紫坪铺水库地震台网地震记录仪记录汶川MS8.0地震震相到时准确性验证

韩 进 谢蓉华

(四川省地震局，成都 610041)

紫坪铺水库地震台网地震记录仪记录汶川MS8.0地震震相到时准确性验证

韩 进 谢蓉华

(四川省地震局，成都 610041)

紫坪铺水库地震台网是离汶川MS8.0地震震中最近的地震台网，记录了不可多得的地震事件资料。为讨论这些资料的精确度，将台网使用的地震记录仪的型号、硬件组成和性能指标与美国的RefTek地震记录仪进行了比较，并从地震记录数据处理结果方面进行了分析验证。结果表明，台网记录仪自身硬件带来的最大误差＜1.8ms;该台网记录的汶川MS8.0地震震相拾取结果与美国的RefTek地震记录仪记录的结果相差0.02s。与综合四川台网得到的发震时刻比较，最大相差0.48s，最小相差－0.03s;由包括该台网在内的21个台的P波到时和震中距绘制的时程图线性度较好。这说明，紫坪铺台网所用的地震记录仪所产生的误差，远比震相读取产生的误差小，亦比地震波传播过程中介质不均匀性造成的影响要小。该台网所用地震记录仪的时间精度完全能够满足现代地震分析需要。

紫坪铺台网 汶川MS8.0地震 时间准确性

0 引言

紫坪铺水库地震台网是距汶川MS8.0地震震中最近的地震台网，该台网历经了此次地震的全过程，记录了不可多得的地震事件波形资料，正在为此次地震的成因研究发挥着重要的作用。紫坪铺水库台网由7个大动态、高精度的遥测地震台组成。地震台以大约10km的台距，较均匀地分布在水库区域，并将水库诱发地震区段和穿越库区的断裂包围其中。监测能力在包含库坝区的9km×15km重点监测区内定位震级下限为ML0.5，实际震中定位精度为误差≤2km(韩进，2009)。地震震相的识别与测量是地震学研究中最基本、也是最基础的工作。只有在这一基础上，才能测定地震的震源位置和震级等基本参数，并进一步编制地震报告。这无论是对地球结构和震源的认识，还是对地震活动性的研究，以及对防震减灾工作的开展都是十分重要的(邹立晔，2004)。这说明了震相及其拾取的重要性。影响震相测量准确性的主要因素，一是地震记录仪时间精度，二是震相测量带来的误差。地震记录仪时间精度高低由校时基准和守时精度决定，校时基准取决于地震记录仪时间系统所用外部基准时间的精度和校对的频度;守时精度则取决于地震记录仪内部时间系统的稳定程度。影响震相测量误差的主要因素有，在自动测量中受制于算法的因素;在人工拾取中取决于人的认知程度。由于现代地震台网采用了接收全球卫星定位系统(GPS)的授时系统，地震台站可以很好地接收原子钟的时间信号，这使台站的绝对时间不再存在问题(邹立晔，2004)。“十五”以来中国地震台网已经全面进入数字化，《中国数字测震台网技术规程》规定地震台站授时/守时精度优于1ms①中国地震局，2005，中国数字测震台网技术规程。，以新一代全球地震台网(GSN)为代表的地震监测系统，采用了Precision TCXO+Phase locked to GPS(GSN Instrumentation)守时/授时配置，为地震记录仪时间精度提供了很好的保障。紫坪铺水库地震台网是距初始破裂震中最近的一个台网，其中最近的八角(BAJ)台距震中约5.3km，因此，该台网记录的汶川MS8.0地震及其序列数据的震相时间准确性更受到了地震工作者的高度重视。在后续处理中，仍然对地震记录仪记录震相时间准确性提出疑问。这一点已在开展的“十一五”国家科技支撑重点课题“水库地震监测与预测技术研究”项目中被提了出来。然而，怎样才能验明紫坪铺水库地震台网监测系统汶川MS8.0地震的时间服务是良好的，记录事件数据的时间是准确的，是能够满足研究人员需要的。笔者通过对地震记录仪的硬件组成、性能指标、地震记录情况和地震数据分析结果等多个方面做了必要的分析，以期得到较为客观的结果。

