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(jì)擺墩大多未設(shè)立永久地理子午線標(biāo)志，利用記錄筆繪制的臨時(shí)性標(biāo)志，隨著歲月的流逝往往難以辨認(rèn)，受鐵磁性物質(zhì)干擾，利用羅盤進(jìn)行方位測量存在較大誤差。由于沒有明顯可靠的參考標(biāo)志，在儀器維修、更換過程中，部分臺(tái)站地震計(jì)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(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，對USArray部分寬頻帶地震臺(tái)站方位角進(jìn)行推算和對比，發(fā)現(xiàn)部分臺(tái)站方位角存在誤差。Niu Fenglin等（2011）采用P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方法，對中國地震臺(tái)網(wǎng)部分臺(tái)站方位角進(jìn)行推算，發(fā)現(xiàn)有些臺(tái)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(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)——地震臺(tái)建設(shè)規(guī)范中規(guī)定地理子午線的測量精度應(yīng)達(dá)到或優(yōu)于0.1°。利用尋北儀（不受地磁環(huán)境干擾），北京遙測地震臺(tái)網(wǎng)對地震臺(tái)地震計(jì)擺放方位進(jìn)行測量與調(diào)整，地理北方位測量精度可達(dá)0.06°，目前該方法已在我國地震系統(tǒng)進(jìn)行推廣（李晉燕等，2010）。經(jīng)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(xiàn)誤差，對科研工作造成影響。對同一臺(tái)站儀器校量前后相同地點(diǎn)遠(yuǎn)震記錄P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(jìn)行對比，進(jìn)而推斷方位角正確與否。

1 數(shù)據(jù)分析

北京遙測地震臺(tái)網(wǎng)（以下簡稱北京臺(tái)網(wǎng)）始建于1966年，是我國第1個(gè)遙測地震臺(tái)網(wǎng)，包括28個(gè)地震臺(tái)（含4個(gè)井下短周期臺(tái)），分布在北京與河北省境內(nèi)。2010年底北京臺(tái)網(wǎng)利用尋北儀測量真北方向，對臺(tái)網(wǎng)所屬北京地區(qū)12個(gè)地震臺(tái)（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(tái)）地震計(jì)擺放方位進(jìn)行測量與校正，因東三旗臺(tái)與大興臺(tái)安放短周期井下擺，此次研究不做考慮。北京地區(qū)10個(gè)地震臺(tái)尋北儀校正時(shí)間見表1。

表1 北京地區(qū)地震臺(tái)尋北儀校正時(shí)間Table1 Calibration date in Beijing area

圖1 地震計(jì)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(tái)進(jìn)行地震計(jì)升級(jí)，從FBS-3B升級(jí)到BBVS-60。升級(jí)完成后，通過臨近臺(tái)波形記錄對比，發(fā)現(xiàn)地震計(jì)經(jīng)尋北儀校正后波形存在角度問題，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BS-3B和BBVS-60地震計(jì)比測面不同。FBS-3B在擺放時(shí)以標(biāo)牌面為準(zhǔn)，朝向西，順標(biāo)牌面方向指北；通過尋北儀確定塔寺臺(tái)真北方向時(shí)，最初以標(biāo)牌面為基準(zhǔn)擺放BBVS-60，實(shí)際BBVS-60新增指北基準(zhǔn)面，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誤差60°。塔寺臺(tái)地震計(jì)比測面方位角差示意圖見圖1。理論上，如果地震計(jì)方位正確，由臺(tái)站與震中位置得出的“理論方位角”與通過P波分析法計(jì)算得出的“計(jì)算方位角”應(yīng)一致。以此思路，將通過P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(tái)網(wǎng)10個(gè)臺(tái)站的地震計(jì)方位角進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.1 P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡偏振分析法

信號(hào)偏振是震相特征之一，利用偏振分析法計(jì)算震中方位角，主要是建立一個(gè)偏振橢球，用該模型求解P波質(zhì)點(diǎn)的主要震動(dòng)方向。

1.1.1 震例選取?；谏渚€理論的地震波P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(tái)網(wǎng)應(yīng)用尋北儀后記錄良好的29個(gè)6級(jí)以上地震（震中距30°—60°），237次波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（表2）。

1.1.2 P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(shí)間窗測定的結(jié)果有一定差異，為保證計(jì)算精度，每個(gè)臺(tái)站至少計(jì)算3次，將理論方位角和3次計(jì)算結(jié)果繪成曲線，見圖2。

表2 P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡偏振分析選用地震參數(shù)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(gè)地震臺(tái)，由圖2可見：①臺(tái)站儀器擺放符合規(guī)范，整體結(jié)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(yuǎn)海8.2級(jí)地震、2012年3月26日智利近海7.3級(jí)遠(yuǎn)震影響較大，計(jì)算結(jié)果不理想，采用尋北儀校正地震計(jì)方位，理論方位角與計(jì)算方位角結(jié)果接近；③通過分析偏差較大的點(diǎn)，可知初動(dòng)精度對用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)偏振分析法計(jì)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(tái)自2011年6月24日安德烈亞諾夫群島7.3級(jí)地震開始，理論值與計(jì)算值結(jié)果接近，與用尋北儀兩次校正時(shí)間點(diǎn)相符。

