测震台站地震计方位的精确定向对于利用地震观测资料开展各向异性、面波频散、接收函数和震源机制解等研究具有重要意义.井下地震观测可有效降低地面噪声干扰的影响，提高对微小地震信号的观测精度.目前我国井下地震观测台站达到180多个，涵盖了甚宽频带、宽频带、短周期等观测仪器，这些井下地震计安装时一般使用磁通门或陀螺仪进行定向，部分未使用磁通门或陀螺仪进行定向的台站，安装仪器后也采用了间接方法确定井下地震计水平向方位角.

深井观测台站与地表观测台站不同，难以直接使用陀螺仪等定向设备验证地震计的方位，通常只能借助于远震、地脉动记录等确定井下地震计方位角.由于井下地震计与地表地震计同时段的地震记录在频谱上有一定的差异(徐永林等，1991)，因此如何保证远震、地脉动记录测定的井下地震计方位角可信度是一个难题.地震噪声显示不同的频率依赖性，对于长周期海洋微震动，有较高相关性，其相关半径即两台地震仪在某些谱范围噪声记录相关的最大距离随噪声周期的增大而增大，可达到数千米(Bormann，2002).Peterson(1993)观测和研究了全世界各地正常地球噪声，给出了新的全球公认的地球正常噪声模型，从噪声模型曲线可以看出，在1~10 s之间存在明显的峰值，这个范围内的地噪声(地脉动)被认为同海洋与陆地的相互作用有关，且噪声源能量十分稳定.Lacoss等(1969)对地脉动做了详细的分析，认为频率在0.2 Hz到0.3 Hz的地脉动中含有体波和瑞利面波成分，其中高阶模式瑞利面波为主要成分.Aster和Shearer(1991)认为使用近震初至P波质点运动，可使井下地震计水平向定向到约5°的精度.Niu和Li(2011)利用远场P波极性分析方法对全国测震台网运行台站仪器方位角进行计算，显示部分深井观测台站仪器方位角极性等方面存在一定问题.国内外也先后有人利用相关函数方法(Bormann，2002；谢剑波，2014)，在地面安装一台已知方位的地震计，对地面地震记录与井下地震记录作相关分析，确定井下地震计相对于地面地震计的方位角.但是采用同台址地表与井下地震计记录进行相关分析确定井下地震计方位角，其检测结果的可靠性和检测精度没有人进行较详细的分析.

本文利用相关分析方法并采用地震波形仿真技术，对地表不同频带多套地震计进行对比测试，用以检测地表不同频带地震计测试结果的可靠性和一致性；对不同距离多套地震计进行对比测试，用以检测地表不同频带地震计测试结果的检测精度及波形相关系数随距离的变化情况，从而为推测井下地震计水平向方位角提供依据；同台址多套地震计及井下地震计对比测试，用以检测不同频带地震计测试结果的可靠性和一致性.井下地震计方位角对比测试应用研究，将为下一阶段全国测震台网井下地震计方位角检测工作的开展提供依据和技术支持.

相关分析可以得到反映两个随机变量之间相关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一台使用陀螺寻北仪确定方位角的地震计作为参考地震计，另一台地震计作为测试地震计，对参考地震计与测试地震计水平向地脉动记录进行相关分析，分析时对测试地震计水平向地脉动记录按照一定角度等间隔进行坐标旋转，分别计算各旋转角度参考地震计与测试地震计两个水平分量记录的相关系数，相关系数最大值所对应的旋转角度即为测试地震计相对于参考地震计的方位角.

地震记录为真实地面运动和记录系统脉冲响应的褶积，仿真处理为根据地面运动，求得某一特定观测系统的地震记录，通常根据工作需要我们可以把宽频带地震记录仿真为中长周期、短周期等地震记录.数字地震记录仿真方法分为频域滤波法和时域滤波法，有多人进行了这方面的研究工作(李鸿吉，1992；何少林等，1997；刘瑞丰等，1997；金星等，2004；谢剑波，2014)，本文采用傅里叶分析法即频域滤波法，仿真计算中只考虑地震观测系统的低频部分即地震计的特性，没有考虑高频部分即数据采集器部分的影响.

