采用P波分析法校正北京遥测地震台网地震计方位角

黄 静 房立华 王长在 郭永霞

（中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所）

0 引言

早期地震计摆墩大多未设立永久地理子午线标志，利用记录笔绘制的临时性标志，随着岁月的流逝往往难以辨认，受铁磁性物质干扰，利用罗盘进行方位测量存在较大误差。由于没有明显可靠的参考标志，在仪器维修、更换过程中，部分台站地震计水平分向方位存在明显偏差。

Ekstrom G和Busby R W等（2008）通过分析地震面波和P波质点运动，对USArray部分宽频带地震台站方位角进行推算和对比，发现部分台站方位角存在误差。Niu Fenglin等（2011）采用P波质点运动方法，对中国地震台网部分台站方位角进行推算，发现有些台站方位角存在误差，仪器摆放位置有误。

在2006年颁布的中华人民共和国地震行业国家标准——地震台建设规范中规定地理子午线的测量精度应达到或优于0.1°。利用寻北仪（不受地磁环境干扰），北京遥测地震台网对地震台地震计摆放方位进行测量与调整，地理北方位测量精度可达0.06°，目前该方法已在我国地震系统进行推广（李晋燕等，2010）。经寻北仪测量校正，地震仪观测记录不再存在方位角偏差，但校正前观测记录可能因仪器摆放位置不精确而出现误差，对科研工作造成影响。对同一台站仪器校量前后相同地点远震记录P波质点运动轨迹，采用P波极性分析等方法测定方位角，与寻北仪确定的真北方向进行对比，进而推断方位角正确与否。

1 数据分析

北京遥测地震台网（以下简称北京台网）始建于1966年，是我国第1个遥测地震台网，包括28个地震台（含4个井下短周期台），分布在北京与河北省境内。2010年底北京台网利用寻北仪测量真北方向，对台网所属北京地区12个地震台（喇叭沟、太师屯、马道峪、塔寺、四座楼、南山村、龙泉寺、法华寺、周口店、上方山、东三旗和大兴台）地震计摆放方位进行测量与校正，因东三旗台与大兴台安放短周期井下摆，此次研究不做考虑。北京地区10个地震台寻北仪校正时间见表1。

表1 北京地区地震台寻北仪校正时间Table1 Calibration date in Beijing area

图1 地震计比测面角度差示意(a)BBVS-60比测面与FBS-3B比测面相差60°；(b)FBS-3B与BBVS-60指北面示意Fig.1 Degree difference of calibration plane

方位校正期间，塔寺台进行地震计升级，从FBS-3B升级到BBVS-60。升级完成后，通过临近台波形记录对比，发现地震计经寻北仪校正后波形存在角度问题，检验发现，FBS-3B和BBVS-60地震计比测面不同。FBS-3B在摆放时以标牌面为准，朝向西，顺标牌面方向指北；通过寻北仪确定塔寺台真北方向时，最初以标牌面为基准摆放BBVS-60，实际BBVS-60新增指北基准面，检验发现误差60°。塔寺台地震计比测面方位角差示意图见图1。理论上，如果地震计方位正确，由台站与震中位置得出的“理论方位角”与通过P波分析法计算得出的“计算方位角”应一致。以此思路，将通过P波质点运动轨迹偏振分析法和P波极性分析法得出的方位角，与理论方位角对比，从而对北京台网10个台站的地震计方位角进行检验。

1.1 P波质点运动轨迹偏振分析法

信号偏振是震相特征之一，利用偏振分析法计算震中方位角，主要是建立一个偏振椭球，用该模型求解P波质点的主要震动方向。

1.1.1 震例选取。基于射线理论的地震波P波质点运动轨迹偏振分析法，受波程路径影响较大，为避免反射波和绕射波影响及上地幔顶层、低速层和高速层影响，选择2010年12月至2012年5月，北京台网应用寻北仪后记录良好的29个6级以上地震（震中距30°—60°），237次波形数据进行分析（表2）。

1.1.2 P波质点运动轨迹偏振测定分析。由于不同路径对地震波的影响不同，所以不同时间窗测定的结果有一定差异，为保证计算精度，每个台站至少计算3次，将理论方位角和3次计算结果绘成曲线，见图2。

表2 P波质点运动轨迹偏振分析选用地震参数Table2 parameters of selected earthquakes when using polarization analysis of P wave particle motion

对于法华寺、喇叭沟、龙泉寺、马道峪、南山村、上方山、四座楼、太师屯和周口店等9个地震台，由图2可见：①台站仪器摆放符合规范，整体结果比较好；②2011年1月1日阿根廷土库曼省MS6.8地震、2012年4月11日北苏门答腊西海岸远海8.2级地震、2012年3月26日智利近海7.3级远震影响较大，计算结果不理想，采用寻北仪校正地震计方位，理论方位角与计算方位角结果接近；③通过分析偏差较大的点，可知初动精度对用质点运动偏振分析法计算方位角有较大影响；④同一地震取不同段地震波，测定的方位角不一致，需要考虑地震波路径、震中距、震源深度等因素，而不能采取固定模式；⑤该方法人为影响较大；⑥影响方位角因素较多，尤其是仪器摆放问题，需特别注意。

