李少睿，惠少興，董平江

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

0 引言

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，各種人為噪聲不斷增加，地面觀測(cè)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)及科研工作的需要，而深井觀測(cè)則可以有效地減弱各種地面噪聲干擾，大大提高對(duì)微小地震的監(jiān)測(cè)能力。目前全國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)在網(wǎng)運(yùn)行的深井觀測(cè)臺(tái)站接近200個(gè)，井下地震計(jì)安裝時(shí)水平向方位基本采用磁通門、陀螺儀等設(shè)備定向，由于受外界環(huán)境、定向設(shè)備精度、地震計(jì)底座固定等因素的影響，井下地震計(jì)實(shí)際方位角與安裝時(shí)確定的方位角偏差較大。因此，地震計(jì)方位角的精確定向?qū)羟胁ǚ至?、接收函?shù)和面波等的研究具有重要意義。

目前井下地震計(jì)方位角檢測(cè)通常借助于遠(yuǎn)震、地脈動(dòng)記錄(李少睿等，2012，2016；呂永清等，2007；謝劍波，2014)等資料確定；Aster和Shearer(1991)認(rèn)為使用近震初至P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，可使井下地震計(jì)水平向定向達(dá)到5°的精度；Niu和Li(2011)利用多事件方法估算了中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)850多個(gè)地震臺(tái)站的儀器方位角，共鑒別出有270個(gè)臺(tái)站在方位角、極性等方面存在問題；陳繼鋒等(2016)利用甘肅省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)遠(yuǎn)震資料對(duì)所屬的44個(gè)臺(tái)站地震計(jì)方位角進(jìn)行了檢核計(jì)算；周琳等(2013)分析了鄂爾多斯地塊周緣24個(gè)臺(tái)站記錄的73個(gè)7級(jí)以上遠(yuǎn)震事件，得到的地震臺(tái)站地震計(jì)平均方位偏差與Niu和Li(2011)的結(jié)果基本一致。但是利用遠(yuǎn)震、地脈動(dòng)記錄等確定的井下地震計(jì)方位角一致性如何，結(jié)果是否可信，還沒有定論。本文使用波形相關(guān)法，對(duì)地面臺(tái)站方位角已知的地震計(jì)組合進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，同時(shí)利用同臺(tái)址地面與井下地震計(jì)組合對(duì)井下地震計(jì)方位角進(jìn)行檢測(cè)，并利用遠(yuǎn)震P波極性法進(jìn)行驗(yàn)證，分析檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

1 深井觀測(cè)臺(tái)站概況

本文選取了江蘇鹽城，安徽界首、合肥、阜陽，河南航海5個(gè)井下觀測(cè)臺(tái)站進(jìn)行檢測(cè)，臺(tái)站信息見表1，選取臺(tái)站觀測(cè)儀器涵蓋全國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)在網(wǎng)運(yùn)行的短周期、寬頻帶、甚寬頻帶井下地震計(jì)。這5個(gè)臺(tái)站地處市內(nèi)或近郊，臺(tái)站環(huán)境地噪聲水平高，地面與井下地噪聲水平相差較大，有一定代表性。

2 計(jì)算方法

2.1 波形相關(guān)法

測(cè)試中利用2臺(tái)地震計(jì)進(jìn)行同臺(tái)址地脈動(dòng)記錄測(cè)試，其中一臺(tái)為參考地震計(jì)，參考地震計(jì)方位角由陀螺尋北儀測(cè)定，一臺(tái)為測(cè)試地震計(jì)，分析時(shí)利用式(1)(2)對(duì)測(cè)試地震計(jì)記錄按照一定角度等間隔進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，用式(3)分別計(jì)算各旋轉(zhuǎn)角度參考地震計(jì)的2個(gè)水平分量與測(cè)試地震計(jì)2個(gè)水平分量的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度即為測(cè)試地震計(jì)相對(duì)參考地震計(jì)的方位角，具體公式如下：

表1 深井地震臺(tái)站基本信息Tab.1 The fundamental information of borehole seismic stations

x=x1cosφ+y1sinφ

(1)

y=-x1sinφ+y1cosφ

(2)

(3)

