地震分析軟件震相走時表文件結(jié)構(gòu)研究*

李萬金

(云南省地震局個舊地震臺，云南個舊661000)

地震分析軟件震相走時表文件結(jié)構(gòu)研究*

李萬金

(云南省地震局個舊地震臺，云南個舊661000)

通過對現(xiàn)有地震分析軟件所配置的震相走時表文件的結(jié)構(gòu)類型及優(yōu)劣進(jìn)行分析，將震相走時表分為4種組合結(jié)構(gòu)并分析其實用性。在IASPEI91震相走時表文件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、補充和完善，從而提出了一種安全性高、適用面廣、靈活性強、能存儲各種結(jié)構(gòu)走時表的新型走時表文件結(jié)構(gòu)。應(yīng)用這種新型結(jié)構(gòu)震相走時表，地震分析軟件可以靈活配置不同的走時表，實現(xiàn)精細(xì)定位，并為數(shù)字化測震臺網(wǎng)快速利用測震資料編制和應(yīng)用高精度的區(qū)域震相走時表創(chuàng)造了條件，對于地球深部構(gòu)造研究具有一定的促進(jìn)意義。

震相走時表;文件結(jié)構(gòu);步長恒定;IASPEI91走時表

0 引言

地震波從震源到達(dá)觀測點所需的時間稱為走時，地震縱波和橫波傳播速度不同。一般而言，震源深度越深、震中距越大，走時也越長。傳播時間的長短，還受到所經(jīng)之處的物質(zhì)組成情況的影響，準(zhǔn)確地測出走時，對研究地震有重要意義。震相走時表就是將不同震中距、不同震源深度發(fā)生的地震的各種震相波傳播到達(dá)觀測點的走時匯編成的二維表。在走時表中，按照不同的震源深度和震中距的順序，給出了各種震相的走時數(shù)據(jù)，其中走時以分、秒為單位;震中距以千米或球面大圓弧的度數(shù)為單位;震源深度以千米為單位。

在模擬測震時代，為了便于測震分析人員人工查找，一般將震相走時編輯成紙質(zhì)的震相走時便查表，如1980年5月國家地震局地球物理研究所編著的《震相走時便查表》、一些省份自主總結(jié)編輯的本區(qū)域近震走時表等。自20世紀(jì)90年代我國步入數(shù)字化地震觀測，用人工輔助地震分析軟件實現(xiàn)地震分析定位以來，軟件自動查找的電子震相走時表逐步取代人工查找的紙質(zhì)震相走時便查表。這顯著地提高了地震定位的速度和精度，大大減輕了測震人員的工作量。

20世紀(jì)80年代以前的地震定位可以說是“一表定全球”，即全國不同地區(qū)的地震觀測臺站基本上都采用J-B表來完成近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震定位，定位精度普遍不高，尤其是近震定位誤差或殘差很大。20世紀(jì)末期，隨著對幾十年來地震觀測資料的深入研究、觀測臺站密度的增大和先進(jìn)觀測技術(shù)的引進(jìn)使用，地震工作者對地球 (特別是淺部)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識進(jìn)一步深化，提出了許多區(qū)域的地殼速度結(jié)構(gòu)多層模型，還編制出相應(yīng)的區(qū)域近震走時表，如中國平均地殼速度模型和中國地區(qū)地震走時表 (國家地震局地球物理研究所，1980)、甘青地殼模型和甘青地區(qū)近震走時表 (張誠等，1989)、華南地殼模型和華南近震走時表(范玉蘭等，1992)以及其他一些區(qū)域地殼模型(晏鳳桐等，1986;趙珠，張潤生，1987;林顯明，虞爭鳴，1989;趙珠，曾融生，1992;莊真等，1992;景天永，章純，1992;張曼麗等，1994)，國際上也倡導(dǎo)用IASPEI91走時表取代J-B走時表 (和躍時，孫文斌，2005)。

