采用P波分析法校正北京遙測地震臺網地震計方位角

黃 靜 房立華 王長在 郭永霞

（中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所）

0 引言

早期地震計擺墩大多未設立永久地理子午線標志，利用記錄筆繪制的臨時性標志，隨著歲月的流逝往往難以辨認，受鐵磁性物質干擾，利用羅盤進行方位測量存在較大誤差。由于沒有明顯可靠的參考標志，在儀器維修、更換過程中，部分臺站地震計水平分向方位存在明顯偏差。

Ekstrom G和Busby R W等（2008）通過分析地震面波和P波質點運動，對USArray部分寬頻帶地震臺站方位角進行推算和對比，發現部分臺站方位角存在誤差。Niu Fenglin等（2011）采用P波質點運動方法，對中國地震臺網部分臺站方位角進行推算，發現有些臺站方位角存在誤差，儀器擺放位置有誤。

在2006年頒布的中華人民共和國地震行業國家標準——地震臺建設規范中規定地理子午線的測量精度應達到或優于0.1°。利用尋北儀（不受地磁環境干擾），北京遙測地震臺網對地震臺地震計擺放方位進行測量與調整，地理北方位測量精度可達0.06°，目前該方法已在我國地震系統進行推廣（李晉燕等，2010）。經尋北儀測量校正，地震儀觀測記錄不再存在方位角偏差，但校正前觀測記錄可能因儀器擺放位置不精確而出現誤差，對科研工作造成影響。對同一臺站儀器校量前后相同地點遠震記錄P波質點運動軌跡，采用P波極性分析等方法測定方位角，與尋北儀確定的真北方向進行對比，進而推斷方位角正確與否。

1 數據分析

北京遙測地震臺網（以下簡稱北京臺網）始建于1966年，是我國第1個遙測地震臺網，包括28個地震臺（含4個井下短周期臺），分布在北京與河北省境內。2010年底北京臺網利用尋北儀測量真北方向，對臺網所屬北京地區12個地震臺（喇叭溝、太師屯、馬道峪、塔寺、四座樓、南山村、龍泉寺、法華寺、周口店、上方山、東三旗和大興臺）地震計擺放方位進行測量與校正，因東三旗臺與大興臺安放短周期井下擺，此次研究不做考慮。北京地區10個地震臺尋北儀校正時間見表1。

表1 北京地區地震臺尋北儀校正時間Table1 Calibration date in Beijing area

圖1 地震計比測面角度差示意(a)BBVS-60比測面與FBS-3B比測面相差60°；(b)FBS-3B與BBVS-60指北面示意Fig.1 Degree difference of calibration plane

方位校正期間，塔寺臺進行地震計升級，從FBS-3B升級到BBVS-60。升級完成后，通過臨近臺波形記錄對比，發現地震計經尋北儀校正后波形存在角度問題，檢驗發現，FBS-3B和BBVS-60地震計比測面不同。FBS-3B在擺放時以標牌面為準，朝向西，順標牌面方向指北；通過尋北儀確定塔寺臺真北方向時，最初以標牌面為基準擺放BBVS-60，實際BBVS-60新增指北基準面，檢驗發現誤差60°。塔寺臺地震計比測面方位角差示意圖見圖1。理論上，如果地震計方位正確，由臺站與震中位置得出的“理論方位角”與通過P波分析法計算得出的“計算方位角”應一致。以此思路，將通過P波質點運動軌跡偏振分析法和P波極性分析法得出的方位角，與理論方位角對比，從而對北京臺網10個臺站的地震計方位角進行檢驗。

1.1 P波質點運動軌跡偏振分析法

信號偏振是震相特征之一，利用偏振分析法計算震中方位角，主要是建立一個偏振橢球，用該模型求解P波質點的主要震動方向。

1.1.1 震例選取。基于射線理論的地震波P波質點運動軌跡偏振分析法，受波程路徑影響較大，為避免反射波和繞射波影響及上地幔頂層、低速層和高速層影響，選擇2010年12月至2012年5月，北京臺網應用尋北儀后記錄良好的29個6級以上地震（震中距30°—60°），237次波形數據進行分析（表2）。

1.1.2 P波質點運動軌跡偏振測定分析。由于不同路徑對地震波的影響不同，所以不同時間窗測定的結果有一定差異，為保證計算精度，每個臺站至少計算3次，將理論方位角和3次計算結果繪成曲線，見圖2。

表2 P波質點運動軌跡偏振分析選用地震參數Table2 parameters of selected earthquakes when using polarization analysis of P wave particle motion

對于法華寺、喇叭溝、龍泉寺、馬道峪、南山村、上方山、四座樓、太師屯和周口店等9個地震臺，由圖2可見：①臺站儀器擺放符合規范，整體結果比較好；②2011年1月1日阿根廷土庫曼省MS6.8地震、2012年4月11日北蘇門答臘西海岸遠海8.2級地震、2012年3月26日智利近海7.3級遠震影響較大，計算結果不理想，采用尋北儀校正地震計方位，理論方位角與計算方位角結果接近；③通過分析偏差較大的點，可知初動精度對用質點運動偏振分析法計算方位角有較大影響；④同一地震取不同段地震波，測定的方位角不一致，需要考慮地震波路徑、震中距、震源深度等因素，而不能采取固定模式；⑤該方法人為影響較大；⑥影響方位角因素較多，尤其是儀器擺放問題，需特別注意。