式中：x1，y1分別為測(cè)試地震計(jì)EW和NS向數(shù)據(jù)；x，y分別為旋轉(zhuǎn)φ角度后EW向和NS向數(shù)據(jù)；x′和y′分別為參考地震計(jì)EW向和NS向數(shù)據(jù)；Rxx′為x與x′的相關(guān)系數(shù)，Ryy′同理。

2.2 地震觀測(cè)記錄的仿真

地震觀測(cè)記錄的仿真采用下式：

Y1(ω)=H1(ω)Y(ω)/H(ω)

(4)

式中：Y(ω)為地震記錄的傅里葉譜；H(ω)為地震觀測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)；H1(ω)為需仿真的地震觀測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)；Y1(ω)為仿真記錄的傅里葉譜，對(duì)Y1(ω)作傅里葉逆變換可得到仿真記錄。

筆者在陜西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)QLIT臺(tái)進(jìn)行了寬頻帶地震記錄仿真到短周期地震記錄的檢驗(yàn)。在同一儀器墩上架設(shè)BBVS-60寬頻帶地震計(jì)和FSS-3M短周期地震計(jì)，數(shù)據(jù)采集器使用EDAS-24IP，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1.589 μV/count。BBVS-60寬頻帶地震計(jì)傳遞函數(shù)見式(5)，F(xiàn)SS-3M短周期地震計(jì)傳遞函數(shù)見式(6)：

(5)

式中：K=2 000 V/(m·s-1)；A0=63 165。

(6)

式中：K=2 000V/(m·s-1)；A0=1.350 2×108。

應(yīng)用式(4)～(6)，即可實(shí)現(xiàn)BBVS-60寬頻帶地震記錄仿真到FSS-3M短周期地震記錄，從圖1可以看出，仿真后的記錄與FSS-3M短周期實(shí)際記錄波形基本一致。

圖1 UD向BBVS-60寬頻帶地震記錄(a)、仿真FSS-3M短周期地震記錄(b)及FSS-3M短周期實(shí)際記錄(c)Fig.1 The broadband seismic data of BBVS-60 in the UD direction(a)，simulation short period data of FSS-3M(b) and measured short period data of FSS-3M(c)

2.3 遠(yuǎn)震P波極性法

遠(yuǎn)震P波極性法是基于在均勻成層介質(zhì)中傳播的P波開展的，其運(yùn)行軌跡應(yīng)在包含震源與接收臺(tái)站的垂直平面內(nèi)，P波能量集中在徑向分量上，切向分量上沒有能量。假設(shè)地震計(jì)方位角為φ，入射P波的后方位角為θa，理論計(jì)算的入射P波后方位角為θc，后方位角baz：θc=θa+φ，地震計(jì)方位角示意見圖2。對(duì)每一地震事件的水平分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后得到徑向和切向分量，然后計(jì)算所有事件切向分量中的P波能量加權(quán)和，搜索角度空間φ使切向分量疊加后的P波能量達(dá)到最小值時(shí)，即得到臺(tái)站地震計(jì)的方位角。

圖2 地震計(jì)方位角示意圖(N，E為臺(tái)站觀測(cè)墩處的地理北和東方向，BHN和BHE為地震計(jì)的北和東方向)
Fig.2 Schematic map of seismometer azimuth(N and E are geographical north and East in the station observation pier，BHN and BHE are the north and east directions of the seismometer)

3 計(jì)算結(jié)果和對(duì)比分析

3.1 地面觀測(cè)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為對(duì)波形相關(guān)法、遠(yuǎn)震P波極性法在地震計(jì)方位檢測(cè)中的適用性、一致性進(jìn)行分析，本文用2種方法對(duì)測(cè)試地震計(jì)方位角進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 波形相關(guān)分析

地面觀測(cè)臺(tái)站選定陜西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)QLIT，HZHG，XAN，ZOZT等4個(gè)臺(tái)進(jìn)行對(duì)比分析，QLIT和ZOZT臺(tái)為BBVS-60寬頻帶地震計(jì)，HZHG和XAN臺(tái)為CTS-1EF甚寬頻帶地震計(jì)。分別在這4個(gè)臺(tái)站同儀器墩安裝相同帶寬的地震計(jì)作為參考地震計(jì)，數(shù)據(jù)采集器全部使用EDAS-24IP，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1.589 μV/count。參考地震計(jì)使用NV-NF301型陀螺尋北儀進(jìn)行定向，方位角數(shù)據(jù)見表2，連續(xù)波形數(shù)據(jù)記錄12 h以上，對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。由表3可見，4個(gè)臺(tái)的10次測(cè)試結(jié)果基本一致，QLIT臺(tái)NS向極性反向，QLIT1為NS向數(shù)據(jù)經(jīng)人工校正后的結(jié)果，QLIT2為對(duì)地震計(jì)NS向信號(hào)線經(jīng)過改正后的結(jié)果。由于每個(gè)臺(tái)站測(cè)試時(shí)，參考與測(cè)試地震計(jì)帶寬相同，且2套儀器架設(shè)在同一儀器墩上，因此計(jì)算時(shí)直接使用地震記錄進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 地面參考地震計(jì)方位角Tab.2 Azimuth of surface referenced seismometer