目前，我國又在研究編制新一代區(qū)域走時表，如中國地震局地球物理研究所正在牽頭研制首都圈震相走時表和川滇地區(qū)震相走時表，地震定位由粗糙定位逐步向區(qū)域精細(xì)定位或精確定位 (楊文東等，2005)發(fā)展。地殼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識深化 (區(qū)域地震走時表的修訂完善)和地震區(qū)域精細(xì)定位精度的提高是相輔相成、相互促進(jìn)的。而地震分析定位軟件是聯(lián)系這兩方面的橋梁和紐帶，因此軟件中地震震相走時表文件配置的數(shù)量、質(zhì)量和文件結(jié)構(gòu)尤為關(guān)鍵，它們直接決定著地震的定位精度。目前，我國臺站使用的多款地震分析軟件配置的震相走時表由于數(shù)量、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的限制使得軟件定位在安全性、完整性、靈活性、開放兼容性等方面都存在明顯不足，無法適應(yīng)地震區(qū)域精細(xì)定位的需要，本文只對最關(guān)鍵的走時表文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1 目前地震分析軟件配置的走時表文件結(jié)構(gòu)的缺陷

本文以目前臺站使用最廣泛的兩個地震分析軟件EDSP-IAS和MSDP為例進(jìn)行說明。

1.1 EDSP-IAS軟件

EDSP-IAS軟件配置了從J-B震相走時便查表中抽出的一些震相組合成10多個文本格式的走時表文件，該軟件的缺點是:

(1)定位功能還處于“一表定全球”的局面，走時表以J-B表為主，只提供了基本定位震相的走時表而無后續(xù)震相走時表，因此在標(biāo)注后續(xù)震相時，完全靠人工查找紙質(zhì)震相走時便查表。

(2)走時表文件數(shù)量多，不方便管理，且軟件對走時表文件中的數(shù)據(jù)格式要求嚴(yán)格，編程時要加容錯代碼，因此增加編程工作量。

(3)軟件沒有給使用人員提供配置使用其他走時表的功能。

1.2 MSDP軟件

MSDP軟件配置了二進(jìn)制文件格式的IASPEI91走時表，還配置了中國區(qū)域地震走時表、華南區(qū)域近震走時表、J-B近震走時表文件等近10個文本格式的走時表文件。與 EDSP-IAS軟件相比，MSDP軟件增加了地震走時表配置菜單功能，采用了先進(jìn)的IASPEI91走時表來取代J-B走時表，增加了多個區(qū)域走時表，有了區(qū)域精細(xì)定位功能。但其缺點是:

(1)雖然IASPEI二進(jìn)制結(jié)構(gòu)的走時表不存在安全問題，且讀取效率高，但其余多個走時表也采用了文本文件格式，編程接口不統(tǒng)一，不利于擴(kuò)展。

(2)雖然IASPEI91走時表文件采用二進(jìn)制存儲，大大改進(jìn)了以上各種缺點;但其結(jié)構(gòu)存在的缺點為:頭段信息不健全，只能存取震中距間隔和深度間隔固定的走時表 (圖1a)，且不論近震、遠(yuǎn)震的各種震相都采用相同尺寸的表格存儲，近震的震源深度分辨率和震中距分辨率低且存儲空間浪費嚴(yán)重。

基于以上分析，為了提高震相走時表文件的安全性、靈活性、開放兼容性以及統(tǒng)一地震分析軟件與走時表文件的接口，有必要在IASPEI91走時表結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上修改完善，制定一種性能優(yōu)越的走時表文件結(jié)構(gòu)。

2 電子走時表文件

紙質(zhì)的震相走時便查表一般以一個震源深度值作為頁表單位，橫向表頭為各種震相名，縱向表頭為震中距序列;而電子震相走時表一般以一個震相名為頁單位，橫向表頭為一行震源深度，縱向表頭為一列震中距。根據(jù)電子走時表各列的深度間隔、各行震中距間隔是否恒定，可以組合成4種類型 (圖1)。

為了方便使用，實際應(yīng)用的走時表都是在各個震相有限的走時觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過大量線性插值得到的。為了討論各種類型走時表的物理意義及實用價值，筆者先作一個理想的假設(shè):走時表中每個震相不同震中距、不同震源深度交叉點上的到時值都是測震儀器實際觀測到的。

