宫 杰 张 朋 张 扬 张 敏 王 佳 居海华

1）江苏省地震局, 南京 210014

2）江苏省灌云地震台, 江苏连云港 222200

引言

随着社会城市化发展进程的不断加快，地震监测环境面临严峻挑战，井下地震观测凭借其恒温、气流稳定、信噪比高等优势逐渐得到应用（宫杰等，2019；樊晓春等，2020；贾媛等，2020）。相比地面地震计，井下地震计受台站外部条件、磁性环境、定位设备精度、地震计底座固定情况、摆线应力释放等因素制约，方位角检测结果往往存在较大偏差，对利用地震观测数据开展各向异性、面波频散、接收函数及震源机制解等研究产生影响（陈继锋等，2016；李少睿等，2016；张明等，2019），因此针对井下地震计方位角的检测与校正尤为重要。

目前，井下地震计方位角计算分析方法主要包括基于P 波质点偏振原理的多地震事件信噪比加权叠加方法及基于地面井下双地震计对比观测的相关分析法（Niu 等，2011；李少睿等，2012，2016；谢剑波，2014）。Aster 等（1991）利用近震初至P 波质点运动计算获得精度5°以内的井下地震计方位角，李少睿等（2016）通过开展不同频带地震计、不同台站址及不同距离的大量对比试验，结果表明相关分析法可使井下地震计计算精度达4°以内。

2016 年，江苏省地震局利用数据波形相关分析法对省内14 个深井台站开展井下地震计方位角普查工作。此外，利用数据波形相关分析法对2018 年起江苏地区新建井下地震计进行方位角检测存档。本文梳理目前江苏地区部分正在运行井下地震计方位角结果，并展开讨论，以新建溧阳2 地震台站井下地震计为例，论述计算结果正确性，最后依托数据波形相关分析法，结合实际方位角检查过程，开展滤波频带研究。

1 台站概述

目前，江苏地区共运行35 套井下地震设备，其中宝应地震台站采用CMG-3TB 型120 s～50 Hz 甚宽频地震计，如皋地震台站采用TBG-60B 型60 s～50 Hz 一体化宽频带地震计，其余均为GL-S60B 型60 s～50 Hz 宽频带地震计。沛县、淮安、大丰、海安、阳光岛深井台站均由JDF 系列宽频带地震计更改为GLS60B 型地震计，由于原有设备底座与更改后井下地震计密封桶相匹配，因此保留原有设备底座，改造后安装深度不变。本文共涉及22 个井下地震计方位角检测，基本信息如表1 所示。其中，溧阳地震台站、兴化地震台站原井下设备暂且保留。

表1 井下地震台基本信息Table 1 The fundamental information of borehole seismic stations

2 检测方法

2.1 相关分析法

相关分析法广泛应用于描述2 个随机变量之间的相似程度。首先在待测深井台站井口附近地面安装地面地震计，并以寻北仪精确指北，此地面地震计作为参考地震计与井下待测地震计进行相关分析：

2.2 数据预处理

井下地震计方位角检测时，应尽量选择与井下地震计同频带的地震计作为地面参考，因地面与井下同频带地震计在滤波频段内相频特性曲线具有较小的相位差，可直接使用二者观测数据进行相关分析，获取较高精度的方位角检测结果。而当地面参考地震计与井下待测地震计观测频带相差较大时，若直接利用二者观测数据进行相关分析，滤波频段内相频特性曲线相位差将导致较大的方位角检测偏差，甚至出现180°的反向结果（李少睿等，2016）。此时应利用较短周期地震计传递函数，将地面与井下地震计中较宽频带地震计观测数据进行仿真处理。本文采用频域滤波法进行数据预处理，因低频段信号传播距离长、对比测试仪器记录相关性高，因此仅考虑地震观测系统低频段地震计特性，不考虑数据采集器高频段影响，计算公式如下：

需强调的是，地面GL-S120 型甚宽频地震计与井下GL-S60B 型宽频带地震计在滤波频带内相频特性曲线具有较高的一致性，几乎不存在相位差，所以两者组合对比观测相关分析无需进行仿真处理。宝应、海安、大丰、阳光岛甚宽频井下地震计及部分GL-S60B 型宽频带井下地震计选择GL-S120 型甚宽频地震计作为地面参考地震计，无需进行仿真处理；剩余部分GL-S60B 型宽频带井下地震计选择同频带地面GL-S60 型宽频带地震计作为地面参考地震计，无需进行仿真处理。沛县、淮安JDF-2 型宽频带井下地震计选择GL-S60 型宽频带地震计作为地面参考地震计，因观测频带差异，需根据二者传递函数对GL-S60 型地震计观测数据进行仿真处理。