由圖2(j)可見，塔寺臺自2011年6月24日安德烈亞諾夫群島7.3級地震開始，理論值與計算值結果接近，與用尋北儀兩次校正時間點相符。

1.1.3 分辨率和穩定性權衡。利用單個三分向地震臺P波段記錄測定震中方位角多使用偏振分析法（如JOPENS、MSDP、EDSP-IAS等軟件），在偏振分析法中，對于不同地震，由于震中相對于臺站的方位角不同，總會有一個水平分量的信噪比低于另一個分量。選擇被分析信號的時間窗長度和頻帶時，要權衡分辨率和穩定性。短時間窗和窄頻帶可避免不同震相上的平均，可分辨出依賴于頻率的偏振，而較長時間窗和較寬頻帶可產生更穩定的偏振估計。時間窗（N個采樣點）應至少包括一個優勢周期。對于3個分量，偏振分析前濾波應相同，且不應造成顯著的信號畸變，例如可采用零相位帶通濾波。

圖2 P波質點運動軌跡偏振分析結果(a)法華寺臺；(b)喇叭溝臺；(c)龍泉寺臺；(d)馬道峪臺；(e)南山村臺；(f )上方山臺；(g)四座樓臺；(h)太師屯臺；(i)周口店臺；(j)塔寺臺Fig.2 Results of polarization analysis of P wave particle motion

1.2 P波極性分析法

P波極性分析法基于簡單、合理的假設：在均勻成層介質中傳播的P波，粒子運動軌跡應該在包含震源與接收臺站的平面內，其水平面內的投影集中在徑向分量上，切向分量上沒有能量，并假定各臺站“BHN”和“BHE”分量嚴格水平且正交（Niu Fenglin et al，2011）。

采用P波極性分析法，分析北京臺網記錄的2010年8月至2011年6月5.5級以上遠震（震中距30°—90°），結果見圖3。分析步驟如下：定義地震計水平方位角偏差φ為計算得到的“BHN”方向與地理北極之間的夾角，順時針為正；地震計方位角偏差φ、入射P波的視后方位角α及計算方位角α0之間的相互關系為：φ=α0－α，α通過臺站坐標和地震事件位置確定；將每一個地震事件的水平分量旋轉α0，得到徑向和切向分量；搜索角度空間φ，使切向P波能量達最小，φ的步長為10；數據處理時間長度為理論P波前2 s，后10 s。

從圖3可知，法華寺、喇叭溝、龍泉寺、馬道峪、南山村、上方山、四座樓、周口店等8個地震臺，方位角校正前后理論方位角和計算方位角差別不大，證明各臺儀器擺放規范；太師屯臺在2011年2—4月進行臺站改造，儀器臨時更換位置，方位角偏差較大；塔寺臺在2010年12月22日第1次校正前方位角差約80°，校正后約60°，2011年3月7日第2次校正后，方位角差值小，見表3。

圖3 P波極性分析法結果(a)法華寺臺；(b)喇叭溝臺；(c)龍泉寺臺；(d)馬道峪臺；(e)南山村臺；(f)上方山臺；(g)四座樓臺；(h)太師屯臺；(i)周口店臺；(j)塔寺臺Fig.3 Results of polarity analysis of P wave

已知塔寺臺第1次校正后儀器擺放偏差60°，嘗試選擇來自同一位置、震中距大于70°的遠震做進一步驗證。選取16個經緯度接近或位于南太平洋瓦努阿圖的遠震（地震參數見表4），采用P波極性分析法，進行方位角校正，對比結果見圖4。由表3和圖4可見，第1次采用尋北儀調整方位角，理論方位角和計算方位角差值約60°，第2次修正后，理論與計算方位角接近。

圖4 塔寺臺采用P波極性分析法計算方位角對比Fig.4 Azimuth of TAS station calculated by using polarity analysis of P wave

表3 塔寺臺采用P波極性分析結果Table3 Results of polarity analysis of P wave at TAS station

表4 采用P波極性分析法驗證塔寺臺方位角變化所用地震參數Table4 parameters of selected earthquakes when using polarity analysis of P wave

2 結論

采用P波質點運動軌跡偏振分析法和P波極性分析法，對北京遙測地震臺網北京地區所屬10個地震臺地震計方位角進行校正，結果發現：①經過尋北儀檢驗，兩種方法互相印證，皆可用；②北京臺網北京地區臺站地震計擺放規范；③地震計擺放直接影響地震波記錄，更影響震中方位角測定；④P波極性分析法用假設的、球對稱震源和震源機制解代替真實震源及其機制解，由于地球介質的不均勻性和復雜性，特別是地殼不均勻性影響，實測方位角與理論方位角偏差10°屬正常范圍（個別地震可能會出現20°以上偏差）；⑤用P波極性分析法測算來自同一位置或同一方向的地震方位角差值比較穩定；⑥P波質點運動軌跡偏振法受人為影響大，結果不穩定；而P波極性分析法結果穩定，可信度高，可以用來對歷史方位角變化進行追溯；⑦有條件的臺站、臺網可通過方位角測定，修正已有觀測記錄，以保證我國地震觀測精度。

感謝鄭秀芬研究員、姚志祥博士對本文撰寫提供的幫助。

李晉燕，吳建平，等.地震觀測臺站真北方向測量新技術[J].地震監測，2010，4.

Ekstrom G, Busby R W.Measurements of seismometer orientation at USArray Transportable Array and backbone stations [J].Seism Res Lett, 2008, 79：554-561.

Niu Fenglin, Li Juan.Component azimuths of the CEArray stations estimated from P-wave particle motion [J].Earthquake Sci,2011, 24：3-13.