2.1 震源深度步長和震中距步長都恒定

通過初始值、步長、行號和列號，就可算出每個交叉點的走時值所對應(yīng)的震源深度和震中距值。每行的物理意義:距離觀測臺站一個固定震中距的圓周地區(qū)內(nèi)會發(fā)生一系列從淺到深的各個級別深度的地震;每列的物理意義:一個地震發(fā)生后，在不同檔次的震中距圓周位置上都有一臺測震儀器在記錄。

這種類型走時表的典型代表是IASPEI91走時表和一些近震走時表，IASPEI91走時表的震源深度步長恒定為10 km，震中距步長恒定為2°(表1)。

2.2 震源深度步長不恒定而震中距步長恒定

通過震源深度初始值、步長和列號，可計算出每個交叉點的走時所對應(yīng)的震源深度值，但震中距值不能計算得出，只能根據(jù)行號和列號在保存震中距值的二維數(shù)組中查詢。每行的物理意義:距離觀測臺站一個固定震中距的圓周地區(qū)內(nèi)發(fā)生的各次地震的震源深度是隨機的;每列的物理意義:一個地震發(fā)生后，在不同檔次的震中距圓周位置上都有一臺測震儀器在記錄。

這種類型走時表的典型代表就是J-B表和中國地區(qū)地震走時表，J-B表的震源深度步長在15～794 km之間非等間距變化，而震中距步長恒定為0.2°(表2)。

圖1 電子震相走時表的4種結(jié)構(gòu)類型(a)震源深度步長和震中距步長都恒定型走時表;(b)震源深度步長不恒定而震中距步長恒定型走時表;(c)震源深度步長恒定而震中距步長不恒定型走時表;(d)震源深度步長和震中距步長都不恒定型走時表Fig.1 4 types structures of electronic phase travel time table(a)Travel-time table that the two steps length of focal depth and epicentral distance are constant;(b)Travel-time table that the step length of focal depth is unconstant but the step length of epicentral distance is constant;(c)Travel-time table that the step length of focal depth is constant but the step length of epicentral distance is unconstant;(d)Travel-time table that the two steps length of focal depth and epicentral distance are unconstant

表1 IASPEI91走時表的震源深度和震中距變化Tab.1 Focal depth and epicenter distance variation diagram of IASPEI91 seismological table

2.3 震源深度步長恒定而震中距步長不恒定

通過震中距初始值、步長和行號，可計算出每個交叉點的走時值所對應(yīng)的震中距值;但震源深度值不能計算得出，只能通過列號在保存震源深度值的一維數(shù)組中查詢。每行的物理意義:此區(qū)域發(fā)生的地震的震源深度差值是恒定的;每列的物理意義:一個地震發(fā)生后，不同地方的測震儀器的震中距差值是隨機的。

這種類型走時表的典型代表就是華南地區(qū)走時表，其震源深度從0～30 km以5 km為步長分成7檔，而震中距步長是不恒定的 (表3)。

2.4 震源深度步長和震中距步長都不恒定

震中距值和震源深度值都不能計算得出，只能根據(jù)行號在保存震中距值的二維數(shù)組查詢，以及根據(jù)列號在保存震源深度值的一維數(shù)組中查詢震源深度值。每行的物理意義:此區(qū)域發(fā)生地震的震源深度是隨機的;每列的物理意義:地震的震中到不同地方的測震儀器的震中距也是隨機的(表4)。

由于地震的震源深度和測震儀器到震中的震中距是隨機的，顯然只有類型4才能滿足這一理想的假設(shè)條件，實用價值最高。其實，類型4與其他3種類型特別是類型1并非完全對立，在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)換的。在類型4樣本點足夠多，類型1的震中距步長和震源深度步長盡量小的情況下，類型4的走時表可以轉(zhuǎn)化成類型1走時表。

類型4走時表在模擬測震時代應(yīng)用難度很大，而在數(shù)字化測震時代則不存在此問題。因此，筆者認(rèn)為在實際測震工作中，特別是區(qū)域測震工作中，類型4走時表應(yīng)用價值最高，震源深度的最大間隔應(yīng)該在1 km以下，震中距最大間隔應(yīng)小于 0.5°。