2.3 滤波频带选取

为获取较准确的井下地震计方位角，仅需对地面井下地震计观测数据进行滤波处理，以求井下待测地震计旋转一定角度后与地面参考地震计最大相关性。滤波频带的选择直接影响方位角计算精度。陆地与海洋相互作用在1～10 s 频段存在明显波峰且较稳定（Peterson，1993），Lacoss 等（1969）研究表明地脉动在0.2～0.3 Hz 频段主要包含高阶模式瑞利面波及体波，而高阶模式瑞利面波主要能量集中于约半个波长深度内，基本覆盖井下地震计安装深度，因此在地面与井下地震计间具有较高相关性。本文主要以0.2～0.3 Hz 作为滤波频段，开展井下地震计方位角检测。

3 方位角检测

3.1 检测设备

井下地震计方位角检测过程中，地面参考地震计寻北采用NV-NF301 型寻北仪，精度达0.3°。地面参考地震计采用GL-S120 型甚宽频地震计和GL-S60 型宽频带地震计，具体参数如表2 所示，分别配备的2 套EDAS-24GN 型数据采集器量程为±10 V，采样率为100 Hz，最小相位滤波，转换因子为1 192 nV/count。

表2 地面参考地震计参数Table 2 The parameters of ground referenceseismometer

3.2 检测结果

考虑地震计内部水平向分量正交性误差等因素，单台站检测结果以24 h 的2 个水平向分量均值为准，井下地震计方位角检测结果如表3 所示。

由表3 可知，井下地震计方位角受多因素制约，普遍存在较大偏差，其中沛县、淮安、海安、大丰、阳光岛深井台站使用的JDF 系列宽频带地震计方位角偏差约为180°，大致反向，这可能与其安装工艺有关。需强调的是，上述5 个水平向分量极性反向的JDF 系列井下宽频带地震计方位角检测结果可结合测震台网观测数据远震P 波极性分析结果得到验证。此外，这5 个深井台站经更改后虽使用原有设备底座，但新地震计放入密封桶方位校正后安装在原有底座上，井下地震计方位角必定发生变化。因此，在深井台站井下地震计更改或维修时，如重新下井，须重新开展井下地震计方位角检测工作，及时更新、掌握运行状态。

表3 井下地震计方位角检测结果Table 3 The azimuth detection results of borehole seismometers

为深入研究JDF-2 井下地震计方位角检测情况，给出沛县及淮安台站仿真与未仿真时24 h 平均检测结果，如表4 所示。由表可知，未仿真情况下，沛县、淮安台站JDF-2 井下地震计方位角检测结果相关系数平均值约为0.83；南北向分量相关系数较大，达0.9；东西向分量相对相关系数较小，约为0.7。依据GL-S60、JDF-2 型地震计传递函数对GL-S60 型地震计观测数据进行仿真处理，相关系数平均值提高至0.9 左右，东西向分量相关系数提高至0.8 以上。利用不同频带地震计进行井下地震计方位角检测时，对较宽频带地震计进行仿真处理尤为重要。

表4 沛县、淮安台站24 h 平均检测结果Table 4 24-hour average azimuth detection results of Peixian、Huaian

井下地震计方位角检测过程中，基本采用0.2～0.3 Hz 滤波频带，但射阳台站除外。当采用0.2～0.3 Hz滤波频带时，射阳台站井下地震计方位角检测相关系数约为0.69，改为0.1～0.2 Hz 滤波频带后，相关系数提高至约0.97。

3.3 远震P 波极性分析

由表3 可知，利用相关分析法计算溧阳2 新建GL-S60B 型井下宽频带地震计方位角为176.5°，水平向分量几乎反向。为证明相关分析法在井下地震计方位角检测中的可信性，以溧阳2 新建井下地震计为例，利用初至震相相对清晰的远震所在时段进行相关性分析，并结合P 波进行极性分析，以进行直观比较。本文选取2020 年5 月6 日印尼班达海7.2 级地震，远震所处时段地震计方位角为176.8°，相关系数达0.998 86，地面参考地震计及井下待测地震计记录的原始波形如图1所示。

