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结合波形互相关技术的双差算法在地震定位中的应用探讨

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结合 波形 互相 技术 算法 地震 定位 中的 应用 探讨
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第 4期 (总 第 352期 ) 国   际   地   震   动   态 4 ( 008年 4月 p 2008结 合 波 形 互 相 关 技 术 的 双 差 算 法在 地 震 定 位 中 的 应 用 探 讨 3黄   媛(中 国 地 震 局 地 球 物 理 研 究 所 , 北 京   100081)摘   要   本 文 致 力 于 探 讨 在 数 字 化 地 震 监 测 大 规 模 发 展 后 , 如 何 更 好 地 将 大 量 丰 富 的数 字 化 波 形 信 息 应 用 到 地 震 定 位 领 域 , 从 而 更 大 程 度 地 提 高 地 震 定 位 精 度 问 题 。笔 者 认 为 “ 结 合 波 形 互 相 关 技 术 的 双 差 定 位 算 法 ” 是 一 种 比 较 有 发 展 前 景 的 方 法 , 因此 分 别 从 基 本 理 论 、 发 展 历 程 、 台 网 实 用 化 过 程 以 及 推 广 使 用 中 可 能 存 在 的 问 题 等 角 度进 行 分 析 , 探 讨 该 技 术 在 地 震 定 位 领 域 中 的 发 展 方 向 及 推 广 使 用 的 可 能 性 。关 键 词   波 形 互 相 关 ; 地 震 相 对 定 位 ; 双 差 算 法 ; 波 形 数 据 库中 图 分 类 号   7    文 献 标 识 码   地 震 定 位 精 度 的 提 高 , 一 直 以 来 是 地 震学 家 致 力 研 究 的 基 础 问 题 。 在 我 们 假 定 台 站布 局 足 够 合 理 的 前 提 下 , 地 震 定 位 精 度 不 够高 的 原 因 有 很 多 种 , 但 是 概 而 言 之 无 外 乎 两方 面 的 首 要 误 差 源 , 一 是 计 算 走 时 的 模 型 本身 存 在 误 差 ; 二 是 震 相 到 时 读 数 存 在 误 差 。本 文 所 要 讨 论 的 “ 结 合 波 形 互 相 关 技 术的 双 差 定 位 算 法 ” 正 是 针 对 如 何 分 别 克 服 这两 方 面 误 差 源 设 计 的 一 种 定 位 方 法 。 波 形 互相 关 技 术 的 使 用 可 以 使 某 些 震 相 到 时 读 数 精度 高 达 千 分 之 七 秒 [ 1 ] ; 而 相 对 走 时 差 的 使 用很 大 程 度 上 解 决 了 传 统 方 法 中 速 度 结 构 不 够准 确 造 成 地 震 定 位 的 矢 量 分 散 问 题 , 使 定 位精 度 高 达 几 十 米 甚 至 几 米 [ 2 ]。世 界 范 围 内 的 数 字 化 地 震 观 测 工 作 开 展近 30年 (开 始 于 1970 s) , 而 目 前 地 震 定 位 的3 收 稿 日 期 : 2007212226。基 金 项 目 :本 文 受 中 国 地 震 局 地 球 物 理 研 究 所 中 央 级 公 益性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 专 项 ( 助 。主 流 方 法 仍 然 是 基 于 传 统 的 震 相 到 时 读 数 方式 。 现 代 地 震 图 所 包 含 的 大 量 有 用 信 息 并 没有 得 到 充 分 利 用 。 至 少 , 对 于 传 统 方 式 的 地震 定 位 , 仅 仅 使 用 了 数 字 化 地 震 图 纸 上 非 常小 的 一 部 分 有 用 信 息 。 