地震計(jì)位置校正

張 磊，張新東，譚 青，白 燕

(河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，河北 邯鄲 056001)

地震計(jì)位置校正

張 磊，張新東，譚 青，白 燕

(河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，河北 邯鄲 056001)

地震計(jì)與授時(shí)和定位用的GPS天線的分離，造成地震計(jì)位置的誤差，這種現(xiàn)象在地震計(jì)置于山洞的地震臺(tái)中是普遍存在的，對(duì)于井下地震計(jì)來說，在高度上也有300 m左右的誤差。結(jié)合邯鄲臺(tái)網(wǎng)的具體情況，分析了臺(tái)站地震計(jì)位置普遍存在誤差的現(xiàn)象，給出一種簡(jiǎn)單的校正方法，并對(duì)涉縣臺(tái)地震計(jì)位置進(jìn)行校正，最后討論地震計(jì)位置的偏差對(duì)地震定位的影響。

地震計(jì)；GPS；位置校正

0 引言

地震數(shù)據(jù)的處理依賴地震計(jì)位置和授時(shí)系統(tǒng)。目前GPS測(cè)量位置的誤差量級(jí)在米級(jí)，時(shí)間誤差在毫秒量級(jí)。地面臺(tái)站的地震計(jì)都是放在房屋或山洞中(有的山洞深達(dá)百米)，而授時(shí)和定位的GPS天線都架設(shè)在房屋頂上或電線桿上，以方便接收衛(wèi)星信號(hào)；井下地震計(jì)一般放在深200～300 m井下，GPS放在井口房的屋頂。這樣地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集器、GPS(俗稱蘑菇頭)是有一定距離的。數(shù)據(jù)采集器測(cè)定的是GPS(蘑菇頭)的位置和時(shí)間，而我們需要的是地震計(jì)的位置和地震波到達(dá)地震計(jì)的時(shí)間。地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB/T 16-2006《地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范 測(cè)震臺(tái)站》規(guī)定[1]：地震計(jì)墩面中心經(jīng)緯度測(cè)量精度為不大于0.1″(約3 m)，海拔高程測(cè)量誤差不大于0.5 m。如果地震計(jì)與GPS的距離在數(shù)10 m以上，則可能對(duì)地震精定位產(chǎn)生影響，應(yīng)該對(duì)地震計(jì)位置進(jìn)行校正。

1 邯鄲臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站地震計(jì)位置誤差現(xiàn)象

邯鄲臺(tái)網(wǎng)共有6個(gè)地面基巖臺(tái)和2個(gè)井下臺(tái)，其中涉縣臺(tái)和永年臺(tái)的地震計(jì)放在60～90 m深的山洞中，采集器在洞口房?jī)?nèi)，GPS在洞口房的屋頂上，即涉縣臺(tái)和永年臺(tái)的地震計(jì)與GPS的位置有60～90 m水平誤差；2個(gè)井下地震計(jì)分別在308 m和310 m的井下，采集器在井口房?jī)?nèi)，GPS在井口房的屋頂上，這樣2個(gè)井下地震計(jì)與GPS的位置也有300 m的垂直誤差。其它4個(gè)臺(tái)站地震計(jì)在擺房?jī)?nèi)的基巖上，采集器在擺房?jī)?nèi)，GPS在擺房的屋頂上，地震計(jì)與GPS的水平誤差在2 m之內(nèi)；高度誤差在4 m之內(nèi)，都在GPS測(cè)量誤差范圍內(nèi)。

2 一種地震計(jì)位置的校正的簡(jiǎn)單方法

對(duì)于井下地震計(jì)來說，一般GPS都在井口房的屋頂上，地震計(jì)與GPS的水平誤差在2 m之內(nèi)，只要減去井深即校正了地震計(jì)的位置。

