蘭州和海拉爾核查地震臺(tái)陣慢度和方位角校正方法研究①

王 娟，邱宏茂，張 波，劉俊民，王曉明，王 洪，盧遠(yuǎn)鐳，許 進(jìn)，李 健，崔甲甲

（禁核試北京國(guó)家數(shù)據(jù)中心和北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

蘭州和海拉爾核查地震臺(tái)陣慢度和方位角校正方法研究①

王 娟，邱宏茂，張 波，劉俊民，王曉明，王 洪，盧遠(yuǎn)鐳，許 進(jìn)，李 健，崔甲甲

（禁核試北京國(guó)家數(shù)據(jù)中心和北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

介紹了一種地震臺(tái)陣慢度和方位角格點(diǎn)校正方法，在預(yù)定義的格點(diǎn)空間調(diào)整校正慢度和方位角，從而消除系統(tǒng)偏差，提高地震臺(tái)站慢度與方位角估計(jì)的精度。利用該方法對(duì)我國(guó)核查地震臺(tái)陣海拉爾和蘭州方位角和慢度進(jìn)行了校正，離線和在線的測(cè)試顯示了臺(tái)站慢度和方位角估計(jì)性能的提高。

核查地震臺(tái)陣；慢度；方位角；校正

Abstract：A method of slowness－azimuth station corrections（SASC）for seismic array which is designed to correct slowness and azimuth in predefined small bins is introduced.The aim of SASC is to remove the systematic bias from observations so that the performance slowness－azimuth for stations can be improved.The slowness－azimuth for HILR and LZDM Verification Seismic Arrays in Comprehensive Nuclear－Test－Ban Treaty（CNBT）Beijing National Data Centre（NDC）is corrected using this method，and the rusults of testing with new correction show improvement of slowness and azimuth estimation.

Key words：CTBT seismic array；Slowness；Azimuth；Correction

0 引言

地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站從結(jié)構(gòu)上一般來(lái)說(shuō)有三分向單臺(tái)臺(tái)站和臺(tái)陣兩種類型。核查地震臺(tái)陣是由日內(nèi)瓦裁軍談判特設(shè)科學(xué)專家組在1958年提出，目的是探測(cè)遠(yuǎn)方地下核試驗(yàn)的地震信號(hào)，給禁止核試驗(yàn)提供核查手段。此后美國(guó)、英國(guó)等一些國(guó)家開(kāi)始了建設(shè)地震臺(tái)陣的試驗(yàn)與研究，先后建立了十多個(gè)地震臺(tái)陣，包括加拿大的黃刀臺(tái)陣、美國(guó)的LASA臺(tái)陣和挪威的NORSAR臺(tái)陣［1］。1996年9月10日的聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)了全面禁止核試驗(yàn)條約（CTBT），要求建立全球范圍內(nèi)的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，它包含兩部分：基本臺(tái)網(wǎng)和輔助臺(tái)網(wǎng)?；九_(tái)網(wǎng)由50個(gè)基本臺(tái)站組成，輔助臺(tái)網(wǎng)由120個(gè)輔助臺(tái)站組成?；九_(tái)網(wǎng)將形成地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主干，將近60%的基本臺(tái)站將最終為地震臺(tái)陣，其中包括我國(guó)的海拉爾臺(tái)陣（HILR）和蘭州臺(tái)陣（LZDM）。2004年下半年海拉爾和蘭州地震臺(tái)陣通過(guò)了我國(guó)的驗(yàn)收，開(kāi)始試運(yùn)行，并于2007年7月向禁核試北京國(guó)家數(shù)據(jù)中心傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，地震臺(tái)陣是在與所觀測(cè)地震波波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)目讖椒秶鷥?nèi)有規(guī)則排列的一組地震計(jì)，通過(guò)這組地震計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行各種組合分析，壓低干擾背景，突出有用地震信號(hào)和獲取有關(guān)震源及地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。與單一的三分向地震臺(tái)站相比，臺(tái)陣的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可用頻率－波數(shù)分析比較準(zhǔn)確地提取出地震信號(hào)到達(dá)臺(tái)站的方位角和慢度。這兩個(gè)參數(shù)是表征地震信號(hào)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在地震信號(hào)的識(shí)別、震相的關(guān)聯(lián)和地震定位等多個(gè)方面都起著十分重要作用。但在實(shí)際運(yùn)行中，臺(tái)站的方位角和慢度會(huì)出現(xiàn)一定的系統(tǒng)偏差［2］。由此需要進(jìn)行一系列的標(biāo)定來(lái)校正慢度和方位角，從而進(jìn)一步校正震源位置。

本文提出的臺(tái)站慢度、方位角格點(diǎn)校正，其目的是消除慢度與方位角的系統(tǒng)偏差，提高地震臺(tái)站慢度與方位角估計(jì)的精度。本文所有的校正以IASPEI91模型為理論值，該模型是國(guó)家數(shù)據(jù)中心基本的地球模型。

1 慢度與方位角的計(jì)算與校正方法

1.1 計(jì)算方法

地震臺(tái)陣的方位角、慢度用頻率波數(shù)分析方法計(jì)算。地震臺(tái)陣原始時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率波數(shù)功率譜，其尖峰表示空間相干波形數(shù)據(jù)的慢度和方位角。