这 对 于 现 代 数 字 化 地震 监 测 系 统 提 供 给 我 们 的 宝 贵 资 料 无 疑 是 一种 巨 大 的 浪 费 。波 形 互 相 关 方 法 用 到 了 地 震 图 包 含 的 更丰 富 的 信 息 , 可 以 在 很 大 程 度 上 降 低 通 过 直接 拾 取 震 相 获 得 相 对 走 时 的 误 差 。 通 过 分 析互 相 关 在 当 地 以 及 区 域 信 号 中 的 应 用 , 结 合地 震 报 告 中 常 规 震 相 到 时 读 数 , 使 用 双 差 算法 可 以 一 次 获 取 大 量 地 震 的 高 精 度 相 对 位置 。 目 前 , 一 些 科 学 家 将 该 方 法 用 于 某 一 区域 构 造 的 研 究 工 作 中 并 且 获 得 显 著 成 功 。1  结 合 波 形 互 相 关 ( 双 差 定位 算 法 (基 本 原 理1. 1  波 形 互 相 关波 形 互 相 关 ( 用 了 “ 发 震 机 理 相同 地 震 波 形 相 似 ” 的 原 理 , 通 过 对 相 似 地 震波 形 进 行 互 相 关 分 析 , 计 算 同 一 震 相 的 走 时差 , 主 要 有 时 间 域 和 频 率 域 [ 3 ]两 种 方 式 。 通过 时 间 域 (频 率 域 )相 关 函 数 计 算 相 似 波 形的 相 关 系 数 , 设 定 相 关 系 数 阈 值 , 获 取 可 用的 到 时 差 数 据 。 图 1展 示 了 发 生 在 一 定 区 域范 围 内 , 尤 其 是 发 生 在 同 一 个 构 造 单 元 上 的地 震 波 形 具 有 极 高 的 相 似 性 [ 4 ]。这 里 , 相 关 系 数 阈 值 的 确 定 需 要 一 定 的图 1  图 中 分 别 用 灰 色 和 黑 色 分 层 展 示 了 两 个 不 同 地 震 事 件 具 有 高 度 相 似的 波 形 图 象 , 采 用 0. 5~ 5 滤 波 后 结 果 [ 4 ]经 验 和 技 巧 , 如 果 阈 值 设 定 过 高 , 可 用 数 据会 非 常 少 , 如 果 阈 值 设 定 过 低 , 则 很 可 能 会有 一 些 不 真 实 的 走 时 差 数 据 参 加 到 定 位 运 算中 , 尤 其 是 当 台 站 信 噪 比 较 低 的 情 况 下 , 得到 的 不 真 实 信 息 会 更 多 。 为 了 有 效 地 抑 制 台站 信 噪 比 低 对 互 相 关 结 果 造 成 的 影 响 , 一 些相 应 的 技 术 随 之 诞 生 , 例 如 通 过 互 谱 技 术(B [ 5 ]对 加 以 验 证 等 方式 , 可 以 更 有 效 地 增 加 互 相 关 的 可 用 信 息 并提 高 互 相 关 数 据 的 可 信 度 [ 6 ]。1. 2  双 差 定 位 算 法一 般 相 对 定 位 算 法 的 使 用 前 提 是 : 事 件对 之 间 的 距 离 远 小 于 事 件 到 台 站 间 的 距 离 以及 波 传 播 路 径 上 速 度 不 均 匀 体 的 线 性 尺 度 ,从 而 两 个 事 件 至 同 一 台 站 的 走 时 差 只 由 两 个事 件 的 相 对 位 置 和 它 们 之 间 小 范 围 内 的 波 速所 决 定 , 这 样 就 可 以 部 分 地 消 除 速 度 模 型 不确 定 性 所 带 来 的 误 差 。 该 限 制 条 件 造 成 了 一般 相 对 定 位 算 法 只 适 用 于 某 一 特 定 的 区 域 范围 , 或 某 一 特 定 序 列 事 件 的 重 新 定 位 。 而 双差 定 位 算 法 则 是 受 限 制 比 较 小 的 一 种 相 对 定位 算 法 , 该 方 法 不 仅 能 够 将 地 震 事 件 的 相 对位 置 定 得 更 加 准 确 , 当 有 “ 近 台 ” 数 据 参 与 定03 国   际   地   震   动   态                             2008年位 的 时 候 还 起 到 了 绝 对 定 位 的 作 用 [ 7, 8 ]。