甘肅省測震臺網地震臺站地震計方位角檢驗與校正①

陳繼鋒， 李　亮， 李少睿， 劉白云， 陳曉龍

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000； 2.陜西省地震局，陜西 西安 710068)

甘肅省測震臺網地震臺站地震計方位角檢驗與校正①

陳繼鋒1， 李亮1， 李少睿2， 劉白云1， 陳曉龍1

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000； 2.陜西省地震局，陜西 西安 710068)

摘要：利用2007年8月—2013年9月甘肅省測震臺網記錄的549個MS≥6遠震事件的P波資料，對所屬44個地震臺站分量方位等問題進行檢核計算。考慮到地震計維修、更換等因素，提供了甘肅省測震臺網地震臺站按時間序列計算的方位角偏差及方位校正變化情況，以保障測震臺網數據的連續性與可靠性。研究結果表明，反演的方位偏差與文獻[1]的結果基本一致，表明中國“十五”數字地震網絡確實存在部分臺站方位偏差較大等方面問題。因此，在進行現代地震學研究中應充分考慮臺站地震計方位誤差較大和研究時間段內方位角變動等因素的影響。

關鍵詞：P波質點運動； 檢核； 地震計； 方位角； 甘肅臺網

0引言

現代寬頻帶地震計普遍采用一體化結構設計，三分量的傳感器正交安裝在一個底盤上且偏差小于1°，地震計之間的方向正交性基本得到保障。但由于野外臺站受安裝條件、磁性環境等多方面因素的影響，不能保障所安裝的地震計三分量一定準確位于正北、正東和垂直三個方向，即可能存在一定的方位偏差。而現代地震學研究強烈依賴于精確可靠的三分量寬頻帶地震觀測記錄，如SKS剪切波分裂研究、接收函數研究和面波研究等，都需要通過坐標旋轉將兩水平分量BHN和BHE質點運動分解為徑向R(水平入射方向)和橫向T(水平面內與入射方向垂直)。如果臺站地震計的BHN方向與真北方向存在較大的方位偏差(相應BHE分量與真東方向也存在較大偏差)，則方位角理論值旋轉得到的結果也將存在較大的系統偏差，從而影響現代地震學研究結果的真實性和可靠性。因此，多年來國內外地震工作者十分重視臺站地震計方位的準確性檢驗和校正等基礎研究工作。如Laske等[2]通過長周期面波偏振方法計算全球相速度變化時，發現全球分布的臺站中有37個Geoscope臺站的地震計方位不正確，偏差超過了5°。Larson等[3]在進行中長周期面波的偏振研究時也得到了類似的臺站地震計方位偏差問題，并給出了全球地震臺網GSN中臺站地震計方位偏差大于10°的10個臺站，與Laske[2]得出的地震計方位存在偏差的臺站基本一致。Yoshizawa等[4]和Schulte-Pelkum等[5]在對GSN地震臺站進行P波偏振分析時，也發現了面波偏振分析方法提到的地震計方位偏差問題。G?ranEkstr?m等[6]對美國USarray臺陣一些固定地震臺站進行了地震計方位的計算，結果表明有7.4%的臺站地震計方位偏差大于7°。周琳等[7]對鄂爾多斯地塊周緣地區測震臺站地震計方位角進行計算,顯示中國數字地震臺網某些臺站確實存在方位偏差較大、極性反向等方面的問題。

我國于2007年底建設完成的“中國數字地震觀測網絡”項目，在中國大陸及周邊地區建設完成了由1個國家骨干臺網和31個區域臺網組成的大規模測震臺網，測震臺站總數量達1 000多個，其中寬頻帶地震臺站850多個。這些臺站的建設為中國地震局地震監測預報體系的建設和地震科學基礎研究提供了數據服務[8-10]。

Niu等[1]利用基于P波質點偏振原理和多地震事件信噪比加權疊加方法，對中國大陸數字地震臺站地震計的BHN向方位偏差等問題進行了計算研究。他們發現在已建成的“十五”數字地震臺網中有近三分之一的臺站存在BHN方位偏差較大或BHN、BHE極性反向等方面的問題，并給出了存在地震計方位偏差等問題臺站的列表，引起了中國地震局和地震數據用戶的高度重視。極性的問題主要是儀器出廠前存在的問題，需要返廠維修，這類問題很少。方位角的偏差究其原因在于架設測震儀器時采用羅盤確定方位，受房屋內磁性物質和各地不同的磁偏角的影響，指北方位精度很難保證。

本文應用P波極性檢測程序計算了甘肅測震臺網44個子臺自2007年以來地震計方位角的變化情況，分段給出了44個甘肅測震臺站不同時期內地震計方位角的偏差值，確保了觀測數據的可用性，方便了科研人員對甘肅測震數據的使用。