表2 J-B走時表的震源深度和震中距變化Tab.2 Focal depth and epicenter distance variation of J-B travel-time table

表3 華南走時表的震源深度和震中距變化Tab.3 Focal depth and epicenter distance variation of travel-time table in South China

表4 類型4走時表的震源深度和震中距變化Tab.4 Focal depth and epicenter distance variation of type 4 travel-time table

3 走時表的使用方式

走時表主要有下列3種使用方式:

(1)根據(jù)給定的深度、測定震中距的兩震相走時差，如t(Sg－Pg)、t(S－P)、t(S－Pdif)t(PP－PKP)等來查找震中距;

(2)根據(jù)給定的震中距、測定深度的震相的走時差，如t(sP－P)、t(sPKP－PKP)等來查找震源深度;

(3)根據(jù)給定的震中距、震源深度來查找某一震相的走時或兩個震相之間的走時差。

如果震中距或震源深度有固定的步長時，通過計算得出要查找的震中距或震源深度在震相走時表中所在的位置，否則只能通過查詢比較得出。

4 IASPEI91走時表格式及特點

1987年，國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理協(xié)會(IASEPI)考慮到J-B表的局限性，利用地球的徑向均勻模型，完成一個新的走時表，來取代以往的J-B表，這就是目前國際上流行的IASPEI91走時表。

美國阿爾布開克地震實驗室提供的IASPEI91走時表是二進(jìn)制文件。其存儲格式分為頭段信息和各種震相走時數(shù)據(jù)兩部分，具體格式如下:

(1)頭段信息:首先是由5個4字節(jié)數(shù)據(jù)分別表示震相數(shù)量、震中距數(shù)量、震源深度數(shù)量、震中距步長、震源深度步長，其值分別為86、90、68、2和10，其含義是表中有86個震相，180°震中距平均劃分成90檔 (若0°檔計算在內(nèi)為91檔)，震源深度平均劃分成68檔，震中距按以2°為步長單位遞增，震源深度按10 km為步長單位遞增，最大震源深度為680 km;其后是86個震相名稱，每個震相名占10個字節(jié)，共860個字節(jié)。頭段信息總共包含880個字節(jié)。

(2)數(shù)據(jù)格式:每個震相有6 188組數(shù)據(jù) (91行×68列)，每組數(shù)據(jù)占4字節(jié)，共24 752字節(jié)，不足數(shù)據(jù)用－1代替。對于同一個震相，在每一個震中距下，橫向 (即每行)按震源深度步長10 km為單位，用68組數(shù)據(jù)表示全部深度內(nèi)的震相走時;縱向 (即每列)上一個震中距加震中距步長2°為實際震中距。依次類推，每個震相分配 (91行×68列)的二維表數(shù)據(jù)區(qū)，以各震源深度和各震中距為坐標(biāo)對應(yīng)的點上沒有震相到時的，用－1表示。如此算來，86個震相需要 86×24 752=2 128 672字節(jié)空間。

表5 IASPEI91走時表內(nèi)部結(jié)構(gòu)Tab.5 Internal structure of the IASPEI91 travel-time table file

這樣編排的存儲格式，優(yōu)點有二:一是結(jié)構(gòu)清晰，每個震相占用的空間大小長度固定，都用固定方法存儲。二是便于計算機處理，因其長度固定，可以利用計算機的隨機文件讀取方式來查數(shù)，定位準(zhǔn)確，速度快。

缺點是:頭段信息不完整，沒有顯性給出震中距初始值和震源深度初始值;只能存儲上述分析的4種走時表結(jié)構(gòu)類型中最理想的類型1走時表，帶有很大的局限性;無論近震震相或遠(yuǎn)震震相都統(tǒng)一以2°為震中距步長、10 km為震源深度步長，這樣編排對近震震相而言一方面浪費空間，另一方面震中距、震源深度分辨率太低，非常不利于區(qū)域地震精細(xì)定位。