假设对于一个宽频带地震观测系统，如观测系统地震记录为y(t)，地面运动为x(t)，系统脉冲响应为h(t)，在时间域表示为

滤波参数选取参考Peterson(1993)给出的全球噪声模型相关数据并结合实测数据计算结果，AY测点检测地震计测定的台基地动噪声功率谱密度曲 线见图 1.图 1中BBVS-60、CMG-40T、CMG-40TDE、FSS-3DBH频带范围见表 2，从图中可以看出1~10 s 之间存在明显的峰值且宽频带及短周期地震计都有很好的反映，在1 Hz以上，地表测点BBVS-60、CMG-40T、CMG-40TDE地震计测定的噪声水平已大于全球噪声模型的高噪声水平，而对于同台址井下测点FSS-3DBH井下地震计测定的噪声水平，在其频带范围内仍处于全球噪声模型的高噪声水平之下，这也说明井下观测可有效减小短周期地震噪声水平.为了更好地说明问题，我们以低频10 s为界，高频延伸到10 Hz，即选取0.1~10 Hz 频段，把0.1~10 Hz进行分段计算.宽频带记录与短周期记录计算时，宽频带记录需仿真到相应短周期记录.如不进行仿真处理直接使用地震计记录进行计算，对于我们将要选用的频带范围0.2~0.3 Hz，其计算结果与仿真处理的计算结果相差180°，且相关系数比仿真处理的计算结果要低一些，见表 1、图 2及图 3.仿真与不仿真处理结果相差180°的问题从图 4可以看 出，对于BBVS-60、CMG-40T宽频带地震计，在0.2~0.3 Hz 频带范围，相频特性曲线为0°附近一条变化平缓的直线，相频特性变化较小，如0.2 Hz处相位角分别为7°、13°，而对于CMG-40TDE、FSS-3DBH短周期地震计，在0.2~0.3 Hz频带范围，相频特性曲线为一条变化较大的斜线，相频特性变化较大，0.2 Hz处相位角分别为146°、146°，其BBVS-60、CMG-40T宽频带地震计分别与CMG-40TDE、FSS-3DBH短周期地震计组合在0.2 Hz处相位差均大于130°，远超过了90°，表现出波形反相现象.因此计算中对于甚宽、宽频带地震计组合，可直接使用地震计记录进行计算，而对于甚宽、宽频带与短周期地震计组合，甚宽、宽频带地震计记录需仿真到相应短周期记录.表 1中所列地震计安装时均使用陀螺寻北仪确定方位，对于地表BBVS-60宽频带地震计和CMG-40TDE短周期地震计组合(序列号G10821VS、T4U81)，5 Hz以内的测试频段，地震计方位角偏差比较小，相关系数均达到0.9以上，而对于BBVS-60宽频带地震计和FSS-3DBH井下短周期地震计组合(序列号G10821VS、889)，1 Hz以上 的测试频段地脉动记录已不相关，其中0.2~0.3 Hz 频带范围地脉动记录相关性较好.这是由于在近地表，随着深度的增加，高频信号比低频信号能量衰减 更加严重.同时，0.2~0.3 Hz的地脉动中含有体波和瑞利面波成分，其中高阶模式瑞利面波为主要成分(Lacoss et al.，1969).面波的理论研究也表明，瑞利面波的能量主要集中在约半个波长深度范围内传播，即我们所研究的井下地震计均处于瑞利面波的半个波长深度范围，这也避免了近地表土层的各向异性产生的影响，因此0.2~0.3 Hz的地脉动记录在地表和井下记录都有很好反映.对于井下地震计与地表地震计记录在高频段相关系数低的问题，已经有人在实际资料分析中发现了这个问题，同一地震信号，地表地震记录高频成份比深井记录丰富(徐永林等，1991)，井下地震计测定的地震波谱高频较弱(韦士忠和李玉萍，1990).表 1中的仪器名对应的具体地震计信息见表 2.

图 1

Fig. 1

图 1 AY测点台基地动噪声功率谱密度曲线(检测地震计测定)Fig. 1 Power spectral density curve of background noise at AY(determined by detecting seismometer)

表 1(Table 1)

表 1 不同频带地脉动记录仿真与不仿真相关分析结果 Table 1 The correlation analysis of different frequency band microtremor records with simulation and without simulation 仪器组合 BBVS_4 CMG_1 BBVS_4 CMG_1 BBVS_4 FSS_1 BBVS_4 FSS_1 仿真 不仿真 仿真 不仿真 滤波频带/Hz 方位差 相关系数 方位差 相关系数 方位差 相关系数 方位差 相关系数 0.1~0.2 -0.06 0.9939 179.90 0.9636 28.64 0.9889 -151.57 0.9616 0.2~0.3 -0.06 0.9980 179.53 0.9606 27.74 0.9867 -152.56 0.9689 0.2~1.0 -0.06 0.9952 179.89 0.8991 27.52 0.8796 -152.61 0.9291 0.2~5.0 -0.37 0.9443 -0.06 0.9052 * 0.0698 * 0.2080 1.0~5.0 -0.26 0.9419 0.02 0.9740 * 0.0649 * 0.0584 5.0~10.0 2.48 0.7882 2.61 0.7680 * 0.0471 * 0.0439 v

