利用P波质点运动检测福建台网地震计方位角

陈家樑，戴丽金，张宝剑

（福建省地震局，福州 350003）

0 引言

现代地震学研究中包括SKS剪切波分裂[1]、接收函数研究等，都需要以精确可靠的三分量宽频带地震记录为前提进行旋转。如果通过震源与台站经纬度计算得出的理论方位角与真实值存在较大的差异，势必会影响以上所有的研究结果。国外地震工作者很早就对地震计方位角进行过研究计算，也确实发现了有些台站存在有较大的方位角偏差问题。国内Niu等[2]利用P波质点运动原理，通过多地震事件横向能量最小的“SNR为权重的多事件”方法，对国内部署有宽频带地震计的台站进行研究计算，发现多数省级台网中均存在有方位角偏差的问题。在监测预报司的统一部署下，2013年福建台网中心工作人员利用高精度寻北仪对所有台站进行真北方向校正，校正过程中也确实发现有方位角偏差的问题。

随着福建“十二五”建设的完成，福建台网中布设有宽频带地震计的台站共有74个[3]，在提高本区域台站密度的同时，急需要全方位多手段地去监控并提升台站的观测数据质量。福建省地震局经过科学系统的改革后，在福建地震预警与监测中心成立了系统和数据监管室。方位角作为数据质量的一部分，需要我们数据质量的监管部门对其准确性进行及时监控，并反馈给台站维护人员进行现场的校核和校正。随着科技水平的提高，现代化的地震计其三分量传感器之间的方向正交性基本上可以得到保障。之所以还会出现偏差较大的问题，在于人为的通道命名、后期的维护更换以及外部环境的影响等。本文利用Niu等[1]提出的方法，基于Python程序语言开发一套相应算法的程序，对福建台网的宽频带地震计方位角进行计算，对比台站方位角在校正前后的实际变化，并持续性地跟踪台站方位角的变化情况。

1 计算方法

基于合理的假设利用压缩P波运动的原理，即P波在水平面的投影将会集中在径向分量上。假设地震计N分量严格指北，则计算得到的最大偏振能量的方向与台站至地震震中的理论反方位角一致，即图1中的θc。但若N方向不能够严格指北，存在偏差φ，则计算得到的最大能量的方向应该为θa=θc-φ。因此通过地理方位计算出θc，通过最大偏振能量计算出的旋转角θa，就可以确定N通道是否存在偏差及偏差的角度。本文将采用Niu等提出的利用多事件信噪比加权叠加（“SNR”为权重）法，基本步骤为：先计算出每个台站与具体事件的反方位角θc，并在0°～180°之间以1°为间隔定义φ值；再以旋转角θa=θc-φ对每个事件进行径向和横向的能量分解计算，并对横向的P波能量进行加权计算；而后叠加每个事件相同φ值的能量后求出最小能量对应的φ值，认为此时的φ为最终的偏移角度[4]。

图1 地震计方位角关系示意图

2 数据选择及结果分析

按照监测预报司要求，福建地震预警与监测中心仪器维护室人员利用高精度寻北仪，于2013年上半年对福建台网所辖台站的地震计进行方位角现场校正。为便于对比校正前后方位角的准确性，本文以2013年为界，分两个阶段对同一台站地震计的方位角用以上方法进行计算分析。

2.1 数据选择及计算

在数据的选取上，本文选取的地震事件均为远震，且为保证计算结果的准确性，还对每个地震事件进行人工检视，将由于零飘、卡摆及噪声大造成信噪比差等的问题台站进行剔除。为保证带宽的一致性，在计算偏振能量之前对所有的波形数据进行5～50 s的带通滤波，并定义正北方向为0°，顺时针方向为正。为能够反映出不同时间段方位角的变化情况，还对每个台站单个地震事件进行计算。

2.2 结果分析

表1是通过“SNR法”计算得出的2个阶段不同台站的具体方位角偏差值，以及2013年通过高精度寻北仪现场实测值。图2则分别列出了同一台站在不同时间段方位角随时间演变的序列图。