由图2(j)可见，塔寺台自2011年6月24日安德烈亚诺夫群岛7.3级地震开始，理论值与计算值结果接近，与用寻北仪两次校正时间点相符。

1.1.3 分辨率和稳定性权衡。利用单个三分向地震台P波段记录测定震中方位角多使用偏振分析法（如JOPENS、MSDP、EDSP-IAS等软件），在偏振分析法中，对于不同地震，由于震中相对于台站的方位角不同，总会有一个水平分量的信噪比低于另一个分量。选择被分析信号的时间窗长度和频带时，要权衡分辨率和稳定性。短时间窗和窄频带可避免不同震相上的平均，可分辨出依赖于频率的偏振，而较长时间窗和较宽频带可产生更稳定的偏振估计。时间窗（N个采样点）应至少包括一个优势周期。对于3个分量，偏振分析前滤波应相同，且不应造成显著的信号畸变，例如可采用零相位带通滤波。

图2 P波质点运动轨迹偏振分析结果(a)法华寺台；(b)喇叭沟台；(c)龙泉寺台；(d)马道峪台；(e)南山村台；(f )上方山台；(g)四座楼台；(h)太师屯台；(i)周口店台；(j)塔寺台Fig.2 Results of polarization analysis of P wave particle motion

1.2 P波极性分析法

P波极性分析法基于简单、合理的假设：在均匀成层介质中传播的P波，粒子运动轨迹应该在包含震源与接收台站的平面内，其水平面内的投影集中在径向分量上，切向分量上没有能量，并假定各台站“BHN”和“BHE”分量严格水平且正交（Niu Fenglin et al，2011）。

采用P波极性分析法，分析北京台网记录的2010年8月至2011年6月5.5级以上远震（震中距30°—90°），结果见图3。分析步骤如下：定义地震计水平方位角偏差φ为计算得到的“BHN”方向与地理北极之间的夹角，顺时针为正；地震计方位角偏差φ、入射P波的视后方位角α及计算方位角α0之间的相互关系为：φ=α0－α，α通过台站坐标和地震事件位置确定；将每一个地震事件的水平分量旋转α0，得到径向和切向分量；搜索角度空间φ，使切向P波能量达最小，φ的步长为10；数据处理时间长度为理论P波前2 s，后10 s。

从图3可知，法华寺、喇叭沟、龙泉寺、马道峪、南山村、上方山、四座楼、周口店等8个地震台，方位角校正前后理论方位角和计算方位角差别不大，证明各台仪器摆放规范；太师屯台在2011年2—4月进行台站改造，仪器临时更换位置，方位角偏差较大；塔寺台在2010年12月22日第1次校正前方位角差约80°，校正后约60°，2011年3月7日第2次校正后，方位角差值小，见表3。

图3 P波极性分析法结果(a)法华寺台；(b)喇叭沟台；(c)龙泉寺台；(d)马道峪台；(e)南山村台；(f)上方山台；(g)四座楼台；(h)太师屯台；(i)周口店台；(j)塔寺台Fig.3 Results of polarity analysis of P wave

已知塔寺台第1次校正后仪器摆放偏差60°，尝试选择来自同一位置、震中距大于70°的远震做进一步验证。选取16个经纬度接近或位于南太平洋瓦努阿图的远震（地震参数见表4），采用P波极性分析法，进行方位角校正，对比结果见图4。由表3和图4可见，第1次采用寻北仪调整方位角，理论方位角和计算方位角差值约60°，第2次修正后，理论与计算方位角接近。

图4 塔寺台采用P波极性分析法计算方位角对比Fig.4 Azimuth of TAS station calculated by using polarity analysis of P wave

表3 塔寺台采用P波极性分析结果Table3 Results of polarity analysis of P wave at TAS station

表4 采用P波极性分析法验证塔寺台方位角变化所用地震参数Table4 parameters of selected earthquakes when using polarity analysis of P wave

2 结论

采用P波质点运动轨迹偏振分析法和P波极性分析法，对北京遥测地震台网北京地区所属10个地震台地震计方位角进行校正，结果发现：①经过寻北仪检验，两种方法互相印证，皆可用；②北京台网北京地区台站地震计摆放规范；③地震计摆放直接影响地震波记录，更影响震中方位角测定；④P波极性分析法用假设的、球对称震源和震源机制解代替真实震源及其机制解，由于地球介质的不均匀性和复杂性，特别是地壳不均匀性影响，实测方位角与理论方位角偏差10°属正常范围（个别地震可能会出现20°以上偏差）；⑤用P波极性分析法测算来自同一位置或同一方向的地震方位角差值比较稳定；⑥P波质点运动轨迹偏振法受人为影响大，结果不稳定；而P波极性分析法结果稳定，可信度高，可以用来对历史方位角变化进行追溯；⑦有条件的台站、台网可通过方位角测定，修正已有观测记录，以保证我国地震观测精度。

感谢郑秀芬研究员、姚志祥博士对本文撰写提供的帮助。

李晋燕，吴建平，等.地震观测台站真北方向测量新技术[J].地震监测，2010，4.

Ekstrom G, Busby R W.Measurements of seismometer orientation at USArray Transportable Array and backbone stations [J].Seism Res Lett, 2008, 79：554-561.

Niu Fenglin, Li Juan.Component azimuths of the CEArray stations estimated from P-wave particle motion [J].Earthquake Sci,2011, 24：3-13.