基于單臺(tái)P波記錄的地震震中和震級(jí)快速測(cè)定方法研究

劉希強(qiáng) 李 霞 蔡 寅 趙 瑞 李 紅 周彥文王慶民 趙大鵬 徐長(zhǎng)朋

（山東省地震局，濟(jì)南 250014）

本研究擬利用山東數(shù)字化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的實(shí)際觀測(cè)資料，根據(jù)單臺(tái)記錄直達(dá)P波前2 s數(shù)據(jù)，通過(guò)不同方法測(cè)定結(jié)果的對(duì)比分析，篩選出測(cè)定地震方位角的典型方法；探索根據(jù)直達(dá)P波包絡(luò)特征和峰值速度測(cè)定震中距和震級(jí)有效性；根據(jù)實(shí)際處理結(jié)果，從臺(tái)網(wǎng)中篩選出一旦發(fā)生強(qiáng)震適于進(jìn)行地震預(yù)警的臺(tái)站。

（1）數(shù)據(jù)濾波方法。本文采用橢圓帶通IIR數(shù)字濾波器來(lái)有效去除噪聲，橢圓濾波器阻帶和通帶內(nèi)都是等波紋的，過(guò)渡帶比較窄，而且可以以更低的階數(shù)實(shí)現(xiàn)和其他類濾波器一樣的性能指標(biāo)。實(shí)際資料處理結(jié)果表明，經(jīng)濾波后的地震波信噪比明顯提高。為了得到區(qū)域地震事件最佳信號(hào)分布范圍，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，本文設(shè)計(jì)了兩套橢圓型濾波器參數(shù)。

（2）方位角估計(jì)方法。一是遞推相關(guān)分析，二是偏振分析；在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，分別選擇了原始三分向記錄、對(duì)原始三分向記錄分別進(jìn)行兩個(gè)帶通濾波的數(shù)據(jù)、對(duì)原始三分向記錄進(jìn)行傅里葉變換（FFT）變換并分別取兩個(gè)帶通內(nèi)的頻率域數(shù)據(jù)、對(duì)原始三分向記錄進(jìn)行Zoom_FFT變換并分別取兩個(gè)帶通內(nèi)的頻率域數(shù)據(jù)作為兩種方法處理的源數(shù)據(jù)。從上述7種數(shù)據(jù)預(yù)處理和兩種測(cè)定方位角方法中可得到14種不同的分析結(jié)果，選擇地震方位角計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果統(tǒng)計(jì)誤差最小的一種組合作為測(cè)定方位角的最佳方案。

（3）震中距估計(jì)方法。對(duì)處理資料進(jìn)行Hilbert變換，應(yīng)用公式（1）對(duì)變換數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到斜率因子B，振幅變化因子A：

（4）震級(jí)估計(jì)方法。地震震級(jí)的估計(jì)通過(guò)單臺(tái)垂直向P波前2 s速度數(shù)據(jù)的最大振幅Pv 和斜率因子B值得到，根據(jù)多次地震記錄統(tǒng)計(jì)得到震級(jí)標(biāo)度關(guān)系，表述為：

自2008年以來(lái)，山東數(shù)字化虛擬測(cè)震臺(tái)網(wǎng)由78個(gè)臺(tái)站組成，對(duì)網(wǎng)內(nèi)發(fā)生地震之后，平均4 s左右第一個(gè)臺(tái)站記錄到地震波，2009-2011年期間記錄到可定位事件839次，其中天然地震782次，非天然地震57次。本文選擇距每次地震震中最近的臺(tái)站記錄進(jìn)行分析，要求具有完整的三分向P波段記錄，較高的信噪比。經(jīng)過(guò)篩選，得到了53個(gè)臺(tái)站共計(jì)303次地震、20次塌方和3次爆破的波形記錄。這326次地震事件的震中距最近臺(tái)站的距離分布范圍為3.5～314.4 km，震級(jí)分布范圍為ML0.5～4.9，各臺(tái)站垂向記錄的信噪比分布范圍為-1.9～63.8 dB。

選擇山東虛擬測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的326次地震資料，在其中篩選出每次地震發(fā)生后第一個(gè)臺(tái)站記錄的三分向P波前2 s數(shù)據(jù)，選擇兩種測(cè)定地震方位角方法和7種數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，通過(guò)與實(shí)際結(jié)果的系統(tǒng)對(duì)比分析，認(rèn)為確定最佳測(cè)定地震方位角的技術(shù)方案是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行2～15 Hz帶通濾波處理，再利用濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行偏振分析或遞推相關(guān)分析，53個(gè)臺(tái)站中有48個(gè)臺(tái)站的測(cè)定誤差較小，基于偏振分析和遞推相關(guān)分析方法所測(cè)定地震方位角的平均絕對(duì)誤差分別為22.6°和22.4°。①對(duì)測(cè)定震中距和震級(jí)的方法進(jìn)行了改進(jìn)。震中距主要受到包絡(luò)特征參數(shù)中斜率因子的影響，受震級(jí)等其他參數(shù)的影響很小。根據(jù)P波前2 s波形包絡(luò)特征參數(shù)、峰值速度得到了求震中距、震級(jí)的最佳統(tǒng)計(jì)關(guān)系。結(jié)果表明，震中距的平均絕對(duì)殘差為22.2 km，震級(jí)的平均絕對(duì)殘差為0.35。②由于實(shí)際資料的限制，研究結(jié)果主要是基于小地震記錄得到的，除了需要補(bǔ)充更多地震資料以完善研究結(jié)論外，還需補(bǔ)充中強(qiáng)地震的樣本數(shù)據(jù)，帶通濾波的范圍需要根據(jù)信號(hào)的主頻率動(dòng)態(tài)確定。