中国数字地震台网(CDSN)单台站P波偏振分析

偏振分析可以定量描述地震波的质点运动。P波质点运动在水平方向上发生偏振,使得传播方向会偏离台站与地震震源之间大圆弧的方向。P波偏振分析可以用来约束地下结构以及反映地震各向异性,提供与剪切波分裂等手段不同的证据。本文介绍并使用主成分分析(Principle Component Analysis, PCA)的方法,计算了单一地震台的P波偏振,同时,利用谐和分析,对台站下方的各向异性进行了分析。将P波偏振分析应用到中国数字地震台网(China Digital Seismograph Network, CDSN)的四个台站10年左右的数据,筛选并分析了震相清晰、信噪比高的远震三分量初至P波的质点运动,拟合出四个台站接收到的地震事件后方位角与P波水平偏离角度之间的三角函数曲线,计算出拉萨台、昆明台下方上地幔各向异性的偏振方向分别为66°和57°,大致呈现北东东方向。     

利用P波质点运动估算中国东北地区固定台站地震计方位角

现代地震研究依赖于可靠的三分量观测数据,地震计的北分量是否严格指北将直接影响研究的准确性。然而,受台站附近磁异常或人为安装错误的影响,地震计的方位角可能出现偏差。基于东北地区154个固定台站2020年的远震数据,利用P波质点运动方法,估算了每个台站的北向分量方位角,以判断台站地震计是否存在方位角偏转问题。结果表明,84%的台站运行良好,12%的台站存在方位角偏差绝对值过大（>20°）或分量极性反转等问题。此外,分析后发现方位角偏转较大会导致H-κ叠加方法计算得到的地壳厚度和地震波速比出现偏差。因此,为确保地震学分析的可靠性,固定台站的地震计方位角需要进行定期校标。     

旋转运动在地震学中的应用概述

旋转地震学是研究由天然地震、爆破和周围环境振动引起的地面旋转运动的新兴学科。对于它的研究不仅有助于对质点运动(平移运动、旋转运动和形变)进行完整的描述,而且对广义地球物理学,如强地面运动地震学、地震工程学、地震物理学、地震仪器等的研究也有重要指导意义。本文系统介绍了旋转运动在地震学中4个方面的应用。首先,介绍基于平移运动和旋转运动的共同测量,得出了计算远震瑞利波和勒夫波相速度的理论公式,并以西伯利亚地震为例,得出台站附近的相速度结构;其次,利用环形激光仪仅对地震SH波敏感的特性,分离P波和S波,分辨海洋噪声和面波,确定海洋噪声的反方位角;然后,介绍利用旋转传感器对自由振荡的长周期环形模式的观测;最后,对包含旋转观测量的多参数反演问题的重要性和实用性进行了阐述,并分析了旋转地震学研究现存的问题。     

中国西北、西南地区地震台站地震计方位角偏差估计

选取2019—2020年西藏、云南、四川、青海、新疆地震台网记录的MS≥5.5远震事件P波数据，采用P波质点运动方法，计算中国西北、西南地区211个地震台站方位角及其随时间的变化。结果显示，约53%的台站方位角偏差绝对值始终小于3°，运维状况极佳；约39%的台站方位角偏差绝对值保持在3°—10°，运维良好；约9%的台站方位角偏差绝对值大于10°，少数台站存在极性反转等现象。在运行维护过程中，部分台站受到更换或移动地震计等人为因素的影响，地震计方位角出现短时跳变现象。为保证地震数据的可靠性，应定期对台站方位角进行检查和校正，以便为地震学研究提供可靠的基础数据。     

SplitRacer:用于远震剪切波分裂半自动分析和解释的MATLAB代码和图形用户界面

我们给出了MATLAB环境下的一个图形用户界面,用于远震剪切波分裂分析。鉴于越来越大型的地震学实验,设计SplitRacer来快速处理大型数据集,因为它集成了自动和用户主导步骤,这使得可根据用户自己的质量标准来进行直观的分析。SplitRacer提供了一系列用来确保精确测量以及用户友好的特征。可以从数字地震台网网络服务国际联合会成员的所有数据中心直接下载数据。将现有数据分割成1个小时的三分量地震波形后就很容易被使用。起初是自动数据检查,然后是对有问题的震相的目视评估。我们通过分析台站记录事件的质点运动并和理论反方位角进行比较来估计传感器的可能偏差。剪切波分裂分析是基于最小(切向)能量法(Silver and Chan,1991),这约束了快波偏振方向和延迟时间。可以对一系列时间窗进行重复测量来做统计误差分析。SplitRacer提供了每个台站单个震相分裂测量的概况,这可用于检测方位依赖性。为了推断台站下方的各向异性,SplitRacer为用一个或两个各向异性层模型,或平滑变化的各向异性模型来拟合观测数据提供了可能。此外,SplitRacer还提供了一个和两个假想层的多震相联合分裂分析,其中同时使用给定台站的所有事件来约束各向异性模型。这显著降低了噪声的影响,并使测量更稳健。作为示例,我们将应用SplitRacer来约束伯克利数字地震台网的固定台站BKS下方的地震各向异性。     

