江蘇省測震臺網井下地震計方位角檢測1

宮 杰 張 朋 張 揚 張 敏 王 佳 居海華

1）江蘇省地震局, 南京 210014

2）江蘇省灌云地震臺, 江蘇連云港 222200

引言

隨著社會城市化發展進程的不斷加快，地震監測環境面臨嚴峻挑戰，井下地震觀測憑借其恒溫、氣流穩定、信噪比高等優勢逐漸得到應用（宮杰等，2019；樊曉春等，2020；賈媛等，2020）。相比地面地震計，井下地震計受臺站外部條件、磁性環境、定位設備精度、地震計底座固定情況、擺線應力釋放等因素制約，方位角檢測結果往往存在較大偏差，對利用地震觀測數據開展各向異性、面波頻散、接收函數及震源機制解等研究產生影響（陳繼鋒等，2016；李少睿等，2016；張明等，2019），因此針對井下地震計方位角的檢測與校正尤為重要。

目前，井下地震計方位角計算分析方法主要包括基于P 波質點偏振原理的多地震事件信噪比加權疊加方法及基于地面井下雙地震計對比觀測的相關分析法（Niu 等，2011；李少睿等，2012，2016；謝劍波，2014）。Aster 等（1991）利用近震初至P 波質點運動計算獲得精度5°以內的井下地震計方位角，李少睿等（2016）通過開展不同頻帶地震計、不同臺站址及不同距離的大量對比試驗，結果表明相關分析法可使井下地震計計算精度達4°以內。

2016 年，江蘇省地震局利用數據波形相關分析法對省內14 個深井臺站開展井下地震計方位角普查工作。此外，利用數據波形相關分析法對2018 年起江蘇地區新建井下地震計進行方位角檢測存檔。本文梳理目前江蘇地區部分正在運行井下地震計方位角結果，并展開討論，以新建溧陽2 地震臺站井下地震計為例，論述計算結果正確性，最后依托數據波形相關分析法，結合實際方位角檢查過程，開展濾波頻帶研究。

1 臺站概述

目前，江蘇地區共運行35 套井下地震設備，其中寶應地震臺站采用CMG-3TB 型120 s～50 Hz 甚寬頻地震計，如皋地震臺站采用TBG-60B 型60 s～50 Hz 一體化寬頻帶地震計，其余均為GL-S60B 型60 s～50 Hz 寬頻帶地震計。沛縣、淮安、大豐、海安、陽光島深井臺站均由JDF 系列寬頻帶地震計更改為GLS60B 型地震計，由于原有設備底座與更改后井下地震計密封桶相匹配，因此保留原有設備底座，改造后安裝深度不變。本文共涉及22 個井下地震計方位角檢測，基本信息如表1 所示。其中，溧陽地震臺站、興化地震臺站原井下設備暫且保留。

表1 井下地震臺基本信息Table 1 The fundamental information of borehole seismic stations

2 檢測方法

2.1 相關分析法

相關分析法廣泛應用于描述2 個隨機變量之間的相似程度。首先在待測深井臺站井口附近地面安裝地面地震計，并以尋北儀精確指北，此地面地震計作為參考地震計與井下待測地震計進行相關分析：

2.2 數據預處理

井下地震計方位角檢測時，應盡量選擇與井下地震計同頻帶的地震計作為地面參考，因地面與井下同頻帶地震計在濾波頻段內相頻特性曲線具有較小的相位差，可直接使用二者觀測數據進行相關分析，獲取較高精度的方位角檢測結果。而當地面參考地震計與井下待測地震計觀測頻帶相差較大時，若直接利用二者觀測數據進行相關分析，濾波頻段內相頻特性曲線相位差將導致較大的方位角檢測偏差，甚至出現180°的反向結果（李少睿等，2016）。此時應利用較短周期地震計傳遞函數，將地面與井下地震計中較寬頻帶地震計觀測數據進行仿真處理。本文采用頻域濾波法進行數據預處理，因低頻段信號傳播距離長、對比測試儀器記錄相關性高，因此僅考慮地震觀測系統低頻段地震計特性，不考慮數據采集器高頻段影響，計算公式如下：

需強調的是，地面GL-S120 型甚寬頻地震計與井下GL-S60B 型寬頻帶地震計在濾波頻帶內相頻特性曲線具有較高的一致性，幾乎不存在相位差，所以兩者組合對比觀測相關分析無需進行仿真處理。寶應、海安、大豐、陽光島甚寬頻井下地震計及部分GL-S60B 型寬頻帶井下地震計選擇GL-S120 型甚寬頻地震計作為地面參考地震計，無需進行仿真處理；剩余部分GL-S60B 型寬頻帶井下地震計選擇同頻帶地面GL-S60 型寬頻帶地震計作為地面參考地震計，無需進行仿真處理。沛縣、淮安JDF-2 型寬頻帶井下地震計選擇GL-S60 型寬頻帶地震計作為地面參考地震計，因觀測頻帶差異，需根據二者傳遞函數對GL-S60 型地震計觀測數據進行仿真處理。

