【儀表網 研發快訊】如何確保地震臺站的地震計方向嚴格、精準擺放在北向上，是長期困擾國內外地震臺網、流動臺陣和區域臺網建設與運維的難題之一。地震儀兩個水平分量的地理指向準確是現代地震學研究的基礎。在震源機制反演、剪切波分裂、接收函數、層析成像等分析中，需將三分量的地震波正確旋轉至縱向、徑向和橫向，以準確獲取地震波波形數據、到時數據和質點運動軌跡等關鍵信息。中國數字地震臺網自1980年建立以來，匯集了海量的地震波形觀測資料和千萬級的震相走時數據，為國內地震活動性監測、地震孕震環境和震源破裂過程、地震預警研究，以及震后災害評估等重要地震科學問題提供了關鍵數據支撐。2011年，研究發現中國數字地震臺網約有～270個臺站存在較為顯著的方位角偏差問題。隨后，中國地震局于2014完成了全國范圍內的逾千臺寬頻帶地震儀器方位角普查和校正工作，并持續維護臺站的良好運作。近10年來，中國數字地震臺網經歷了全面的運行維護(如儀器更換、站點遷移等)和站網的升級改造(預警站網建設)，顯著提升了我國的地震監測與速報能力，極大地豐富了地震科學研究基礎數據。為進一步提高中國地震臺網觀測數據的地震科學研究潛力，更準確地使用中國地震臺網地震波形觀測數據，有必要開展近十年來地震臺站的儀器方位角及數據波形質量的全面分析和評估工作。
中國科學院地質與地球物理研究所鄧文澤博士及其導師李娟研究員，聯合中國地震臺網中心韓光潔博士、孫麗研究員利用中國數字地震臺網2014-2022年記錄的1056個寬頻帶地震臺站的5,456,816個三分量波形數據，開展了中國數字地震臺網方位角詳細的評估和校正工作。主要采用了遠場P波偏振方法評估，包括主成分分析方法(PCA)和最小切向能量法(
)。研究團隊結合這兩種方法的優點共同分析計算了中國數字地震臺網方位角，并針對偏差較大的臺站(>5°)進行了詳細的檢查和原因剖析。結合計算結果、臺網的運維日志和現場檢查等信息，獲得了2014年以來中國數字地震臺網逾千個地震臺方位角的詳細信息。結果表明，約66%的地震計(694個)方位角偏差小于3°，與地理北向基本一致，約20%的地震計(220個)方位角偏差介于3°和10°之間，顯示出中國數字地震臺網地震計布設和運維整體狀態良好；但仍然存在方位角偏差較大、水平分量標記錯誤和反轉等情況。約4%(38個)的地震計方位角偏差超過10°，其他近10 %的地震計(104個)方位角呈現出隨時間變化的不穩定特征(圖1)。
)。研究團隊結合這兩種方法的優點共同分析計算了中國數字地震臺網方位角，并針對偏差較大的臺站(>5°)進行了詳細的檢查和原因剖析。結合計算結果、臺網的運維日志和現場檢查等信息，獲得了2014年以來中國數字地震臺網逾千個地震臺方位角的詳細信息。結果表明，約66%的地震計(694個)方位角偏差小于3°，與地理北向基本一致，約20%的地震計(220個)方位角偏差介于3°和10°之間，顯示出中國數字地震臺網地震計布設和運維整體狀態良好；但仍然存在方位角偏差較大、水平分量標記錯誤和反轉等情況。約4%(38個)的地震計方位角偏差超過10°，其他近10 %的地震計(104個)方位角呈現出隨時間變化的不穩定特征(圖1)。
圖1 中國數字地震臺網(CDSN)臺站方位角偏差。顏色漸變的圓圈代表方位角偏差≤10°的臺站，紅色圓圈代表方位角偏差>10°的臺站。(a)主成分分析(PCA)方法的測量結果。(b)方法的測量結果
除去以上對臺站方位角的綜合評估，他們還深入探討了測量結果在時間和空間上的表現特征：
(1)在方法驗證方面，PCA和
方法方位角估算值高度一致，其互相關值高達0.99。此外，這兩種方法的估算結果與18個陀螺儀實地測量值也高度一致，互相關值同樣達到了0.99，這充分驗證了臺站方位角估算結果的可靠性和穩定性。
方法方位角估算值高度一致，其互相關值高達0.99。此外，這兩種方法的估算結果與18個陀螺儀實地測量值也高度一致，互相關值同樣達到了0.99，這充分驗證了臺站方位角估算結果的可靠性和穩定性。 (2)在空間分布特征上，位于西部地區(特別是青藏高原東北緣)的部分臺站，其估算值及其誤差相較于其他地區明顯偏大。推測與地下存在傾斜界面及/或各向異性結構密切相關(見圖2)。建議研究人員在使用這些具有較大方位角偏差的臺站數據時，特別注意其對研究結論可能產生的潛在影響。
(3)在時間變化特征上，自2014年中國地震局完成方位角普查與校正后，中國數字地震臺網的方位角準確性顯著提升。隨著2018年中國地震預警站網建設的推進，臺站方位角偏差較大的臺站數量持續增加。這一現象應引起站網建設和維護人員的密切關注(見圖3)，以確保臺網的穩定運行和數據的準確性。
圖2 QHDCD和NXHYU臺站方位角結果分析示例。(a) 按年度給出的采用的地震事件及其分析結果。彩色圓圈代表基于主成分分析(PCA)的測量值，倒三角形代表臺站位置；(b) QHDCD臺站方位角結果與事件方位角之間的對應關系。灰色實心圓圈表示基于每個事件的單獨測量值，紅色實線表示優化后的周期函數；(c) NXHYU臺臺站方位角結果與事件方位角之間的對應關系
圖3 中國數字地震臺網臺站年度方位角偏差結果。紅色實心方塊(對應左側Y軸)表示方位角偏差超過10°或存在時間變化問題的臺站數量。藍色實心方塊(對應右側Y軸)表示計算方位角的臺站總數
該研究為科研人員提供了2014-2022年中國數字地震臺網較為全面的臺站方位角評估和校正信息，揭示了局部區域臺站方位角估算的異常情況，對今后使用該數據開展科學研究工作具有重要意義。
研究成果發表于國際學術期刊BSSA(鄧文澤, 韓光潔, 李娟*,孫麗. 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.)。研究受國家自然科學基金項目(E42304072，E42230111)等資助。
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