地面参考地震计经寻北仪指北校准，由图1 可知地面与井下地震计初至震相清晰，其中垂直向分量具有较高相似性，初至P 波同时向上；水平向分量出现差异，初至震相就振幅而言同时表现为东西向分量小、南北向分量大，但初至方向不同，地面参考地震计东西向分量初至向下，南北向分量向上，而井下待测地震计东西向分量初至向上，南北向分量向下。地面与井下地震计远震初至P 波水平向分量几乎反向，这与相关分析法计算结果一致，由此印证了相关分析法应用于井下地震计方位角检测中具有较高可靠性，也验证本文利用相关分析法获取的江苏测震台网井下地震计方位角结果可信。

图1 印尼班达海7.2 级地震原始波形Fig. 1 Indonesia Banda Sea M7.2 earthquake

3.4 滤波频带分析

当滤波频带改为0.1～0.2 Hz 后，射阳台站井下地震计方位角检测相关系数得到大幅提高，可知滤波处理可获取较高的相关性，从而得到精度较高的方位角结果。台基噪声是评定地震观测环境质量的重要指标之一（宫杰等，2020），本文针对射阳台站井下地震计观测数据进行台基噪声分析，结合台基噪声功率谱密度（PSD）计算深入分析滤波频带与相关性的内在联系，选取射阳台站GL-S60B 型井下宽频带地震计方位角2016 年9 月7 日00 时的检测数据，功率谱密度曲线如图2 所示。

由图2 可知，射阳台站井下地震计所记录的台基噪声功率谱处于地球高噪声模型（NHNM）和地球低噪声模型（NLNM）之间，属于正常噪声水平。密度曲线垂直向分量在0.2～0.3 Hz 频段内存在明显波峰；对于水平向分量，0.1～0.6 Hz 频段内具有较高一致性，0.1～0.2 Hz 频段内存在明显波峰，0.15 Hz 左右功率谱密度显著高于两侧，0.2～0.4 Hz 频段较平坦，缓慢升至0.6 Hz 时达到波峰。由此可判断采用相关分析法计算井下地震计方位角时，地面与井下地震计相关性与滤波频带内台基噪声功率谱密度曲线形态有关。选择滤波频带内存在明显波峰的频段有利于提高地面与井下地震计相关性，滤波频带内功率谱密度曲线相对平坦会导致较低的相关性，从而影响方位角检测精度。射阳台站滤波频带不同于其他台站，可能与地质构造、台站环境等因素有关。对于大多数深井台站而言，选择0.2～0.3 Hz 滤波频段开展井下地震计方位角检测是可行的，如出现相关性较低的情况，可从台基噪声入手，深入分析功率谱密度曲线形态，尽可能选择具有明显波峰的频段作为滤波频段。若无法解算台基噪声功率谱密度曲线，可分别选择0.1～0.2 Hz、0.2～0.3 Hz、0.3～0.4 Hz 滤波频段，选取相关性较高的检测结果。

图2 射阳台站井下地震计台基噪声功率谱密度曲线Fig. 2 Borehole seismometer power spectrum curve of Sheyang station

4 结论

江苏省测震台网深井台站较多，具有频段宽、安装深度大等特点，本文分析2016 年以来井下地震计方位角检测结果，得出以下结论：

（1）受台站外部条件、磁性环境、定位设备精度、地震计底座固定情况、摆线应力释放等因素制约，井下地震计方位角检测结果普遍存在较大偏差，包含JDF 系列在内的部分井下地震计水平向分量甚至出现反向现象。无论是否更换底座，涉及提井时，井下地震计方位角必定发生变化，因此每次提井时须重新开展方位角检测工作，及时更新、掌握仪器运行状态。

（2）就相关性而言，不同频带地震计组合检测井下地震计方位角，应利用二者传递函数对较宽频地震计进行仿真处理，有利于提高二者相关性，从而获得较精确的检测结果。当地面参考地震计与井下待测地震计同频带时，相关系数普遍较高。

（3）以溧阳2 台站新建井下地震计为例，通过远震P 波极性分析法直观反映出地面与井下地震计水平向分量几乎反向，与相关分析法得到的结论一致，从而验证相关分析法应用于井下地震计方位角检测是正确可行的，也证明了本文获得的江苏省测震台网井下地震计方位角检测结果是真实可信的。

（4）计算分析射阳台站井下地震计记录台基噪声功率谱密度曲线，可知应选择功率谱密度曲线具有明显波峰频段作为滤波频段，有利于获得较高的相关性，从而得到较精确的井下地震计方位角检测结果。