2.3 濾波頻帶選取

為獲取較準確的井下地震計方位角，僅需對地面井下地震計觀測數據進行濾波處理，以求井下待測地震計旋轉一定角度后與地面參考地震計最大相關性。濾波頻帶的選擇直接影響方位角計算精度。陸地與海洋相互作用在1～10 s 頻段存在明顯波峰且較穩定（Peterson，1993），Lacoss 等（1969）研究表明地脈動在0.2～0.3 Hz 頻段主要包含高階模式瑞利面波及體波，而高階模式瑞利面波主要能量集中于約半個波長深度內，基本覆蓋井下地震計安裝深度，因此在地面與井下地震計間具有較高相關性。本文主要以0.2～0.3 Hz 作為濾波頻段，開展井下地震計方位角檢測。

3 方位角檢測

3.1 檢測設備

井下地震計方位角檢測過程中，地面參考地震計尋北采用NV-NF301 型尋北儀，精度達0.3°。地面參考地震計采用GL-S120 型甚寬頻地震計和GL-S60 型寬頻帶地震計，具體參數如表2 所示，分別配備的2 套EDAS-24GN 型數據采集器量程為±10 V，采樣率為100 Hz，最小相位濾波，轉換因子為1 192 nV/count。

表2 地面參考地震計參數Table 2 The parameters of ground referenceseismometer

3.2 檢測結果

考慮地震計內部水平向分量正交性誤差等因素，單臺站檢測結果以24 h 的2 個水平向分量均值為準，井下地震計方位角檢測結果如表3 所示。

由表3 可知，井下地震計方位角受多因素制約，普遍存在較大偏差，其中沛縣、淮安、海安、大豐、陽光島深井臺站使用的JDF 系列寬頻帶地震計方位角偏差約為180°，大致反向，這可能與其安裝工藝有關。需強調的是，上述5 個水平向分量極性反向的JDF 系列井下寬頻帶地震計方位角檢測結果可結合測震臺網觀測數據遠震P 波極性分析結果得到驗證。此外，這5 個深井臺站經更改后雖使用原有設備底座，但新地震計放入密封桶方位校正后安裝在原有底座上，井下地震計方位角必定發生變化。因此，在深井臺站井下地震計更改或維修時，如重新下井，須重新開展井下地震計方位角檢測工作，及時更新、掌握運行狀態。

表3 井下地震計方位角檢測結果Table 3 The azimuth detection results of borehole seismometers

為深入研究JDF-2 井下地震計方位角檢測情況，給出沛縣及淮安臺站仿真與未仿真時24 h 平均檢測結果，如表4 所示。由表可知，未仿真情況下，沛縣、淮安臺站JDF-2 井下地震計方位角檢測結果相關系數平均值約為0.83；南北向分量相關系數較大，達0.9；東西向分量相對相關系數較小，約為0.7。依據GL-S60、JDF-2 型地震計傳遞函數對GL-S60 型地震計觀測數據進行仿真處理，相關系數平均值提高至0.9 左右，東西向分量相關系數提高至0.8 以上。利用不同頻帶地震計進行井下地震計方位角檢測時，對較寬頻帶地震計進行仿真處理尤為重要。

表4 沛縣、淮安臺站24 h 平均檢測結果Table 4 24-hour average azimuth detection results of Peixian、Huaian

井下地震計方位角檢測過程中，基本采用0.2～0.3 Hz 濾波頻帶，但射陽臺站除外。當采用0.2～0.3 Hz濾波頻帶時，射陽臺站井下地震計方位角檢測相關系數約為0.69，改為0.1～0.2 Hz 濾波頻帶后，相關系數提高至約0.97。

3.3 遠震P 波極性分析

由表3 可知，利用相關分析法計算溧陽2 新建GL-S60B 型井下寬頻帶地震計方位角為176.5°，水平向分量幾乎反向。為證明相關分析法在井下地震計方位角檢測中的可信性，以溧陽2 新建井下地震計為例，利用初至震相相對清晰的遠震所在時段進行相關性分析，并結合P 波進行極性分析，以進行直觀比較。本文選取2020 年5 月6 日印尼班達海7.2 級地震，遠震所處時段地震計方位角為176.8°，相關系數達0.998 86，地面參考地震計及井下待測地震計記錄的原始波形如圖1所示。