表3 地面觀測(cè)臺(tái)站同儀器墩寬頻帶地震計(jì)方位角檢測(cè)結(jié)果Tab.3 The broadband seismometer detection results of the surface seismic observation station on the same instrument frusta 單位：(°)

筆者在陜西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)QLIT臺(tái)進(jìn)行了同儀器墩寬頻帶與短周期地震計(jì)組合的測(cè)試。寬頻帶地震計(jì)使用BBVS-60寬頻帶地震計(jì)，方位角為0.3°，在同儀器墩安裝FSS-3M短周期地震計(jì)，方位角為0.1°。從表4的分析結(jié)果來看，未仿真計(jì)算結(jié)果：相關(guān)系數(shù)為0.985 8，相對(duì)方位偏差為0.8°，經(jīng)BBVS-60地震計(jì)方位角校正后為1.1°；仿真計(jì)算結(jié)果：相關(guān)系數(shù)為0.996 8，相對(duì)方位偏差為-0.5°，經(jīng)BBVS-60地震計(jì)方位角校正后為-0.2°，綜合分析認(rèn)為仿真結(jié)果優(yōu)于未仿真結(jié)果。

表4 QLJT臺(tái)同儀器墩寬頻帶與短周期地震記錄分析結(jié)果Tab.4 The analysis results of the broadband seismic data and short period seismic data on the same instrument frusta of QLJT station

注：序號(hào)1～18表示使用了18個(gè)小時(shí)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

3.1.2 遠(yuǎn)震P波極性分析

對(duì)2011年1月—2013年7月陜西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的MW≥5.0、震中距為30°～90°的地震事件進(jìn)行遠(yuǎn)震P波極性分析，4個(gè)臺(tái)站地震計(jì)方位偏差遠(yuǎn)震記錄計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列見圖3。從表5統(tǒng)計(jì)情況來看，遠(yuǎn)震P波極性分析的計(jì)算結(jié)果與儀器方位角普查陀螺尋北儀檢測(cè)的結(jié)果有一定偏差，最大達(dá)2.9°；陀螺尋北儀檢測(cè)的結(jié)果與波形相關(guān)分析得到的結(jié)果偏差較小，在0.4°以內(nèi)。使用遠(yuǎn)震P波極性分析得出的HZHG臺(tái)方位偏差為-8.5°，與周琳等(2013)給出的-10.8°以及Niu和Li(2011)給出的-9°基本一致，但與儀器方位角普查及波形相關(guān)分析的結(jié)果有一定的偏差。遠(yuǎn)震P波極性分析相對(duì)波形相關(guān)分析結(jié)果偏差較大，這是由于遠(yuǎn)震P波極性分析方法得到的地震計(jì)方位角，受臺(tái)站下方介質(zhì)各向異性、速度的橫向不均勻性以及傾斜界面等因素的影響，但總體來講，3種方法確定的方位角數(shù)據(jù)均比較可信。

表5 臺(tái)站地震計(jì)方位偏差結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of deviation of the seismometer azimuth

3.2 同臺(tái)址地面多套地震計(jì)與井下地震計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

選定河南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)HH臺(tái)進(jìn)行對(duì)比分析。HH臺(tái)為深井觀測(cè)臺(tái)站，架設(shè)FSS-3DBH短周期地震計(jì)，數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24IP，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1.589 μV/count。臺(tái)站地處市內(nèi)區(qū)域，人為干擾較大，經(jīng)計(jì)算井下450 m處于Ⅲ級(jí)環(huán)境地噪聲水平，地面處于Ⅴ級(jí)環(huán)境地噪聲水平。測(cè)試時(shí)在距觀測(cè)井15 m處分別架設(shè)2套BBVS-60寬頻帶地震計(jì)、1套CMG-40T寬頻帶地震計(jì)、1套FSS-3M短周期地震計(jì)，F(xiàn)SS-3M短周期地震計(jì)使用EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，采樣率為100 sps，采用最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1.589 μV/count，其它3套地震計(jì)均使用EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，采樣率100 sps，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1.192 μV/count。

