一種基于速度反演的高速鐵路多臺地震定位方法

林華偉

摘要：多臺站地震預(yù)警是地震預(yù)警中的關(guān)鍵步驟，相對于單臺站預(yù)警而言多臺地震定位結(jié)合了多個臺站的位置與地震到時差，具備更高的定位精準(zhǔn)度。本文在已有地震的資料的基礎(chǔ)上反演地震波速度，將反演后的速度應(yīng)用到基于雙曲線的多臺定位方法中，通過對實際天然地震進(jìn)行定位，采用反演速度的地震定位方法可以有效提高多臺定位的精度，在實時預(yù)警中具備應(yīng)用價值。

Abstract： Multi-station earthquake warning is a key step in earthquake warning. Compared with the warning of single station， multiple seismic positioning combined the position of multiple stations and the time difference between earthquake and earthquake. Therefore， multiple seismic positioning has higher accuracy. In this paper， the velocity of seismic wave is retrieved on the basis of existing seismic data. By positioning the actual natural earthquake， the seismic positioning method with inversion speed can effectively improve the accuracy of multiple sets of positioning， which has application value in real-time warning.

關(guān)鍵詞：地震;高速鐵路;反演速度;地震定位

Key words： earthquake;high-speed railway;inversion speed;earthquake location

中圖分類號：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）35-0214-02

0? 引言

隨著我國高速鐵路防災(zāi)技術(shù)研究的不斷深入，地震預(yù)警技術(shù)在防震減災(zāi)領(lǐng)域所起到的重要作用日益突出。由于高鐵預(yù)警對時效性的要求很高，當(dāng)鐵路沿線首個臺站檢測到地震后，可以根據(jù)通過拾取到的P波震相對地震進(jìn)行定位，進(jìn)而預(yù)測地震波傳播到監(jiān)測臺站的地震動強(qiáng)度。然而，地震的發(fā)生和發(fā)展過程非常復(fù)雜，僅僅通過單一臺站幾秒內(nèi)的的P波記錄的定位結(jié)果，往往不能滿足地震定位的精度。因此，將多臺站地震預(yù)警技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路，可以在保證地震預(yù)警時效性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升地震預(yù)警的精確度。本文針對多臺地震中地震P波速度難以確認(rèn)的問題，利用了已有地震數(shù)據(jù)進(jìn)行速度反演，并結(jié)合雙曲線定位方法提出一種適用于高速鐵路的地震定位方法。

1? 方法原理

在忽略地震震源深度且已知地震P波速度的前提下，由兩個地震監(jiān)測臺站的相對位置及這兩個臺站P波到時差可以確定一條震中軌跡，該軌跡上任一兩個點的距離差的絕對值均為常數(shù)，因此該軌跡近似為一條雙曲線，震中位置會落在靠近首個觸發(fā)臺站的那條支線上。假設(shè)鐵路沿線前兩個觸發(fā)臺站分別為S1和S2，這兩個臺站間的連線為x軸，臺站間連線的垂直平分線為y軸臺站連線中點為坐標(biāo)原點，臺站之間的直線距離為2c，臺站S1的坐標(biāo)為（+c，0），臺站S2的坐標(biāo)可表示為（-c，0）。將地下介質(zhì)視為各項同性介質(zhì)，地震P波的傳播速度為Vp，發(fā)震時刻為T0，震源深度為H，兩個地震監(jiān)測臺站的地震P波分別為T1和T2（T1為首個觸發(fā)臺站到時），地震震源與兩個監(jiān)測臺站的直線距離分別為d1和d2，d1和d2滿足下面關(guān)系式：

考慮到對高鐵有影響的地震震源深度一般在5km～20km，相對于震中距可以忽略，則有：

因此，震中位置到2 個地震監(jiān)測點的直線距離差等于常數(shù)，滿足雙曲線規(guī)律，其方程如下：

隨著觸發(fā)報警的臺站數(shù)量的增多，不同臺站兩兩確定的雙曲線軌跡的交點即為震中位置。

對于上文中的P波速度，本文采用已有地震的進(jìn)行反演，具體方法為對于本地區(qū)鐵路沿線接收到的地震，由其震中距、震源深度以及地震波旅行時（發(fā)震時刻與臺站接收到地震的時差）通過勾股定理計算得到。

2? 計算實例

本文采用日本2015年2月25日6.3級地震及2014年1月16日5.1級地震對算法進(jìn)行驗證，兩次地震深度分別為3km及28km。兩次地震一次為網(wǎng)內(nèi)地震，一次為網(wǎng)外地震。

圖1為兩次地震臺站位置、職守區(qū)域及震中位置示意圖。圖2、圖3、圖4分別為首個、三個、五個臺站的定位示意圖。

兩次真實地震的定位的速度是由臺站到時差反算得到，即當(dāng)速度能夠較為準(zhǔn)確的給定時，三臺以上的定位可以將誤差控制在10km以下，如圖5所示。

圖6為不同速度情況下各臺站定位精度示意圖，從圖中可以看出，采用反速度的定位誤差最小，即當(dāng)速度不確定時，定位會有一定誤差，且隨著速度誤差的增大，定位精度逐漸降低。

3? 結(jié)論

本文通過已有天然地震數(shù)據(jù)反演地震波速度，將反演的速度應(yīng)用到雙曲線多臺站定位中，并采用實際天然地震對方法進(jìn)行驗證。結(jié)果表明采用反演天然地震波速度的方法在整體上可以提升多臺站的定位精度，且隨著臺站數(shù)量的增多，定位誤差逐漸減小，計算結(jié)果比常規(guī)直接設(shè)定P波速度的方法更加穩(wěn)定可靠，在實時預(yù)警中具備應(yīng)用價值。

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