時，該格點內的慢度和方位角觀察值將不做校正。

2 性能評估與測試結果

2.1 海拉爾和蘭州臺陣慢度和方位角估計性能評估

在執行慢度與方位角校正前，需對運行系統中的海拉爾和蘭州臺陣的慢度和方位角進行性能評估。我們分析了20個月（2007年8月1日－2009年4月31日）的數據。表1為未校正前20個月期間海拉爾和蘭州臺陣慢度和方位角估計性能。圖2和圖3分別為海拉爾和蘭州慢度與方位角殘差的柱狀圖，兩圖中（a）、（b）子圖分別為未校正前的慢度殘差柱狀圖和方位角殘差柱狀圖，（c）、（d）子圖為校正后的慢度殘差柱狀圖和方位角殘差柱狀圖。所取的樣本為自動處理與交互分析相關聯的高信噪比震相。理想情況下慢度與方位角殘差柱狀圖應為均值為0的正態分布。然而實際情況下許多臺站的慢度與方位角經常有一個系統偏差。在所選時間段內，海拉爾臺陣的慢度和方位角估計性能比蘭州臺陣性能好，有較低的殘差標準偏差和中間值。

圖2 海拉爾臺陣慢度與方位角殘差柱狀圖Fig.2 Histograms of slowness and azimuth residuals at HILR.

2.2 測試結果

我們用前述方法對海拉爾和蘭州臺陣進行慢度和方位角格點校正，并產生SASC參數文件，該參數文件用于國家數據中心臺站處理和臺網處理軟件中。為得出兩臺陣的SASC參數文件，所使用的訓練數據樣本需滿足以下條件：從分析員審定事件庫中選擇的事件至少由5個臺站定位，且方位角的間隙小于180°；屬于被選擇事件的信號為時間確定，高信噪比的信號；所有的檢測信號為自動處理與交互分析相關聯的高信噪比震相。在2007年8月1日－2009年4月31日期間，分析員審定事件庫中總的事件數為19 704個事件，符合上述條件的事件數為5 126個，其中有海拉爾臺陣參與定位的事件為3 263個，蘭州臺陣參與定位的事件為2 654個。表2為海拉爾、蘭州地震臺陣的SASC比較，Nobs為總的觀察震相樣本值；Ncor為觀察震相樣本貢獻給SASC校正的震相數目；Bin＿pop為有觀察震相的格點數目；Ncb為計算出的可用于校正的格點。

圖3 蘭州臺陣慢度與方位角殘差柱狀圖Fig.3 Histograms of slowness and azimuth residuals at LZDM.

表1 未校正前的海拉爾和蘭州臺陣慢度與方位角殘差統計

表2 海拉爾和蘭州地震臺陣的SASC比較

圖4分別為海拉爾和蘭州地震臺陣的SASC圖，從格點中心指出的實心矢量顯示落入格點中的信號將被該矢量校正（帶一個菱形結束）。圖中空白的區域表明從觀察數據中未得出格點校正。

圖4 蘭州和海拉爾臺陣的SASC圖Fig.4 SASC maps of HILR and LZDM.

表2為經過慢度和方位角格點校正后的海拉爾和蘭州臺陣的慢度與方位角殘差統計。對比表1與表2，校正后臺陣的慢度和方位角估計性能比校正前的性能要好。圖2和圖3（c）、（d）子圖中的慢度與方位角殘差柱狀圖更近似為均值為0的正態分布。

表2 校正后海拉爾和蘭州臺陣慢度與方位角殘差統計

3 結束語

本文討論的臺陣方位角和慢度校正方法具有通用性，開發的慢度方位角校正格點（SASC）程序能方便有效地對系統其他有足夠多樣本集的地震臺站生成慢度方位角校正文件，完成臺站的慢度方位角校正。程序設計靈活，參數文件中格點文件的設置及格點內慢度、方位角條件的選取可針對具體臺站進行設定。利用本文所討論的方法，采用20個月的樣本數據對海拉爾和蘭州臺陣調整校正慢度及方位角，得出了該臺站的新的臺站慢度校正參數和SASC參數文件，經對這些新的校正參數的在線和離線測試顯示了慢度和方位角估計性能有了提高。

需指出的是，本文所討論的算法是建立在假設臺站正下方的地質結構是橫向均勻成層介質以及臺陣的所有傳感器是在同一水平面基礎上的，未考慮復雜的地質結構。復雜的地質結構將可能會導致慢度和方位角測量背離理論值。

［1］ RINGDAL F，HUSEBYE E S.Application of Arrays in the Detection，Location，and Identification of Seismic Events［J］.Bull.Seism.Soc.Am.1982，72：201－224.

［2］ Schweitzer J.An assessment of the estimated mean mislocation vectors for small－aperture arrays［A］∥NORSAR semiannual technical Summary，1April－30September［G］.Kjeller，Norway：NORSAR Sci.Rep.，1995：128－129.

［3］ Kv?rna T.Automatic Onset Time Estimation Based on Autoregressive Processing［A］∥Semiannual Technical Summary，1April－30September［G］.Kjeller，Norway：NORSAR Sci.Report，1995：113－133.

［4］ Bondar I，R G North，G Beall.Teleseismic slowness－azimuth station corrections for the International Monitoring System Seismic Network［J］.Bull.Seism.Soc.Am.，1999，89：989－1003.

Research on Method of Slowness－Azimuth Station Corrections for LZDM and HILR Verification Seismic Arrays

WANG Juan，QIU Hong－mao，ZHONG Bo，LIU Jun－min，WANG Xiao－ming，WANG Hong，LU Yuan－lei，XU Jin，LI Jian，CUI Jia－jia
（CTBT Beijing National Data Centre ＆Radio－Nuclide Laboratory，Beijing 100085，China）

P315.43

A

1000－0844（2010）04－0330－04

2009－08－06

國防科技預先研究軍控核查技術（513310104）

王 娟（1973－），女（土家族），湖南漣源人，碩士，副研，現從事禁核試核查監測數據處理技術研究.