1 地震记录仪类型、硬件组成和性能指标分析

紫坪铺水库地震台网使用的地震记录仪是北京港震机电技术有限公司生产的EDAS－24L3和四川省地震局水库地震研究所生产的RSDA－24A。记录数据使用的采样率为100Hz，即2个数据间取样间隔为10ms。这2种记录仪外部基准时间均采用目前国际上大多数主流地震记录仪(比如RefTek 130－01、Nanometrics Taurus)所采用的全球定位系统(GPS)作为时间基准，内部使用了高精度的温度补偿压控晶体振荡器(TCXO)。这2种记录仪的时间精度指标均优于1ms。

以RSDA－24A地震记录仪为例，使用了Motorola M12 GPS接收机作为接收的基准时间标准，该接收机获取的时间精度优于0.5μs(M12 M应用指南)。内部晶体振荡器使用的是型号为V2164－N56F161105，温度稳定度在－20℃ ～+70℃范围内优于1.0ppm。加电后，在GPS接收机捕获到3颗以上卫星后，就可获取GPS时间，RSDA－24A把GPS时间作为自己的基准时间，开始对内部温度补偿晶体振荡器进行自动协调，使之与GPS提供的频率、相位同步，大约1h后，RSDA－24A内部时间与UTC保持μs级的误差。为省电，GPS接收机每30min开启一次进行自动校时，以校对内部时钟的准确度②王翠芳等，2007，RSDA－1型地震数据采集器(技术报告)。。

那么影响内部时钟准确性的主要因素有哪些呢?一是采用的基准时间，二是内部守时稳定度。同样以RSDA－24A为例，采用全球定位系统(GPS)作为时间基准，其精度优于0.5μs，远优于10ms的采样间隔，应该没有问题。那么影响内部时钟准确性的主要因素就主要取决于内部守时了。内部守时的稳定度主要是由内部晶体振荡器决定的，而从采用的晶体振荡器温度稳定度优于1.0ppm这个指标看，在设定每30min校时1次显得稍微欠缺一点。当30min GPS校1次时，如果从最不利的情况来考虑，理论上最大可能出现1.8ms的误差。地震记录仪设计时，从既要满足低功耗，又要满足较高的时间精度出发，选用了现行的晶体振荡器稳定度是一种综合的考虑，因为稳定度再高一点，就需要采用恒温结构，这样功耗就会有较大增加。当然也可以把校时时间缩短为15min，即使从最不利的情况来考虑，理论上最大也只有0.9ms误差，但也会增加一定功耗。在设定不会出现最不利条件这一假设下，现在的这种选择和设置是合适的。实际上RSDA－24A记录仪在生产调试时，通过严格测试是保证时间精度优于1ms的。紫坪铺水库地震台网各台站的5月平均气温为18～26℃(都江堰旅游)，对仪器工作状态来说温度适宜。频率的温度稳定度是，在指定温度范围内振荡器的输出频率相对于25℃时测量值的最大允许频率偏差。当时的气温条件正好处于标准温度附近，由此导致的内部晶体振荡器变化应该较小，一般不会出现最不利情况。

那么，时间精度优于1ms这样的精度对于震中距最大仅为24km的紫坪铺水库地震台网会带来多大的误差呢?如果用经典的盖格法(Geiger，1912)进行定位，如果分析人员的震相读取是准确的，如果以P波速度为6.0km/s来计算，那么1ms的误差带来的P波传播误差为6.0m。其精度大大高于目前实际定位中能达到的km级或精确定位能达到的0.1km量级的精度。即使以最不利的1.8ms来计算，带来的P波传播误差也仅为10.8m。而在100Hz/s采样率时，2个采样点之间的间隔为10ms，即，由震相读取误差1个点带来的P波传播误差也达60m。因此，当地震记录仪在100Hz/s采样率，且时间稳定度优于1ms时，震相读取误差与记录器时间误差，大约是10:1，即使在最不利情况下读数误差带来的影响也是记录仪的近6倍。也就是说，从硬件组成和性能指标上判定，由紫坪铺台网使用的地震记录仪本身时间精度带来的对地震定位精度的影响远没有震相读数误差的大，是可以忽略的。

