中國數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站方位角評估和校正 |鄧文澤等-BSSA

如何確保地震臺站的地震計方向嚴格、精準擺放在北向上，是長期困擾國內(nèi)外地震臺網(wǎng)、流動臺陣和區(qū)域臺網(wǎng)建設與運維的難題之一。地震儀兩個水平分量的地理指向準確是現(xiàn)代地震學研究的基礎。在震源機制反演、剪切波分裂、接收函數(shù)、層析成像等分析中，需將三分量的地震波正確旋轉至縱向、徑向和橫向，以準確獲取地震波波形數(shù)據(jù)、到時數(shù)據(jù)和質(zhì)點運動軌跡等關鍵信息。中國數(shù)字地震臺網(wǎng)自1980年建立以來，匯集了海量的地震波形觀測資料和千萬級的震相走時數(shù)據(jù)，為國內(nèi)地震活動性監(jiān)測、地震孕震環(huán)境和震源破裂過程、地震預警研究，以及震后災害評估等重要地震科學問題提供了關鍵數(shù)據(jù)支撐。2011年，研究發(fā)現(xiàn)中國數(shù)字地震臺網(wǎng)約有～270個臺站存在較為顯著的方位角偏差問題。隨后，中國地震局于2014完成了全國范圍內(nèi)的逾千臺寬頻帶地震儀器方位角普查和校正工作，并持續(xù)維護臺站的良好運作。近10年來，中國數(shù)字地震臺網(wǎng)經(jīng)歷了全面的運行維護（如儀器更換、站點遷移等）和站網(wǎng)的升級改造（預警站網(wǎng)建設），顯著提升了我國的地震監(jiān)測與速報能力，極大地豐富了地震科學研究基礎數(shù)據(jù)。為進一步提高中國地震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)的地震科學研究潛力，更準確地使用中國地震臺網(wǎng)地震波形觀測數(shù)據(jù)，有必要開展近十年來地震臺站的儀器方位角及數(shù)據(jù)波形質(zhì)量的全面分析和評估工作。

中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所鄧文澤博士及其導師李娟研究員，聯(lián)合中國地震臺網(wǎng)中心韓光潔博士、孫麗研究員利用中國數(shù)字地震臺網(wǎng)2014-2022年記錄的1056個寬頻帶地震臺站的5,456,816個三分量波形數(shù)據(jù)，開展了中國數(shù)字地震臺網(wǎng)方位角詳細的評估和校正工作。主要采用了遠場P波偏振方法評估，包括主成分分析方法（PCA）和最小切向能量法（）。研究團隊結合這兩種方法的優(yōu)點共同分析計算了中國數(shù)字地震臺網(wǎng)方位角，并針對偏差較大的臺站（>5°）進行了詳細的檢查和原因剖析。結合計算結果、臺網(wǎng)的運維日志和現(xiàn)場檢查等信息，獲得了2014年以來中國數(shù)字地震臺網(wǎng)逾千個地震臺方位角的詳細信息。結果表明，約66%的地震計（694個）方位角偏差小于3°，與地理北向基本一致，約20%的地震計（220個）方位角偏差介于3°和10°之間，顯示出中國數(shù)字地震臺網(wǎng)地震計布設和運維整體狀態(tài)良好；但仍然存在方位角偏差較大、水平分量標記錯誤和反轉等情況。約4%（38個）的地震計方位角偏差超過10°，其他近10 %的地震計（104個）方位角呈現(xiàn)出隨時間變化的不穩(wěn)定特征（圖1）。

圖1 中國數(shù)字地震臺網(wǎng)（CDSN）臺站方位角偏差。顏色漸變的圓圈代表方位角偏差≤10°的臺站，紅色圓圈代表方位角偏差>10°的臺站。（a）主成分分析（PCA）方法的測量結果。（b）方法的測量結果

除去以上對臺站方位角的綜合評估，他們還深入探討了測量結果在時間和空間上的表現(xiàn)特征：

（1）在方法驗證方面，PCA和方法方位角估算值高度一致，其互相關值高達0.99。此外，這兩種方法的估算結果與18個陀螺儀實地測量值也高度一致，互相關值同樣達到了0.99，這充分驗證了臺站方位角估算結果的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）在空間分布特征上，位于西部地區(qū)（特別是青藏高原東北緣）的部分臺站，其估算值及其誤差相較于其他地區(qū)明顯偏大。推測與地下存在傾斜界面及/或各向異性結構密切相關（見圖2）。建議研究人員在使用這些具有較大方位角偏差的臺站數(shù)據(jù)時，特別注意其對研究結論可能產(chǎn)生的潛在影響。

（3）在時間變化特征上，自2014年中國地震局完成方位角普查與校正后，中國數(shù)字地震臺網(wǎng)的方位角準確性顯著提升。隨著2018年中國地震預警站網(wǎng)建設的推進，臺站方位角偏差較大的臺站數(shù)量持續(xù)增加。這一現(xiàn)象應引起站網(wǎng)建設和維護人員的密切關注（見圖3），以確保臺網(wǎng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)的準確性。

圖2 QHDCD和NXHYU臺站方位角結果分析示例。(a) 按年度給出的采用的地震事件及其分析結果。彩色圓圈代表基于主成分分析（PCA）的測量值，倒三角形代表臺站位置；(b) QHDCD臺站方位角結果與事件方位角之間的對應關系?；疑珜嵭膱A圈表示基于每個事件的單獨測量值，紅色實線表示優(yōu)化后的周期函數(shù)；(c) NXHYU臺臺站方位角結果與事件方位角之間的對應關系

圖3 中國數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站年度方位角偏差結果。紅色實心方塊（對應左側Y軸）表示方位角偏差超過10°或存在時間變化問題的臺站數(shù)量。藍色實心方塊（對應右側Y軸）表示計算方位角的臺站總數(shù)

該研究為科研人員提供了2014-2022年中國數(shù)字地震臺網(wǎng)較為全面的臺站方位角評估和校正信息，揭示了局部區(qū)域臺站方位角估算的異常情況，對今后使用該數(shù)據(jù)開展科學研究工作具有重要意義。

研究成果發(fā)表于國際學術期刊BSSA（鄧文澤, 韓光潔, 李娟*,孫麗. Seismometer Orientation Measurements of Broadband Seismic Stations in the China Digital Seismograph Network[J].?Bulletin of the Seismological Society of America, ?2024. DOI:?10.1785/0120240075.）。研究受國家自然科學基金項目（E42304072，E42230111）等資助。

編輯：萬鵬