傾斜儀在地震定位中的應(yīng)用

1、<p>　　傾斜儀在地震定位中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：利用上海綜合深井觀測(cè)系統(tǒng)中兩分向傾斜儀記錄的25Hz采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，與相鄰臺(tái)站地震儀對(duì)東海Ms7.0中源地震進(jìn)行地震定位結(jié)果對(duì)比分析。結(jié)果顯示發(fā)震時(shí)刻最大誤差僅0.06s，震中位置最大誤差5.1km，并且定位結(jié)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(cè)數(shù)據(jù)可以用于地震的定位分析。 </p><p>　

2、　關(guān)鍵詞：深井觀測(cè)系統(tǒng)；高采樣率；傾斜儀；地震儀；地震定位 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：P318.6 </p><p><b>　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </b></p><p>　　文章編號(hào)：1000-0666（2013）02-0219-05 </p><p><b>　　0 引言 </b><

3、;/p><p>　　近年來(lái)，隨著城市工業(yè)化進(jìn)程的加快，為提高地震觀測(cè)的抗干擾背景噪聲能力，地震觀測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)出由平面觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)向大規(guī)模的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)發(fā)展，由單一方法向?qū)掝l帶綜合觀測(cè)發(fā)展的趨勢(shì)。開(kāi)展深井地震綜合觀測(cè)，一方面可以有效避開(kāi)地表的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地震觀測(cè)的干擾，減少地表巖石風(fēng)化、天氣變化如降雨、雷電等的干擾，獲得質(zhì)量相對(duì)較高的觀測(cè)數(shù)據(jù)；另一方面可以解決大、中型城市“地震監(jiān)測(cè)盲區(qū)”問(wèn)題。不同地震觀測(cè)項(xiàng)目的傳感器安裝在同一個(gè)

4、觀測(cè)環(huán)境中，可以對(duì)不同測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，能更客觀地對(duì)地震觀測(cè)資料中出現(xiàn)的異常信息進(jìn)行深入分析，辨別異常來(lái)源。 </p><p>　　上海市綜合深井觀測(cè)兩分向傾斜儀是國(guó)內(nèi)首個(gè)使用高采樣率監(jiān)測(cè)的兩分向傾斜儀。在實(shí)際運(yùn)用上一方面可以選擇相應(yīng)的采樣率，獲得月采樣率或者天采樣率應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)處理中長(zhǎng)期或者短臨前兆地震預(yù)報(bào)問(wèn)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

5、，也有將傾斜監(jiān)測(cè)儀用于巖土邊坡工程監(jiān)測(cè)，傾斜儀適用于長(zhǎng)期測(cè)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(cè)量，并可方便實(shí)現(xiàn)傾斜測(cè)量的自動(dòng)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(lái)定位處理。 </p><p>　　筆者以東海Ms7.0中源地震應(yīng)變地震波數(shù)據(jù)為例，對(duì)應(yīng)變地震波在

6、地震定位中的運(yùn)用進(jìn)行了討論分析，提出了其相應(yīng)的基本步驟和方法。 </p><p>　　1 數(shù)據(jù)獲取與分析 </p><p>　　1.1綜合深井應(yīng)變數(shù)據(jù) </p><p>　　上海市地震局在“十一五”中建設(shè)2個(gè)深井地震綜合觀測(cè)站，分別位于浦東的張江和崇明的長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)，為后續(xù)深井綜合地震觀測(cè)站的建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。每個(gè)站點(diǎn)深井中安裝地磁儀、應(yīng)變儀、傾斜儀、測(cè)震儀、孔隙壓儀

7、、地溫儀、水溫儀、水位儀，地表安裝強(qiáng)震儀和GPS總計(jì)10種測(cè)項(xiàng)，同時(shí)地表還配備氣壓計(jì)和氣溫計(jì)等輔助觀測(cè)手段。為目前為止配備地震觀測(cè)測(cè)項(xiàng)最多的深井地震綜合觀測(cè)站，且建成后連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行。 </p><p>　　崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)綜合深井觀測(cè)站位于上海市崇明縣長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)內(nèi)（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°