2 事件记录时间精度分析

下面通过美国产RefTek－130B0l实际记录地震与四川省部分地震台记录地震的比较，进一步验证紫坪铺台网记录汶川MS8.0地震的时间准确性的可信度。

2.1 与美国产RefTek-130B0l比较

刘启元主持的国家重点基础研究发展计划项目(2004CB418402)，在四川省西部(100°～105°E，26°～32°N)布设了由297个宽频带地震台组成的密集流动地震观测台阵。其中的KCD05号台，与四川省地震局的油榨坪(YZP)台同址。这就为2种记录仪的对比提供了很好的条件。流动地震观测台阵所使用的地震记录仪是美国的RefTek－130B0l(Third Generation Broadband Seismic Recorder)，该记录仪时间系统采用GPS接收器/时钟外加一个振荡器，3－D修正并锁定后精度±10μs。为了有利于近震数据的后续分析，采样率也是采用100Hz/s，其MS8.0地震记录和读取的 P波到时是14︰28︰3.33(刘启元，2008)。图1是 RefTek记录仪MS8.0地震记录截图。而四川省地震局油榨坪台使用的是EDAS-IP24地震记录仪，观测到的P波到时是14︰28︰3.35。图2是EDAS－IP24地震记录仪MS8.0地震记录截图。对比图1和图2可看出，事件记录质量较好，震相清晰，震相测量精度应该很高，二者仅有0.02s误差，即仅仅差2个采样点，应该说误差非常之小。由于震相到时测量存在一定的随机性，不同的人对于同一个震相到时的识别，甚至是同一个人的前后2次测量都可能有所不同。因此，0.02s误差极有可能是读取震相时的误差造成的，且这个误差远小于地震编目评比标准震相测量误差以及＜0.2s①中国地震台网中心，2010，省级地震台网地震编目评比标准(2010版)。的要求。这个旁证说明紫坪铺台网使用的EDAS地震记录仪时间准确性与RefTek记录仪一样值得信赖。另外，油榨坪(YZP)台本身也是紫坪铺台网的实时共享台之一，参与紫坪铺水库地震数据联合处理。

图1 RefTek记录仪MS8.0地震记录截图Fig.1 Intercepted seismogram of the MS8.0 Wenchuan earthquake recorded by a RefTek seismometer.

图2 EDAS记录仪MS8.0地震记录截图Fig.2 Intercepted seismogram of the MS8.0 Wenchuan earthquake recorded by a EDAS seismometer.

2.2 与四川省的部分地震台记录地震比较

汶川地震后，在中国地震局的支持和帮助下，四川省地震局开展了大规模的地震数据复核工作。作为距汶川MS8.0地震初始破裂最近的紫坪铺水库地震台网也对记录数据进行了全面的清理和复核。这期间尤其是苏金蓉高级工程师在参与由马宗晋院士主持的国家重点基础研究发展计划项目(973)“汶川地震发生机理及其大区动力环境研究”中，做了许多基础性、系统性的数据整理和复核工作。笔者有幸引用了该项目的数据整理成果，对紫坪铺台网各台站记录的汶川MS8.0地震时间精度进行了分析。

2.2.1 发震时刻

在选定紫坪铺台网7个台站的基础上，又选取了四川省内的14个台站。读取了P波到时，通过高程校正后，应用朱介寿给的四川东区速度结构模型①朱介寿，2009，成都市地震精定位与地震活动性研究。，计算出共21个台站的发震时刻(表1)。从表1中可看出，残差是0.070，平均发震时刻为14︰27︰58.04，紫坪铺台网各台站最大误差是灵岩寺(LYS)0.48s，最小误差是白岩(BAY)－0.03s，大大小于地震台网1类地震发震时刻误差≤±5s的标准(中国地震台网中心，2010)，即是说，得到的各台发震时刻较接近。表明紫坪铺台网各台站记录的汶川MS8.0地震的时间准确性可信度较高。

表1 汶川MS8.0地震主震定位结果Table 1 The location results of the MS8.0 Wenchuan earthquake.