對(duì)于地震計(jì)在山洞中的臺(tái)站，可以用指南針或?qū)け眱x，拉線，放大樣的方法來校正地震計(jì)的位置，具體做法如下：在外面開闊地選擇1個(gè)點(diǎn)，用GPS測(cè)定此點(diǎn)位置，然后以此點(diǎn)為起點(diǎn)，向地震計(jì)所在位置拉線，每一個(gè)拐彎處把線固定，量出每段線的長(zhǎng)度，利用指南針或?qū)け眱x測(cè)出每一段線與正北的夾角并換算出相鄰兩條線的夾角，用CAD軟件在計(jì)算機(jī)上標(biāo)注各條線段，最終將GPS測(cè)點(diǎn)和地震計(jì)的位置連接起來，并讀出GPS測(cè)點(diǎn)和地震計(jì)連線的長(zhǎng)度和與正北的夾角，即可得出地震計(jì)位置校正值。

3 涉縣臺(tái)地震計(jì)位置校正

涉縣地震臺(tái)有一個(gè)120 m深的形變觀測(cè)山洞，地震計(jì)放在山洞中間的觀測(cè)室內(nèi)，GPS在洞口房的屋頂上，為形變觀測(cè)保溫的需要，山洞拐了很多彎，安裝了多道門，從GPS觀測(cè)點(diǎn)開始走線，每一個(gè)拐彎處都用鋼釘將線固定，一直拉到地震計(jì)的位置。測(cè)量每一段的實(shí)際長(zhǎng)度，及相鄰兩線的夾角，用CAD軟件根據(jù)測(cè)量結(jié)果在計(jì)算機(jī)上做出從GPS觀測(cè)點(diǎn)開始到地震計(jì)的實(shí)際走線圖(放大樣)。最后連接GPS和地震計(jì)并測(cè)量其長(zhǎng)度及與正北的夾角即可得到地震計(jì)校正值(圖1)。

圖1 GPS到地震計(jì)的拉線圖(藍(lán)色粗線)

從圖1中得到，GPS測(cè)點(diǎn)到地震計(jì)的距離是76.1 m，與正北的夾角是81°(偏西)。

我們對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行估算和分析，每段長(zhǎng)度的測(cè)量誤差在1 cm之內(nèi)，因此每段長(zhǎng)度測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)。用尋北儀測(cè)量角度誤差為0.01°，誤差也是可以忽略的。在涉縣臺(tái)，用羅盤測(cè)量角度，其測(cè)量角度誤差一般在1°之內(nèi)。下面具有分析用羅盤測(cè)量，角度誤差對(duì)觀測(cè)值的影響。

從2個(gè)極端情況考慮，一是假設(shè)每一段實(shí)際走向比測(cè)量走向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1度(圖2)。

圖2 GPS到地震計(jì)的順時(shí)針最大誤差拉線圖(藍(lán)色粗線)

從圖2中得到，GPS測(cè)點(diǎn)到地震計(jì)的距離是76.2 m，與正北的夾角是76°(偏西)，

另一假設(shè)是每一段實(shí)際走向比測(cè)量走向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)1度(圖3)。從圖3中得到，GPS測(cè)點(diǎn)到地震計(jì)的距離是76.0 m，與正北的夾角是89°度(偏西)

圖3 GPS到地震計(jì)的逆時(shí)針最大誤差拉線圖(藍(lán)色粗線)

2種方法得到的GPS到地震計(jì)的距離基本一樣，角度都相差5°，這樣用余弦定理可計(jì)算出地震計(jì)的最大偏差為6.7 m。所以本次測(cè)量誤差不影響GPS定位精度，可忽略。

本文通過涉縣臺(tái)地震計(jì)位置校正提供一個(gè)臺(tái)站GPS與地震計(jì)位置差異的具體例子。然而上述求取距離和角度的方法，缺乏一定的科技含量，但簡(jiǎn)單實(shí)用，上述2個(gè)參數(shù)完全可以通過山洞建設(shè)圖紙得到。