8、，2011年5月安裝深井綜合觀測(cè)儀器系統(tǒng)。兩個(gè)臺(tái)站的井斜都小于1°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)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(cè)數(shù)據(jù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)站詳細(xì)的地層分層結(jié)構(gòu)如圖1所示?？紤]到井下地震計(jì)與地磁傳感器之間的相互影響和干擾，同時(shí)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(jié)，使之能和周?chē)鶐r結(jié)為一體，得到高精度的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，由于井

9、底組無(wú)法正常維修，因此對(duì)井底組的觀測(cè)儀器都進(jìn)行備份。 </p><p>　　崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)綜合深井中使用的兩分向傾斜儀是珠海泰德公司生產(chǎn)的井下兩分量?jī)A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(nèi)置電子羅盤(pán)，并同過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可在線存儲(chǔ)50SPS數(shù)據(jù)一年以上。同中國(guó)地震局地震研究所胡國(guó)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(duì)地震的映

10、震能力較弱（王強(qiáng)等，2011），從圖2b上可以看到清晰的固體潮變化，并在11點(diǎn)00分后出現(xiàn)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(yīng)變地震波類(lèi)似。與圖2a高采樣率（25Hz）的傾斜儀記錄相比，明顯比較簡(jiǎn)單，基本上不能分辨出震相。 </p><p>　　1.2相應(yīng)地震儀數(shù)據(jù) </p><p>　　長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)測(cè)震數(shù)據(jù)是崇明綜合深井觀測(cè)系統(tǒng)的一部分，但使用的是短周期儀器，因此本文選用距

11、離最近的寬頻帶地震臺(tái)南匯臺(tái)（NAH）（31.047 5°N，121.755 6°E）進(jìn)行對(duì)比分析。由于震中距較遠(yuǎn)，為了減少震相識(shí)別上的誤差，定位分析參與臺(tái)站全選用寬頻帶地震臺(tái)，包括佘山（SSE）、橫湖（HUH）、天平山（TPS）、秦皇山（QHS）等，具體部分臺(tái)站波形數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為5min）。 </p><p>　　傾斜儀的地震記錄以高頻為主，與短周期地震計(jì)記錄很相似，并且P波、S波記

12、錄周期相差不大，傾斜儀記錄的S波震相遠(yuǎn)比短周期記錄要清晰，并且傾斜儀地震波的P波、S波初動(dòng)相對(duì)地震計(jì)記錄均比較尖銳，這對(duì)震相分析辨別有一定的幫助。 </p><p><b>　　2 定位分析 </b></p><p><b>　　2.1定位介紹 </b></p><p>　　兩分向傾斜儀記錄的地震波反映的是物體隨時(shí)間的傾斜

13、變化及鉛垂線隨時(shí)間變化，因此不能使用傳統(tǒng)的單臺(tái)定位方法定位（這種單臺(tái)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(tái)地震自動(dòng)網(wǎng)格搜索法由于模型簡(jiǎn)單，最終導(dǎo)致方位角偏差較大（王強(qiáng)等，2011），因此將傾斜儀記錄綜合其他臺(tái)站（主要為寬頻帶臺(tái)站）數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合定位。東海Ms7.0地震震中位于上海地震臺(tái)網(wǎng)東南方，震中距620km，為中源地震。針對(duì)這種震中距的地震，上海臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)使用的定位程序主要有“九五”泰德系統(tǒng)的波陣面法和修正

14、波陣面法和“十五”JOPENS系統(tǒng)MSDP軟件的單純型法、LOCSAT、HYPOSAT。修正波陣面主要是針對(duì)臺(tái)灣地震特點(diǎn)所編制，波陣面法則對(duì)于只能識(shí)別P波和S波的中深源地震無(wú)法得到比較準(zhǔn)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(wèn)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(yīng)的初始化震源深度，