表 1 不同频带地脉动记录仿真与不仿真相关分析结果 Table 1 The correlation analysis of different frequency band microtremor records with simulation and without simulation

图 2

Fig. 2

图 2 G10821VS与T4U81地震计组合地脉动记录未仿真计算结果 (a) G10821VS地震计EW向原始记录波形； (b) T4U81地震计EW向原始记录波形； (c) 滤波未旋转前EW向记录波形； (d) 滤波旋转后EW向记录波形； (e) 全方位角EW向相关系数图； (f) EW向最佳旋转方位角附近相关系数图．Fig. 2 Microtremor records of G10821VS and T4U81 without simulation (a) Original waveform of G10821VS seismometer at EW component； (b) Original waveform of T4U81 seismometer at EW component； (c) Waveforms after filtering and without rotation； (d) Waveforms with filtering and rotating； (e) Correlation coefficient map of full azimuths； (f) Correlation coefficient map，near the optimal rotation azimuth．

表 2(Table 2)

表 2 本文所用地震计信息 Table 2 Information on the seismometers used in this work 序号 地震计简称 地震计型号 频带范围 地震计序列号 台网/台站 1 BBVS_1 BBVS-60 60s~50Hz G08134VS 2 BBVS_2 BBVS-60 60s~50Hz G08224VS 3 BBVS_3 BBVS-60 60s~50Hz G10820VS 4 BBVS_4 BBVS-60 60s~50Hz G10821VS 5 BBVS_5 BBVS-60 60s~50Hz G10891VS 6 BBVS_6 BBVS-120 120s~50Hz G08227VS 7 BBVS_7 BBVS-120 120s~50Hz G08228VS 8 BBVS_8 BBVS-60 60s~50Hz G10826VS SN/QLIT 9 BBVS_9 BBVS-60 60s~50Hz G10894VS SN/ZOZT 10 BBVS_10 BBVS-60 60s~50Hz G08222VS SN/DBT 11 BBVS_11 BBVS-60DBH 60s~50Hz G13015BH SN/DBT 12 CMG_1 CMG-40TDE 2s~50Hz T4U81 13 CMG_2 CMG-40TDE 1s~50Hz T4V85 14 CMG_3 CMG-40T 30s~50Hz T4U99 15 CMG_4 CMG-3ESP 60s~50Hz T36545 16 CMG_5 CMG-3ESPC 60s~50Hz T3S74 17 CMG_6 CMG-3TB 120s~50Hz T34620 SC/LZH 18 CTS_1 CTS-1EF 120s~50Hz 10011 SN/XAN 19 JDF_1 JDF-2 20s~50Hz 06 NX/LWU 20 JDF_2 JDF-2 20s~50Hz 05 NX/TLE 21 FSS_1 FSS-3DBH 2s~50Hz 889 HA/AY 22 FSS_2 FSS-3DBH 2s~50Hz 911 HA/QF

表 2 本文所用地震计信息 Table 2 Information on the seismometers used in this work

图 3

Fig. 3

图 3 G10821VS与T4U81地震计组合地脉动记录仿真计算结果 (a) G10821VS地震计EW向原始记录波形； (b) T4U81地震计EW向原始记录波形； (c) 仿真及滤波后未旋转前EW向记录波形； (d) 仿真及滤波旋转后EW向记录波形； (e) 全方位角EW向相关系数图； (f) EW向最佳旋转方位角附近相关系数图．Fig. 3 Microtremor records of G10821VS and T4U81 with simulation (a) Original waveform of G10821VS seismometer at EW component； (b) Original waveform of T4U81 seismometer at EW component； (c) Waveforms after filtering and simulating without rotation； (d) Waveforms with filtering，simulating and rotating； (e) Correlation coefficient map of full azimuths； (f) Correlation coefficient map，near the optimal rotation azimuth.

图 4

Fig. 4

图 4 AY测点检测地震计频率特性曲线Fig. 4 Frequency characteristic curves of detecting seismometers at AY

本文开展对比测试研究中，据Peterson(1993)全球噪声模型在1~10 s之间存在明显的峰值的特点及文中2.3节滤波参数选取的计算结果，滤波频带选取0.2~0.3 Hz，与吕永清等(2007)及谢剑波(2014)研究中所选的滤波频带不同，本文测试结果使用两个水平向计算角度的均值.

本次地震计方位角检测采用地表不同距离多套地震计对比观测及井下地震计与观测井孔附近地表多套地震计对比观测，测点信息由GPS测定.地表地震计对比观测选取了3个实验场地，分别为QLIT、XAN、ZOZT，每个场地选取2个以上测点，测点之间间隔不同，其中1个测点为主测点，分别安装甚宽频带、宽频带、短周期等多套地震计.井下地震计选取6个深井观测台站进行对比观测，分别为LWU、TLE、AY、QF、LZH、DBT，涵盖了甚宽频带、宽频带及短周期井下地震计，地震计信息见表 2.

