背景噪声在数字地震台网时间系统中的稳定性估计

王 俊 缪发军 詹小艳 霍祝青 孙业君 朱 峰 徐 戈

(江苏省地震局，南京 210014)

核查地震波形数据记录中的时间系统是数字地震台网最困难的任务之一，特别是当波形数据进行离线保存或使用时，在时空部署上通常具有不确定性。对于层析成像、地震定位、预警等来说，时间系统的精度是极其关键的。尽管目前数字地震台网中都普遍采用了GPS 或广播信号来进行授时，但当GPS 重复不断地连接外部时钟失败时，数据的记录时间就只能依赖于内部时钟。通常情况下，内部时钟的校正信息会以日志的形式进行保存，但在没有GPS 信号期间的精确时间则是无法估计的；或日志信息不随数据一起分发，那么对于数据的使用者来说依然无法控制时间系统的精确度。因此，如何从记录数据中直接计算出地震台网的时间精度就显得十分必要。

近年来的研究表明，对地震台记录到的背景噪声进行互相关计算，得到的互相关函数在一定程度上可以代表两个地震台之间真实的格林函数。较长时间的背景噪声互相关函数可以使随机场中的噪声源和地壳内地震波散射的非均匀性得到足够的平均，从而保证格林函数有效性。进一步的理论和实践研究发现有3种主要因素会导致走时出现扰动：①介质的物理性质发生改变；②台站对中其中一个存在时间误差、或其中一个台站的传感器相位响应发生改变；③介质中噪声源的空间分布发生变化。

在某一给定的路径和频带范围内，背景噪声互相关函数中求取的面波走时δt 与“参考走时”之间的偏差，可以用下式来表示：

D（t）是由台站时钟误差（或传感器的相位响应偏移）引起的时间延迟；φ（t）表示由于介质物理性质变化引起的时间扰动；ε（t）是由于噪声源在空间上的分布变化而引起的时间偏移。通过互相关格林函数的滑动窗函数叠加技术，我们可求出D 和φ。

选取了江苏台网的连云港（LYG）、徐圩（XW）、灌云（GUY）3 个台站2011 年的数据进行了试验性计算，将它们两两组合成台站对，即：LYG-XW（31.6 km）、GUY-XW（34.7 km）、GUY-LYG（37.8 km）。取各台站对全年的格林函数进行叠加，记为“参考格林函数”。我们采用了30 天的时间尺度来作为窗函数的长度，对每一天的互相关函数进行滑动叠加并进行振幅归一化后，即得到当天的格林函数；然后再测量与“参考格林函数”之间的时间偏差，结果如图1 所示。LYG-XW、GUY-XW、GUY-LYG互相关走时相对偏差平均分别为0.6 334 s、3.9 771 s、2.2 887 s，可以看出偏差大的台站对中均有GUY 台，偏差最小的是LYG-XW，则说明3 个台中GUY 台的时钟误差最为严重。例如GUY-XW 的结果显示2011年的前60 天左右互相关走时相对偏差均在+5 s 左右，这与江苏台网1、2 月的地震记录中的真实情况一致（GUY 台约有4 s 左右的时钟误差），LYG-XW、GUY-XW 在270～320 天之间也出现+6 s 左右的相对偏差，而在此期间的地震记录中显示XW 台有3 s 左右的时钟误差。这表明理论计算能较为真实地反映出实际情况，但各台的绝对时间偏差和相对精度还需要更深入研究。

图1 2011 年LYG-XW、GUY-XW、GUY-LYG 的互相关格林函数与“参考格林函数”之间的时间偏差