背景噪聲在數字地震臺網時間系統中的穩定性估計

王 俊 繆發軍 詹小艷 霍祝青 孫業君 朱 峰 徐 戈

(江蘇省地震局，南京 210014)

核查地震波形數據記錄中的時間系統是數字地震臺網最困難的任務之一，特別是當波形數據進行離線保存或使用時，在時空部署上通常具有不確定性。對于層析成像、地震定位、預警等來說，時間系統的精度是極其關鍵的。盡管目前數字地震臺網中都普遍采用了GPS 或廣播信號來進行授時，但當GPS 重復不斷地連接外部時鐘失敗時，數據的記錄時間就只能依賴于內部時鐘。通常情況下，內部時鐘的校正信息會以日志的形式進行保存，但在沒有GPS 信號期間的精確時間則是無法估計的；或日志信息不隨數據一起分發，那么對于數據的使用者來說依然無法控制時間系統的精確度。因此，如何從記錄數據中直接計算出地震臺網的時間精度就顯得十分必要。

近年來的研究表明，對地震臺記錄到的背景噪聲進行互相關計算，得到的互相關函數在一定程度上可以代表兩個地震臺之間真實的格林函數。較長時間的背景噪聲互相關函數可以使隨機場中的噪聲源和地殼內地震波散射的非均勻性得到足夠的平均，從而保證格林函數有效性。進一步的理論和實踐研究發現有3種主要因素會導致走時出現擾動：①介質的物理性質發生改變；②臺站對中其中一個存在時間誤差、或其中一個臺站的傳感器相位響應發生改變；③介質中噪聲源的空間分布發生變化。

在某一給定的路徑和頻帶范圍內，背景噪聲互相關函數中求取的面波走時δt 與“參考走時”之間的偏差，可以用下式來表示：

D（t）是由臺站時鐘誤差（或傳感器的相位響應偏移）引起的時間延遲；φ（t）表示由于介質物理性質變化引起的時間擾動；ε（t）是由于噪聲源在空間上的分布變化而引起的時間偏移。通過互相關格林函數的滑動窗函數疊加技術，我們可求出D 和φ。

選取了江蘇臺網的連云港（LYG）、徐圩（XW）、灌云（GUY）3 個臺站2011 年的數據進行了試驗性計算，將它們兩兩組合成臺站對，即：LYG-XW（31.6 km）、GUY-XW（34.7 km）、GUY-LYG（37.8 km）。取各臺站對全年的格林函數進行疊加，記為“參考格林函數”。我們采用了30 天的時間尺度來作為窗函數的長度，對每一天的互相關函數進行滑動疊加并進行振幅歸一化后，即得到當天的格林函數；然后再測量與“參考格林函數”之間的時間偏差，結果如圖1 所示。LYG-XW、GUY-XW、GUY-LYG互相關走時相對偏差平均分別為0.6 334 s、3.9 771 s、2.2 887 s，可以看出偏差大的臺站對中均有GUY 臺，偏差最小的是LYG-XW，則說明3 個臺中GUY 臺的時鐘誤差最為嚴重。例如GUY-XW 的結果顯示2011年的前60 天左右互相關走時相對偏差均在+5 s 左右，這與江蘇臺網1、2 月的地震記錄中的真實情況一致（GUY 臺約有4 s 左右的時鐘誤差），LYG-XW、GUY-XW 在270～320 天之間也出現+6 s 左右的相對偏差，而在此期間的地震記錄中顯示XW 臺有3 s 左右的時鐘誤差。這表明理論計算能較為真實地反映出實際情況，但各臺的絕對時間偏差和相對精度還需要更深入研究。

圖1 2011 年LYG-XW、GUY-XW、GUY-LYG 的互相關格林函數與“參考格林函數”之間的時間偏差