地面參考地震計經尋北儀指北校準，由圖1 可知地面與井下地震計初至震相清晰，其中垂直向分量具有較高相似性，初至P 波同時向上；水平向分量出現差異，初至震相就振幅而言同時表現為東西向分量小、南北向分量大，但初至方向不同，地面參考地震計東西向分量初至向下，南北向分量向上，而井下待測地震計東西向分量初至向上，南北向分量向下。地面與井下地震計遠震初至P 波水平向分量幾乎反向，這與相關分析法計算結果一致，由此印證了相關分析法應用于井下地震計方位角檢測中具有較高可靠性，也驗證本文利用相關分析法獲取的江蘇測震臺網井下地震計方位角結果可信。

圖1 印尼班達海7.2 級地震原始波形Fig. 1 Indonesia Banda Sea M7.2 earthquake

3.4 濾波頻帶分析

當濾波頻帶改為0.1～0.2 Hz 后，射陽臺站井下地震計方位角檢測相關系數得到大幅提高，可知濾波處理可獲取較高的相關性，從而得到精度較高的方位角結果。臺基噪聲是評定地震觀測環境質量的重要指標之一（宮杰等，2020），本文針對射陽臺站井下地震計觀測數據進行臺基噪聲分析，結合臺基噪聲功率譜密度（PSD）計算深入分析濾波頻帶與相關性的內在聯系，選取射陽臺站GL-S60B 型井下寬頻帶地震計方位角2016 年9 月7 日00 時的檢測數據，功率譜密度曲線如圖2 所示。

由圖2 可知，射陽臺站井下地震計所記錄的臺基噪聲功率譜處于地球高噪聲模型（NHNM）和地球低噪聲模型（NLNM）之間，屬于正常噪聲水平。密度曲線垂直向分量在0.2～0.3 Hz 頻段內存在明顯波峰；對于水平向分量，0.1～0.6 Hz 頻段內具有較高一致性，0.1～0.2 Hz 頻段內存在明顯波峰，0.15 Hz 左右功率譜密度顯著高于兩側，0.2～0.4 Hz 頻段較平坦，緩慢升至0.6 Hz 時達到波峰。由此可判斷采用相關分析法計算井下地震計方位角時，地面與井下地震計相關性與濾波頻帶內臺基噪聲功率譜密度曲線形態有關。選擇濾波頻帶內存在明顯波峰的頻段有利于提高地面與井下地震計相關性，濾波頻帶內功率譜密度曲線相對平坦會導致較低的相關性，從而影響方位角檢測精度。射陽臺站濾波頻帶不同于其他臺站，可能與地質構造、臺站環境等因素有關。對于大多數深井臺站而言，選擇0.2～0.3 Hz 濾波頻段開展井下地震計方位角檢測是可行的，如出現相關性較低的情況，可從臺基噪聲入手，深入分析功率譜密度曲線形態，盡可能選擇具有明顯波峰的頻段作為濾波頻段。若無法解算臺基噪聲功率譜密度曲線，可分別選擇0.1～0.2 Hz、0.2～0.3 Hz、0.3～0.4 Hz 濾波頻段，選取相關性較高的檢測結果。

圖2 射陽臺站井下地震計臺基噪聲功率譜密度曲線Fig. 2 Borehole seismometer power spectrum curve of Sheyang station

4 結論

江蘇省測震臺網深井臺站較多，具有頻段寬、安裝深度大等特點，本文分析2016 年以來井下地震計方位角檢測結果，得出以下結論：

（1）受臺站外部條件、磁性環境、定位設備精度、地震計底座固定情況、擺線應力釋放等因素制約，井下地震計方位角檢測結果普遍存在較大偏差，包含JDF 系列在內的部分井下地震計水平向分量甚至出現反向現象。無論是否更換底座，涉及提井時，井下地震計方位角必定發生變化，因此每次提井時須重新開展方位角檢測工作，及時更新、掌握儀器運行狀態。

（2）就相關性而言，不同頻帶地震計組合檢測井下地震計方位角，應利用二者傳遞函數對較寬頻地震計進行仿真處理，有利于提高二者相關性，從而獲得較精確的檢測結果。當地面參考地震計與井下待測地震計同頻帶時，相關系數普遍較高。

（3）以溧陽2 臺站新建井下地震計為例，通過遠震P 波極性分析法直觀反映出地面與井下地震計水平向分量幾乎反向，與相關分析法得到的結論一致，從而驗證相關分析法應用于井下地震計方位角檢測是正確可行的，也證明了本文獲得的江蘇省測震臺網井下地震計方位角檢測結果是真實可信的。

（4）計算分析射陽臺站井下地震計記錄臺基噪聲功率譜密度曲線，可知應選擇功率譜密度曲線具有明顯波峰頻段作為濾波頻段，有利于獲得較高的相關性，從而得到較精確的井下地震計方位角檢測結果。