4 討論

精確定位的地震活動(dòng)圖像蘊(yùn)涵了重要的構(gòu)造信息，是開展一切地震學(xué)研究，包括認(rèn)識(shí)地震構(gòu)造和成因的基礎(chǔ)。如何提高地震定位精度，一直是地震學(xué)的重要研究方向之一。目前，國(guó)外的定位研究精度已經(jīng)可達(dá)毫秒級(jí)，定位誤差可控制在10 m的量級(jí)。近年來，國(guó)內(nèi)外許多研究人員開始地震精確定位的研究，其地震平面定位精度也可達(dá)到幾十米，深度可達(dá)到幾百米[2-3]。

地震定位的精確程度取決于地震計(jì)的位置精度、授時(shí)精度、速度模型、計(jì)算方法等多方面因素，其中地震計(jì)的位置精度和授時(shí)精度是最基本的因素，對(duì)地震定位的精度在千米量級(jí)上來說，地震計(jì)位置精度誤差在百米量級(jí)上(地震波走時(shí)約0.02 s)，也就是說在目前我國(guó)臺(tái)網(wǎng)的定位水平和定位精度下，這種GPS與地震儀之間的距離(一般小于100 m)對(duì)地震的三要素測(cè)定的影響可以忽略(涉縣臺(tái)地震計(jì)與GPS的76 m誤差和井下地震計(jì)近300 m的誤差是可以接受的)。我國(guó)數(shù)字地震記錄的波形采樣率一般設(shè)定為100 Hz[4]，即波形到時(shí)可以精確到0.01 s，而百米量級(jí)的地震計(jì)誤差就可能造成0.02 s的到時(shí)誤差，而對(duì)于地震精確定位，如Waldhauser等[3]運(yùn)用雙差定位對(duì)加州北海沃德斷層1984—1998年發(fā)生的地震定位，其平面定位精度可達(dá)到幾十米，深度可達(dá)到幾百米。那么，地震計(jì)位置精度誤差在百米量級(jí)上，即涉縣臺(tái)地震計(jì)與GPS的76 m誤差及井下地震計(jì)近300 m的垂直誤差就難以接受。

地震計(jì)和GPS分離的現(xiàn)象在我國(guó)的山洞里安裝地震計(jì)的臺(tái)站和井下地震臺(tái)站是普遍存在的，對(duì)于涉縣臺(tái)GPS和地震計(jì)水平分離達(dá)到近百米的臺(tái)站和井下地震計(jì)高度相差300 m，給出校正值是必要的。

[1]中國(guó)地震局. DB/T 16—2006 地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范：測(cè)震臺(tái)站.

[2]Waldhauser F and Ellsworth W L．A double-difference earthquake location algorithm: method and application to the Northern Hayward Fault, California [J]. Bul1. Seism. Soc. Am., 2000, 90(6): 1353-1368.

[3]楊智嫻，陳運(yùn)泰，鄭月軍，等. 雙差地震定位法在我國(guó)中西部地區(qū)地震精確定位中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué), 2003，33(S1)：139-136.

[4]中國(guó)地震局.《中國(guó)數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》[M].北京：地震出版社，2005.

Seismometer Position Correction

ZHANG Lei, ZHANG Xin-dong, TAN Qing, BAI Yan

(Handan Central Seismostation, Hebei Handan 056001, China)

The separation of seismometer and GPS antenna for timing and positioning leads to position error of seismometer, which is a very widespread phenomenon in the seismic station with seismometers located in caves. For underground seismometers, there is also 300 meters error in height. In this paper, the widespread phenomenon of seismometer location errors is analyzed under the condition of Handan networks and a simple correction method is presented, using this method, the seismometer at Shexian seismic station is corrected. Finally, the influence of position error of seismometer to earthquake location is discussed.

seismometer, GPS, position correction

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.012

2014-02-18

河北省地震星火科技項(xiàng)目“利用爆破和近震來校正井下短周期地震計(jì)方位角”(項(xiàng)目編號(hào)：2013-3-10)

張磊(1982—)，男，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)工作.E-mail:115414551@qq.com

P315.61

A

1003-1375(2014)04-0057-03