震相關(guān)聯(lián)方法在國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

郭鐵龍 閆恩輝 鄒立曄

（中國(guó)北京 100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心）

0 引言

同一個(gè)地震產(chǎn)生的地震波可被不同臺(tái)站記錄，且各臺(tái)站記錄的震相到時(shí)具有關(guān)聯(lián)性。使用震相關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行地震定位，已在地震監(jiān)測(cè)和地震預(yù)警軟件中得到廣泛應(yīng)用（Johnson et al，1994；Dietz，2002；Wu and Teng，2002；Cua et al，2009；Pesaresi，2011；Olivieri and Clinton，2012；方偉華等，2018；Zhang et al，2019），如：德國(guó)GEOFON 臺(tái)網(wǎng)開(kāi)發(fā)并使用的SeisComP3 系統(tǒng)中的scautoloc 自動(dòng)定位模塊（徐志國(guó)等，2016；徐志國(guó)等，2017）、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開(kāi)發(fā)并使用的Earthworm 中的binder_ew 定位模塊（USGS et al，2010；方偉華等，2018），以及廣東省地震局開(kāi)發(fā)的JOPENS 地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的RTS實(shí)時(shí)處理模塊（吳永權(quán)等，2010），均使用該方法進(jìn)行地震自動(dòng)定位，可產(chǎn)出準(zhǔn)確且穩(wěn)定的地震事件自動(dòng)定位結(jié)果。

文中利用地震震相關(guān)聯(lián)方法，對(duì)國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件（Ecums_rt）的產(chǎn)出速度與精度進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)系統(tǒng)的“一刀切”（滿足地震臺(tái)站觸發(fā)數(shù)量閾值）觸發(fā)模式，并改善臺(tái)站定位結(jié)果及人工復(fù)核效率受到制約等問(wèn)題。通過(guò)特征震相關(guān)聯(lián)定位的方式，剔除觸發(fā)臺(tái)站記錄的不相關(guān)（問(wèn)題、誤觸發(fā)）震相，產(chǎn)出準(zhǔn)確的定位結(jié)果，提升地震事件波形人工復(fù)核效率，從而使得地震速報(bào)工作準(zhǔn)確而快速地完成。

1 系統(tǒng)介紹

國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件Ecums_rt（宋銳等，2001；Guo et al，2019）“九五”期間編制完成，并作為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震速報(bào)波形處理軟件使用至今。

國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由C 語(yǔ)言編寫(xiě)，架構(gòu)層次清晰，由地震數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)解壓與實(shí)時(shí)波形顯示模塊及多周期自動(dòng)檢測(cè)地震事件模塊3 部分組成，具有數(shù)據(jù)接收、檢測(cè)和顯示（圖1）的功能：①系統(tǒng)經(jīng)由數(shù)據(jù)接收進(jìn)程（rcv）連接數(shù)據(jù)流服務(wù)器，接收地震臺(tái)站實(shí)時(shí)地震波形數(shù)據(jù)，以mseed 格式儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)接收共享區(qū)（rcvBuf）；②通過(guò)數(shù)據(jù)解壓進(jìn)程（sln），讀取數(shù)據(jù)接收共享區(qū)暫存的地震波形數(shù)據(jù)，解壓為evt 格式的波形數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)至地震數(shù)據(jù)檢測(cè)共享區(qū)（detBuf）；③地震自動(dòng)檢測(cè)模塊（detc、detL 與detS）逐臺(tái)站讀取地震數(shù)據(jù)檢測(cè)共享區(qū)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行地震事件波形觸發(fā)檢測(cè)。當(dāng)?shù)卣鹱詣?dòng)檢測(cè)模塊檢測(cè)到多個(gè)臺(tái)站滿足系統(tǒng)觸發(fā)閾值時(shí)，則判定系統(tǒng)檢測(cè)到地震事件；④系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警文件，觸發(fā)警報(bào)進(jìn)程，并觸發(fā)寫(xiě)入波形進(jìn)程（wrte），將地震數(shù)據(jù)檢測(cè)共享區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以觸發(fā)地震事件時(shí)刻作為文件名，寫(xiě)入指定目錄存檔；⑤波形顯示進(jìn)程（waves）實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)檢測(cè)共享區(qū)數(shù)據(jù)，將波形顯示在屏幕上。

