一種基于速度反演的高速鐵路多臺(tái)地震定位方法

林華偉

摘要：多臺(tái)站地震預(yù)警是地震預(yù)警中的關(guān)鍵步驟，相對(duì)于單臺(tái)站預(yù)警而言多臺(tái)地震定位結(jié)合了多個(gè)臺(tái)站的位置與地震到時(shí)差，具備更高的定位精準(zhǔn)度。本文在已有地震的資料的基礎(chǔ)上反演地震波速度，將反演后的速度應(yīng)用到基于雙曲線的多臺(tái)定位方法中，通過(guò)對(duì)實(shí)際天然地震進(jìn)行定位，采用反演速度的地震定位方法可以有效提高多臺(tái)定位的精度，在實(shí)時(shí)預(yù)警中具備應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： Multi-station earthquake warning is a key step in earthquake warning. Compared with the warning of single station， multiple seismic positioning combined the position of multiple stations and the time difference between earthquake and earthquake. Therefore， multiple seismic positioning has higher accuracy. In this paper， the velocity of seismic wave is retrieved on the basis of existing seismic data. By positioning the actual natural earthquake， the seismic positioning method with inversion speed can effectively improve the accuracy of multiple sets of positioning， which has application value in real-time warning.

關(guān)鍵詞：地震;高速鐵路;反演速度;地震定位

Key words： earthquake;high-speed railway;inversion speed;earthquake location

中圖分類號(hào)：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0214-02

0? 引言

隨著我國(guó)高速鐵路防災(zāi)技術(shù)研究的不斷深入，地震預(yù)警技術(shù)在防震減災(zāi)領(lǐng)域所起到的重要作用日益突出。由于高鐵預(yù)警對(duì)時(shí)效性的要求很高，當(dāng)鐵路沿線首個(gè)臺(tái)站檢測(cè)到地震后，可以根據(jù)通過(guò)拾取到的P波震相對(duì)地震進(jìn)行定位，進(jìn)而預(yù)測(cè)地震波傳播到監(jiān)測(cè)臺(tái)站的地震動(dòng)強(qiáng)度。然而，地震的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程非常復(fù)雜，僅僅通過(guò)單一臺(tái)站幾秒內(nèi)的的P波記錄的定位結(jié)果，往往不能滿足地震定位的精度。因此，將多臺(tái)站地震預(yù)警技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路，可以在保證地震預(yù)警時(shí)效性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升地震預(yù)警的精確度。本文針對(duì)多臺(tái)地震中地震P波速度難以確認(rèn)的問(wèn)題，利用了已有地震數(shù)據(jù)進(jìn)行速度反演，并結(jié)合雙曲線定位方法提出一種適用于高速鐵路的地震定位方法。

1? 方法原理

在忽略地震震源深度且已知地震P波速度的前提下，由兩個(gè)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的相對(duì)位置及這兩個(gè)臺(tái)站P波到時(shí)差可以確定一條震中軌跡，該軌跡上任一兩個(gè)點(diǎn)的距離差的絕對(duì)值均為常數(shù)，因此該軌跡近似為一條雙曲線，震中位置會(huì)落在靠近首個(gè)觸發(fā)臺(tái)站的那條支線上。假設(shè)鐵路沿線前兩個(gè)觸發(fā)臺(tái)站分別為S1和S2，這兩個(gè)臺(tái)站間的連線為x軸，臺(tái)站間連線的垂直平分線為y軸臺(tái)站連線中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，臺(tái)站之間的直線距離為2c，臺(tái)站S1的坐標(biāo)為（+c，0），臺(tái)站S2的坐標(biāo)可表示為（-c，0）。將地下介質(zhì)視為各項(xiàng)同性介質(zhì)，地震P波的傳播速度為Vp，發(fā)震時(shí)刻為T(mén)0，震源深度為H，兩個(gè)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的地震P波分別為T(mén)1和T2（T1為首個(gè)觸發(fā)臺(tái)站到時(shí)），地震震源與兩個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站的直線距離分別為d1和d2，d1和d2滿足下面關(guān)系式：

考慮到對(duì)高鐵有影響的地震震源深度一般在5km～20km，相對(duì)于震中距可以忽略，則有：

因此，震中位置到2 個(gè)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)的直線距離差等于常數(shù)，滿足雙曲線規(guī)律，其方程如下：

隨著觸發(fā)報(bào)警的臺(tái)站數(shù)量的增多，不同臺(tái)站兩兩確定的雙曲線軌跡的交點(diǎn)即為震中位置。

對(duì)于上文中的P波速度，本文采用已有地震的進(jìn)行反演，具體方法為對(duì)于本地區(qū)鐵路沿線接收到的地震，由其震中距、震源深度以及地震波旅行時(shí)（發(fā)震時(shí)刻與臺(tái)站接收到地震的時(shí)差）通過(guò)勾股定理計(jì)算得到。

2? 計(jì)算實(shí)例

本文采用日本2015年2月25日6.3級(jí)地震及2014年1月16日5.1級(jí)地震對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，兩次地震深度分別為3km及28km。兩次地震一次為網(wǎng)內(nèi)地震，一次為網(wǎng)外地震。

圖1為兩次地震臺(tái)站位置、職守區(qū)域及震中位置示意圖。圖2、圖3、圖4分別為首個(gè)、三個(gè)、五個(gè)臺(tái)站的定位示意圖。

兩次真實(shí)地震的定位的速度是由臺(tái)站到時(shí)差反算得到，即當(dāng)速度能夠較為準(zhǔn)確的給定時(shí)，三臺(tái)以上的定位可以將誤差控制在10km以下，如圖5所示。

圖6為不同速度情況下各臺(tái)站定位精度示意圖，從圖中可以看出，采用反速度的定位誤差最小，即當(dāng)速度不確定時(shí)，定位會(huì)有一定誤差，且隨著速度誤差的增大，定位精度逐漸降低。

3? 結(jié)論

本文通過(guò)已有天然地震數(shù)據(jù)反演地震波速度，將反演的速度應(yīng)用到雙曲線多臺(tái)站定位中，并采用實(shí)際天然地震對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明采用反演天然地震波速度的方法在整體上可以提升多臺(tái)站的定位精度，且隨著臺(tái)站數(shù)量的增多，定位誤差逐漸減小，計(jì)算結(jié)果比常規(guī)直接設(shè)定P波速度的方法更加穩(wěn)定可靠，在實(shí)時(shí)預(yù)警中具備應(yīng)用價(jià)值。

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