图2 各台站地震计方位角偏差计算结果时间序列图

表1 SNR方法计算及寻北仪所测福建测震台站地震计方位角偏差大于5°的列表

综合以上可以看出，经过寻北仪的校正后，绝大部分台站方位角的偏差得到了明显改善，并且从序列图可以看出，从2015年到2019年之间也保持了较好的状态。计算结果显示，寻北仪测得值与“SNR法”计算第一阶段的值相近，但少数台站因为较为高频的地震计维护更换及分向命名等的错误，其计算结果与实测值存在较大出入。通过分析2个阶段的台站时间序列图发现，个别台站存在较为明显的异常，结合福建地震监测中心2012年以来的台站电子维护日志，现具体分析如下：

1）WYXF（武夷新丰）台，从其序列图可以看出在2010年7月5日的地震事件之前，其方位角的偏差均在-46°及以上，通过文献[1]中的虚拟台阵的方法发现此台分量摆放错误，将BHE分量摆放在指北方向。经过相应的数据处理后再计算2009年6月至2010年7月之间的数据，得出该台的方位角偏差为30°。利用2010年7月以后的数据计算此台的方位角偏差则为-2°，可见两者之间有较大的差值，这也突显了时间序列图的重要性。

2015年后WYXF台的方位角偏差达到了15°，之所以有这么大的偏差，经推测应与多次更换地震计有关。如表2所示，此台于2013年5月份经过寻北操作之后到2019年8月止，与移动地震计有关的维修次数有9次。时间序列图显示在2017年10月以后，方位角的偏差就一直稳定在30°附近，而此台截止到2019年8月为止，最后一次移动地震计时间在2017年10月25日，因此有理由相信此台的偏差与更换地震计的操作有关。

表2 WYXF台有关地震计的维护日志

2）TNSC（泰宁杉城）台计算结果偏差了21°，与实测结果0°相差较大，从序列图中也发现了与WYXF台一样的问题，以2010年7月为界两边的偏差值有明显的区别。同样通过虚拟台阵的方法，得出在2010年7月份之前因BHN分量置于正东方向，导致了两边计算结果有较大的差异性。为尽量真实地反演出此台在现场实测之前的方位角偏差，对于此台采取直接去除2010年7月份之前的数据，并增加远震事件到2012年底后计算得到方位角偏差值为6°。

Niu等[2]认为，方位角偏差在-7°～7°之间的台站数据不会对面波极性研究结果带来较大影响，且这样水平的偏差，除去地震计方位角偏差外还由多种因素组成。以上述偏差范围为界，通过对2015年1月到2019年8月之间的远震事件的处理，得到福建测震台网74个部署宽频带地震计的方位角偏差值，其中有72个台站的方位角偏差值在-7～7°之间。除武夷新丰台及漳平永福台，福建测震台站方位角在2013年寻北之后保持了较高的准确率，具体台站偏差情况如图3（除武夷新丰和张平永福台外，以地震计方位角偏差值为色差的福建台网宽频带台站的分布图）所示。

图3 方位角偏差台站分布图

漳平永福台为2013年“背景场”项目新建台站，在仪器初装时即使用寻北仪进行过精确的寻北操作，但与武夷新丰台一样存在地震计的更换与其他维护操作。经实地观测后发现两个台站所用仪器均为港震的BBVS-60地震计，该地震计的外壳没有明显的指北线标识。图4为该仪器的简易图，在安装时需要将方位基准面的法线方向指向地理东，由于安装人员没有留意导致2个台站均出现了较大的偏差。利用高精度寻北仪测得后发现武夷新丰台偏差13°，而漳平永福台则偏差了-53°，与用该方法所测得的15°及-59°的偏差结果也较为接近。

图4 BBVS-60安放示意图

3 结论

1）“SNR为权重的多事件”方法能够有效检验地震计方位角的偏差，但需要对有极性反转等问题台站数据进行预处理。在用程序处理中还需要特别注意有时间延迟的台站，否则计算结果不正确。

2）为提供全面客观的计算结果及台站方位角的演变历程，需要提供用各台站所有单个地震事件的时间序列图。若出现一张序列图中有两段及以上较为明显不一致的结果，则需要进一步查找和分析原因。因此，建议所使用地震事件的时间跨度要尽可能大一些，否则有可能在序列图上不能明显地反演出问题台站。

3）福建台网的台站在2013年寻北之前确实有地震计方位角偏差的问题，而在寻北之后至2019年8月份之间，整个台网所属宽频带地震计方位角总体上保持了较高的准确率，但也出现因多次维护更换地震计导致重新出现较高偏差的台站，故对于方位角的监控应该是持续性的。