傾斜儀在地震定位中的應用

摘要：利用上海綜合深井觀測系統中兩分向傾斜儀記錄的25Hz采樣觀測數據，與相鄰臺站地震儀對東海Ms7.0中源地震進行地震定位結果對比分析。結果顯示發震時刻最大誤差僅0.06s，震中位置最大誤差5.1km，并且定位結果都保持了較小的定位殘差。因此高采樣率深井地傾斜儀記錄的觀測數據可以用于地震的定位分析。

關鍵詞：深井觀測系統；高采樣率；傾斜儀；地震儀；地震定位

中圖分類號：P318.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666（2013）02-0219-05

0 引言

近年來，隨著城市工業化進程的加快，為提高地震觀測的抗干擾背景噪聲能力，地震觀測技術呈現出由平面觀測臺網向大規模的立體監測網發展，由單一方法向寬頻帶綜合觀測發展的趨勢。開展深井地震綜合觀測，一方面可以有效避開地表的人類活動對地震觀測的干擾，減少地表巖石風化、天氣變化如降雨、雷電等的干擾，獲得質量相對較高的觀測數據；另一方面可以解決大、中型城市“地震監測盲區”問題。不同地震觀測項目的傳感器安裝在同一個觀測環境中，可以對不同測項的觀測資料進行對比分析，能更客觀地對地震觀測資料中出現的異常信息進行深入分析，辨別異常來源。

上海市綜合深井觀測兩分向傾斜儀是國內首個使用高采樣率監測的兩分向傾斜儀。在實際運用上一方面可以選擇相應的采樣率，獲得月采樣率或者天采樣率應變數據來處理中長期或者短臨前兆地震預報問題（盧雙苓等，2011），并且在高采樣率（25Hz）的前提條件下，可以獲得更豐富的地球固體潮信息，也有將傾斜監測儀用于巖土邊坡工程監測，傾斜儀適用于長期測量混凝土大壩、面板壩、土石壩等水工建筑物的傾斜變化量，同樣適用于工民用建筑、道路、橋梁、隧道、路基、土建基坑等的傾斜測量，并可方便實現傾斜測量的自動化（施志龍，2011），另一方面，高采樣率的傾斜儀記錄的地震波與地震儀所記錄到的地震波，具有一定的相似性，可以用來定位處理。

筆者以東海Ms7.0中源地震應變地震波數據為例，對應變地震波在地震定位中的運用進行了討論分析，提出了其相應的基本步驟和方法。

1 數據獲取與分析

1.1綜合深井應變數據

上海市地震局在“十一五”中建設2個深井地震綜合觀測站，分別位于浦東的張江和崇明的長江農場，為后續深井綜合地震觀測站的建設提供經驗和參考。每個站點深井中安裝地磁儀、應變儀、傾斜儀、測震儀、孔隙壓儀、地溫儀、水溫儀、水位儀，地表安裝強震儀和GPS總計10種測項，同時地表還配備氣壓計和氣溫計等輔助觀測手段。為目前為止配備地震觀測測項最多的深井地震綜合觀測站，且建成后連續長期運行。

崇明長江農場綜合深井觀測站位于上海市崇明縣長江農場內（31.675°N，121.544°E），于2011年4月完成鉆井和基建，井深463.6m，終孔孔徑151mm，最大井斜0.7°，2011年5月安裝深井綜合觀測儀器系統。兩個臺站的井斜都小于1°，遠遠大于常規井斜小于3°要求，既保證了綜合儀器的正常安裝，又為獲得高精度地震觀測數據奠定堅實的基礎。崇明長江農場站詳細的地層分層結構如圖1所示。考慮到井下地震計與地磁傳感器之間的相互影響和干擾，同時方便一部分儀器的維修，深井綜合儀器采取分體式安裝，分別安裝在井底和井壁，井底組采用膨脹水泥固結，使之能和周圍基巖結為一體，得到高精度的地震觀測數據，由于井底組無法正常維修，因此對井底組的觀測儀器都進行備份。

崇明長江農場綜合深井中使用的兩分向傾斜儀是珠海泰德公司生產的井下兩分量傾斜儀TBT-28，原始采樣率為25Hz。該傾斜儀采用傳感器、采集器一體化模式，使用內置電子羅盤，并同過TCP/IP網絡接口實現數據傳輸，可在線存儲50SPS數據一年以上。同中國地震局地震研究所胡國慶研究員研制的VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀相比，在低采樣率的條件下對地震的映震能力較弱（王強等，2011），從圖2b上可以看到清晰的固體潮變化，并在11點00分后出現明顯的不同于固體潮變化的尖銳突起，即傾斜儀地震波，與應變地震波類似。與圖2a高采樣率（25Hz）的傾斜儀記錄相比，明顯比較簡單，基本上不能分辨出震相。

1.2相應地震儀數據

長江農場測震數據是崇明綜合深井觀測系統的一部分，但使用的是短周期儀器，因此本文選用距離最近的寬頻帶地震臺南匯臺（NAH）（31.047 5°N，121.755 6°E）進行對比分析。由于震中距較遠，為了減少震相識別上的誤差，定位分析參與臺站全選用寬頻帶地震臺，包括佘山（SSE）、橫湖（HUH）、天平山（TPS）、秦皇山（QHS）等，具體部分臺站波形數據見圖3（數據長度均為5min）。