地表地震计安装时如室内有仪器墩，地震计安装在仪器墩上，否则的话，采用室外地埋方式.处理时在室外地表挖坑，坑内放置大理石或花岗岩石板，地震计安装在石板上，使用陀螺寻北仪定向，用仪器罩防护后进行地埋，起到防风、防气流、防雨等功能.对比观测连续记录时间24 h以上，相关分析时选取24 h记录，计算结果取24 h平均值.

对比测试中所用BBVS-120、BBVS-60、BBVS-60DBH、FSS-3DBH地震计及EDAS-24IP、EDAS-24GN数据采集器均为北京港震设备有限公司生产；CTS-1EF地震计为武汉力泉测震技术有限公司生产；CMG-3TB、CMG-3ESP、CMG-3ESPC、CMG-40T、CMG-40TDE地震计为英国Güralp公司生产；JDF-2地震计为北京赛斯米克地震科技发展中心生产.序列号T4U81和T4V85的CMG-40TDE短周期地震计为一体机，采样率100 sps，最小相位滤波，转换因子3.178 μV/count；EDAS-24IP数据采集器，采样率100 sps，最小相位滤波，转换因子1.589 μV/count；EDAS-24GN数据采集器，采样率100 sps，最小相位滤波，转换因子1.192 μV/count.

第1个实验场地QLIT场地有3个测点，分别为QLIT、Q01、Q02，其中QLIT为基岩场地，Q01、Q02为土层场地.Q01测点安装序列号G08224VS、 G10820VS两台BBVS-60宽频带地震计，地震计实测方位角分别为1.1°、0.3°.Q02测点分别沿0°和30°方向安装地震计，0°方向安装序列号G10891VS BBVS-60宽频带地震计和序列号T4U99 CMG-40T 宽频带地震计，地震计实测方位角为0.3°；30°方向安装序列号 G10821VS BBVS-60宽频带地震计和序列号T4U81 CMG-40TDE 短周期一体机，地震计实测方位角为29.7°. QLIT测点安装序列号G10826VS BBVS-60宽频带地震计，地震计实测方位角为0.3°.序列号G10826VS BBVS- 60宽频带地震计连接EDAS-24IP数据采集器，其余地震计分别连接EDAS-24GN数据采集器.

QLIT测点与Q01测点，两个测点相距2249 m，高程差130 m.序列号G10826VS参考地震计分别与G08224VS、G10820VS测试地震计组合，计算结果经序列号G10826VS参考地震计方位角校正后分别为-1.0°、-2.3°，与陀螺寻北仪确定的G08224VS、G10820VS测试地震计方位角1.1°、0.3°分别相差 -2.1°、-2.6°，相关系数分别为0.8672、 0.8694.

QLIT测点与Q02测点，两个测点相距2514 m，高程差140 m.序列号G10826VS参考地震计分别与G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99测试地震计组合，计算结果经序列号G10826VS参考地震计方位角校正后分别为28.0°、28.5°、-2.8°、-2.8°，与陀螺寻北仪确定的G10821VS、T4U81、 G10891VS、T4U99测试地震计方位角29.7°、29.7°、 0.3°、0.3°分别相差-1.7°、-1.2°、-3.1°、-3.1°，相关系数分别为0.8301、0.8053、0.8326、0.8166.

Q01测点与Q02测点，两个测点相距275 m，高程差10 m.序列号G08224VS参考地震计分别与序列号G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99测试地震计组合，计算结果经G08224VS参考地震计方位角校正后分别为30.0°、30.3°、-0.5°、-0.5°，与陀螺寻北仪确定的G10821VS、T4U81、G10891VS、T4U99测试地震计方位角29.7°、29.7°、0.3°、0.3°分别相差0.3°、0.6°、-0.8°、-0.8°，相关系数分别 为0.9856、0.9689、0.9868、0.9646.序列号G10820VS参考地震计分别与序列号G10821VS、T4U81、G10891VS、 T4U99测试地震计组合，计算结果经G10820VS参 考地震计方位角校正后分别为30.6°、30.8°、-0.1°、 -0.1°，与陀螺寻北仪确定的G10821VS、 T4U81、G10891VS、T4U99测试地震方位角29.7°、29.7°、0.3°、0.3°分别相差0.9°、1.1°、-0.4°、-0.4°，相关系数分别为0.9883、0.9678、0.9891、0.9639.

