江蘇省測震臺網(wǎng)井下地震計方位角檢測1

宮 杰 張 朋 張 揚 張 敏 王 佳 居海華

1）江蘇省地震局, 南京 210014

2）江蘇省灌云地震臺, 江蘇連云港 222200

引言

隨著社會城市化發(fā)展進程的不斷加快，地震監(jiān)測環(huán)境面臨嚴峻挑戰(zhàn)，井下地震觀測憑借其恒溫、氣流穩(wěn)定、信噪比高等優(yōu)勢逐漸得到應(yīng)用（宮杰等，2019；樊曉春等，2020；賈媛等，2020）。相比地面地震計，井下地震計受臺站外部條件、磁性環(huán)境、定位設(shè)備精度、地震計底座固定情況、擺線應(yīng)力釋放等因素制約，方位角檢測結(jié)果往往存在較大偏差，對利用地震觀測數(shù)據(jù)開展各向異性、面波頻散、接收函數(shù)及震源機制解等研究產(chǎn)生影響（陳繼鋒等，2016；李少睿等，2016；張明等，2019），因此針對井下地震計方位角的檢測與校正尤為重要。

目前，井下地震計方位角計算分析方法主要包括基于P 波質(zhì)點偏振原理的多地震事件信噪比加權(quán)疊加方法及基于地面井下雙地震計對比觀測的相關(guān)分析法（Niu 等，2011；李少睿等，2012，2016；謝劍波，2014）。Aster 等（1991）利用近震初至P 波質(zhì)點運動計算獲得精度5°以內(nèi)的井下地震計方位角，李少睿等（2016）通過開展不同頻帶地震計、不同臺站址及不同距離的大量對比試驗，結(jié)果表明相關(guān)分析法可使井下地震計計算精度達4°以內(nèi)。

2016 年，江蘇省地震局利用數(shù)據(jù)波形相關(guān)分析法對省內(nèi)14 個深井臺站開展井下地震計方位角普查工作。此外，利用數(shù)據(jù)波形相關(guān)分析法對2018 年起江蘇地區(qū)新建井下地震計進行方位角檢測存檔。本文梳理目前江蘇地區(qū)部分正在運行井下地震計方位角結(jié)果，并展開討論，以新建溧陽2 地震臺站井下地震計為例，論述計算結(jié)果正確性，最后依托數(shù)據(jù)波形相關(guān)分析法，結(jié)合實際方位角檢查過程，開展濾波頻帶研究。

1 臺站概述

目前，江蘇地區(qū)共運行35 套井下地震設(shè)備，其中寶應(yīng)地震臺站采用CMG-3TB 型120 s～50 Hz 甚寬頻地震計，如皋地震臺站采用TBG-60B 型60 s～50 Hz 一體化寬頻帶地震計，其余均為GL-S60B 型60 s～50 Hz 寬頻帶地震計。沛縣、淮安、大豐、海安、陽光島深井臺站均由JDF 系列寬頻帶地震計更改為GLS60B 型地震計，由于原有設(shè)備底座與更改后井下地震計密封桶相匹配，因此保留原有設(shè)備底座，改造后安裝深度不變。本文共涉及22 個井下地震計方位角檢測，基本信息如表1 所示。其中，溧陽地震臺站、興化地震臺站原井下設(shè)備暫且保留。

表1 井下地震臺基本信息Table 1 The fundamental information of borehole seismic stations

2 檢測方法

2.1 相關(guān)分析法

相關(guān)分析法廣泛應(yīng)用于描述2 個隨機變量之間的相似程度。首先在待測深井臺站井口附近地面安裝地面地震計，并以尋北儀精確指北，此地面地震計作為參考地震計與井下待測地震計進行相關(guān)分析：