圖1 國(guó)家臺(tái)網(wǎng)中心Ecums_rt 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)（Guo et al，2019）Fig.1 The module structure of the Ecums_rt system in the National Seismic Network Center（Guo et al，2019）

2 系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

2.1 震相關(guān)聯(lián)方法

震相關(guān)聯(lián)方法（Johnson et al，1994；Dietz，2002；Zhang et al，2019）的原理是，根據(jù)地震臺(tái)站記錄的一系列P 波到達(dá)時(shí)間與已知對(duì)應(yīng)的觸發(fā)地震臺(tái)站位置，利用一維地殼速度結(jié)構(gòu)模型，將P 波傳播時(shí)間的投影疊加在一個(gè)時(shí)空網(wǎng)格上，尋找殘差最小格點(diǎn)，作為最近未關(guān)聯(lián)的拾取震源，根據(jù)上述地震信息的關(guān)聯(lián)性，最終獲取未存檔地震事件。該方法利用地震臺(tái)站記錄的最新觸發(fā)震相與已歸檔的地震信息進(jìn)行震相關(guān)聯(lián)分析，若發(fā)現(xiàn)新震相與歸檔地震存在相關(guān)性，則將新震相歸檔，有效避免其對(duì)后續(xù)地震事件自動(dòng)定位造成干擾。否則，新觸發(fā)震相在共享池中等待與更多觸發(fā)震相合成新地震事件。

Earthworm 系統(tǒng)中的binder_ew 模塊工作流程（圖2）是，讀取震相存儲(chǔ)區(qū)的地震震相信息，根據(jù)臺(tái)站記錄的P 波到時(shí)，計(jì)算是否滿足最近觸發(fā)地震事件的關(guān)聯(lián)閾值。

圖2 binder_ew 模塊工作流程（Dietz，2002；USGS et al，2010）Fig.2 Binder_ew module workflow（Dietz，2002；USGS et al，2010）

（1）不滿足閾值時(shí)，拾取的震相與已觸發(fā)地震事件不相關(guān)，則收集所有不相關(guān)震相，清除問(wèn)題震相；根據(jù)計(jì)算的空間、走時(shí)網(wǎng)格閾值，判斷是否產(chǎn)生新地震事件；若震相關(guān)聯(lián)確認(rèn)得到新地震事件并產(chǎn)出參數(shù)，則將所有待關(guān)聯(lián)震相參與地震事件定位，否則不相關(guān)震相返回震相存儲(chǔ)區(qū)。

（2）當(dāng)滿足震相關(guān)聯(lián)閾值時(shí)，則將拾取的震相關(guān)聯(lián)至對(duì)應(yīng)的已觸發(fā)地震事件，判斷這些被關(guān)聯(lián)的震相是否處于地震事件區(qū)間（在參數(shù)文件中配置）中；若滿足條件，則運(yùn)行“拾取震相評(píng)估”程序，釋放不滿足條件的震相，否則對(duì)地震事件重新定位，挑選并釋放高殘差震相后迭代重定位，直至可以確定更新的地震事件震源參數(shù)；此過(guò)程如果無(wú)法滿足定位迭代震相數(shù)量（參與定位震相數(shù)量小于4），模塊將釋放震相。binder_ew 模塊通過(guò)挑選同一地震激發(fā)的地震震相關(guān)聯(lián)定位，并通過(guò)新震相與地震事件列表比對(duì)的方式，歸檔觸發(fā)震相，有效解決了地震震相干擾后續(xù)地震定位的問(wèn)題。此外，利用該模塊可以較好地解決同一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的多次地震事件（如同時(shí)不同地點(diǎn)、余震等）的震相歸集問(wèn)題。