第2个实验场地XAN场地有2个测点，分别为X01、XAN，均为基岩场地.XAN测点0°方向分别安装序列号G08224VS BBVS-60宽频带地震计、序列号G08227VS BBVS-120甚宽频带地震计和序列号10011 CTS-1EF甚宽频带地震计，地震计实测方位角分别为-0.1°、0.0°、-0.9°；30°方向安装序列号G08134VS BBVS-60宽频带地震计，地震计实测方位角为30.1°.X01测点分别安装序列号G10821VS、 G10891VS两台BBVS-60宽频带地震计，地震计实测方位角分别为-0.1°、-0.1°.序列号10011 CTS-1EF甚宽频带地震计连接EDAS-24IP数据采集器，其余地震计分别连接EDAS-24GN数据采集器.

X01测点与XAN测点，两个测点相距220 m，高程基本相同.序列号G10821VS参考地震计分别与序列号G08134VS、G08224VS、G08227VS、10011测试地震计组合，计算结果经G10821VS参考地震 计方位角校正后分别为30.6°、0.4°、-0.1°、-0.5°，与陀螺寻北仪确定的G08134VS、G08224VS、 G08227VS、10011测试地震计方位角30.1°、-0.1°、 0.0°、-0.9°分别相差0.5°、0.5°、-0.1°、0.4°，相关系数分别为0.9698、0.9704、0.9705、0.9703.序列 号G10891VS参考地震计分别与序列号G08134VS、 G08224VS、G08227VS、10011测试地震计组合，计算结果经G10891VS参考地震计方位角校正后分别为30.8°、0.9°、0.2°、-0.2°，与陀螺寻北仪确定的G08134VS、G08224VS、G08227VS、10011测试地震 计方位角30.1°、-0.1°、0.0°、-0.9°分别相差0.7°、 1.0°、0.2°、0.7°，相关系数分别为0.9695、0.9700、0.9702、0.9700.

第3个实验场地ZOZT场地有2个测点，分别为Z01、ZOZT，其中Z01为土层场地，ZOZT为基岩 场地.ZOZT测点0°方向分别安装序列号G10891VS、 G10894VS两台BBVS-60宽频带地震计，地震计实测方位角分别为-0.5°、0.8°；30°方向分别安装序列号G10821VS BBVS-60宽频带地震计、序列号T4U81 CMG-40TDE短周期一体机，地震计实测方位角分别为29.6°、30.1°；Z01测点分别安装序列号 G08224VS BBVS-60宽频带地震计、序列号G08228VS BBVS-120甚宽频带地震计，地震计实测方位角分别为0.1°、0.0°.序列号G10894VS BBVS-60宽频带地震计连接EDAS-24IP数据采集器，其余地震计分别连接EDAS-24GN数据采集器.

Z01测点与ZOZT测点，两个测点相距920 m，高程差-60 m.序列号G08224VS参考地震计分别 与序列号G10821VS、T4U81、G10891VS、G10894VS 测试地震计组合，计算结果经G08224VS参考地震计方位角校正后分别为28.6°、29.1°、-3.2°、-1.8°，与陀螺寻北仪确定的结果29.6°、30.1°、-0.5°、0.8°分别相差-1.0°、-1.0°、-2.7°、-2.6°，相关系数分别为0.8227、0.7763、0.8235、0.8236.序列 号G08228VS参考地震计分别与序列号G10821VS、 T4U81、G10891VS、G10894VS测试地震计组合，计算结果经G08228VS参考地震计方位角校正后分别为29.2°、29.8°、-2.1°、-0.9°，与陀螺寻北仪确定的结果29.6°、30.1°、-0.5°、0.8°分别相差-0.4°、-0.3°、-1.6°、-1.7°，相关系数分别为0.8310、0.7845、0.8315、0.8333.

3个实验场地不同测点间对比分析数据见表 3，从表中数据可以看出，随着对比测试地震计组合之间距离的增大，测试地震计方位角的检测结果与预 先设定的方位角偏差逐渐增加，相关系数逐渐减小.对于相同距离的两个测点，不同频带测试地震计的测定方位角、记录波形的相关系数一致性较好.对于220 m实验距离，测试地震计方位角的检测结果与预先设定的方位角的均方根误差(RMSE)小于1.0°，地震计记录的相关系数约为0.97；对于2514 m实验距离，测试地震计方位角的检测结果与预先设定的方位角的均方根误差(RMSE)小于3.4°，地震计记录的相关系数在0.80~0.84 之间变化，本文中的检测精度使用均方根误差(RMSE)作为衡量标准.

