上海市地震局在“十一五”中建设2个深井地震综合观测站,分别位于浦东的张江和崇明的长江农场,为后续深井综合地震观测站的建设提供经验和参考。每个站点深井中安装地磁仪、应变仪、倾斜仪、测震仪、孔隙压仪、地温仪、水温仪、水位仪,地表安装强震仪和GPS总计10种测项,同时地表还配备气压计和气温计等辅助观测手段。为目前为止配备地震观测测项最多的深井地震综合观测站,且建成后连续长期运行。

崇明长江农场综合深井观测站位于上海市崇明县长江农场内(31.675°N,121.544°E),于2011年4月完成钻井和基建,井深463.6 m,终孔孔径151 mm,最大井斜0.7°,2011年5月安装深井综合观测仪器系统。两个台站的井斜都小于1°,远远大于常规井斜小于3°要求,既保证了综合仪器的正常安装,又为获得高精度地震观测数据奠定坚实的基础。崇明长江农场站详细的地层分层结构如图1所示。考虑到井下地震计与地磁传感器之间的相互影响和干扰,同时方便一部分仪器的维修,深井综合仪器采取分体式安装,分别安装在井底和井壁,井底组采用膨胀水泥固结,使之能和周围基岩结为一体,得到高精度的地震观测数据,由于井底组无法正常维修,因此对井底组的观测仪器都进行备份。

图1 崇明长江农场深井地震综合观测站剖面示意图
Fig.1 Section schematic diagram of comprehensive seismic observation in deep borehole on Changjiang Farm in Chongming

图2 原始采样率数据(数据时间:2011年11月8日11点00分至05分)(a)、分钟采样率数据(数据时间:2011年11月8日10点00分至12点00分)(b)
Fig.2 The recording of seismic wave in original sample rate(data time is from 11:00 am to 11:05 am on Nov.8 in 2011)(a)、in minute sample rate(data time is from 10:00 am to 12:00 am on Nov.8 in 2011)(b)

长江农场测震数据是崇明综合深井观测系统的一部分,但使用的是短周期仪器,因此本文选用距离最近的宽频带地震台南汇台(NAH)(31.047 5°N,121.755 6°E)进行对比分析。由于震中距较远,为了减少震相识别上的误差,定位分析参与台站全选用宽频带地震台,包括佘山(SSE)、横湖(HUH)、天平山(TPS)、秦皇山(QHS)等,具体部分台站波形数据见图3(数据长度均为5 min)。

图3 地震台站数据(数据时间均为2011年11月8日11点00分至05分)(a)短周期台站(长江农场)数据;(b)宽频带台站(NAH)数据
Fig.3 The data recorded by seismic station (data time is from 11:00 am to 11:05 am on Nov.8 in 2011)(a)the short-period data recorded by Changjiang Farm Station;(b)the broadband data recorded by NAH Station

两分向倾斜仪记录的地震波反映的是物体随时间的倾斜变化及铅垂线随时间变化,因此不能使用传统的单台定位方法定位(这种单台定位需要地震波记录为三分量记录),并且赵仲和与牟磊育(2005)的单台地震自动网格搜索法由于模型简单,最终导致方位角偏差较大(王强等,2011),因此将倾斜仪记录综合其他台站(主要为宽频带台站)数据进行综合定位。东海M_S7.0地震震中位于上海地震台网东南方,震中距620 km,为中源地震。针对这种震中距的地震,上海台网现使用的定位程序主要有“九五”泰德系统的波阵面法和修正波阵面法和“十五”JOPENS系统MSDP软件的单纯型法、LOCSAT、HYPOSAT。修正波阵面主要是针对台湾地震特点所编制,波阵面法则对于只能识别P波和S波的中深源地震无法得到比较准确的深度,同样的单纯型法和LOCSAT也存在中深源地震深度误差较大的问题,综合考虑本文使用广东省十五定位软件MSDP中的HYPOSAT定位(赵仲和,牟磊育,2005)。该定位程序使用AK135模型(陈贵美等,2009),能人工给定相应的初始化震源深度,然后搜索定位(反演和正演相结合),给出相应的最优化结果。

为最大限度减少震相识别上的误差,选用比较清晰的宽频带地震台站如佘山、南汇、横湖、天平山、秦皇山台记录的数据,使用能够定位的最少台站数,这样能够保证每一个参与定位的台站的震相对最终定位结果的最大权重。在日常速报精定位工作中,都是通过增加定位台站数目,来提高定位精度,主要也是减少震相不准确台站(一般是由于钟差和震相失真问题所导致)在最终定位结果的权重。

表1为使用5个宽频带地震台站定位结果(以下简称结果一),4个宽频带地震台(5个宽频带地震台站中任选4个)加倾斜仪定位结果(以下简称结果二),5个宽频带地震台加倾斜仪定位结果(以下简称结果三)的最终对比。

最终定位结果显示,三者发震时刻相差不大,最大时间差为0.06 s。如保留一位小数的话,三者完全相同,均为10:59:08.8。

结果一与结果二的震中纬度相差0.041°,经度相差0.023°,两者定位震中距离相隔5.082 km,结果二与结果三的震中位置较近,震中距离1.356 km。

表1 定位结果对比
Tab.1 Contrast of the location results

结果二和结果三的定位残差(残差就是通过最终定位结果正演该台站P波、S波震相到时与实际台站P波、S波实际到时的误差值),倾斜仪的残差分别为0.27和0.36,与宽频带地震仪相差无几,说明在使用倾斜仪“地震波”震相参与定位时; 与地震仪震相到时相匹配。在日常工作以及相关速报规定中,把发震时刻误差小于5 s,震中误差小于震中距的10%,台站最终残差小于0.5的数据,都认为数据可用性在系统误差范围内。上述均说明倾斜仪在该地震定位中效果良好,虽不如宽频带地震仪数据的实用性,但对于震中距稍远的地震,定位结果比短周期地震仪要好(S波比短周期地震仪记录明显); 另外定位深度方面,多种方法定位深度均在230 km左右(王强等,2011)。

相比国家台网中心最终定位结果(发震时刻10:59:06.8,震中位置27.2°N,125.9°E),震源深度h=220 km),3个定位结果均同国家台网中心最终定位结果存在一些误差,但总体误差均在规定范围内,误差是因为上海台网口径过小,并且地震偏在一隅导致的系统误差(表2)。

表2 对比残差表
Tab.2 Contrast of residuals

由于倾斜仪是反映的测量物体随时间的倾斜变化及铅垂线随时间变化的仪器,其测量量是角度变化量,虽然倾斜仪的角度变化量也是震级的函数,但其内部的函数关系暂时没有相应的联系公式表达,所以暂时不能计算震级。地震仪数据则可以通过震级公式M=lg(A/T)+R(△)计算出。