圖3 地面觀測(cè)臺(tái)站地震計(jì)方位偏差遠(yuǎn)震記錄計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列
Fig.3 The time series of the calculated results of seismometer azimuth deviation based on teleseism data in the surface seismic observation stations

參考地震計(jì)安裝時(shí)，由于室內(nèi)沒有儀器墩，測(cè)試地震計(jì)在室外土層場(chǎng)地安裝，挖除表層松散回填土，放置40 cm×40 cm×1 cm花崗巖板，石板與土層緊密結(jié)合，地震計(jì)安裝于石板上，地震計(jì)方位角由陀螺尋北儀測(cè)定，4套參考地震計(jì)方位角均為0°，地面觀測(cè)系統(tǒng)連續(xù)記錄24 h以上，分析4套地震計(jì)與井下地震計(jì)組合24 h數(shù)據(jù)，相關(guān)分析時(shí)采用0.2～0.3 Hz帶通濾波(李少睿等，2016)，其中地面BBVS-60寬頻帶地震計(jì)、CMG-40T寬頻帶地震計(jì)記錄仿真到FSS-3DBH短周期地震記錄，計(jì)算結(jié)果見表6，7。對(duì)2011年1月—2013年7月HH臺(tái)記錄的MW≥5.0、震中距為30°～90°的地震事件進(jìn)行遠(yuǎn)震P波極性分析，臺(tái)站地震計(jì)方位偏差遠(yuǎn)震記錄計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列見圖4，計(jì)算結(jié)果見表7。從表6，7中可以看出，4套地震計(jì)組合得出的井下地震計(jì)方位偏差基本一致，其中遠(yuǎn)震P波極性分析結(jié)果與相關(guān)分析的結(jié)果偏差較大，除3.1.2列出的影響因素外，HH臺(tái)井下地震計(jì)為短周期地震計(jì)也是因素之一。

表6 HH臺(tái)同臺(tái)址多套儀器地震記錄與臺(tái)站井下短周期地震記錄分析結(jié)果Tab.6 The analysis results of multigroup instruments seismic data in the same surface station and borehole short period seismic data in HH station 單位：(°)

表7 同臺(tái)址地脈動(dòng)記錄相關(guān)法及遠(yuǎn)震P波極性法測(cè)定HH臺(tái)井下地震計(jì)方位角結(jié)果Tab.7 The results of the borehole seismometer azimuth detection of the HH station by the method of microtremors data correlation and teleseism P-wave polarity at the same station

圖4 HH臺(tái)井下地震計(jì)方位偏差遠(yuǎn)震記錄計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列Fig.4 The time series of the calculated results of borehole seismometer azimuth deviation based on teleseism data in the HH station

3.3 深井觀測(cè)臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.3.1 波形相關(guān)分析

本次測(cè)試JSO，F(xiàn)YT，YC 3個(gè)臺(tái)使用CMG-40T寬頻帶地震計(jì)作為參考地震計(jì)，地震計(jì)安裝于臺(tái)站觀測(cè)室內(nèi)；HEF臺(tái)使用臺(tái)站地面觀測(cè)儀器CTS-1EF甚寬頻帶地震計(jì)作為參考地震計(jì)。測(cè)試使用EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，采樣率為100 sps，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1.192 μV/count，臺(tái)站地面參考地震計(jì)方位角見表2。JSO，F(xiàn)YT，YC，HEF臺(tái)井下地震計(jì)信息見表1，其中EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，采樣率100 sps，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1.589 μV/count；CMG-DM24數(shù)據(jù)采集器，采樣率為100 sps，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為3.178 μV/count。參考地震計(jì)與井下地震計(jì)并行觀測(cè)12 h以上，進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)相關(guān)分析，測(cè)定井下地震計(jì)的方位角。

