中国数字地震台网台站方位角评估和校正 |邓文泽等-BSSA

如何确保地震台站的地震计方向严格、精准摆放在北向上，是长期困扰国内外地震台网、流动台阵和区域台网建设与运维的难题之一。地震仪两个水平分量的地理指向准确是现代地震学研究的基础。在震源机制反演、剪切波分裂、接收函数、层析成像等分析中，需将三分量的地震波正确旋转至纵向、径向和横向，以准确获取地震波波形数据、到时数据和质点运动轨迹等关键信息。中国数字地震台网自1980年建立以来，汇集了海量的地震波形观测资料和千万级的震相走时数据，为国内地震活动性监测、地震孕震环境和震源破裂过程、地震预警研究，以及震后灾害评估等重要地震科学问题提供了关键数据支撑。2011年，研究发现中国数字地震台网约有～270个台站存在较为显著的方位角偏差问题。随后，中国地震局于2014完成了全国范围内的逾千台宽频带地震仪器方位角普查和校正工作，并持续维护台站的良好运作。近10年来，中国数字地震台网经历了全面的运行维护（如仪器更换、站点迁移等）和站网的升级改造（预警站网建设），显著提升了我国的地震监测与速报能力，极大地丰富了地震科学研究基础数据。为进一步提高中国地震台网观测数据的地震科学研究潜力，更准确地使用中国地震台网地震波形观测数据，有必要开展近十年来地震台站的仪器方位角及数据波形质量的全面分析和评估工作。

中国科学院地质与地球物理研究所邓文泽博士及其导师李娟研究员，联合中国地震台网中心韩光洁博士、孙丽研究员利用中国数字地震台网2014-2022年记录的1056个宽频带地震台站的5,456,816个三分量波形数据，开展了中国数字地震台网方位角详细的评估和校正工作。主要采用了远场P波偏振方法评估，包括主成分分析方法（PCA）和最小切向能量法（）。研究团队结合这两种方法的优点共同分析计算了中国数字地震台网方位角，并针对偏差较大的台站（>5°）进行了详细的检查和原因剖析。结合计算结果、台网的运维日志和现场检查等信息，获得了2014年以来中国数字地震台网逾千个地震台方位角的详细信息。结果表明，约66%的地震计（694个）方位角偏差小于3°，与地理北向基本一致，约20%的地震计（220个）方位角偏差介于3°和10°之间，显示出中国数字地震台网地震计布设和运维整体状态良好；但仍然存在方位角偏差较大、水平分量标记错误和反转等情况。约4%（38个）的地震计方位角偏差超过10°，其他近10 %的地震计（104个）方位角呈现出随时间变化的不稳定特征（图1）。

图1 中国数字地震台网（CDSN）台站方位角偏差。颜色渐变的圆圈代表方位角偏差≤10°的台站，红色圆圈代表方位角偏差>10°的台站。（a）主成分分析（PCA）方法的测量结果。（b）方法的测量结果

除去以上对台站方位角的综合评估，他们还深入探讨了测量结果在时间和空间上的表现特征：

（1）在方法验证方面，PCA和方法方位角估算值高度一致，其互相关值高达0.99。此外，这两种方法的估算结果与18个陀螺仪实地测量值也高度一致，互相关值同样达到了0.99，这充分验证了台站方位角估算结果的可靠性和稳定性。

（2）在空间分布特征上，位于西部地区（特别是青藏高原东北缘）的部分台站，其估算值及其误差相较于其他地区明显偏大。推测与地下存在倾斜界面及/或各向异性结构密切相关（见图2）。建议研究人员在使用这些具有较大方位角偏差的台站数据时，特别注意其对研究结论可能产生的潜在影响。

（3）在时间变化特征上，自2014年中国地震局完成方位角普查与校正后，中国数字地震台网的方位角准确性显著提升。随着2018年中国地震预警站网建设的推进，台站方位角偏差较大的台站数量持续增加。这一现象应引起站网建设和维护人员的密切关注（见图3），以确保台网的稳定运行和数据的准确性。

图2 QHDCD和NXHYU台站方位角结果分析示例。(a) 按年度给出的采用的地震事件及其分析结果。彩色圆圈代表基于主成分分析（PCA）的测量值，倒三角形代表台站位置；(b) QHDCD台站方位角结果与事件方位角之间的对应关系。灰色实心圆圈表示基于每个事件的单独测量值，红色实线表示优化后的周期函数；(c) NXHYU台台站方位角结果与事件方位角之间的对应关系

图3 中国数字地震台网台站年度方位角偏差结果。红色实心方块（对应左侧Y轴）表示方位角偏差超过10°或存在时间变化问题的台站数量。蓝色实心方块（对应右侧Y轴）表示计算方位角的台站总数

该研究为科研人员提供了2014-2022年中国数字地震台网较为全面的台站方位角评估和校正信息，揭示了局部区域台站方位角估算的异常情况，对今后使用该数据开展科学研究工作具有重要意义。

研究成果发表于国际学术期刊BSSA（邓文泽, 韩光洁, 李娟*,孙丽. 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.）。研究受国家自然科学基金项目（E42304072，E42230111）等资助。

编辑：万鹏