旋轉接收函數(shù)的單臺行星震定位方法 |孫偉家等-SRL

行星震事件的準確定位是準確成像行星內部結構的基石。受制于探測任務發(fā)射時間和經(jīng)濟成本、無人部署等，一次任務只能在行星表面布設一臺地震儀；更突出的是，地外天體（火星、月球）的地震活動性微弱，晝夜溫差巨大等惡劣環(huán)境導致地震儀性能下降。上述因素導致了行星震事件單臺定位（方位角和距離）異常困難，定位誤差特別是方位角的誤差巨大（可達180°）。

傳統(tǒng)方法（即極化方法或偏振方法或主分量分析方法）利用P波初至的質點運動極化方向或偏振方向確定事件的方位角，該方法的精度易受P波起跳時刻拾取精度、P波初至窗口、濾波頻帶等多參數(shù)影響，適合定位質量較好的事件，在定位低質量事件時捉襟見肘。

中國科學院地質與地球物理研究所孫偉家研究員、唐清雅博士后及其合作者，發(fā)展了旋轉接收函數(shù)的單臺行星震定位方法。接收函數(shù)方法通常被用于殼-幔結構成像，幾無被用于事件方位角估計。該團隊深入理解接收函數(shù)原理和數(shù)據(jù)處理，將接收函數(shù)用于確定單臺事件方位角。他們利用已知準確位置的地震事件、核爆事件和火星隕石撞擊事件驗證了該方法的定位精度，其方位角誤差最小為1.5°–5°，較傳統(tǒng)方法的方位角誤差降低97%以上（圖1）。

接收函數(shù)成像關鍵的一步是數(shù)據(jù)旋轉，將南北向-東西向-垂向的三分量數(shù)據(jù)旋轉至徑向-切向-垂向的三分量數(shù)據(jù)，以獲得最大振幅成像。旋轉的角度即為事件相對于臺站的方位角，這意味著當且僅當使用正確方位角旋轉數(shù)據(jù)得到的接收函數(shù)直達P波的振幅最大（圖2）。基于此原理，首先均勻給定所有可能的方位角（例如采樣方位角0°–360°，采樣間隔1°），然后進行數(shù)據(jù)旋轉并計算接收函數(shù)，取接收函數(shù)直達P波最大振幅對應的方位角為該事件的方位角。該原理還可用于計算海底地震儀的水平方位（海底地震儀在海面釋放后自由落體而無法控制其水平方位）。該方法有助于顯著提升火星震和月震等定位精度。

圖1?利用已知準確位置的核爆事件、地震事件和火星隕石撞擊事件驗證本研究方法的方位角精度。真實的方位角位于圖片上部，本研究方法的方位角位于圖中框內和紅色圓點

圖2 a) 旋轉接收函數(shù)方法的原理。圓表示BAZ從0-360?的接收函數(shù)直達P波振幅變化。最深紅色表示最大振幅，對應于真實的方位角。R和T分別表示徑向和切向方向；b) 接收函數(shù)直達P波振幅隨方位角變化，最大振幅對應最佳的方位角

研究成果發(fā)表于國際學術期刊Seismological Research Letters（孫偉家*，Hrvoje Tkal?i?，唐清雅. Single-Station Back-Azimuth Determination With the Receiver Function Rotation Technique Validated by the Locations of Earthquakes, Impacts, and Explosions[J].Seismological Research Letters，2024. DOI: 10.1785/0220240117.）。研究受國家重點研發(fā)計劃“火星圈層過程”項目（2022YFF0503203）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會和澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室開放課題（SKL-LPS(MUST)-2021-2023）聯(lián)合資助。

編輯：劉強