利用地震波信息進(jìn)行地震定位

陳卓

摘 要：地震定位一直是地震學(xué)的最基本、經(jīng)典問(wèn)題之一，提高地震定位精度也是重要課題。本文就常見(jiàn)地震方法進(jìn)行了分類(lèi)和原理解釋?zhuān)瑢?duì)地震定位的信息讀取，震相識(shí)別進(jìn)行了闡述。最終選取了可以利用多種已知量進(jìn)行地震定位的Hyposat方法，對(duì)發(fā)生在四川省成都市彭州區(qū)的地震事件進(jìn)行了絕對(duì)定位，獲得了這次地震的震源參數(shù)信息。

關(guān)鍵詞：地震波;地震定位;地震震相;hyposat

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0184-02

0 引言

由于斷層突然破裂引起的大地的震動(dòng)形成地震，由于斷層在震源處發(fā)生兩種形變—體積形變和剪切形變，其中體積形變產(chǎn)生縱波，剪切變形產(chǎn)生橫波[1]，縱波和橫波稱(chēng)為體波?？v波和橫波在界面附近，衍生出另一種形式的波，它們只在界面附近傳播，這種波稱(chēng)為面波。

地震波包括體波和面波，經(jīng)過(guò)地球介質(zhì)傳播被地面的地震臺(tái)記錄為地震圖，地震工作人員通過(guò)波形分析，可以獲得地震的震相信息，利用這些信息可以確定地震發(fā)生的位置，以及傳播介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征等。地震波的傳播和幾何光學(xué)很相似[2]，有關(guān)地震波傳播的許多問(wèn)題，可以用地震射線理論來(lái)解決，地震波在地球介質(zhì)中傳播存在反射、折射、干涉以及衍射等現(xiàn)象，因此地震射線理論遵循惠更斯原理、費(fèi)馬原理和斯奈爾定律等光學(xué)規(guī)律。

1 地震定位方法簡(jiǎn)介

地震發(fā)生之后，快速確定地震的位置，一直是地震學(xué)最經(jīng)典、最基本的問(wèn)題之一[3]，它不僅對(duì)研究地球介質(zhì)結(jié)構(gòu)、地震預(yù)測(cè)、活動(dòng)構(gòu)造等地震學(xué)基本問(wèn)題意義重大，而且對(duì)地震之后的地震救災(zāi)和減災(zāi)工作快速開(kāi)展起著至關(guān)重要的作用。

早期的地震定位方法以幾何作圖法為主，基于射線理論，以走時(shí)方程為基礎(chǔ)，借助平面或球面作圖確定地震位置[4]。1912年德國(guó)科學(xué)家Geiger提出了經(jīng)典的地震定位方法[5]，只是由于當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)落后，并未得到很好的應(yīng)用，直到20世紀(jì) 70年代，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及發(fā)展，Geiger定位方法開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各種線型定位方法。隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，非線性方法也開(kāi)始逐漸應(yīng)用于地震定位中。地震定位根據(jù)獲取地震事件位置的相對(duì)性，可以分為絕對(duì)地震定位和相對(duì)地震定位方法。

1.1 絕對(duì)地震定位方法

根據(jù)求解地震數(shù)目是單個(gè)地震或多個(gè)地震事件分為單事件絕對(duì)地震定位和多事件絕對(duì)地震定位。單事件絕對(duì)定位方法一般均基于Geiger法，將地震波走時(shí)方程線性化，利用最小二乘方法求解地震震源參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)Geiger法，進(jìn)一步發(fā)展出了HYPO71-86、HYPOINVERSE、HYPOCENTER等算法及地震定位計(jì)算機(jī)程序。

