0 引言

数字地震观测网络建成后，我国数字化测震台达1 000多个，其中地表台800多个，井下台近200个，台网产出丰富的数字化地震观测资料，地震监测能力、速报能力得到明显提升。通过对2008年汶川8.0级、2010年玉树7.1级、2013年芦山7.0级典型地震波形数据开展基础应用研究，发现受技术条件限制，测震台站仪器架设前一般使用地质罗盘等常规定向设备确定方位，易受外界因素影响，在仪器安装过程中容易出现方位角偏差大、输出极性错误等问题，导致数据使用性能变差，台网产出资料质量及研究应用实效下降。

钮凤林对中国803个在网运行的宽频带地震台站观测数据，采用P波极性分析，发现约34%的台站地震计方位角偏差较大（Niu et al，2011）。浙江省地震局分别于2013年和2015年对全省在网运行的测震、强震地表台站进行方位角普查和校正，发现超过60%的地震计存在方位角偏差较大的问题，个别地震计方位角偏差超过180°。井下地震计方位角检测工作是全国测震台网仪器方位角普查校正工作的重要部分，也是全面提升我国台网观测数据质量、完善观测数据内容的重要环节。在中国地震局监测预报司支持下，2016年由华北片区地震仪器维修中心牵头，开展井下地震计方位角检测方法研究工作，发现使用数据波形相关性分析法确定井下地震计实际方位角，具有便捷性、实用性等特点。本文采用相关性分析法，对浙江省测震观测台网景宁、北仑、南麂岛3个地震台站井下地震计进行方位角检测和校正。

1 方位角检测方法 1.1 相关性计算法

相关分析是反映2个随机变量间关系密切程度的统计指标。对于地表或井下地震计定向，在同台址或附近地表安装1—2台确定方位的地震计作为参考地震计，与待测地震计水平向地脉动信号进行相关分析，即可确定待测地震计方位角。公式如下

$ x = {x_1}\cos \theta + {y_1}\sin \theta $

(1)

$ y = - {x_1}\sin \theta + {y_1}\cos \theta $

(2)

$ {R_{xy}} = \frac{{{\mathop{\rm cov}} \left({x, y} \right)}}{{\sqrt {Dx} \sqrt {Dy} }} $

(3)

式中，x₁为EW向数据，y₁为NS向数据，θ为旋转角度，x为旋转后NS向数据，y为旋转后EW向数据，R_xy为x和y的相关系数，cov(x, y)为x与y的协方差，$ {\sqrt {Dx} } $、${\sqrt {Dy} } $为x与y的方差（李少睿等，2012）。

1.2 观测数据仿真处理

比测的地震计与井下待测地震计观测频带范围不同时需要对观测数据进行仿真处理。

在时间域，设y(t)为观测系统地震记录，x(t)为地面运动，h(t)为系统脉冲响应，有

$ y\left(t \right) = x\left(t \right)*h\left(t \right) $

(4)

在频率域，设Y(ω)、X(ω)分别为y(t)和x(t)的傅里叶谱，H(ω)为宽频带地震观测系统的频率响应函数，有

$ Y\left(\omega \right) = X\left(\omega \right) \cdot H\left(\omega \right) $

(5)

设短周期地震观测系统的地震记录为y₁(t)，对应傅里叶谱为Y₁(ω)，H₁(ω)为需仿真短周期地震观测系统的频率响应函数（李少睿等，2016），则

${Y_1}\left(\omega \right) = {H_1}\left(\omega \right) \cdot \frac{{Y\left(\omega \right)}}{{H\left(\omega \right)}} $

(6)

需注意，仿真计算中仅考虑观测系统的低频部分，即地震计特性，未考虑高频部分，即数据采集器部分的影响。

1.3 滤波参数选取

对于同一地震信号，地表记录的高频成分比深井记录丰富，井下记录的地震初动比地表记录超前（徐永林等，1991），井下地震计测定的地震波谱高频较弱（韦士忠等，1990）。Lacoss等（1969）对地脉动详细分析认为，0.2—0.3 Hz频段的地脉动信号中含有体波和瑞利面波成分，其中瑞利面波在高阶模式下为主要成分；Aster等（1991）认为，使用近震初至P波质点运动进行分析，可使井下地震计水平向定向达到约5°的精度。因此，滤波处理是数据相关分析中比较重要的环节。