用三分量台站和台阵资料估计方位角和慢度

用NORESS台阵记录的短周期P波比较了用三分量台站和台阵估算方位角和慢度的能力。对垂直台阵的资料,方位角和慢度用宽带频率-波数(f-k)分析方法得到。对三分量资料采用偏振分析方法,应用NORESS公报中的波至时间和主频信息,资料处理是自动的。用NEIS(美国地震情报处)公报或区域台网公报的定位结果独立确定的方位角和/或慢度作参考。对100多个远震和区域事件进行了分析。它们是从各种不同距离、方位角和较大范围的信噪比(SNR)资料中挑选出来的。三分量台站估算方位角和慢度的能力很大程度上取决于资料的信噪比。大约在信噪比阈值为2以下的资料,对两个参数的估算结果分散都很大,对远震事件的慢度倾向于估计过高。并且三分量资料结果在NORESS台阵内依赖于位置而变化,用宽带f-k方法获得的台阵测量在一定信噪比水平上不受噪声的明显影响。对于具有足够信噪比的事件,两种方法都很好,但f-k方法更好一点。     

用三分量台站和台阵资料估计方位角的慢度

用ＮＯＲＥＳＳ台阵记录的短周期Ｐ波比较了用三分量台站和台阵估算方位角和慢度的能力。对垂直台阵的资料 位角和慢度用宽带频率－波数（ｆ－ｋ）分析方法得到。对三分量资料采用偏振分析方法,应用了ＮＯＲＥＳＳ公报中的波至时间和主频信息,资料处理是自动的。用ＮＥＩＳ（美国地震情报处）公报或区域台网公报的定位结果独立确定的方位角和／或慢度作参考。对１００多个远震和区域事件进行了分析。它们是从各种不距离、方位角和     

三分量地震台阵的多重小波分析：在加州皮尼翁平地有效各向异性测量中的应用

研制并应用一种新技术来确定三分量地震台阵数据的台阵平均质点运动。这种方法基于多斜率谱法延伸的多重小波,是傅里叶法和台阵处理时域法的混合。质点运动由时域主分量法求出。对集中在多个矩阵中小波的交换信号(每个矩阵一个小波)进行复杂的奇异值分解。利用每个矩阵最大奇异值的特征向量来估算各单独信号间的相位。我们求出各分量问的相对相位来估算台阵的平均质点运动椭圆。由于多重小波的冗余度和用于复平面内单个相位因子的 M 估量,使得运算程序更加稳定。此方法应用于1990年和1991年在加州度尼翁平地三分量台阵实验获得的数据。我们发现 P 波质点运动与纯纵波在各向同性介质中的运动差异很明显,响些方位角异常达40°。方位角变化的质点运动异常与频率有关,通常频率升高时异常大小也增加。在台阵深井孔内153m 和274 m 以下,传感器测量值图案与地表传感器值难以区分。数据与倾斜、横向各向司性介质(向西北倾斜30°,走向为70°的对称面)模型相符。我们认为其结果是3方面的影响叠加造成的:(1)花岗闪长岩基岩沿节理的优势风化弓i起的近地表各向异性。(2)与圣罗莎糜棱岩有关的结构和内在各向异性造成的大尺度各向异性。(3)近地表散射。     

云南漾濞MS6.4地震信号的旋转和平动分量面波记录分析研究

旋转分量是地震波场的重要组成部分,可以为地球内部结构成像和震源参数测定等研究提供基础信息,然而缺少高精度的观测仪器,其应用受限.新发展的高精度光纤陀螺为测量旋转分量提供了一个较为可行的方案,其性能需要进一步验证.为此,武汉大地测量国家野外科学观测研究站利用两个光纤陀螺和一个宽频带地震仪组成了多分量观测系统,并开展了观测工作,记录到了云南漾濞地震的Love波信号.基于Love波信号的垂向旋转速度记录和切向加速度记录,开展了Love波视速度和到达方位角度测算分析.结果表明视速度存在明显频散特性,测算值与其他方法测算值相当,到达方位角接近大圆路径预测值,尾波部分到达角偏离较大.由此表明高精度的光纤陀螺可以用于区域震监测,结合地震仪可形成多分量观测系统,为地震学研究提供有效数据.     

