利用地震波信息進行地震定位

陳卓

摘 要：地震定位一直是地震學的最基本、經典問題之一，提高地震定位精度也是重要課題。本文就常見地震方法進行了分類和原理解釋，對地震定位的信息讀取，震相識別進行了闡述。最終選取了可以利用多種已知量進行地震定位的Hyposat方法，對發生在四川省成都市彭州區的地震事件進行了絕對定位，獲得了這次地震的震源參數信息。

關鍵詞：地震波;地震定位;地震震相;hyposat

中圖分類號：P315.75 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0184-02

0 引言

由于斷層突然破裂引起的大地的震動形成地震，由于斷層在震源處發生兩種形變—體積形變和剪切形變，其中體積形變產生縱波，剪切變形產生橫波[1]，縱波和橫波稱為體波。縱波和橫波在界面附近，衍生出另一種形式的波，它們只在界面附近傳播，這種波稱為面波。

地震波包括體波和面波，經過地球介質傳播被地面的地震臺記錄為地震圖，地震工作人員通過波形分析，可以獲得地震的震相信息，利用這些信息可以確定地震發生的位置，以及傳播介質的結構特征等。地震波的傳播和幾何光學很相似[2]，有關地震波傳播的許多問題，可以用地震射線理論來解決，地震波在地球介質中傳播存在反射、折射、干涉以及衍射等現象，因此地震射線理論遵循惠更斯原理、費馬原理和斯奈爾定律等光學規律。

1 地震定位方法簡介

地震發生之后，快速確定地震的位置，一直是地震學最經典、最基本的問題之一[3]，它不僅對研究地球介質結構、地震預測、活動構造等地震學基本問題意義重大，而且對地震之后的地震救災和減災工作快速開展起著至關重要的作用。

早期的地震定位方法以幾何作圖法為主，基于射線理論，以走時方程為基礎，借助平面或球面作圖確定地震位置[4]。1912年德國科學家Geiger提出了經典的地震定位方法[5]，只是由于當時計算技術落后，并未得到很好的應用，直到20世紀 70年代，計算機的出現及發展，Geiger定位方法開始廣泛應用于各種線型定位方法。隨著計算機性能的提升，非線性方法也開始逐漸應用于地震定位中。地震定位根據獲取地震事件位置的相對性，可以分為絕對地震定位和相對地震定位方法。

1.1 絕對地震定位方法

根據求解地震數目是單個地震或多個地震事件分為單事件絕對地震定位和多事件絕對地震定位。單事件絕對定位方法一般均基于Geiger法，將地震波走時方程線性化，利用最小二乘方法求解地震震源參數。隨著計算機技術的發展，根據Geiger法，進一步發展出了HYPO71-86、HYPOINVERSE、HYPOCENTER等算法及地震定位計算機程序。

但是單事件絕對定位方法使用簡單的地下速度模型，因此在地下結構比較復雜的地區地震定位會出現較大的定位誤差。為了克服這一缺點，1967年Douglas提出了臺站校正的聯合反演法（JED）[6]，在JED方法上，Dewey進一步發展了臺站校正的聯合反演法（JHD）[7]，該方法既包括了震源深度在內的震源參數以及臺站校正值，在一定程度上減少了由于復雜地殼引起定位誤差。1976年Crosson提出了震源位置與速度結構的聯合反演法[8]，也就是該方法將速度模型也變為求解參數之一，加入方程，與震源參數共同求解，最終可以獲得比較精確的定位結果，還可以獲得地下結構信息。

1.2 相對地震定位方法

相對定位方法獲得的是一群地震事件的震源位置，而并非是這一系列地震事件每一個地震事件的絕對位置，這種方法主要是利用地震事件離得比較近，因此地震事件到地震臺站的路徑基本相似，在計算時可以將地震到臺站路徑相減，去掉相同路徑的部分，那么只有震源附近的速度模型影響地震定位的結果。目前的相對定位方法主要包括主事件法和雙差定位方法。

主地震定位法基本原理是選定震源位置較為精確的地震作為主地震事件，計算發生在其周圍的一群地震相對于它的位置，進而確定這群地震的震源位置[9][10]。但該方法嚴格依賴于主事件的位置和到時，如果主事件定位結果不夠精確，會導致整個地震事件群誤差較大。

