旋轉接收函數的單臺行星震定位方法 |孫偉家等-SRL

行星震事件的準確定位是準確成像行星內部結構的基石。受制于探測任務發射時間和經濟成本、無人部署等，一次任務只能在行星表面布設一臺地震儀；更突出的是，地外天體（火星、月球）的地震活動性微弱，晝夜溫差巨大等惡劣環境導致地震儀性能下降。上述因素導致了行星震事件單臺定位（方位角和距離）異常困難，定位誤差特別是方位角的誤差巨大（可達180°）。

傳統方法（即極化方法或偏振方法或主分量分析方法）利用P波初至的質點運動極化方向或偏振方向確定事件的方位角，該方法的精度易受P波起跳時刻拾取精度、P波初至窗口、濾波頻帶等多參數影響，適合定位質量較好的事件，在定位低質量事件時捉襟見肘。

中國科學院地質與地球物理研究所孫偉家研究員、唐清雅博士后及其合作者，發展了旋轉接收函數的單臺行星震定位方法。接收函數方法通常被用于殼-幔結構成像，幾無被用于事件方位角估計。該團隊深入理解接收函數原理和數據處理，將接收函數用于確定單臺事件方位角。他們利用已知準確位置的地震事件、核爆事件和火星隕石撞擊事件驗證了該方法的定位精度，其方位角誤差最小為1.5°–5°，較傳統方法的方位角誤差降低97%以上（圖1）。

接收函數成像關鍵的一步是數據旋轉，將南北向-東西向-垂向的三分量數據旋轉至徑向-切向-垂向的三分量數據，以獲得最大振幅成像。旋轉的角度即為事件相對于臺站的方位角，這意味著當且僅當使用正確方位角旋轉數據得到的接收函數直達P波的振幅最大（圖2）。基于此原理，首先均勻給定所有可能的方位角（例如采樣方位角0°–360°，采樣間隔1°），然后進行數據旋轉并計算接收函數，取接收函數直達P波最大振幅對應的方位角為該事件的方位角。該原理還可用于計算海底地震儀的水平方位（海底地震儀在海面釋放后自由落體而無法控制其水平方位）。該方法有助于顯著提升火星震和月震等定位精度。

圖1?利用已知準確位置的核爆事件、地震事件和火星隕石撞擊事件驗證本研究方法的方位角精度。真實的方位角位于圖片上部，本研究方法的方位角位于圖中框內和紅色圓點

圖2 a) 旋轉接收函數方法的原理。圓表示BAZ從0-360?的接收函數直達P波振幅變化。最深紅色表示最大振幅，對應于真實的方位角。R和T分別表示徑向和切向方向；b) 接收函數直達P波振幅隨方位角變化，最大振幅對應最佳的方位角

研究成果發表于國際學術期刊Seismological Research Letters（孫偉家*，Hrvoje Tkal?i?，唐清雅. Single-Station Back-Azimuth Determination With the Receiver Function Rotation Technique Validated by the Locations of Earthquakes, Impacts, and Explosions[J].Seismological Research Letters，2024. DOI: 10.1785/0220240117.）。研究受國家重點研發計劃“火星圈層過程”項目（2022YFF0503203）、中國科學院青年創新促進會和澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室開放課題（SKL-LPS(MUST)-2021-2023）聯合資助。

編輯：劉強