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

井下地震計方位角檢測時，應(yīng)盡量選擇與井下地震計同頻帶的地震計作為地面參考，因地面與井下同頻帶地震計在濾波頻段內(nèi)相頻特性曲線具有較小的相位差，可直接使用二者觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，獲取較高精度的方位角檢測結(jié)果。而當?shù)孛鎱⒖嫉卣鹩嬇c井下待測地震計觀測頻帶相差較大時，若直接利用二者觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，濾波頻段內(nèi)相頻特性曲線相位差將導(dǎo)致較大的方位角檢測偏差，甚至出現(xiàn)180°的反向結(jié)果（李少睿等，2016）。此時應(yīng)利用較短周期地震計傳遞函數(shù)，將地面與井下地震計中較寬頻帶地震計觀測數(shù)據(jù)進行仿真處理。本文采用頻域濾波法進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，因低頻段信號傳播距離長、對比測試儀器記錄相關(guān)性高，因此僅考慮地震觀測系統(tǒng)低頻段地震計特性，不考慮數(shù)據(jù)采集器高頻段影響，計算公式如下：

需強調(diào)的是，地面GL-S120 型甚寬頻地震計與井下GL-S60B 型寬頻帶地震計在濾波頻帶內(nèi)相頻特性曲線具有較高的一致性，幾乎不存在相位差，所以兩者組合對比觀測相關(guān)分析無需進行仿真處理。寶應(yīng)、海安、大豐、陽光島甚寬頻井下地震計及部分GL-S60B 型寬頻帶井下地震計選擇GL-S120 型甚寬頻地震計作為地面參考地震計，無需進行仿真處理；剩余部分GL-S60B 型寬頻帶井下地震計選擇同頻帶地面GL-S60 型寬頻帶地震計作為地面參考地震計，無需進行仿真處理。沛縣、淮安JDF-2 型寬頻帶井下地震計選擇GL-S60 型寬頻帶地震計作為地面參考地震計，因觀測頻帶差異，需根據(jù)二者傳遞函數(shù)對GL-S60 型地震計觀測數(shù)據(jù)進行仿真處理。

2.3 濾波頻帶選取

為獲取較準確的井下地震計方位角，僅需對地面井下地震計觀測數(shù)據(jù)進行濾波處理，以求井下待測地震計旋轉(zhuǎn)一定角度后與地面參考地震計最大相關(guān)性。濾波頻帶的選擇直接影響方位角計算精度。陸地與海洋相互作用在1～10 s 頻段存在明顯波峰且較穩(wěn)定（Peterson，1993），Lacoss 等（1969）研究表明地脈動在0.2～0.3 Hz 頻段主要包含高階模式瑞利面波及體波，而高階模式瑞利面波主要能量集中于約半個波長深度內(nèi)，基本覆蓋井下地震計安裝深度，因此在地面與井下地震計間具有較高相關(guān)性。本文主要以0.2～0.3 Hz 作為濾波頻段，開展井下地震計方位角檢測。

3 方位角檢測

3.1 檢測設(shè)備

井下地震計方位角檢測過程中，地面參考地震計尋北采用NV-NF301 型尋北儀，精度達0.3°。地面參考地震計采用GL-S120 型甚寬頻地震計和GL-S60 型寬頻帶地震計，具體參數(shù)如表2 所示，分別配備的2 套EDAS-24GN 型數(shù)據(jù)采集器量程為±10 V，采樣率為100 Hz，最小相位濾波，轉(zhuǎn)換因子為1 192 nV/count。

表2 地面參考地震計參數(shù)Table 2 The parameters of ground referenceseismometer

3.2 檢測結(jié)果

考慮地震計內(nèi)部水平向分量正交性誤差等因素，單臺站檢測結(jié)果以24 h 的2 個水平向分量均值為準，井下地震計方位角檢測結(jié)果如表3 所示。

由表3 可知，井下地震計方位角受多因素制約，普遍存在較大偏差，其中沛縣、淮安、海安、大豐、陽光島深井臺站使用的JDF 系列寬頻帶地震計方位角偏差約為180°，大致反向，這可能與其安裝工藝有關(guān)。需強調(diào)的是，上述5 個水平向分量極性反向的JDF 系列井下寬頻帶地震計方位角檢測結(jié)果可結(jié)合測震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)遠震P 波極性分析結(jié)果得到驗證。此外，這5 個深井臺站經(jīng)更改后雖使用原有設(shè)備底座，但新地震計放入密封桶方位校正后安裝在原有底座上，井下地震計方位角必定發(fā)生變化。因此，在深井臺站井下地震計更改或維修時，如重新下井，須重新開展井下地震計方位角檢測工作，及時更新、掌握運行狀態(tài)。