Waldhauser和Ellsworth于2000年提出雙差定位方法，該方法的基本原理是2個地震滿足一定條件（地震至臺站距離與兩個地震之間距離之比至少大于10），兩兩地震組成事件對，地震對內2個地震的觀測走時差與理論走時差的殘差，即為雙重殘差，利用所有臺站和事件對，組成方程組，利用最小二乘法，最終獲得地震事件的相對位置。該方法的優勢首先克服了地震到臺站傳播路徑的速度模型的影響，其次并不依賴于某一個地震定位的精度，然后雙差定位方法可以利用波形互相關方法提高地震事件的到時差精度。

2 地震信息讀取

地震發生之后，能量以地震波的形式向外傳播，最終地震波傳播到地表，被地震儀器記錄到，經過數電轉換，形成數字地震波形，通過地震專用軟件，最終在地震圖上顯示出來。在地震圖上顯示的地震波組，稱為震相，地震波的震相在波形、到時、振幅、質點運動方式和周期等方面均有自己特有的特征，然而這些地震波會有一定持續時間，因此又會發生彼此的干涉，從而使地震圖更加復雜，地震學的基本任務之一就是從這些復雜的地震圖中，將這些地震震相分析出來。實際的工作中，對于地震定位最重要的為地震縱波P波和和地震橫波S波震相，因此確定地震波的直達波、首波，是非常重要的。圖1為2013年4月24日18點43分4秒發生的地震波形圖。在波形圖上最開始到的一組地震波能量即為縱波震相，最開始到達的地震波為直達波，國內通常用Pg作為標記，因為橫波波速比縱波波速慢，因此第二組明顯的能量為橫波震相，橫波最開始到達的地震波為橫波直達波，國內通常用Sg作為標記，如圖所示地震圖中第一個臺站WCH，所標識的震相Pg和Sg。當震中距達到193km之后，縱波最先到達地震臺站的有直達波過渡為首波，國內通常用Pn來表示，如圖2所示。

3 利用地震橫波和縱波對地震事件定位

根據已有的數據資料，選取合適的定位方法很重要，根據地震的位置，地震定位可以劃分為絕對定位和相對定位方法，但是相對定位方法是以地震發生的絕對位置為基礎，因此獲取地震發生的絕對定位非常重要，目前已有的絕對地震定位方法中，hyposat定位方法1997由Schweitzer在Geiger法基礎上發展而來，該方法除了采用傳統的震相（Pn、Sn、Pg、Sg等）到時，還能聯合利用震相到時差、地震震源到地震臺站的方位角和地震射線參數等相關已知量，來參與定位，從而進一步提高地震絕對位置的精度。

現在以2013年4月24日18點43分發生在四川地區的地震事件為例，利用地震專業處理軟件（MSDP或SAC），可以獲得地震到達臺站縱波和橫波到時，本次地震我們獲得的數據見表1。

在hyposat方法中，有五個輸入文件，分別為hyposat參數控制文件（默認為hyposat-parameter）、震相文件名（默認為hyposat-in）、全球速度文件名（默認為REG_L3.DAT）、臺站位置文件名（默認為hyposat-sta）、區域速度模型文件名（默認為hyposat-crh）定義以及反演過程中控制參數設置。在五個輸入文件中最重要的是震相文件（hyposat-in），該文件的數據主要內容也就是表1中的數據，來源于地震圖。Hyposat-sta為臺站信息文件，包括地震臺站的經度、緯度、高程以及臺站名。全球與區域模型均為一維速度模型，格式類似，區別在于全球的模型，為比較大區域的平均模型，區域模型主要為研究區附近的平均速度模型。這五個文件準備完成之后，可以運行hyposat相關計算機程序進行計算，最終獲得地震的絕對定位的位置。圖3中為hyposat計算機程序利用表1中的數據，定位出了2013年4月24日18點43分4秒在經度為103.77°，緯度為31.36°，震源深度為10km的地點發生的地震。

4 結語

地震定位它不僅對研究地球介質結構、地震預測、活動構造等地震學基本問題意義重大，因此如何提高地震定位精度是一個重要且必須面對的難題，影響地震定位的因素包括速度模型的精確程度、地震信息獲取的精度，地震定位方法選取。本文選取了四川成都附近的速度模型，盡可能保證地震信息縱波（Pg、Pn）、橫波（Sg）準確性，利用hyposat定位方法，對發生在四川省成都市彭州區的地震進行了絕對定位，該方法能利用多種已知量進行地震定位，從而提高本次地震事件的定位精度。

參考文獻

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