采用P波分析法校正北京遥测地震台网地震计方位角

中国地震局地球物理研究所北京遥测地震台网通过调研,率先提出利用寻北仪测量真北方向,并对该台网地震台地震计摆放方位进行测量与校正,发现部分仪器存在大于10°的方位角偏差。考虑到正确可靠的三分量观测数据对地震科学研究的重要性,针对北京遥测地震台网北京地区10个地震台地震计方位校正前后的地震观测数据,采用质点运动轨迹与P波极性分析方法,研究P波波形资料,以便准确测定地震计以往摆放的方位角,对正确利用地震观测数据开展相关科学研究具有重要意义。     

利用单点六分量地震提取面波频散谱的数值验证

面波频散反演是揭示地下速度结构的一项重要手段.传统面波勘探技术侧重于多台站阵列数据频散分析.旋转地震学理论框架下六分量地震观测时,仅利用单台站记录的平动与旋转分量就可以获得面波频散曲线.本文从频率域谐振分析出发,利用模态叠加正演方法,讨论了不同模型下平动与旋转联合估算Rayleigh波相速度的可靠性.结果表明：单台站多分量地震数据估算的频散曲线受多种因素影响,估计过程存在一定的系统误差;典型浅层地质模型下,单点估算与多道面波分析方法（MASW）提取的Rayleigh波频散曲线在低频段吻合性好;若要降低单点多分量地震估算的系统误差,仍需研发配套的波场分离与不同阶频散谱的高精度提取技术.

     

用三分量台站台阵测定方位角与慢度

我们比较了三分量台站测定ＮＯＲＥＳＳ台阵记录的短周期Ｐ型震相的方位角和慢度的能力。对于垂直台阵数据,可由宽频带频度－波数（ｆ－ｋ）分析得到方位角和慢度,而对于三分量数据,用偏振分析就可以了。使用从ＮＯＲＥＳＳ简报上获取的到时和优势频率,数据处理过程是自动化的。将取自ＮＥＩＳ或区域台网简报上的方位角和慢度的独立测值作为参考植。我们分析了多次地震,包括远震和近震。它们有着不同的距离和方位角,且信噪比（ＳＮＲ）的取值范围很大。三分量台站测定方位角和慢度的能力关键是依赖于ＳＮＲ。当ＳＮＲ小于阈值（约２）时,方位角与慢度的测值离散性很大,而且对于远震事件的慢度估计过高。ＮＯＲＥＳＳ台阵结果也具有场地依从性。在考虑到的ＳＮＲ值水平上,用宽频带ｆ－ｋ法获得的台阵测值受噪声的影响不大,而当ＳＮＲ充分大时,两种方法相当,ｆ－ｋ法     

六分量弹性波场数值模拟与分析

地震波传播过程中,质点的振动不仅包括三个独立的平移部分,还包括三个独立的旋转部分.本文基于一阶速度-应力弹性波方程,采用分裂完全匹配层(SPML)的吸收边界条件,推导了时间导数二阶精度和空间导数高阶精度的交错网格有限差分格式的弹性波速度与应力各分量计算公式,模拟了各向同性介质中均匀模型和层状模型下的六分量波场,并对二维各向同性层状模型下的三个分量地震记录做高分辨率线性拉东变换得到各自的频散能谱.数值模拟分析结果表明:(1)旋转分量的能量要比平动分量弱的多;(2)在平动分量上,面波能量强,频率低,反射P波能量较强,反射S波能量稍弱;在旋转分量上,反射P波能量很弱,S波能量强;(3)与平动分量相比,旋转分量的频散能谱效果更好,能看到基阶和完整的高阶面波,即旋转分量能反映更多的地下介质信息.     

1998年4月日本伊东近海震群期间观测到的旋转运动

在日本伊豆半岛的伊东近海1998年4月震群期间,我们在近场地区观测到了地面旋转和平移运动的6个分量。为了检验我们使用MotionPack传感器观测结果的可靠性,我们安装了8301F传感器,即灵敏度比MotionPack传感器高的惯性角位移传感器。MotionPack的噪声水平远高于8301F的噪声水平,但这些信号分量的波形却相互相当相似,说明MotionPack记录旋转速率正确,但噪声较高。我们的观测使人们知道了垂直轴周围最大旋转位移和最大平移速度之间的线性相关。围绕垂直轴旋转运动的波形与平移水平速度的波形类似,说明最大值之间线性相关。这些旋转运动远大于由圣安德烈斯断层台阵数据计算的旋转运动。这种大差异可由下列一种或一种以上作用来解释:单一回转仪测量和台阵观测所得旋转运动空间尺度的差异;记录伊东近海震群的台站受陡峭地形的影响;圣安德烈斯断层和伊东近海震群区之间成熟度的差异。     