表 3(Table 3)

表 3 地表测点测试地震计地脉动记录相关分析结果 Table 3 The correlation analysis of surface seismometer microtremor records 序号 台点 测点信息 参考地震计 测试地震计 结果统计 测点 间距/m 高程差/m 简称 方位角/(°) 简称 方位角/(°) 方位角/(°) RMSE/(°) 相关系数 1 QLIT Q01_Q02 275 10 BBVS_2 1.1 BBVS_4 29.7 30.0 0.4 0.9856 2 CMG_1 29.7 30.3 0.8 0.9689 3 BBVS_5 0.3 -0.5 0.9 0.9868 4 CMG_3 0.3 -0.5 1.0 0.9646 5 Q01_Q02 275 10 BBVS_3 0.3 BBVS_4 29.7 30.6 0.9 0.9883 6 CMG_1 29.7 30.8 1.2 0.9678 7 BBVS_5 0.3 -0.1 0.6 0.9891 8 QLIT_Q01 2249 130 BBVS_8 0.3 CMG_3 0.3 -0.1 0.6 0.9639 9 BBVS_2 1.1 -1.0 2.4 0.8672 10 BBVS_3 0.3 -2.3 2.8 0.8694 11 QLIT_Q02 2514 140 BBVS_8 0.3 BBVS_4 29.7 28.0 2.2 0.8301 12 CMG_1 29.7 28.5 1.7 0.8053 13 BBVS_5 0.3 -2.8 3.4 0.8326 14 CMG_3 0.3 -2.8 3.4 0.8166 15 XAN X01_XAN 220 0 BBVS_4 -0.1 BBVS_1 30.1 30.6 0.6 0.9698 16 BBVS_2 -0.1 0.4 0.6 0.9704 17 BBVS_6 0 -0.1 0.3 0.9705 18 X01_XAN 220 0 BBVS_5 -0.1 CTS_1 -0.9 -0.5 0.5 0.9703 19 BBVS_1 30.1 30.8 0.8 0.9695 20 BBVS_2 -0.1 0.9 1.0 0.9700 21 BBVS_6 0 0.2 0.4 0.9702 22 CTS_1 -0.9 -0.2 0.7 0.9700 23 ZOZT Z01_ZOZT 920 60 BBVS_2 0.1 BBVS_4 29.6 28.6 1.7 0.8227 24 CMG_1 30.1 29.1 1.9 0.7763 25 BBVS_5 -0.5 -3.2 3.0 0.8235 26 BBVS_9 0.8 -1.8 3.0 0.8236 27 BBVS_7 0.0 BBVS_4 29.6 29.2 1.4 0.8310 28 CMG_1 30.1 29.8 1.6 0.7845 29 BBVS_5 -0.5 -2.1 2.1 0.8315 30 BBVS_9 0.8 -0.9 2.2 0.8333

表 3 地表测点测试地震计地脉动记录相关分析结果 Table 3 The correlation analysis of surface seismometer microtremor records

LWU井下观测台，安装序列号06 JDF-2井下宽频带地震计，地震计安装深度为248 m.检测时井孔附近室内仪器墩分别安装序列号G10821VS BBVS-60宽频带地震计、序列号G08228VS BBVS-120甚宽频带地震计、序列号T4V85 CMG-40TDE短周期地震计、序列号T4U99 CMG-40T宽频带地震计等4套地震计，地表地震计使用陀螺寻北仪定向，JDF-2井下宽频带地震计连接EDAS-24IP数据采集器，其余地震计分别连接EDAS-24GN数据采集器.序列号G10821VS、序列号G08228VS、序列号T4U99等3套地震计分别与井下地震计组合计算井下地震计相对方位角时，直接使用地震计记录计算.序列号T4V85短周期地震计与井下地震计组合计算井下地震计相对方位角时，由于所选带通滤波频率0.2~0.3 Hz处于序列号T4V85短周期地震计的通频带之外过渡带，因此井下地震计记录需仿真到序列号T4V85短周期地震计记录进行计算.地表序列号G10821VS、序列号G08228VS、序列号T4V85、序列号T4U99等4套地震计分别与井下地震计组合，计算结果经地表参考地震计方位角校正 后，井下地震计的方位角分别为31.4°、31.4°、31.6°、 31.4°，计算结果一致性较好，相关系数分别为 0.9926、0.9918、0.8714、0.9919，其中序列号T4V85短周期地震计与序列号06 JDF-2井下宽频带地震计组合相关系数偏低.

TLE井下观测台，安装序列号05 JDF-2井下宽频带地震计，地震计安装深度为245 m.检测时井孔附近室内仪器墩安装地震计与LWU台相同，地表地震计安装时使用陀螺寻北仪定向，JDF-2井下宽频带地震计连接EDAS-24IP数据采集器，其余地震计分别连接EDAS-24GN数据采集器.计算结果经地表参考地震计方位角校正后，井下地震计的方位角分别为9.3°、9.0°、10.0°、9.0°，相关系数分别为0.9891、0.9882、0.8861、0.9894，其中3套甚宽、宽频带地震计计算结果比较接近，序列号T4V85短周期地震计情况与LWU相同.