1.1.3 分辨率和穩(wěn)定性權(quán)衡。利用單個(gè)三分向地震臺(tái)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(tái)站的方位角不同，總會(huì)有一個(gè)水平分量的信噪比低于另一個(gè)分量。選擇被分析信號(hào)的時(shí)間窗長度和頻帶時(shí)，要權(quán)衡分辨率和穩(wěn)定性。短時(shí)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(shí)間窗和較寬頻帶可產(chǎn)生更穩(wěn)定的偏振估計(jì)。時(shí)間窗（N個(gè)采樣點(diǎn)）應(yīng)至少包括一個(gè)優(yōu)勢周期。對于3個(gè)分量，偏振分析前濾波應(yīng)相同，且不應(yīng)造成顯著的信號(hào)畸變，例如可采用零相位帶通濾波。

圖2 P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡偏振分析結(jié)果(a)法華寺臺(tái)；(b)喇叭溝臺(tái)；(c)龍泉寺臺(tái)；(d)馬道峪臺(tái)；(e)南山村臺(tái)；(f )上方山臺(tái)；(g)四座樓臺(tái)；(h)太師屯臺(tái)；(i)周口店臺(tái)；(j)塔寺臺(tái)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(shè)：在均勻成層介質(zhì)中傳播的P波，粒子運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該在包含震源與接收臺(tái)站的平面內(nèi)，其水平面內(nèi)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(tái)站“BHN”和“BHE”分量嚴(yán)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(tái)網(wǎng)記錄的2010年8月至2011年6月5.5級(jí)以上遠(yuǎn)震（震中距30°—90°），結(jié)果見圖3。分析步驟如下：定義地震計(jì)水平方位角偏差φ為計(jì)算得到的“BHN”方向與地理北極之間的夾角，順時(shí)針為正；地震計(jì)方位角偏差φ、入射P波的視后方位角α及計(jì)算方位角α0之間的相互關(guān)系為：φ=α0－α，α通過臺(tái)站坐標(biāo)和地震事件位置確定；將每一個(gè)地震事件的水平分量旋轉(zhuǎn)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(dá)最小，φ的步長為10；數(shù)據(jù)處理時(shí)間長度為理論P(yáng)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(gè)地震臺(tái)，方位角校正前后理論方位角和計(jì)算方位角差別不大，證明各臺(tái)儀器擺放規(guī)范；太師屯臺(tái)在2011年2—4月進(jìn)行臺(tái)站改造，儀器臨時(shí)更換位置，方位角偏差較大；塔寺臺(tái)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(jié)果(a)法華寺臺(tái)；(b)喇叭溝臺(tái)；(c)龍泉寺臺(tái)；(d)馬道峪臺(tái)；(e)南山村臺(tái)；(f)上方山臺(tái)；(g)四座樓臺(tái)；(h)太師屯臺(tái)；(i)周口店臺(tái)；(j)塔寺臺(tái)Fig.3 Results of polarity analysis of P wave

已知塔寺臺(tái)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(yuǎn)震做進(jìn)一步驗(yàn)證。選取16個(gè)經(jīng)緯度接近或位于南太平洋瓦努阿圖的遠(yuǎn)震（地震參數(shù)見表4），采用P波極性分析法，進(jìn)行方位角校正，對比結(jié)果見圖4。由表3和圖4可見，第1次采用尋北儀調(diào)整方位角，理論方位角和計(jì)算方位角差值約60°，第2次修正后，理論與計(jì)算方位角接近。

圖4 塔寺臺(tái)采用P波極性分析法計(jì)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(tái)采用P波極性分析結(jié)果Table3 Results of polarity analysis of P wave at TAS station

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

2 結(jié)論

采用P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡偏振分析法和P波極性分析法，對北京遙測地震臺(tái)網(wǎng)北京地區(qū)所屬10個(gè)地震臺(tái)地震計(jì)方位角進(jìn)行校正，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①經(jīng)過尋北儀檢驗(yàn)，兩種方法互相印證，皆可用；②北京臺(tái)網(wǎng)北京地區(qū)臺(tái)站地震計(jì)擺放規(guī)范；③地震計(jì)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(shè)的、球?qū)ΨQ震源和震源機(jī)制解代替真實(shí)震源及其機(jī)制解，由于地球介質(zhì)的不均勻性和復(fù)雜性，特別是地殼不均勻性影響，實(shí)測方位角與理論方位角偏差10°屬正常范圍（個(gè)別地震可能會(huì)出現(xiàn)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(wěn)定；⑥P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡偏振法受人為影響大，結(jié)果不穩(wěn)定；而P波極性分析法結(jié)果穩(wěn)定，可信度高，可以用來對歷史方位角變化進(jìn)行追溯；⑦有條件的臺(tái)站、臺(tái)網(wǎng)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。

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