5 改進(jìn)型的二進(jìn)制走時表文件結(jié)構(gòu)

由圖2所示，改進(jìn)型的二進(jìn)制走時表的存儲格式分為文件頭信息和至少一個震相表區(qū)，每個震相表區(qū)又分別包含頭段信息和各種震相走時數(shù)據(jù)兩部分。

5.1 文件頭信息

1個20字節(jié)的走時表類型注釋字符串，根據(jù)實際情況可設(shè)為:J-B、IASPEI91、SouthChina等

1個4字節(jié)長整型數(shù)據(jù)，用于表示震相表總數(shù)。

5.2 震相表區(qū) (至少有一個震相)

以圖2中的表1為例進(jìn)行說明。

圖2 改進(jìn)型二進(jìn)制走時表文件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the improved binary travel-time table file

(1)頭段信息

首先是3個4字節(jié)長整型數(shù)據(jù)，分別表示震相數(shù)量、震中距數(shù)量、震源深度數(shù)量;

其后是5個4字節(jié)浮點型數(shù)據(jù)，說明震相表范圍，分別表示最小震中距、最大震中距、最小震源深度、最大震源深度、震中距步長 (若步長不恒定，則設(shè)為負(fù)值);

其后，若震中距步長不恒定，則按各震源深度依次給出各列震中距值，數(shù)量不足的在列尾部用－1補足。占 (ndist1×ndepth1) 個4字節(jié)浮點數(shù);若震中距步長恒定，則無此信息;

其后是1個4字節(jié)浮點型數(shù)據(jù)，說明震源深度步長 (若步長不恒定，則設(shè)為負(fù)值);

其后，若震源深度步長不恒定，則給出這行震源深度值。占ndepth1個4字節(jié)浮點數(shù);若震源深度步長恒定，則無此信息;

頭段信息最后是nphase1個震相名稱，每個震相名占10個字節(jié)。

(2)數(shù)據(jù)格式

每個震相有 (ndist1×ndepth1) 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)占4字節(jié)，不足數(shù)據(jù)用－1代替。對于同一個震相，在每一個震中距下，橫向 (即每行)用ndepth1組數(shù)據(jù)表示全部深度內(nèi)的震相走時;縱向 (即每列)有ndist1組數(shù)據(jù)表示震中距。依次類推，每個震相分配一個 (ndist1×ndepth1) 列的二維表數(shù)據(jù)區(qū)，在各震源深度和各震中距為坐標(biāo)對應(yīng)的點上沒有震相到時，用 －1表示。該數(shù)據(jù)格式有如下的優(yōu)點:

①震相表頭段信息健全。

②可以存儲所有上述4種類型結(jié)構(gòu)的走時表，大大拓展了地震分析軟件可以使用的走時表范圍。

③實現(xiàn)“一文多表”功能，結(jié)構(gòu)層次清晰，針對近震、遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震可以個性化編制走時表，近震的震中距和震源深度分辨率要盡量小、震源深度和震中距范圍可以最小，遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震的分辨率可以稍大，這樣既能兼顧區(qū)域地震精細(xì)定位，也能兼顧遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震定位，最大限度地節(jié)約了存儲空間。

④震相走時表安全性得到完全保障。

⑤同一系列的震相走時表可統(tǒng)一編制在一個文件中。如可將J－B近震走時表和遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震走時表統(tǒng)一編制在一個文件中。這樣有利于文件的管理。

⑥統(tǒng)一了軟件走時表的查詢讀取編程接口。

6 應(yīng)用

依據(jù)新型的二進(jìn)制表文件結(jié)構(gòu)，可以對IASPEI91走時表和J-B走時表傳統(tǒng)走時表文件格式進(jìn)行改造。如將原來的IASPEI91.bin走時表文件中統(tǒng)一的一張表劃分成兩張表——近震走時表和遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震走時表，并存儲在一個文件中。近震走時表的震源深度步長和震中距深度步長要減小，震源深度范圍和震中距范圍要縮小，這樣就提高了近震的區(qū)域定位精度。也可以將原來獨立的J-B近震走時表文件和J-B遠(yuǎn)震極遠(yuǎn)震表文件，合并成一個包含兩個表的文件，同時遠(yuǎn)震極遠(yuǎn)震走時表震中距的步長可由0.2°提高到1°甚至2°，這樣就有效地降低存儲空間，改進(jìn)了文件管理。

