行星震事件的準(zhǔn)確定位是準(zhǔn)確成像行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基石。受制于探測(cè)任務(wù)發(fā)射時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本、無(wú)人部署等，一次任務(wù)只能在行星表面布設(shè)一臺(tái)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(dǎo)致地震儀性能下降。上述因素導(dǎo)致了行星震事件單臺(tái)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(dá)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(zhì)點(diǎn)運(yùn)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(shù)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(guó)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(zhuǎn)接收函數(shù)的單臺(tái)行星震定位方法。接收函數(shù)方法通常被用于殼-幔結(jié)構(gòu)成像，幾無(wú)被用于事件方位角估計(jì)。該團(tuán)隊(duì)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(tái)事件方位角。他們利用已知準(zhǔn)確位置的地震事件、核爆事件和火星隕石撞擊事件驗(yàn)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(guān)鍵的一步是數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)，將南北向-東西向-垂向的三分量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的角度即為事件相對(duì)于臺(tái)站的方位角，這意味著當(dāng)且僅當(dāng)使用正確方位角旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)得到的接收函數(shù)直達(dá)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(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)并計(jì)算接收函數(shù)，取接收函數(shù)直達(dá)P波最大振幅對(duì)應(yīng)的方位角為該事件的方位角。該原理還可用于計(jì)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）。該方法有助于顯著提升火星震和月震等定位精度。

圖1?利用已知準(zhǔn)確位置的核爆事件、地震事件和火星隕石撞擊事件驗(yàn)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(nèi)和紅色圓點(diǎn)

圖2 a) 旋轉(zhuǎn)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(dá)P波振幅變化。最深紅色表示最大振幅，對(duì)應(yīng)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(shù)直達(dá)P波振幅隨方位角變化，最大振幅對(duì)應(yīng)最佳的方位角

研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“火星圈層過(guò)程”項(xiàng)目（2022YFF0503203）、中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（SKL-LPS(MUST)-2021-2023）聯(lián)合資助。

編輯：劉強(qiáng)