表3 井下地震計方位角檢測結(jié)果Table 3 The azimuth detection results of borehole seismometers

為深入研究JDF-2 井下地震計方位角檢測情況，給出沛縣及淮安臺站仿真與未仿真時24 h 平均檢測結(jié)果，如表4 所示。由表可知，未仿真情況下，沛縣、淮安臺站JDF-2 井下地震計方位角檢測結(jié)果相關(guān)系數(shù)平均值約為0.83；南北向分量相關(guān)系數(shù)較大，達0.9；東西向分量相對相關(guān)系數(shù)較小，約為0.7。依據(jù)GL-S60、JDF-2 型地震計傳遞函數(shù)對GL-S60 型地震計觀測數(shù)據(jù)進行仿真處理，相關(guān)系數(shù)平均值提高至0.9 左右，東西向分量相關(guān)系數(shù)提高至0.8 以上。利用不同頻帶地震計進行井下地震計方位角檢測時，對較寬頻帶地震計進行仿真處理尤為重要。

表4 沛縣、淮安臺站24 h 平均檢測結(jié)果Table 4 24-hour average azimuth detection results of Peixian、Huaian

井下地震計方位角檢測過程中，基本采用0.2～0.3 Hz 濾波頻帶，但射陽臺站除外。當采用0.2～0.3 Hz濾波頻帶時，射陽臺站井下地震計方位角檢測相關(guān)系數(shù)約為0.69，改為0.1～0.2 Hz 濾波頻帶后，相關(guān)系數(shù)提高至約0.97。

3.3 遠震P 波極性分析

由表3 可知，利用相關(guān)分析法計算溧陽2 新建GL-S60B 型井下寬頻帶地震計方位角為176.5°，水平向分量幾乎反向。為證明相關(guān)分析法在井下地震計方位角檢測中的可信性，以溧陽2 新建井下地震計為例，利用初至震相相對清晰的遠震所在時段進行相關(guān)性分析，并結(jié)合P 波進行極性分析，以進行直觀比較。本文選取2020 年5 月6 日印尼班達海7.2 級地震，遠震所處時段地震計方位角為176.8°，相關(guān)系數(shù)達0.998 86，地面參考地震計及井下待測地震計記錄的原始波形如圖1所示。

地面參考地震計經(jīng)尋北儀指北校準，由圖1 可知地面與井下地震計初至震相清晰，其中垂直向分量具有較高相似性，初至P 波同時向上；水平向分量出現(xiàn)差異，初至震相就振幅而言同時表現(xiàn)為東西向分量小、南北向分量大，但初至方向不同，地面參考地震計東西向分量初至向下，南北向分量向上，而井下待測地震計東西向分量初至向上，南北向分量向下。地面與井下地震計遠震初至P 波水平向分量幾乎反向，這與相關(guān)分析法計算結(jié)果一致，由此印證了相關(guān)分析法應(yīng)用于井下地震計方位角檢測中具有較高可靠性，也驗證本文利用相關(guān)分析法獲取的江蘇測震臺網(wǎng)井下地震計方位角結(jié)果可信。

圖1 印尼班達海7.2 級地震原始波形Fig. 1 Indonesia Banda Sea M7.2 earthquake

3.4 濾波頻帶分析

當濾波頻帶改為0.1～0.2 Hz 后，射陽臺站井下地震計方位角檢測相關(guān)系數(shù)得到大幅提高，可知濾波處理可獲取較高的相關(guān)性，從而得到精度較高的方位角結(jié)果。臺基噪聲是評定地震觀測環(huán)境質(zhì)量的重要指標之一（宮杰等，2020），本文針對射陽臺站井下地震計觀測數(shù)據(jù)進行臺基噪聲分析，結(jié)合臺基噪聲功率譜密度（PSD）計算深入分析濾波頻帶與相關(guān)性的內(nèi)在聯(lián)系，選取射陽臺站GL-S60B 型井下寬頻帶地震計方位角2016 年9 月7 日00 時的檢測數(shù)據(jù)，功率譜密度曲線如圖2 所示。