15、然后搜索定位（反演和正演相結(jié)合），給出相應(yīng)的最優(yōu)化結(jié)果。 　　為最大限</p><p>　　2.2發(fā)震時(shí)刻與震中位置 </p><p>　　表1為使用5個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站定位結(jié)果（以下簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)果一），4個(gè)寬頻帶地震臺(tái)（5個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站中任選4個(gè)）加傾斜儀定位結(jié)果（以下簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)果二），5個(gè)寬頻帶地震臺(tái)加傾斜儀定位結(jié)果（以下簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)果三）的最終對(duì)比。 </p><p>　　

16、最終定位結(jié)果顯示，三者發(fā)震時(shí)刻相差不大，最大時(shí)間差為0.06s。如保留一位小數(shù)的話，三者完全相同，均為10：59：08.8。 </p><p>　　結(jié)果一與結(jié)果二的震中緯度相差0.041°，經(jīng)度相差0.023°，兩者定位震中距離相隔5.082km，結(jié)果二與結(jié)果三的震中位置較近，震中距離1.356km。結(jié)果二和結(jié)果三的定位殘差（殘差就是通過(guò)最終定位結(jié)果正演該臺(tái)站P波、S波震相到時(shí)與實(shí)際臺(tái)站P波、

17、S波實(shí)際到時(shí)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(wú)幾，說(shuō)明在使用傾斜儀“地震波”震相參與定位時(shí)；與地震儀震相到時(shí)相匹配。在日常工作以及相關(guān)速報(bào)規(guī)定中，把發(fā)震時(shí)刻誤差小于5s，震中誤差小于震中距的10%，臺(tái)站最終殘差小于0.5的數(shù)據(jù)，都認(rèn)為數(shù)據(jù)可用性在系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)。上述均說(shuō)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(shù)據(jù)的實(shí)用性，但對(duì)于震中距稍遠(yuǎn)的地震，定位結(jié)果比短周期地震儀要好（S波比短周期地震儀

18、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(qiáng)等，2011）。 </p><p>　　相比國(guó)家臺(tái)網(wǎng)中心最終定位結(jié)果（發(fā)震時(shí)刻10：59：06.8，震中位置27.2°N，125.9°E），震源深度h=220km），3個(gè)定位結(jié)果均同國(guó)家臺(tái)網(wǎng)中心最終定位結(jié)果存在一些誤差，但總體誤差均在規(guī)定范圍內(nèi)，誤差是因?yàn)樯虾Ｅ_(tái)網(wǎng)口徑過(guò)小，并且地震偏在一隅導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差（表2）。 </

19、p><p><b>　　2.3震級(jí) </b></p><p>　　由于傾斜儀是反映的測(cè)量物體隨時(shí)間的傾斜變化及鉛垂線隨時(shí)間變化的儀器，其測(cè)量是角度變化量，雖然傾斜儀的角度變化量也是震級(jí)的函數(shù)，但其內(nèi)部的函數(shù)關(guān)系暫時(shí)沒(méi)有相應(yīng)的聯(lián)系公式表達(dá)，所以暫時(shí)不能計(jì)算震級(jí)。地震儀數(shù)據(jù)則可以通過(guò)震級(jí)公式M=lg（A/T）+R（△）計(jì)算出。 </p><p><

20、;b>　　3 討論與結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　?。?）高采樣率傾斜儀既可以作為前兆數(shù)據(jù)采集儀器獲得相應(yīng)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(dòng)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(jīng)提高到了25Hz，與高達(dá)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(shí)別，但對(duì)地震定

21、位結(jié)果影響不大。震級(jí)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(jí)定義中得到確定的震級(jí)。 </p><p>　?。?）最終定位結(jié)果比較顯示，高采樣率傾斜儀可以充當(dāng)“地震儀”的角色，一方面，高采樣率傾斜儀數(shù)據(jù)可以作為地震儀數(shù)據(jù)的“備份”，在地震儀器數(shù)據(jù)中斷時(shí)，臨時(shí)作為地震臺(tái)站使用。另一方面，伴隨綜合深井的大規(guī)模建設(shè)，將布設(shè)更多的高采樣率的傾斜儀，這等同于增加了一定數(shù)目的地震臺(tái)站、增加了上海地區(qū)臺(tái)站密度，