2.2 Ecums_rt 系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 新增關(guān)聯(lián)定位模塊。Ecums_rt 系統(tǒng)中新增關(guān)聯(lián)定位模塊（圖3 陰影區(qū)），包含P 波震相共享存儲(chǔ)區(qū)、震相關(guān)聯(lián)定位方法和地震事件存儲(chǔ)共享區(qū)3 部分。模塊中的P 波震相共享存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)拾取的觸發(fā)震相與關(guān)聯(lián)定位失敗后釋放震相。當(dāng)P 波存儲(chǔ)區(qū)的震相數(shù)目滿足關(guān)聯(lián)方法設(shè)置的關(guān)聯(lián)閾值時(shí)，利用關(guān)聯(lián)定位方法讀取存儲(chǔ)區(qū)的P 波震相，挑選與歸檔地震事件相關(guān)聯(lián)震相進(jìn)行存檔，并對(duì)其余未關(guān)聯(lián)震相進(jìn)行關(guān)聯(lián)性計(jì)算；當(dāng)未關(guān)聯(lián)震相關(guān)聯(lián)成為新的地震事件后，則以列表形式歸檔存儲(chǔ)，并將對(duì)應(yīng)的震相信息存儲(chǔ)到地震事件共享區(qū)。

關(guān)聯(lián)定位模塊是，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將地震事件檢測(cè)模塊與相關(guān)自動(dòng)定位模塊替換為新增關(guān)聯(lián)定位模塊（圖3）。本研究中關(guān)聯(lián)定位方法借鑒了binder_ew 模塊邏輯（圖2），其目的在于降低自動(dòng)定位過(guò)程中不相關(guān)地震震相的干擾，提高定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 震相關(guān)聯(lián)方法流程Fig.3 The workflow of the seismic phase association method

2.2.2 新震相與觸發(fā)地震事件的關(guān)聯(lián)約束條件設(shè)置。（1）震相到時(shí)約束條件。在震相關(guān)聯(lián)方法中，對(duì)于新震相與觸發(fā)地震事件的關(guān)聯(lián)，要求新震相到時(shí)滿足關(guān)聯(lián)時(shí)間約束條件范圍（地震事件發(fā)生后前3 —120 s）。為提升震相關(guān)聯(lián)方法的計(jì)算效率，若新震相拾取到時(shí)不在該約束范圍內(nèi)，則系統(tǒng)判斷該震相不能參與觸發(fā)地震關(guān)聯(lián)和歸檔。

（2）震中距約束條件。新震相與觸發(fā)地震事件關(guān)聯(lián)時(shí)，根據(jù)新震相信息計(jì)算的震中距，若大于存檔震相10 倍平均震中距，則認(rèn)為超出震中距約束條件，從而避免存檔地震事件受到遠(yuǎn)距離虛假噪聲干擾而影響自動(dòng)定位結(jié)果。

2.2.3 地震事件重定位。（1）利用震相關(guān)聯(lián)方法合成新的地震事件時(shí)，在P 波震相共享存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，若系統(tǒng)拾取新震相數(shù)目滿足震相關(guān)聯(lián)閾值，則系統(tǒng)對(duì)新震相進(jìn)行關(guān)聯(lián)定位。本研究中將系統(tǒng)設(shè)置3 層迭代網(wǎng)格進(jìn)行搜索定位，若自動(dòng)定位殘差小于2.0，則發(fā)布新地震事件，并歸檔存入共享區(qū)；否則，逐一釋放定位結(jié)果中殘差最大的震相，重復(fù)迭代搜索定位，直至定位殘差收斂，滿足小于2.0 的要求，或者剩余震相小于震相關(guān)聯(lián)閾值，則將這些震相釋放，返回震相共享存儲(chǔ)區(qū)。