滤波参数可按以下原则进行选择：将0.1—10 Hz频带的地脉动信号进行分段计算，对于甚宽、宽频带地震计组合，直接使用地震计记录进行计算；对于甚宽、宽频带与短周期地震计组合，将甚宽、宽频带地震计记录，仿真到相应短周期记录进行计算。若不进行仿真处理，对于FSS-3M型短周期地震计，在0.2—0.3 Hz频带范围内，计算结果与仿真处理结果相差180°。

2 准备工作

使用地表确定方位的地震计与井下待测地震计观测波形进行相关性分析，确定景宁（井下短周期地震计FSS-3DBH，井深68 m）、北仑（井下短周期地震计FSS-3DBH，井深86 m）、南麂岛（井下宽频带地震计GL-60DBH，井深110 m）3个地震台井下地震计方位角偏差。

2.1 检测设备参数

对井下地震计方位角进行普查检测，需使用以下仪器设备，相关参数如下：①寻北仪。NV-NF301型寻北仪由北京耐威生产，观测精度为0.01°；②地震计。参与测试的2套地表地震计为GL-S60宽频带地震计，由北京港震公司生产，其中地震计1编号G13817VS，地震计2编号G13856VS；③数据采集器。2套EDAS-24GN24位地震数据采集器由北京港震公司生产。

地震计测试过程中涉及的设备信息详见表 1。

2.2 检测步骤

选取浙江省北仑、景宁、南麂岛3个地震台站井下地震计进行方位角检测。选用相同的GL-S60宽频带地震计参与比测，在景宁台观测井口附近浇筑比测实验墩，将地表地震计安装在比测墩上，北仑台地震计安装在观测房附近科普馆水泥地面，而南麂岛地震计安装在观测房地下室比测墩上，使用寻北仪确定参与测试的地震计方位角，保证比测地震计与井下地震计连续观测24小时，将2组地震计NS向、EW向观测数据进行相关性分析，得到井下地震计与地表参考地震计的方位差，即可确定井下地震计方位角（李少睿等，2014）。3个地震台比测地震计安装参数见表 2，设备摆放方位见图 1。

3 方位角检测

对于频带不同的地震计观测数据进行相关性分析时，应对参与测试的地表地震计波形数据进行仿真处理，使其与井下地震计处于同一观测频带范围内。在实际测试中，景宁和北仑地震台井下地震计为短周期地震计GL-S2B，进行数据波形相关性分析时，2套参与比测的宽频带地震计GL-S60记录数据需进行仿真处理，而南麂岛台井下地震计与比表地震计型号相同，均为GL-S60宽频带地震计，二者频带范围一致，无需进行仿真处理，详见表 3，数据处理结果见表 4。

由表 4可见，2套参与测试的地震计24 h相对方位角平均误差值＜2°，且相关系数＞0.988（相关系数值最高为1，越接近1，表示参与测试地震计与井下地震计方位角相关性越高），符合全国地震台站方位角普查工作要求。使用确定的测试地震计方位角和相对方位角，计算得到待测井下地震计方位角，使用台网软件校正方位角偏差，检测结果见表 5。

检测结果显示，北仑、景宁、南麂岛3个地震台井下地震计方位角均偏差较大，说明使用井下陀螺仪定位，并通过井底固定卡座的传统安装方式有一定弊端。这是因为，地震计在下井过程中受线缆应力影响，进入卡座时可能由于井壁过滑、卡座抓力不够等外部因素，在井底产生旋转，导致方位角出现偏差。

4 结论

通过对浙江测震台网在网运行井下地震计方位角的普查检测，得到以下结论：①在测试井下地震计方位角时，若参与比测地震计观测频带范围不同，需对其波形数据进行仿真处理，二者相关性较好，井下地震计方位角检测精度不受影响；②此次检测3个台站井下地震计方位角均偏差较大，通过比率推算，此现象应在全国井下地震计观测台站中普遍存在；③井下地震计在固定过程中易受线缆应力影响，应在应力释放后完成固定，并架设地表地震计进行数据相关性分析，则确定的井下地震计方位角可靠性较高。

感谢陕西省地震局李少睿给予算法和技术上的支持。