國(guó)家數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用寬帶f－k算法［3］計(jì)算頻率波數(shù)功率譜，計(jì)算公式如下：

式中sn，se分別為慢度矢量的北南和東西分量；Fi（f）是第i個(gè)臺(tái)陣傳感器在頻率f的傅立葉振幅；dnorthi和deasti分別為第i個(gè)臺(tái)陣元素相對(duì)于參考子臺(tái)的北南、東西坐標(biāo)；f1、f2分別為最低和最高頻率；J為臺(tái)陣傳感器個(gè)數(shù)。

f－k頻譜的尖峰顯示掠過(guò)臺(tái)陣信號(hào)的慢度和方位角。兩維插值可提高f－k功率譜的尖峰的慢度坐標(biāo)（Sep，Snp）的精確性，經(jīng)過(guò)插值處理的慢度坐標(biāo)可用來(lái)計(jì)算信號(hào)空間相干平面波能量的方位角和慢度：

1.2 慢度與方位角校正

為了實(shí)現(xiàn)地震臺(tái)站慢度與方位角格點(diǎn)校正（SASC），我們?cè)诼瓤臻g設(shè)計(jì)了一個(gè)極平面格點(diǎn)文件，每個(gè)格點(diǎn)都由唯一的慢度和方位角間隔決定。對(duì)于慢度－方位角觀察值的分布來(lái)說(shuō)，極平面格點(diǎn)比簡(jiǎn)單的笛卡爾平面格點(diǎn)更合適。選取的慢度值范圍從0到40sec／deg，包括區(qū)域性震相在不同的慢度區(qū)間方位角的劃分有所不同，設(shè)計(jì)的格點(diǎn)文件一共包括906個(gè)格點(diǎn)，如圖1所示。慢度－方位角的觀察值、殘差與理論值之間的關(guān)系如下［4］：

上兩式中，ξr、θr分別為慢度、方位角殘差，SASC校正的目的是減小預(yù)定義格點(diǎn)內(nèi)觀察值的系統(tǒng)偏差。在預(yù)定義的格點(diǎn)內(nèi)的慢度與方位角校正值定義為該格點(diǎn)內(nèi)慢度和方位角殘差的中間值，校正后的慢度和方位角觀察值如下兩式所示：

圖1 SASC格點(diǎn)文件圖形表示Fig.1 SASC grid in slowness space.

ξc、θc為預(yù)定義格點(diǎn)內(nèi)的慢度、方位角校正值。在一個(gè)格點(diǎn)內(nèi)震相的慢度與方位角須符合以下條件：該格點(diǎn)內(nèi)的震相觀察值個(gè)數(shù)需大于10，慢度殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1sec／deg，方位角殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15deg，該格點(diǎn)內(nèi)的校正才視為有效。以上限制是為了防止預(yù)定義格點(diǎn)內(nèi)觀察值的散度太大，當(dāng)格點(diǎn)內(nèi)觀察值個(gè)數(shù)不夠或有較大散度時(shí)，該格點(diǎn)內(nèi)的慢度和方位角觀察值將不做校正。

2 性能評(píng)估與測(cè)試結(jié)果

2.1 海拉爾和蘭州臺(tái)陣慢度和方位角估計(jì)性能評(píng)估

在執(zhí)行慢度與方位角校正前，需對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)中的海拉爾和蘭州臺(tái)陣的慢度和方位角進(jìn)行性能評(píng)估。我們分析了20個(gè)月（2007年8月1日－2009年4月31日）的數(shù)據(jù)。表1為未校正前20個(gè)月期間海拉爾和蘭州臺(tái)陣慢度和方位角估計(jì)性能。圖2和圖3分別為海拉爾和蘭州慢度與方位角殘差的柱狀圖，兩圖中（a）、（b）子圖分別為未校正前的慢度殘差柱狀圖和方位角殘差柱狀圖，（c）、（d）子圖為校正后的慢度殘差柱狀圖和方位角殘差柱狀圖。所取的樣本為自動(dòng)處理與交互分析相關(guān)聯(lián)的高信噪比震相。理想情況下慢度與方位角殘差柱狀圖應(yīng)為均值為0的正態(tài)分布。然而實(shí)際情況下許多臺(tái)站的慢度與方位角經(jīng)常有一個(gè)系統(tǒng)偏差。在所選時(shí)間段內(nèi)，海拉爾臺(tái)陣的慢度和方位角估計(jì)性能比蘭州臺(tái)陣性能好，有較低的殘差標(biāo)準(zhǔn)偏差和中間值。

圖2 海拉爾臺(tái)陣慢度與方位角殘差柱狀圖Fig.2 Histograms of slowness and azimuth residuals at HILR.