JSO，YC，HEF 3個(gè)臺(tái)，參考地震計(jì)與井下地震計(jì)均為寬頻帶地震計(jì)，直接使用地震記錄進(jìn)行對(duì)比分析，在相關(guān)分析時(shí)使用0.2～0.3 Hz帶通濾波。FYT臺(tái)地面參考地震計(jì)為寬頻帶地震計(jì)，井下地震計(jì)為短周期地震計(jì)，分析時(shí)地面寬頻帶地震記錄仿真到FSS-3DBH短周期地震記錄，使用0.2～0.3 Hz帶通濾波。以上4個(gè)臺(tái)中，YC和HEF臺(tái)井下地震計(jì)安裝時(shí)沒有進(jìn)行定向，JSO和FYT臺(tái)均使用陀螺儀進(jìn)行了定向，但從表8可以看出，除HEF臺(tái)外，其余3個(gè)臺(tái)站井下地震計(jì)方位角偏差都較大，其中YC臺(tái)為155.1°，經(jīng)地面參考地震計(jì)方位角校正后為154.9°；JSO臺(tái)為-121.3°，經(jīng)校正后為-120.8°；HEF臺(tái)為-2.8°，經(jīng)校正后為-1.1°；FYT臺(tái)為-89.4°，經(jīng)校正后為-89.7°。

表8 深井觀測(cè)臺(tái)站井下地震計(jì)方位角檢測(cè)結(jié)果Tab.8 The results of borehole seismometer azimuth detection of the borehole seismic observation stations 單位：(°)

3.3.2 遠(yuǎn)震P波極性分析

對(duì)2011年1月—2013年7月JSO，YC，HEF，F(xiàn)YT這4個(gè)井下觀測(cè)臺(tái)站記錄的MW≥5.0、震中距為30°～90°地震事件進(jìn)行遠(yuǎn)震P波極性分析，4個(gè)臺(tái)站地震計(jì)方位偏差遠(yuǎn)震記錄計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列如圖5所示。從表9的結(jié)果來看，對(duì)于井下地震計(jì)，地脈動(dòng)記錄波形相關(guān)分析與遠(yuǎn)震P波極性分析得到的井下地震計(jì)方位角基本一致，同樣FYT臺(tái)由于井下地震計(jì)為短周期地震計(jì)，遠(yuǎn)震記錄的分析結(jié)果偏差相對(duì)較大。

圖5 深井觀測(cè)臺(tái)站井下地震計(jì)方位偏差遠(yuǎn)震記錄計(jì)算結(jié)果時(shí)間序列
Fig.5 The time series of the calculated results of borehole seismometer azimuth deviation of the borehole seismic observation stations based on teleseism data

表9 同臺(tái)址地脈動(dòng)記錄波形相關(guān)法及遠(yuǎn)震P波極性法確定的井下地震計(jì)儀器方位角統(tǒng)計(jì)Tab.9 The statistics of borehole seismometer azimuth determined by the method of microtremors data correlation and teleseism P-wave polarity at the same station

4 結(jié)論

本文通過使用波形相關(guān)法、遠(yuǎn)震P波極性法對(duì)地面及井下地震計(jì)方位角進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)由于井下地震計(jì)固定方法的缺陷，使用陀螺儀、磁通門等傳統(tǒng)方法定向井下地震計(jì)方位角，實(shí)際定向結(jié)果不可靠。

(2)地面、井下地震計(jì)方位角檢測(cè)中波形相關(guān)法和遠(yuǎn)震P波極性法都可以得到較為滿意的結(jié)果，其中波形相關(guān)法檢測(cè)精度優(yōu)于遠(yuǎn)震P波極性法，因此波形相關(guān)法可作為井下地震計(jì)安裝時(shí)方位角的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，遠(yuǎn)震P波極性法可作為臺(tái)網(wǎng)中心日常檢測(cè)地震計(jì)方位角的方法。

(3)使用遠(yuǎn)震P波極性法檢測(cè)井下地震計(jì)方位角，井下寬頻帶記錄檢測(cè)效果優(yōu)于短周期記錄。

中國(guó)地震局地球物理研究所鄭秀芬研究員提供了遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)，美國(guó)萊斯大學(xué)鈕鳳林教授提供檢測(cè)程序，江蘇省地震局盧永高級(jí)工程師、河南省地震局趙暉高級(jí)工程師在檢測(cè)中給予協(xié)助，在此一并表示感謝。