編程讀取走時表數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是:始終用一個長整型變量指針來保存文件中某一個走時表的數(shù)據(jù)區(qū)開始處的絕對位置。每次查找讀取一組數(shù)據(jù)后都把文件指針返回到此位置，下次讀取時再跳動指針，這樣指針位置就不會錯亂，從而保證快速讀數(shù)查找操作。

這種新型走時表文件格式已經(jīng)在個舊地震臺自主研制的單臺全球地震快速分析軟件中得到成功應(yīng)用。待目前正在編制的新一代區(qū)域走時表首都圈震相走時表和川滇地區(qū)震相走時表公布后，將其存儲成此種格式配置到地震分析軟件中，即可以以最快的速度進(jìn)行地震定位。如果在只有簡單的區(qū)域地殼模型而沒有編制區(qū)域近震走時表的地區(qū)，地震分析軟件可以根據(jù)區(qū)域地殼模型和近震波的走時方程直接計算各種近震震相的走時來完成近震定位 (孟曉春，2005)。

7 結(jié)論

開展地震活動地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究需要大量真實的震相走時資料，可以通過下面3個要素獲取高質(zhì)量的區(qū)域震相走時表資料:①測震臺站、臺網(wǎng)日常要保證測震儀器授時準(zhǔn)確、儀器工作性能正常、降低環(huán)境干擾;②地震發(fā)生后要立即在震源區(qū)布設(shè)流動觀測地震臺站 (網(wǎng))，這是修正主震震源深度的有效方法 (張晁軍等，2010)。③要不斷提高臺站的分布密度。這樣既能有效保證震相到時讀數(shù)的準(zhǔn)確，又能獲得大量的樣本。每次近震都有一個震源深度，把監(jiān)測到此地震的多個臺站的震中距按從小到大排列，取同一震相的走時，就可構(gòu)成一列走時，編排進(jìn)走時表中;長此以往，數(shù)據(jù)點由稀疏到密集，就能編制一個精度較高的類型4的區(qū)域走時表。在地震樣本數(shù)量少的情況下通過線性化處理來編制成形式規(guī)范的其他3種類型的走時表，必將增大誤差。這種情況下，建議不轉(zhuǎn)換。在樣本數(shù)量豐富時，再歸檔轉(zhuǎn)換，就可編制出分辨率小、精度較高的、能精細(xì)表征地殼深部結(jié)構(gòu)的區(qū)域震相走時表。筆者認(rèn)為，臺站或臺網(wǎng)地震分析軟件，增加自主更新編制本臺站或臺網(wǎng)的走時表 (尤其是區(qū)域震相走時表)功能也是未來一個有重要價值的研究課題。

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Research on File Structure of Seismic Phase Travel Time Tables of Seismic Analysis Software Configuration

LI Wan-jin(Gejiu Seismic Station，Earthquake Administration of Yunnan Province，Gejiu 661000，Yunnan，China)

First of all，we analyzed file structure types of the seismic phase travel time tables of the existing seismic analysis software configuration and its advantages and disadvantages.In addition，we divided the phase travel time table into 4 kinds of composite structure and analyze its practicality.Thirdly，on the basis of modifying，supplementing and perfecting the structure of the IASPEI91 seismological table，we put forward a improved file structure of travel time table which is high safety，wide adaptation and strong flexibility，and can store travel time tables of different structures.Finally，by the application of the improved file structure of phase travel time table，seismic analysis software could be configured with different travel time table and realized the precise locating of the earthquakes.It created condition for the digital seismic network to use seismographic record for complication and apply regional seismological tables of high precision，have a certain meaning of studying the deep structure of earth.

seismic phase travel time tables;file structure;constant step;IASPEI91 seismological tables

P315－391

A

1000－0666(2012)02－0288－07

2011－10－18.

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