1計算方法和數據選取

假設壓縮P波通過水平成層各向同性介質傳播到地震臺站，則其粒子運動軌跡應該在包含震源與接收臺站的平面內，同時假定各臺站地震計的“BHN”和“BHE”分量嚴格水平并正交，因此P波在水平面內的投影集中在徑向分量上，切向分量上沒有能量。在圖1所示的臺站平面地理坐標系(N，E)中，如果臺站地震計BHN方向與正北方向N重合(相應BHE方向與正東方向E重合)，則由BHN方向到P波平面入射方向(偏振能量最大方向)的旋轉角度即為臺站至地震的理論反方位角θc。

如果臺站地震計的BHN方向與正北N方向存在一方位偏差φ，則P波偏振旋轉角度θa變為θa=θc-φ。因此從原理上來講，根據臺站-地震理論反方位角θc和BHN、BHE分量確定的最大偏振能量旋轉角θa即可確定臺站地震計BHN方向方位偏差φ[7]。

(圖中，N、E為臺站處的真地理北和東方向，BHN和BHE　　為地震計的視北和視東方向，θc為根據臺站、地震經緯度計算得到的臺站-地震理論反方位角，θa為利用P波質點偏振原理計算得到的偏振旋轉角，φ為臺站BHN方向方位偏差，以正北方向瞬時針旋轉為正)圖1　 地震計方位角關系原理示意圖Fig.1　A schematic plot showing the relationship between φ,θa and θc

Niu等[1]利用多事件信噪比加權疊加法SNR計算臺站地震計BHN方位偏差φ，方法原理詳見文獻[1,7]。其基本方法步驟為：首先根據臺站和地震經緯度，計算理論反方位角θc；然后對φ在0°～180°范圍內按1°增量間隔進行全局掃描，并對給定時窗內的BHN、BHE分量P波振動，按偏振旋轉角

θa=θc-φ進行徑向和橫向振動分解，并進行多地震事件的橫向P波能量加權疊加(按信噪比加權)；最后取使橫向P波能量加權疊加值最小的φ為臺站地震計BHN分量的方位偏差。

本文利用2007年8月—2013年9月的549個MS≥6.0、震中距在30°～90°、信噪比較好的遠震事件進行研究。臺站和震中分布見圖2。

圖2　研究區域臺站和本文計算所使用的549個 遠震事件的分布圖Fig.2　Distribution of stations in the study area and epicenters of 549 teleseismic events used in the study

2計算結果和分析

利用P波質點偏振原理對甘肅測震臺站地震計方位偏差進行對比計算分析，延續Niu等工作,通過增加地震事件，計算甘肅測震臺站地震計自安裝使用以來方位角變化情況。以正北為0°，順時針旋轉時角度為正；逆時針旋轉時角度為負。表1列出了甘肅省測震臺網地震計方位角偏差大于5°的臺站及具體時間分段。圖3描繪了地震計方位角偏差大于5°的臺站地震計方位偏差反演結果時間序列圖。

表 1　SNR方法計算的甘肅測震臺站地震計方位偏差表

圖3　各臺站地震計方位偏差計算結果時間序列圖Fig.3　Time-series of the deviations of seismometer azimuth for each station

由于選取的地震事件個數較多、時間序列長度也相應地加長，本文的計算結果和文獻[1]相比略有變化，其中地震計方位角偏差大于5°的臺站有15，占甘肅省測震臺網的34%。

3甘肅測震臺站方位角校正

2012年10月中國地震局監測預報司為進一步提高測震臺網數據質量，決定利用高精度尋北儀對各自轄區內的地震計方位角重新進行校正、制作永久方位標志，重新安裝地震計。甘肅測震臺網于2013年6月前利用NV-NF301型尋北儀完成了44個測震臺站的儀器方位角校正工作，確保了44個臺站的指北標志安裝精度≤1。

校正結果顯示：臺站儀器架設方位角(φ)≥8°共有9個，占所有臺站的20.4%；2°≤φ≤8°的共有16個，占所有臺站的36.3%；φ≤2°的共有17個，占所有臺站的38.6%。根據國家規范要求對φ≥2°的臺站進行了校正和重新安裝，其中安西臺準備異地重建沒有測量，玉門關臺由于地處軍事禁區，新址尚未堪選，剩余42個臺站的原儀器方位角測定結果及校正情況見表2。

從表2中可以看出：

(1) 本文得到的44個地震臺站的地震計平均方位偏差結果跟Niu等的結果基本一致。Niu等結果中地震計方位偏差絕對值<10°的臺站(原文列表中未給出)，本文的處理結果也大部分在10°范圍以內，只有WDT(武都)臺不一致，該臺2008年7月調整儀器前方位角偏差小于5°，后維修設備導致地震計擺放位置變化，2008年7月至2013年6月方位角偏差達-21°，2013年6月22日尋北儀檢測結果偏差為-18.1°。