由圖2 可知，射陽臺站井下地震計所記錄的臺基噪聲功率譜處于地球高噪聲模型（NHNM）和地球低噪聲模型（NLNM）之間，屬于正常噪聲水平。密度曲線垂直向分量在0.2～0.3 Hz 頻段內(nèi)存在明顯波峰；對于水平向分量，0.1～0.6 Hz 頻段內(nèi)具有較高一致性，0.1～0.2 Hz 頻段內(nèi)存在明顯波峰，0.15 Hz 左右功率譜密度顯著高于兩側(cè)，0.2～0.4 Hz 頻段較平坦，緩慢升至0.6 Hz 時達到波峰。由此可判斷采用相關(guān)分析法計算井下地震計方位角時，地面與井下地震計相關(guān)性與濾波頻帶內(nèi)臺基噪聲功率譜密度曲線形態(tài)有關(guān)。選擇濾波頻帶內(nèi)存在明顯波峰的頻段有利于提高地面與井下地震計相關(guān)性，濾波頻帶內(nèi)功率譜密度曲線相對平坦會導(dǎo)致較低的相關(guān)性，從而影響方位角檢測精度。射陽臺站濾波頻帶不同于其他臺站，可能與地質(zhì)構(gòu)造、臺站環(huán)境等因素有關(guān)。對于大多數(shù)深井臺站而言，選擇0.2～0.3 Hz 濾波頻段開展井下地震計方位角檢測是可行的，如出現(xiàn)相關(guān)性較低的情況，可從臺基噪聲入手，深入分析功率譜密度曲線形態(tài)，盡可能選擇具有明顯波峰的頻段作為濾波頻段。若無法解算臺基噪聲功率譜密度曲線，可分別選擇0.1～0.2 Hz、0.2～0.3 Hz、0.3～0.4 Hz 濾波頻段，選取相關(guān)性較高的檢測結(jié)果。

圖2 射陽臺站井下地震計臺基噪聲功率譜密度曲線Fig. 2 Borehole seismometer power spectrum curve of Sheyang station

4 結(jié)論

江蘇省測震臺網(wǎng)深井臺站較多，具有頻段寬、安裝深度大等特點，本文分析2016 年以來井下地震計方位角檢測結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）受臺站外部條件、磁性環(huán)境、定位設(shè)備精度、地震計底座固定情況、擺線應(yīng)力釋放等因素制約，井下地震計方位角檢測結(jié)果普遍存在較大偏差，包含JDF 系列在內(nèi)的部分井下地震計水平向分量甚至出現(xiàn)反向現(xiàn)象。無論是否更換底座，涉及提井時，井下地震計方位角必定發(fā)生變化，因此每次提井時須重新開展方位角檢測工作，及時更新、掌握儀器運行狀態(tài)。

（2）就相關(guān)性而言，不同頻帶地震計組合檢測井下地震計方位角，應(yīng)利用二者傳遞函數(shù)對較寬頻地震計進行仿真處理，有利于提高二者相關(guān)性，從而獲得較精確的檢測結(jié)果。當?shù)孛鎱⒖嫉卣鹩嬇c井下待測地震計同頻帶時，相關(guān)系數(shù)普遍較高。

（3）以溧陽2 臺站新建井下地震計為例，通過遠震P 波極性分析法直觀反映出地面與井下地震計水平向分量幾乎反向，與相關(guān)分析法得到的結(jié)論一致，從而驗證相關(guān)分析法應(yīng)用于井下地震計方位角檢測是正確可行的，也證明了本文獲得的江蘇省測震臺網(wǎng)井下地震計方位角檢測結(jié)果是真實可信的。

（4）計算分析射陽臺站井下地震計記錄臺基噪聲功率譜密度曲線，可知應(yīng)選擇功率譜密度曲線具有明顯波峰頻段作為濾波頻段，有利于獲得較高的相關(guān)性，從而得到較精確的井下地震計方位角檢測結(jié)果。