但是單事件絕對(duì)定位方法使用簡(jiǎn)單的地下速度模型，因此在地下結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的地區(qū)地震定位會(huì)出現(xiàn)較大的定位誤差。為了克服這一缺點(diǎn)，1967年Douglas提出了臺(tái)站校正的聯(lián)合反演法（JED）[6]，在JED方法上，Dewey進(jìn)一步發(fā)展了臺(tái)站校正的聯(lián)合反演法（JHD）[7]，該方法既包括了震源深度在內(nèi)的震源參數(shù)以及臺(tái)站校正值，在一定程度上減少了由于復(fù)雜地殼引起定位誤差。1976年Crosson提出了震源位置與速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演法[8]，也就是該方法將速度模型也變?yōu)榍蠼鈪?shù)之一，加入方程，與震源參數(shù)共同求解，最終可以獲得比較精確的定位結(jié)果，還可以獲得地下結(jié)構(gòu)信息。

1.2 相對(duì)地震定位方法

相對(duì)定位方法獲得的是一群地震事件的震源位置，而并非是這一系列地震事件每一個(gè)地震事件的絕對(duì)位置，這種方法主要是利用地震事件離得比較近，因此地震事件到地震臺(tái)站的路徑基本相似，在計(jì)算時(shí)可以將地震到臺(tái)站路徑相減，去掉相同路徑的部分，那么只有震源附近的速度模型影響地震定位的結(jié)果。目前的相對(duì)定位方法主要包括主事件法和雙差定位方法。

主地震定位法基本原理是選定震源位置較為精確的地震作為主地震事件，計(jì)算發(fā)生在其周?chē)囊蝗旱卣鹣鄬?duì)于它的位置，進(jìn)而確定這群地震的震源位置[9][10]。但該方法嚴(yán)格依賴(lài)于主事件的位置和到時(shí)，如果主事件定位結(jié)果不夠精確，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)地震事件群誤差較大。

Waldhauser和Ellsworth于2000年提出雙差定位方法，該方法的基本原理是2個(gè)地震滿(mǎn)足一定條件（地震至臺(tái)站距離與兩個(gè)地震之間距離之比至少大于10），兩兩地震組成事件對(duì)，地震對(duì)內(nèi)2個(gè)地震的觀測(cè)走時(shí)差與理論走時(shí)差的殘差，即為雙重殘差，利用所有臺(tái)站和事件對(duì)，組成方程組，利用最小二乘法，最終獲得地震事件的相對(duì)位置。該方法的優(yōu)勢(shì)首先克服了地震到臺(tái)站傳播路徑的速度模型的影響，其次并不依賴(lài)于某一個(gè)地震定位的精度，然后雙差定位方法可以利用波形互相關(guān)方法提高地震事件的到時(shí)差精度。

2 地震信息讀取

地震發(fā)生之后，能量以地震波的形式向外傳播，最終地震波傳播到地表，被地震儀器記錄到，經(jīng)過(guò)數(shù)電轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字地震波形，通過(guò)地震專(zhuān)用軟件，最終在地震圖上顯示出來(lái)。在地震圖上顯示的地震波組，稱(chēng)為震相，地震波的震相在波形、到時(shí)、振幅、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式和周期等方面均有自己特有的特征，然而這些地震波會(huì)有一定持續(xù)時(shí)間，因此又會(huì)發(fā)生彼此的干涉，從而使地震圖更加復(fù)雜，地震學(xué)的基本任務(wù)之一就是從這些復(fù)雜的地震圖中，將這些地震震相分析出來(lái)。實(shí)際的工作中，對(duì)于地震定位最重要的為地震縱波P波和和地震橫波S波震相，因此確定地震波的直達(dá)波、首波，是非常重要的。圖1為2013年4月24日18點(diǎn)43分4秒發(fā)生的地震波形圖。在波形圖上最開(kāi)始到的一組地震波能量即為縱波震相，最開(kāi)始到達(dá)的地震波為直達(dá)波，國(guó)內(nèi)通常用Pg作為標(biāo)記，因?yàn)闄M波波速比縱波波速慢，因此第二組明顯的能量為橫波震相，橫波最開(kāi)始到達(dá)的地震波為橫波直達(dá)波，國(guó)內(nèi)通常用Sg作為標(biāo)記，如圖所示地震圖中第一個(gè)臺(tái)站W(wǎng)CH，所標(biāo)識(shí)的震相Pg和Sg。當(dāng)震中距達(dá)到193km之后，縱波最先到達(dá)地震臺(tái)站的有直達(dá)波過(guò)渡為首波，國(guó)內(nèi)通常用Pn來(lái)表示，如圖2所示。