2   “ 结 合 波 形 互 相 关 的 相 对 定 位 算法 ” 的 发 展 历 史 及 现 状数 字 化 观 测 技 术 诞 生 初 期 , “ 结 合 相 对定 位 的 波 形 互 相 关 技 术 ” 的 作 用 就 得 到 了 充分 验 证 [ 3, 9 - 12 ]。 但 是 由 于 许 多 历 史 原 因 , 早期 该 领 域 的 研 究 只 能 在 很 小 的 地 震 簇 范 围 内开 展 , 例 如 前 震 序 列 或 重 复 地 震 [ 3 ] , 这 些 地震 簇 多 分 布 在 100 内 , 波 形 具 有 非 常高 的 相 似 性 。 直 到 最 近 几 年 , 相 对 定 位 及 波形 互 相 关 的 适 用 范 围 才 突 破 了 几 公 里 的 局限 , 被 广 泛 用 于 大 范 围 空 间 尺 度 上 大 量 地 震事 件 的 重 新 定 位 中 [ 13, 14 ] , 该 技 术 的 发 展 速度 非 常 惊 人 , 从 表 1可 以 看 出 该 技 术 已 经 被成 功 地 用 于 大 尺 度 空 间 内 地 震 事 件 的 重 新 定表 1  过 去 几 年 基 于 波 形 互 相 关 的 相 对 定 位 进 展 实 例 [ 1 ]研 究 团 队 研 究 时 间 研 究 区 域 重 定 位 地 震 数984 发 生 在 阿 尔 卑 斯 断 层 或 卡 拉 华 拉 斯 断 层 上 的 地 震 事 件 ~ 2994 发 生 在 夏 威 夷 岛 南 侧 断 层 上 的 事 件 ~ 200999 圣 安 德 列 斯 断 层 上 蠕 动 变 化 的 一 部 分 事 件 ~ 3200 (75% )000 海 沃 断 层 , 卡 拉 华 拉 斯 断 层 , 圣 安 德 列 斯 断 层和 兰 德 斯 断 层 上 的 地 震 事 件 ~ 20000 (90% )002至 今 北 加 州 的 完 整 地 震 目 录 ~ 250000 (99% )位 。目 前 , 国 际 上 资 料 共 享 的 推 广 , 数 字 化地 震 波 形 数 据 库 广 泛 向 地 震 学 家 开 放 , 这 就使 得 处 理 更 大 量 、 变 化 更 丰 富 的 波 形 变 得 更加 容 易 。 国 际 上 , 结 合 波 形 互 相 关 技 术 的 相对 定 位 算 法 应 用 比 较 普 遍 , 并 且 重 定 位 后 的效 果 都 非 常 好 。 例 如 发 生 在 加 州 北 海 沃 德 断层 上 两 个 地 震 丛 的 定 位 , 使 用 相 对 定 位 算 法并 通 过 波 形 互 相 关 获 取 到 时 差 读 数 , 使 定 位不 确 定 性 与 原 地 震 目 录 相 比 降 低 一 个 数 量 级以 上 , 且 获 得 了 清 晰 的 地 震 活 动 图 像 [ 15 ]。. 16 ]等 通 过 计 算 的 互相 关 系 数 获 取 震 相 到 时 差 , 并 采 用 双 差 算 法对 1999年 发 生 在 我 国 辽 宁 岫 岩 地 震 序 列 进行 了 重 新 定 位 , 结 果 显 示 使 用 分 布 稀 疏 的 区域 台 站 (震 中 距 在 500~ 1 000 仍 然 可 将定 位 精 度 提 高 到 5 。 这 些 研 究 结 果有 利 地 证 明 了 “ 结 合 波 形 互 相 关 技 术 的 双 差定 位 算 法 ” 对 提 高 数 字 化 地 震 资 料 效 能 , 提高 地 震 定 位 精 度 具 有 很 好 的 推 广 价 值 。近 几 年 , 国 内 相 对 定 位 算 法 尤 其 是 双 差法 的 研 究 工 作 开 展 广 泛 , 并 且 取 得 了 可 喜 的成 绩 。 