2.2.2 时程曲线

应用表1中的数据绘制的时程曲线，如图3所示，时程曲线的线性较好。这也较为直观地表明，紫坪铺台网各台站记录的汶川MS8.0地震的时间准确性可信度较高。

3 讨论与结论

影响紫坪铺水库地震台网地震记录仪记录MS8.0汶川地震震相到时准确性的主要因素，一是地震记录仪的时间精度，二是震相测量带来的误差。笔者从地震记录仪使用型号及软硬件结构、与美国Reftek记录仪实际记录震相到时数据对比、发震时刻可信度和时程曲线4个方面，对紫坪铺水库地震台网地震记录仪记录的MS8.0汶川地震主震数据时间准确性进行了分析。结果表明:

图3 汶川MS8.0地震时程曲线Fig.3 Time-history curve of the MS8.0 Wenchuan earthquake.

(1)由于紫坪铺台网使用的地震记录仪时间系统采用Precision TCXO+Phase locked to GPS这种先进的守时/授时配置，时间精度已经完全得到了保证。以RSDA－24A地震记录仪为例，从最不利因素考虑，理论上由地震记录仪自身产生的最大误差为1.8ms。当采样率为100Hz/s时，震相读取带来的最小误差为10ms。震相读取误差带来的时间误差至少是记录仪本身带来误差的5倍以上，因此，读取震相到时的精准性更重要，地震记录仪产生的误差对震相到时精度影响较小。

(2)在同一台址放置的EDAS和RefTek两种地震数据记录仪记录的汶川MS8.0地震数据读取震相到时表明，P波到时误差为0.02s，仅有2个采样点的差距，误差非常之小。其实，读取同一个震相记录数据，前后移动1或2个采样点都有一定的道理，本身会带来读数误差，是正常误差。这说明紫坪铺台网使用的EDAS地震数据记录仪的时间准确性与RefTek记录仪一样值得信赖。

(3)紫坪铺台网7个台与四川省内14个地震台综合处理的发震时刻对比，最大误差0.48s，最小误差－0.03s，小于地震速报评比±5s的要求。

(4)由21个台P波到时和震中距绘制的时程图线性度较好，表明包含紫坪铺台网在内的这21个台的震相到时读取是较为可信的。

综上所述，从最极端情况考虑，震相测量误差也至少接近地震数据记录仪记录的汶川MS8.0地震震相到时的6倍。因此，地震数据记录仪产生的到时误差，相对于震相读取时产生的误差来说是很小的，可以忽略。另外，介质变化的复杂性和非均质性也是影响地震传播的重要因素，它会给震相到时带来一定影响，从而导致发震时刻的误差和时程曲线的扰动。紫坪铺台网记录的地震数据应该为汶川地震的进一步研究发挥应有的作用。

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ACCURACY VERIFICATION OF SEISMIC PHASE ARRIVAL TIMES OF THE MAY 12 WENCHUAN EARTHQUAKE RECORDED BY ZIPINGPU RESERVOIR SEISMIC NETWORK

HAN Jin XIE Rong-hua

(Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China)

The Zipingpu Reservoir Seismic Network is the nearest network to the epicenter of the MS8.0 Wenchuan earthquake and it recorded the rare data of this earthquake event.In order to discuss the accuracy of these data，we compared the seismometers used in this network in terms of the types，hardware components and performance index with the US RefTek seismometer and analyzed the processing results of the earthquake records for the verification.Results show that the seismometer of the network has a maximum error of ＜1.8ms.There is a difference of 0.02s in the phase picking result of the MS8.0 Wenchuan earthquake from the recordings of this network with that from the US RefTek recordings.And compared with the earthquake occurrence time determined from the recordings of the Sichuan seismic network，the maximum difference is 0.48s，and the minimum－0.03s.The time-history curve plotted using P－wave arrivals and epicentral distances of 21 stations(including the network stations)has a good linearity.This indicates that the error generated from the seismometers used in Zipingpu network is far less than the error from phase picking，and the impact of it is also smaller than that caused by the heterogeneity of medium in seismic wave propagation.The time accuracy of the seismometer used in this network can satisfy completely the needs of modern earthquake analysis.

Zipingpu network，Wenchuan earthquake，time accuracy

P315.61

A

0253－4967(2012)03－0449－07

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.006

2012－02－07收稿，2012－05－30改回。

“十一五”国家科技支撑重点课题“水库地震监测与预测技术研究”(2008BAC38B04)资助。

韩进，男，1958年生，2008年毕业于四川大学网络学院软件工程专业，高工，主要从事地震观测技术工作，电话:028－85437471，E －mail:jinh028@sina.com。