AY井下观测台，安装序列号889 FSS-3DBH井下短周期地震计，地震计安装深度为393 m.检测时井孔附近室内仪器墩分别安装序列号G08134VS BBVS-60宽频带地震计、序列号T4U81 CMG-40TDE 短周期地震计、序列号T4V85 CMG-40TDE短周期地震计、序列号T4U99 CMG-40T宽频带地震计等4套地震计，室外采取地埋方式安装序列号G10821VS BBVS-60 宽频带地震计、序列号G08228VS BBVS-120甚宽频带地震计，地表安装地震计使用陀螺寻北仪定向，FSS-3DBH井下短周期地震计连接EDAS-24IP数据采集器，其余地震计分别连接EDAS-24GN数据采集器.由于FSS-3DBH为井下短周期地震计，计算时地表 4套甚宽、宽频带地震计记录分别仿真为FSS-3DBH短周期地震计记录，序列号T4V85短周期地震计与FSS-3DBH井下短周期地震计记录计算时，同样进行了仿真处理，序列号T4U81短周期地震计与FSS-3DBH井下短周期地震计频带范围一致，直接使用地震计记录计算.序列 号G08134VS、序列号G10821VS、序列号G08228VS、 序列号T4U81、序列号T4V85、序列号T4U99等6套地震计分别与井下地震计组合，计算结果经地表参考地震计方位角校正后，井下地震计的方位角分别为28.0°、27.7°、28.0°、27.8°、28.1°、27.7°，相关系数分别为0.9871、0.9846、0.9871、0.9864、0.9035、0.9861，计算结果一致性较好，序列号T4V85短周期地震计与序列号889 FSS-3DBH井下短周期地震计组合相关系数偏低.

表 4(Table 4)

表 4 地表与井下地震计组合地脉动记录相关分析结果 Table 4 The correlation analysis of surface seismometer and borehole seismometer microtremor records 序号 台点 参考地震计 测试地震计 结果统计 简称 方位角/(°) 简称 下井深度/m 方位角/(°) 相关系数 1 LWU BBVS_4 0.2 JDF_1 248 31.4 0.9926 2 BBVS_7 0.2 31.4 0.9918 3 CMG_2 0.0 31.6 0.8714 4 CMG_3 0.2 31.4 0.9919 5 TLE BBVS_4 0.0 JDF_2 245 9.3 0.9891 6 BBVS_7 -0.1 9.0 0.9882 7 CMG_2 0.0 10.0 0.8861 8 CMG_3 0.2 9.0 0.9894 9 BBVS_1 0.0 28.0 0.9871 10 BBVS_4 0.0 27.7 0.9846 11 AY BBVS_7 -0.1 FSS_1 393 28.0 0.9871 12 CMG_1 0.0 27.8 0.9864 13 CMG_2 0.0 28.1 0.9035 14 CMG_3 0.0 27.7 0.9861 15 QF BBVS_1 -0.1 FSS_2 308 103.6 0.9830 16 BBVS_4 -0.7 102.8 0.9827 17 BBVS_7 0.1 103.5 0.9828 18 CMG_1 -0.2 103.2 0.9830 19 CMG_2 0.1 102.6 0.9045 20 CMG_3 -0.2 102.9 0.9830 21 LZH CMG_4 0.0 CMG_6 95 118.4 0.8592 22 CMG_5 -1.0 118.1 0.8573 23 DBT BBVS_10 0.0 BBVS_11 300 -28.7 0.9933

表 4 地表与井下地震计组合地脉动记录相关分析结果 Table 4 The correlation analysis of surface seismometer and borehole seismometer microtremor records

QF井下观测台，安装序列号911 FSS-3DBH井下短周期地震计，地震计安装深度为308 m.检测时井孔附近室内仪器墩及室外安装地震计与AY台相同，地表地震计安装时使用陀螺寻北仪定向，FSS-3DBH井下短周期地震计连接EDAS-24IP数据采集器，其余地震计分别连接EDAS-24GN数据采集器.计算结果经地表参考地震计方位角校正后，井下地震计的方位角分别为103.6°、102.8°、103.5°、103.2°、 102.6°、102.9°，相关系数分别为0.9830、0.9827、0.9828、0.9830、0.9045、0.9830，计算结果一致性较好，序列号T4V85短周期地震计情况与AY相同.