(2)Niu等結果中地震計方位偏差較大的臺站，本文的處理結果也顯示這些臺站的地震計確實存在較大的方位偏差，這和現場利用尋北儀檢測出的偏差結果基本一致。

(3)NXT(寧縣)臺2009年6月至2010年10月間BHE分向地震計故障導致計算結果非常離散，維修后正常。 其中2008年6月至2009年6月方位角偏差為-26°；2009年06月至2010年10月由于儀器故障導致計算的方位角偏差值錯誤，2010年10月29日維修后計算結果恢復正常；2010年10月至2013年4月方位角偏差為-29°，2013年4月28日尋北儀檢測結果偏差為-31.1°，這個結果顯示利用遠震事件P波記錄反演檢核臺站地震計方位偏差的可靠性和準確性。

(4) 對于Niu等文獻中列出的JYG和HXT臺地震計某分量極性接反以及BHN、BHE分量互換問題，計算結果顯示JYG臺在2007年8月—2008年7月期間BHN和BHE分量互換。根據甘肅省測震臺網部值班日志記載2008年7月JYG(嘉峪關)臺原地震計KS2000更換為BBVS-120，恢復正常；2010年5月HXT(環縣)臺原地震計CMG-3ESPC更換為BBVS-60，方位角偏差為-46°。本文計算結果和現場儀器極性確認都證實甘肅測震臺網44個測震臺站均不存在極性接反和分量互換的問題。

表 2　甘肅測震臺站方位角測定及校正結果

4結論

(1) 利用遠震P波質點振動和臺站—地震理論后方位角，可以有效檢核臺站地震計水平分量方位偏差及其可能的方位校正變化情況。

(2) 本文利用多個遠震事件P波記錄反演檢核臺站地震計方位偏差，計算了甘肅測震臺站地震計自安裝使用以來方位角的變化情況，特別是分段給出了臺站地震計方位角的偏差值，一方面延續了Niu等在地震計方位角檢測方面的工作，另一方面也系統地給出了臺站地震計方位角的變化情況，確保了觀測數據可用性。

(3) 無論P波極性檢測程序計算結果還是尋北儀現場檢測結果都表明中國數字地震臺網個別臺站確實存在方位偏差較大等方面的問題，通過現場對地震計方位角重新進行校正、制作永久方位標志，重新安裝地震計等手段進一步提高了測震臺網的數據質量。

(4) 應用P波極性檢測程序計算了甘肅測震臺網44個子臺自2007年以來地震計方位角的變化情況，分段給出了不同時間段的方位角偏差，方便了科研人員對測震數據的使用。

致謝：感謝中國地震局地球物理研究所“國家數字測震臺網數據備份中心”為本研究提供地震波形數據，感謝美國萊斯大學地球科學系鈕鳳林教授提供地震計方位角檢測計算程序。

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CheckandCorrectionofSeismometerAzimuthforGansuSeismicNetworkStations

CHENJi-feng1,LILiang1,LIShao-rui2,LIUBai-yun1，CHENXiao-long1

(1.Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, Gansu, China;2.Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi’an 710068, Shaanxi, China)

Abstract：The orientation accuracy of three component station seismometers is very important for modern seismology research. Modern seismic studies rely heavily on precise three-component broadband observations. Similar to time travel, three dimensional particle motion is a key factor provided by a seismogram. It forms the basis of many functions, such as shear-wave splitting, receiver function, and surface and normal mode studies. Three component records are often rotated to isolate longitudinal, radial, and transverse motions. A critical parameter for performing rotation is the geographical orientation of the two horizontal components (BHN and BHE). Because the orthogonality between components of modern broadband instruments is accurate to a fraction of a degree, what really affects a correct rotation is the orientation of the BHN component, which could deviate from the true north direction. Knowledge of the orientations of the two horizontal components is thus important to perform a correction rotation. The particle motions of teleseismic P waves recorded by the network were analyzed and used to estimate the north component azimuth of each station. An SNR-weighted-multievent method was introduced to obtain component azimuths that best explain the P-wave particle motions of all the events recorded at a station. This method provides robust estimates including a measurement error calculated from background noise levels. In this study, the component azimuths of the seismic stations in Gansu province were rechecked using the P-wave particle motions of 549 MS > 6 teleseismic events from August 2007 to September 2013. Robust estimates were provided including a measurement error calculated for each station in the time series. The azimuths calculated in this study are very consistent with the results of Niu (2011), which implies that the stations of Gansu province have some problems with misorientation. The SNR-weighted-multievent method can be used to effectively check the seismometer stations horizontal azimuth deviations. Therefore, we provide deviation value of the azimuth including a measurement error calculated for each station in the time series to be taken into account for any rotation based seismic studies.

Key words：P-wave particle motion; check; seismometer; azimuth; Gansu Seismic Network

收稿日期：①2015-05-07

基金項目：中國地震局蘭州地震所科技發展基金(2015Q04)；地震行業科研專項課題(201208009)

作者簡介：陳繼鋒(1978-)，男，甘肅清水人，高級工程師，主要從事地震臺網和地震學的研究工作。E-mail:chenjf163@163.com。

中圖分類號:P315.78

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0460-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0460