基于高頻GPS 資料確定強(qiáng)震P 波到時(shí)研究

翟宏光 蘇利娜 丁曉光 張永奇

（陜西省地震局，陜西西安 710068）

面對(duì)世界范圍內(nèi)地震等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，目前使用高頻GPS進(jìn)行地震方面的應(yīng)用研究成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的地震儀相比，高頻GPS 方法可以有效記錄地表位移軌跡，在同震形變監(jiān)測方面優(yōu)勢明顯[1-3]；其次，高頻GPS 記錄過程不會(huì)出現(xiàn)振幅飽和的情況，如日本3.11 地震發(fā)生時(shí)，由于地震儀對(duì)地震震級(jí)估算結(jié)果受到振幅飽和、噪聲放大和真實(shí)信號(hào)扭曲等影響，造成測定震級(jí)遠(yuǎn)小于真實(shí)震級(jí)，直接導(dǎo)致對(duì)后續(xù)地震帶來災(zāi)害的低估，造成了巨大的人員傷亡。Blewitt 等[4]人在2006 年利用高頻GPS 得到震前和震后站點(diǎn)的位移量來計(jì)算地震距，從而得到地震的矩震級(jí)。此外，方榮新等[5]采用RTPPP 的方法證明了高頻GPS 具有面波震級(jí)反演能力。但地震參數(shù)獲取的前提是準(zhǔn)確的P 波到時(shí)，否則得到的地震參數(shù)將出現(xiàn)偏差。因此，研究利用高頻GPS 計(jì)算精確的地震P 波到時(shí)是非常有必要且意義。

本文使用2011 年3 月11 日日本仙臺(tái)發(fā)生Mw9.0 地震和2003 年12 月22 日發(fā)生于美國加州圣西蒙地區(qū)的Mw6.5 級(jí)地震當(dāng)天周邊GPS 站點(diǎn)的高頻GPS 數(shù)據(jù)，采用Gamit 的TRACK模塊獲取站點(diǎn)的同震位移，在此基礎(chǔ)上利用S 變換和STA/LTA算法對(duì)GPS 地震波進(jìn)行震相識(shí)別獲取精確的地震P 波到時(shí)進(jìn)行研究。

1 高頻GPS 解算站點(diǎn)位移時(shí)間序列

本文利用Gamit 的Track 模塊來獲取高頻GPS 的同震位移時(shí)間序列，以日本3.11 大地震時(shí)距震中較近的兩個(gè)IGS 跟蹤站MIZU 和USUD 和美國圣西蒙地震的5 個(gè)IGS 站（MASW、POMM、LOWS、PIN1、RNCH）的高頻GPS（1Hz）數(shù)據(jù)為例，采用的解算策略為：使用精密星歷文件，消弱衛(wèi)星軌道誤差，采用無電離層組合（LC 組合）觀測量來削弱電離層誤差，利用參數(shù)估計(jì)的方法消弱對(duì)流層誤差，采用MW-WL 寬巷模糊度進(jìn)行相關(guān)的模糊度的解算,得到各站點(diǎn)的位移時(shí)間序列，如圖1 所示。

2 震相識(shí)別獲取P 波到時(shí)方法

2.1 S 變換去噪

S 變換(S-Transform) 是1996 年由美國的地球物理科學(xué)家Stokwell 等人提出的一種可逆無損的線性時(shí)頻分析的方法，該方法的特點(diǎn)是同時(shí)具備小波變換和短時(shí)傅里葉變換的優(yōu)點(diǎn)，因此具有很好的時(shí)頻分辨率，目前在信號(hào)分析方面有較為廣泛的應(yīng)用[6]。在地震波到達(dá)測站時(shí)去除信號(hào)中的原始背景噪聲，在時(shí)頻域內(nèi)形成能量突變，即可準(zhǔn)確的獲取地震波到時(shí)。

2.2 STA/LTA 算法

STA/LTA 算法是指利用信號(hào)的短時(shí)時(shí)窗的均值（STA）和信號(hào)的長時(shí)窗均值（LTA）的比值作為對(duì)接收到的信號(hào)的能量變化的反應(yīng)。2010 年吳治濤等[7]，利用該方法在識(shí)別微地震事件的P波到時(shí)方面進(jìn)行了研究。使用S 變換剔除測站信號(hào)中的背景噪聲影響，獲取信號(hào)能量突變[8]，然后利用STA/LTA 算法對(duì)突變結(jié)果進(jìn)行分析，從而精確獲得站點(diǎn)地震波P 波到時(shí)。

圖1 MIZU 和圣西蒙相關(guān)站點(diǎn)N/E/U 方向位移時(shí)間序列

3 算例

以2011 年3 月11 日日本仙臺(tái)的Mw9.0 級(jí)大地震影響區(qū)域內(nèi)距震中較近的兩個(gè)IGS 跟蹤站MIZU 和USUD 以及2003 年12 月22 日美國加州圣西蒙地區(qū)的Mw6.5 級(jí)地震震中附近的5個(gè)IGS 跟蹤站（MASW、POMM、LOWS、PIN1、RNCH）的高頻GPS（1Hz）數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行地震波P 波到時(shí)的確定。對(duì)上述站點(diǎn)進(jìn)行S 變換處理，結(jié)果如下圖所示，圖2 和圖3 分別為MIZU 站點(diǎn)震時(shí)S 濾波后N/E/U 三個(gè)方向和POMM 站點(diǎn)E 方向的頻譜圖，可以直觀的看出地震到時(shí)發(fā)生了明顯的突變現(xiàn)象（限于篇幅其它站點(diǎn)的頻譜圖不再顯示）。

4 結(jié)論

本文使用2011 年3 月11 日日本仙臺(tái)發(fā)生Mw9.0 地震和2003 年12 月22 日發(fā)生于美國加州圣西蒙地區(qū)的Mw6.5 級(jí)地震周邊GPS 站點(diǎn)的高頻GPS 數(shù)據(jù)，采用Gamit 的TRACK 模塊獲取站點(diǎn)的同震位移，在此基礎(chǔ)上利用S 變換和STA/LTA 算法進(jìn)行地震波震相識(shí)別并獲取了精確的地震P 波到時(shí)，首先再次證明了高頻GPS 在強(qiáng)震預(yù)警、地震應(yīng)急方面可以提供十分有意義的決策依據(jù)，其次表明了利用S 變換和STA/LTA 算法相結(jié)合進(jìn)行高頻GPS 震相識(shí)別獲取P 波到時(shí)的方法是實(shí)際有效可行的。隨著今后GPS 設(shè)備及相關(guān)處理方法的不斷改進(jìn)和提升，高頻GPS 將會(huì)為地震預(yù)警和地震應(yīng)急提供更加精準(zhǔn)、更加科學(xué)的決策依據(jù)。

圖2 MIZU 站點(diǎn)震時(shí)S 濾波后N/E/U 三個(gè)方向頻譜圖

圖3 POMM 站點(diǎn)East 方向震時(shí)頻譜圖