（2）利用震相關(guān)聯(lián)方法，將新震相與觸發(fā)地震事件進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，模塊遍歷新震相，并判斷是否與觸發(fā)地震事件相互關(guān)聯(lián)，以降低關(guān)聯(lián)震相在自動(dòng)定位過(guò)程中的震相干擾。震相關(guān)聯(lián)過(guò)程中，若新震相同時(shí)滿足震相到時(shí)和震中距約束條件，但在進(jìn)行迭代網(wǎng)格搜索重定位過(guò)程中，導(dǎo)致重定位殘差結(jié)果大于2.0，或者計(jì)算所得到時(shí)殘差大于3.0，則系統(tǒng)將釋放該震相，使其重新返回震相共享存儲(chǔ)區(qū)。

運(yùn)用地震震相關(guān)聯(lián)方法，采用中國(guó)大陸和IASP91 一維地殼速度結(jié)構(gòu)模型參與地震自動(dòng)定位，可以有效剔除觸發(fā)臺(tái)站記錄的不相關(guān)震相對(duì)Ecums_rt 系統(tǒng)自動(dòng)定位的影響，改善自動(dòng)定位結(jié)果精度，從而保證中國(guó)和全球地震定位的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

利用震相關(guān)聯(lián)方法，通過(guò)系統(tǒng)拾取地震震相，判斷是否與已觸發(fā)地震事件存在關(guān)聯(lián)性，可降低此類(lèi)震相在系統(tǒng)自動(dòng)定位中的干擾性，并根據(jù)新震相關(guān)聯(lián)新地震事件過(guò)程中，對(duì)震相限制條件的設(shè)定與迭代重定位的策略使用，有效提升了系統(tǒng)的自動(dòng)地震定位能力。

系統(tǒng)新增震相關(guān)聯(lián)模塊對(duì)于同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的多個(gè)地震事件，地震臺(tái)站先后記錄了不同地震事件的震相信息，利用震相關(guān)聯(lián)方法，根據(jù)臺(tái)站記錄震相關(guān)聯(lián)性，可較好地分離并歸檔、發(fā)布這些地震事件，不僅有效提升了地震監(jiān)測(cè)軟件自動(dòng)識(shí)別地震事件的能力，而且提高了地震事件處理核實(shí)效率。

借鑒Earthworm 系統(tǒng)中的binder_ew 模塊運(yùn)行邏輯，運(yùn)用震相關(guān)聯(lián)方法，解決了Ecums_rt 系統(tǒng)滿足觸發(fā)臺(tái)站數(shù)目后“一刀切”的窘境，對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)拾取的震相進(jìn)行關(guān)聯(lián)組合，使具有相關(guān)性的臺(tái)站震相合理參與到系統(tǒng)自動(dòng)定位，最大程度地保留未關(guān)聯(lián)地震臺(tái)站，等待由同一地震事件觸發(fā)的地震臺(tái)站記錄的新震相關(guān)聯(lián)，從而使系統(tǒng)更加智能地篩選摻雜其中干擾觸發(fā)臺(tái)站記錄的震相。即使待關(guān)聯(lián)的P 波震相共享區(qū)摻雜著非地震造成的誤觸發(fā)臺(tái)站記錄震相信息，由于受震相關(guān)聯(lián)方法策略設(shè)置限制，而不能與其他臺(tái)站記錄的新震相關(guān)聯(lián)，自然也不會(huì)影響到系統(tǒng)自動(dòng)定位結(jié)果。因此，震相關(guān)聯(lián)方法對(duì)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)定位結(jié)果準(zhǔn)確性的提升發(fā)揮了重要作用。在系統(tǒng)后續(xù)改進(jìn)中，嘗試在震相關(guān)聯(lián)方法中加入S、Pn波等其他震相信息，提高震相關(guān)聯(lián)效率，降低方法容錯(cuò)率，提供快速的自動(dòng)速報(bào)信息參考，提升余震事件處理效率。