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(wù)發(fā)射時(shí)間和經(jīng)濟成本、無(wú)人部署等,一次任務(wù)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(dòng)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(zhì)點(diǎn)運動(dòng)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(shí)刻拾取精度、P波初至窗口、濾波頻帶等多參數影響,適合定位質(zhì)量較好的事件,在定位低質(zhì)量事件時(shí)捉襟見(jiàn)肘。
中國科學(xué)院地質(zhì)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)展了旋轉接收函數的單臺行星震定位方法。接收函數方法通常被用于殼-幔結構成像,幾無(wú)被用于事件方位角估計。該團隊深入理解接收函數原理和數據處理,將接收函數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°,較傳統方法的方位角誤差降低97%以上(圖1)。
接收函數成像關(guān)鍵的一步是數據旋轉,將南北向-東西向-垂向的三分量數據旋轉至徑向-切向-垂向的三分量數據,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(zhù)當且僅當使用正確方位角旋轉數據得到的接收函數直達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(jìn)行數據旋轉并計算接收函數,取接收函數直達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(wú)法控制其水平方位)。該方法有助于顯著(zhù)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(shí)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(diǎn)
圖2 a) 旋轉接收函數方法的原理。圓表示BAZ從0-360?的接收函數直達P波振幅變化。最深紅色表示最大振幅,對應于真實(shí)的方位角??。R和T分別表示徑向和切向方向;b) 接收函數直達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(xué)術(shù)期刊SRL(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?chē)抑攸c(diǎn)研發(fā)計劃“火星圈層過(guò)程”項目(2022YFF0503203)、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )和澳門(mén)科技大學(xué)月球與行星科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放課題(SKL-LPS(MUST)-2021-2023)聯(lián)合資助。