3 利用地震橫波和縱波對(duì)地震事件定位

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料，選取合適的定位方法很重要，根據(jù)地震的位置，地震定位可以劃分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位方法，但是相對(duì)定位方法是以地震發(fā)生的絕對(duì)位置為基礎(chǔ)，因此獲取地震發(fā)生的絕對(duì)定位非常重要，目前已有的絕對(duì)地震定位方法中，hyposat定位方法1997由Schweitzer在Geiger法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，該方法除了采用傳統(tǒng)的震相（Pn、Sn、Pg、Sg等）到時(shí)，還能聯(lián)合利用震相到時(shí)差、地震震源到地震臺(tái)站的方位角和地震射線參數(shù)等相關(guān)已知量，來(lái)參與定位，從而進(jìn)一步提高地震絕對(duì)位置的精度。

現(xiàn)在以2013年4月24日18點(diǎn)43分發(fā)生在四川地區(qū)的地震事件為例，利用地震專(zhuān)業(yè)處理軟件（MSDP或SAC），可以獲得地震到達(dá)臺(tái)站縱波和橫波到時(shí)，本次地震我們獲得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

在hyposat方法中，有五個(gè)輸入文件，分別為hyposat參數(shù)控制文件（默認(rèn)為hyposat-parameter）、震相文件名（默認(rèn)為hyposat-in）、全球速度文件名（默認(rèn)為REG_L3.DAT）、臺(tái)站位置文件名（默認(rèn)為hyposat-sta）、區(qū)域速度模型文件名（默認(rèn)為hyposat-crh）定義以及反演過(guò)程中控制參數(shù)設(shè)置。在五個(gè)輸入文件中最重要的是震相文件（hyposat-in），該文件的數(shù)據(jù)主要內(nèi)容也就是表1中的數(shù)據(jù)，來(lái)源于地震圖。Hyposat-sta為臺(tái)站信息文件，包括地震臺(tái)站的經(jīng)度、緯度、高程以及臺(tái)站名。全球與區(qū)域模型均為一維速度模型，格式類(lèi)似，區(qū)別在于全球的模型，為比較大區(qū)域的平均模型，區(qū)域模型主要為研究區(qū)附近的平均速度模型。這五個(gè)文件準(zhǔn)備完成之后，可以運(yùn)行hyposat相關(guān)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算，最終獲得地震的絕對(duì)定位的位置。圖3中為hyposat計(jì)算機(jī)程序利用表1中的數(shù)據(jù)，定位出了2013年4月24日18點(diǎn)43分4秒在經(jīng)度為103.77°，緯度為31.36°，震源深度為10km的地點(diǎn)發(fā)生的地震。

4 結(jié)語(yǔ)

地震定位它不僅對(duì)研究地球介質(zhì)結(jié)構(gòu)、地震預(yù)測(cè)、活動(dòng)構(gòu)造等地震學(xué)基本問(wèn)題意義重大，因此如何提高地震定位精度是一個(gè)重要且必須面對(duì)的難題，影響地震定位的因素包括速度模型的精確程度、地震信息獲取的精度，地震定位方法選取。本文選取了四川成都附近的速度模型，盡可能保證地震信息縱波（Pg、Pn）、橫波（Sg）準(zhǔn)確性，利用hyposat定位方法，對(duì)發(fā)生在四川省成都市彭州區(qū)的地震進(jìn)行了絕對(duì)定位，該方法能利用多種已知量進(jìn)行地震定位，從而提高本次地震事件的定位精度。

參考文獻(xiàn)

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