利用P波质点运动检测福建台网地震计方位角

为提高福建台网地震计方位角的准确性,于2013年用高精度寻北仪对所属台站进行了方位角的校正工作.主要是利用P波质点运动的原理及"SNR为权重的多事件"方法,选取了全球范围M≥6.0以上的远震作为研究对象,以2013年为界,分两阶段显示福建台网所属台站方位角的变化情况,结合维护日志找出某些台站方位角偏差较大的原因,为持续...     

利用P波初动测定地震计水平分向的定向偏差

基于P波质点振动方式和初动方向,设计一种测定地震计水平分向定向偏差的方法。通过旋转两水平分向波形获取P波优势能量方向,将旋转角度与地震方位角进行比较,得到地震计水平分向偏离正北方向的位置。再以地震计垂直向初动和已知震中确定台站初始速度的方向（即向源或离源方向）,依此初始速度方向在地震计坐标系中的位置,与水平分向实际记录初动符号所代表的方向进行确认,即可认定地震计水平分向的极性,进而确定地震计水平分向任一极性偏离的角度。     

六分量地震观测在工程勘查中的应用试验

利用面波频散曲线反演地下介质的S波速度结构, 是浅层工程地震领域一种重要的方法技术.传统的面波法包括主被动源的面波多道分析方法(MASW)和被动源的空间自相关(SPAC)方法, 均需要多台地震仪同时记录地面振动; 而记录平动和旋转运动的单台站六分量地震数据理论上也可以获得面波频散曲线.本文以河北唐山城区煤矿采空区浅层工程勘探实际六分量地震数据为例, 对比了利用单台站六分量地震数据与主、被动源法多台站提取的Rayleigh波频散曲线.试验结果表明利用纵波扫描可控震源时, 30 Hz以下频段利用单台站六分量地震数据提取的基阶Rayleigh波频散曲线与主、被动源MASW方法提取的频散曲线结果一致, 说明在浅层工程地震勘查中, 利用单物理点的六分量地震观测反演浅层横波速度是可行的.

     

用接收函数叠加技术研究滇西上地幔间断面埋深

在对台站下方的径向接收函数进行分析和对比的基础上,通过基于动校正的接收函数叠加方法,利用云南数字地震台网记录的保山、畹町、沧源和腾冲4个台站的三分量宽频数据,计算出了各台站下方的SV分量接收函数.结果表明,在保山、畹町和沧源台下方清楚地显示出了深度700 km处的间断面,较全球平均660 km要深.另外,在深度290～500 km之间可能还存在多个间断面;腾冲台下方700 km处的间断面不太清楚,而且上地幔间断面仅为210 km深,较其它三个台要浅.     

台湾1991-2005年间地震的综合重定位

对台湾近15年来发生的267210个地震进行了全面重新定位。我们基于台湾中央气象局地震台网（CWBSN）的地震目录开展重定位并在3个方面对定位结果进行改善。第一,结合了台湾强地面运动仪器观测项目（台湾强地面运动仪器观测项目）680个台站记录的S-P到时的大量数据来改善台站记录在台湾岛的覆盖。第二,我们添加了琉球岛链南部的日本气象厅（JMA）的18个台站来改善对东部近海,特别是台湾东北消减带的地震的台站覆盖。第三,我们采用三维Vp和Vp／Vs模型计算P和S波的理论走时。这些措施对地震重定位改善的效果可以在3个方面看出：（1）P波到时和S—P时间残差的减少;（2）能更好地理解地面峰值加速度和震中距的衰减关系;（3）对P波到时和S～P时间的台站校正模式具有地质意义。     

甘肃省测震台网地震台站地震计方位角检验与校正

利用2007年8月—2013年9月甘肃省测震台网记录的549个MS≥6远震事件的P波资料,对所属44个地震台站分量方位等问题进行检核计算。考虑到地震计维修、更换等因素,提供了甘肃省测震台网地震台站按时间序列计算的方位角偏差及方位校正变化情况,以保障测震台网数据的连续性与可靠性。研究结果表明,反演的方位偏差与文献[1]的结果基本一致,表明中国"十五"数字地震网络确实存在部分台站方位偏差较大等方面问题。因此,在进行现代地震学研究中应充分考虑台站地震计方位误差较大和研究时间段内方位角变动等因素的影响。