LZH井下观测台，安装序列号T34620 CMG- 3TB井下甚宽频带地震计，地震计安装深度为95 m. 检测时室外仪器墩分别安装序列号T3S74 CMG-3ESPC宽频带地震计、序列号T36545 CMG-3ESP宽频带地震计，地表地震计使用陀螺寻北仪定向，其中CMG-3TB井下甚宽频带地震计和序列号T3S74宽频带地震计分别连接两台EDAS-24IP数据采集器，序列号T36545宽频带地震计连接EDAS-24GN数据采集器，分析时直接使用地震计记录计算，计算结果经地表参考地震计方位角校正后，序列号T36545宽频带地震计与CMG-3TB井下甚宽频带地震计组合计算结果为118.4°，序列号T3S74宽频带地震计与CMG-3TB井下甚宽频带地震计计算结果为118.1°，计算结果一致性较好，相关系数分别为0.8592、0.8573.

DBT井下观测台，安装序列号G13015BH BBVS-60DBH井下宽频带地震计，地震计安装深度为300 m. BBVS-60DBH井下宽频带地震计与地表安装序列号G08222VS BBVS-60宽频带地震计连接一台EDAS-24GN6数据采集器，地表地震计使用陀螺寻北仪定向，分析时直接使用地震计组合记录计算，计算结果经地表G08222VS参考地震计方位角校正 后，井下地震计方位角为-28.7°，相关系数为0.9933.

从以上6个井下观测台的对比检测结果来看，同台址不同频带地震计的检测结果一致性较好，见表 4，因此对于井下地震计方位角检测可使用甚宽频带、宽频带和短周期地震计等不同频带的地震计作为参考地震计进行对比测试.对于表中CMG_2(序列号T4V85)短周期一体机与井下地震计组合，相关系数偏低，经检查是由于该地震计东西向本身问题所致.井下地震计安装时均使用磁通门或陀螺 仪进行定向，地震计方位均校正到正北方向，但从LWU、TLE、AY、QF、DBT 5个台站井下地震计方位角的检测结果来看，井下地震计方位角偏差较大，这也说明目前井下地震计安装时所采用的固定方法有一定的缺陷，现运行的井下地震计水平向方位角存在较普遍的方位偏差问题，亟需开展方位角检测工作.LZH台厂家安装井下地震计时未进行定向，而是使用英国Güralp公司提供的数采控制软件Scream实测井下地震计方位角，厂家给出的实测结果为117.3°，与本文测定的结果相差1°左右，这主要因为本文的测试结果为地表与井下地震记录两水平向相关分析结果的平均值，数据长度选取1 h，最终结果取24 h的平均值，而厂家安装仪器时测试计算选取的样本数与前不同，且分析时选取地表地震计NS向记录与井下地震计两水平向记录坐标旋转的结果做相关分析得出，同时分析时两者选取的滤波频带范围也不尽相同.

根据本文对地表场地不同测点、地表和井下地震计地脉动记录对比检测结果，归纳得出以下几点结论.

(1)据Peterson给出全球地球噪声模型及实测数据计算结果显示，在1~10 s之间存在明显的噪声峰值，结合地脉动记录相关分析结果，我们认为相关分析时可选取3~8 s的滤波频带进行处理.

(2)对于地表不同距离、不同频带多套地震计组合及地表不同频带多套地震计与井下地震计组合检测结果显示，检测结果一致性较好，因此甚宽频带、宽频带、短周期地震计均可使用相关分析测定地震计水平向方位角.在研究中所选取的频带范围，地脉动的波长远大于测试井深，地脉动记录在地表及井下记录中都有很好的反映，且波形一致性较好，因此可以利用地表不同间距地震计组合记录相关分析结果推断井下地震计的检测精度.

(3)地表实验显示，随着地表检测地震计组合之间距离的增大，测试地震计方位角的检测精度及地脉动记录的相关系数逐渐变小，对于地表间距920 m、2249 m、2514 m的地震计组合，测试地震计方位角检测精度可控制在4°以内，其地震计组合地脉动记录相关系数约为0.8左右.研究的6个深度400 m以内的井下观测台站，地表与井下地震计组合记录的相关系数均大于地表间距920 m、2249 m、2514 m地震计组合记录的相关系数.检测精度分析中，选取地表地震计组合及地表与井下地震计组合地脉动记录相关系数基本一致，即大于0.85的结果设定为井下地震计方位角检测精度可控范围，同时考虑人为因素对检测结果的影响，即400 m以内井下地震计方位角的检测精度优于4°.

(4)使用相关分析检测井下地震计方位角时，地表参考地震计与井下测试地震计频带范围不一致或选取的滤波频带范围相频特性变化较大时，如宽频带地震计与短周期地震计组合，宽频带记录应仿真到短周期记录进行分析.对于频带范围1 s~50 Hz短周期地震计，同样也可用相关分析检测.