基于單臺P波記錄的地震震中和震級快速測定方法研究

劉希強 李 霞 蔡 寅 趙 瑞 李 紅 周彥文王慶民 趙大鵬 徐長朋

（山東省地震局，濟南 250014）

本研究擬利用山東數字化測震臺網記錄的實際觀測資料，根據單臺記錄直達P波前2 s數據，通過不同方法測定結果的對比分析，篩選出測定地震方位角的典型方法；探索根據直達P波包絡特征和峰值速度測定震中距和震級有效性；根據實際處理結果，從臺網中篩選出一旦發生強震適于進行地震預警的臺站。

（1）數據濾波方法。本文采用橢圓帶通IIR數字濾波器來有效去除噪聲，橢圓濾波器阻帶和通帶內都是等波紋的，過渡帶比較窄，而且可以以更低的階數實現和其他類濾波器一樣的性能指標。實際資料處理結果表明，經濾波后的地震波信噪比明顯提高。為了得到區域地震事件最佳信號分布范圍，在數據處理時，本文設計了兩套橢圓型濾波器參數。

（2）方位角估計方法。一是遞推相關分析，二是偏振分析；在數據預處理方面，分別選擇了原始三分向記錄、對原始三分向記錄分別進行兩個帶通濾波的數據、對原始三分向記錄進行傅里葉變換（FFT）變換并分別取兩個帶通內的頻率域數據、對原始三分向記錄進行Zoom_FFT變換并分別取兩個帶通內的頻率域數據作為兩種方法處理的源數據。從上述7種數據預處理和兩種測定方位角方法中可得到14種不同的分析結果，選擇地震方位角計算結果和實際結果統計誤差最小的一種組合作為測定方位角的最佳方案。

（3）震中距估計方法。對處理資料進行Hilbert變換，應用公式（1）對變換數據進行擬合，得到斜率因子B，振幅變化因子A：

（4）震級估計方法。地震震級的估計通過單臺垂直向P波前2 s速度數據的最大振幅Pv 和斜率因子B值得到，根據多次地震記錄統計得到震級標度關系，表述為：

自2008年以來，山東數字化虛擬測震臺網由78個臺站組成，對網內發生地震之后，平均4 s左右第一個臺站記錄到地震波，2009-2011年期間記錄到可定位事件839次，其中天然地震782次，非天然地震57次。本文選擇距每次地震震中最近的臺站記錄進行分析，要求具有完整的三分向P波段記錄，較高的信噪比。經過篩選，得到了53個臺站共計303次地震、20次塌方和3次爆破的波形記錄。這326次地震事件的震中距最近臺站的距離分布范圍為3.5～314.4 km，震級分布范圍為ML0.5～4.9，各臺站垂向記錄的信噪比分布范圍為-1.9～63.8 dB。

選擇山東虛擬測震臺網記錄的326次地震資料，在其中篩選出每次地震發生后第一個臺站記錄的三分向P波前2 s數據，選擇兩種測定地震方位角方法和7種數據預處理方法，通過與實際結果的系統對比分析，認為確定最佳測定地震方位角的技術方案是對原始數據進行2～15 Hz帶通濾波處理，再利用濾波后數據進行偏振分析或遞推相關分析，53個臺站中有48個臺站的測定誤差較小，基于偏振分析和遞推相關分析方法所測定地震方位角的平均絕對誤差分別為22.6°和22.4°。①對測定震中距和震級的方法進行了改進。震中距主要受到包絡特征參數中斜率因子的影響，受震級等其他參數的影響很小。根據P波前2 s波形包絡特征參數、峰值速度得到了求震中距、震級的最佳統計關系。結果表明，震中距的平均絕對殘差為22.2 km，震級的平均絕對殘差為0.35。②由于實際資料的限制，研究結果主要是基于小地震記錄得到的，除了需要補充更多地震資料以完善研究結論外，還需補充中強地震的樣本數據，帶通濾波的范圍需要根據信號的主頻率動態確定。