2.2 測(cè)試結(jié)果

我們用前述方法對(duì)海拉爾和蘭州臺(tái)陣進(jìn)行慢度和方位角格點(diǎn)校正，并產(chǎn)生SASC參數(shù)文件，該參數(shù)文件用于國(guó)家數(shù)據(jù)中心臺(tái)站處理和臺(tái)網(wǎng)處理軟件中。為得出兩臺(tái)陣的SASC參數(shù)文件，所使用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本需滿足以下條件：從分析員審定事件庫(kù)中選擇的事件至少由5個(gè)臺(tái)站定位，且方位角的間隙小于180°；屬于被選擇事件的信號(hào)為時(shí)間確定，高信噪比的信號(hào)；所有的檢測(cè)信號(hào)為自動(dòng)處理與交互分析相關(guān)聯(lián)的高信噪比震相。在2007年8月1日－2009年4月31日期間，分析員審定事件庫(kù)中總的事件數(shù)為19 704個(gè)事件，符合上述條件的事件數(shù)為5 126個(gè)，其中有海拉爾臺(tái)陣參與定位的事件為3 263個(gè)，蘭州臺(tái)陣參與定位的事件為2 654個(gè)。表2為海拉爾、蘭州地震臺(tái)陣的SASC比較，Nobs為總的觀察震相樣本值；Ncor為觀察震相樣本貢獻(xiàn)給SASC校正的震相數(shù)目；Bin＿pop為有觀察震相的格點(diǎn)數(shù)目；Ncb為計(jì)算出的可用于校正的格點(diǎn)。

圖3 蘭州臺(tái)陣慢度與方位角殘差柱狀圖Fig.3 Histograms of slowness and azimuth residuals at LZDM.

表1 未校正前的海拉爾和蘭州臺(tái)陣慢度與方位角殘差統(tǒng)計(jì)

表2 海拉爾和蘭州地震臺(tái)陣的SASC比較

圖4分別為海拉爾和蘭州地震臺(tái)陣的SASC圖，從格點(diǎn)中心指出的實(shí)心矢量顯示落入格點(diǎn)中的信號(hào)將被該矢量校正（帶一個(gè)菱形結(jié)束）。圖中空白的區(qū)域表明從觀察數(shù)據(jù)中未得出格點(diǎn)校正。

圖4 蘭州和海拉爾臺(tái)陣的SASC圖Fig.4 SASC maps of HILR and LZDM.

表2為經(jīng)過(guò)慢度和方位角格點(diǎn)校正后的海拉爾和蘭州臺(tái)陣的慢度與方位角殘差統(tǒng)計(jì)。對(duì)比表1與表2，校正后臺(tái)陣的慢度和方位角估計(jì)性能比校正前的性能要好。圖2和圖3（c）、（d）子圖中的慢度與方位角殘差柱狀圖更近似為均值為0的正態(tài)分布。

表2 校正后海拉爾和蘭州臺(tái)陣慢度與方位角殘差統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文討論的臺(tái)陣方位角和慢度校正方法具有通用性，開(kāi)發(fā)的慢度方位角校正格點(diǎn)（SASC）程序能方便有效地對(duì)系統(tǒng)其他有足夠多樣本集的地震臺(tái)站生成慢度方位角校正文件，完成臺(tái)站的慢度方位角校正。程序設(shè)計(jì)靈活，參數(shù)文件中格點(diǎn)文件的設(shè)置及格點(diǎn)內(nèi)慢度、方位角條件的選取可針對(duì)具體臺(tái)站進(jìn)行設(shè)定。利用本文所討論的方法，采用20個(gè)月的樣本數(shù)據(jù)對(duì)海拉爾和蘭州臺(tái)陣調(diào)整校正慢度及方位角，得出了該臺(tái)站的新的臺(tái)站慢度校正參數(shù)和SASC參數(shù)文件，經(jīng)對(duì)這些新的校正參數(shù)的在線和離線測(cè)試顯示了慢度和方位角估計(jì)性能有了提高。

需指出的是，本文所討論的算法是建立在假設(shè)臺(tái)站正下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是橫向均勻成層介質(zhì)以及臺(tái)陣的所有傳感器是在同一水平面基礎(chǔ)上的，未考慮復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)將可能會(huì)導(dǎo)致慢度和方位角測(cè)量背離理論值。

［1］ RINGDAL F，HUSEBYE E S.Application of Arrays in the Detection，Location，and Identification of Seismic Events［J］.Bull.Seism.Soc.Am.1982，72：201－224.

［2］ Schweitzer J.An assessment of the estimated mean mislocation vectors for small－aperture arrays［A］∥NORSAR semiannual technical Summary，1April－30September［G］.Kjeller，Norway：NORSAR Sci.Rep.，1995：128－129.

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Research on Method of Slowness－Azimuth Station Corrections for LZDM and HILR Verification Seismic Arrays

WANG Juan，QIU Hong－mao，ZHONG Bo，LIU Jun－min，WANG Xiao－ming，WANG Hong，LU Yuan－lei，XU Jin，LI Jian，CUI Jia－jia
（CTBT Beijing National Data Centre ＆Radio－Nuclide Laboratory，Beijing 100085，China）

P315.43

A

1000－0844（2010）04－0330－04

2009－08－06

國(guó)防科技預(yù)先研究軍控核查技術(shù)（513310104）

王 娟（1973－），女（土家族），湖南漣源人，碩士，副研，現(xiàn)從事禁核試核查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究.