傾斜儀的地震記錄以高頻為主，與短周期地震計記錄很相似，并且P波、S波記錄周期相差不大，傾斜儀記錄的S波震相遠比短周期記錄要清晰，并且傾斜儀地震波的P波、S波初動相對地震計記錄均比較尖銳，這對震相分析辨別有一定的幫助。

2 定位分析

2.1定位介紹

兩分向傾斜儀記錄的地震波反映的是物體隨時間的傾斜變化及鉛垂線隨時間變化，因此不能使用傳統的單臺定位方法定位（這種單臺定位需要地震波記錄為三分量記錄），并且趙仲和與牟磊育（2005）的單臺地震自動網格搜索法由于模型簡單，最終導致方位角偏差較大（王強等，2011），因此將傾斜儀記錄綜合其他臺站（主要為寬頻帶臺站）數據進行綜合定位。東海Ms7.0地震震中位于上海地震臺網東南方，震中距620km，為中源地震。針對這種震中距的地震，上海臺網現使用的定位程序主要有“九五”泰德系統的波陣面法和修正波陣面法和“十五”JOPENS系統MSDP軟件的單純型法、LOCSAT、HYPOSAT。修正波陣面主要是針對臺灣地震特點所編制，波陣面法則對于只能識別P波和S波的中深源地震無法得到比較準確的深度，同樣的單純型法和LOCSAT也存在中深源地震深度誤差較大的問題，綜合考慮本文使用廣東省十五定位軟件MSDP中的HY-POSAT定位（趙仲和，牟磊育，2005）。該定位程序使用AK135模型（陳貴美等，2009），能人工給定相應的初始化震源深度，然后搜索定位（反演和正演相結合），給出相應的最優化結果。

為最大限度減少震相識別上的誤差，選用比較清晰的寬頻帶地震臺站如佘山、南匯、橫湖、天平山、秦皇山臺記錄的數據，使用能夠定位的最少臺站數，這樣能夠保證每一個參與定位的臺站的震相對最終定位結果的最大權重。在日常速報精定位工作中，都是通過增加定位臺站數目，來提高定位精度，主要也是減少震相不準確臺站（一般是由于鐘差和震相失真問題所導致）在最終定位結果的權重。

2.2發震時刻與震中位置

表1為使用5個寬頻帶地震臺站定位結果（以下簡稱結果一），4個寬頻帶地震臺（5個寬頻帶地震臺站中任選4個）加傾斜儀定位結果（以下簡稱結果二），5個寬頻帶地震臺加傾斜儀定位結果（以下簡稱結果三）的最終對比。

最終定位結果顯示，三者發震時刻相差不大，最大時間差為0.06s。如保留一位小數的話，三者完全相同，均為10：59：08.8。

結果一與結果二的震中緯度相差0.041°，經度相差0.023°，兩者定位震中距離相隔5.082km，結果二與結果三的震中位置較近，震中距離1.356km。結果二和結果三的定位殘差（殘差就是通過最終定位結果正演該臺站P波、S波震相到時與實際臺站P波、S波實際到時的誤差值），傾斜儀的殘差分別為0.27和0.36，與寬頻帶地震儀相差無幾，說明在使用傾斜儀“地震波”震相參與定位時；與地震儀震相到時相匹配。在日常工作以及相關速報規定中，把發震時刻誤差小于5s，震中誤差小于震中距的10%，臺站最終殘差小于0.5的數據，都認為數據可用性在系統誤差范圍內。上述均說明傾斜儀在該地震定位中效果良好，雖不如寬頻帶地震儀數據的實用性，但對于震中距稍遠的地震，定位結果比短周期地震儀要好（S波比短周期地震儀記錄明顯）；另外定位深度方面，多種方法定位深度均在230km左右（王強等，2011）。

相比國家臺網中心最終定位結果（發震時刻10：59：06.8，震中位置27.2°N，125.9°E），震源深度h=220km），3個定位結果均同國家臺網中心最終定位結果存在一些誤差，但總體誤差均在規定范圍內，誤差是因為上海臺網口徑過小，并且地震偏在一隅導致的系統誤差（表2）。

2.3震級

由于傾斜儀是反映的測量物體隨時間的傾斜變化及鉛垂線隨時間變化的儀器，其測量是角度變化量，雖然傾斜儀的角度變化量也是震級的函數，但其內部的函數關系暫時沒有相應的聯系公式表達，所以暫時不能計算震級。地震儀數據則可以通過震級公式M=lg（A/T）+R（△）計算出。

3 討論與結語

（1）高采樣率傾斜儀既可以作為前兆數據采集儀器獲得相應的前兆信息，又可以作為“地震儀”參加地震定位。相比短周期地震儀地震波記錄，高采樣率傾斜儀地震波記錄初動更加尖銳、清晰，并可容易分辨出S波。在采樣率上，雖然傾斜儀的采樣率已經提高到了25Hz，與高達100Hz、甚至200Hz的地震儀相比還存在一定差距，在一定程度上影響震相的識別，但對地震定位結果影響不大。震級處理上，高采樣率傾斜儀由于其儀器原理限制，不能從原始的震級定義中得到確定的震級。

（2）最終定位結果比較顯示，高采樣率傾斜儀可以充當“地震儀”的角色，一方面，高采樣率傾斜儀數據可以作為地震儀數據的“備份”，在地震儀器數據中斷時，臨時作為地震臺站使用。另一方面，伴隨綜合深井的大規模建設，將布設更多的高采樣率的傾斜儀，這等同于增加了一定數目的地震臺站、增加了上海地區臺站密度，間接提高了地震監測能力。