例 如 : 杨 智 娴 [ 17 ]在 国 内 首 次 将 相 对 定位 算 法 在 我 国 中 西 部 ( 21° — 36° N, 98° —112° E)大 范 围 内 使 用 , 经 重 新 精 确 定 位 后 显示 出 我 国 中 西 部 地 区 地 震 震 源 分 布 更 加 精 细的 图 像 。 朱 艾 斓 [ 18, 19 ]使 用 双 差 地 震 定 位 法对 川 西 地 区 1992— 2002年 的 13 367个 小 震进 行 重 新 定 位 , 重 新 定 位 后 , 地 震 活 动 沿 活动 断 裂 成 线 状 分 布 现 象 非 常 突 出 , 呈 现 出 与地 表 活 动 构 造 的 密 切 关 系 。 黄 媛 [ 7 ]将 近 台 记录 和 区 域 台 网 数 据 联 合 用 于 双 差 地 震 定 位 算法 , 对 2003年 新 疆 巴 楚 2伽 师 M S 6. 8强 震 后404个 3. 5余 震 序 列 进 行 双 差 法 重 新 精确 定 位 , 并 对 其 进 行 了 理 论 上 的 可 行 性 分析 , 结 果 获 得 初 步 成 功 。 可 惜 的 是 , 上 述 研究 工 作 基 本 都 是 基 于 台 网 观 测 报 告 中 震 相 到时 读 数 进 行 计 算 的 , 并 没 有 真 正 利 用 到 地 震波 形 资 料 。赵 翠 萍 [ 6 ]对 1997— 2002年 新 疆 伽 师 震源 区 150多 个 地 震 , 共 计 几 百 条 波 形 数 据 进行 了 互 相 关 分 析 , 虽 然 由 于 可 用 台 站 的 波 形数 据 不 多 , 得 到 的 互 相 关 走 时 结 果 不 多 , 对定 位 精 度 的 改 进 作 用 也 不 是 很 明 显 , 但 是 通过 这 项 工 作 , 实 现 了 批 量 计 算 波 形 互 相 关 走时 的 可 能 性 。13第 4期             黄   媛 : 结 合 波 形 互 相 关 技 术 的 双 差 算 法 在 地 震 定 位 中 的 应 用 探 讨3  广 泛 发 展 及 推 广 使 用 的 可 能 性 分 析3. 1  在 测 震 台 网 中 的 常 规 应 用以 上 所 述 各 项 研 究 工 作 从 不 同 的 角 度 验证 了 波 形 互 相 关 技 术 、 双 差 定 位 算 法 以 及 两者 结 合 使 用 后 对 地 震 定 位 精 度 的 改 善 效 果 。分 析 认 为 “ 结 合 波 形 互 相 关 的 双 差 定 位 算法 ” 更 大 程 度 地 利 用 了 数 字 化 地 震 资 料 包 含的 可 用 信 息 , 更 大 程 度 地 提 高 了 地 震 定 位 精度 , 并 且 在 使 用 上 打 破 了 几 公 里 范 围 的 局 限性 。 另 外 在 台 站 的 选 择 上 更 加 灵 活 , 可 以 做到 远 台 、 近 台 数 据 结 合 使 用 。 因 此 , 本 文 希望 探 寻 一 条 途 径 , 将 该 方 法 逐 步 从 成 熟 的 科学 研 究 工 作 推 广 到 台 网 日 常 定 位 应 用 中 。目 前 我 国 各 省 基 本 都 完 成 了 测 震 台 网 的数 字 化 改 造 , 并 在 每 个 中 心 建 设 起 了 功 能 强大 的 波 形 数 据 库 , 另 外 随 着 计 算 机 计 算 能 力的 提 高 以 及 一 些 行 业 内 超 级 计 算 中 心 的 诞生 , 为 该 算 法 的 推 广 使 用 提 供 了 必 备 的 硬 件条 件 。根 据 “ 一 定 区 域 范 围 内 的 地 震 波 形 具 有极 高 的 相 似 性 ” , 我 们 将 地 震 事 件 按 照 经 纬网 格 、 一 定 的 经 验 性 区 域 形 状 或 者 序 列 事 件等 灵 活 组 合 方 式 进 行 归 类 , 通 过 波 形 数 据 库检 索 相 关 事 件 , 利 用 波 形 互 相 关 技 术 获 取 相关 事 件 的 相 对 到 时 差 , 将 到 时 差 数 据 应 用 到双 差 定 位 算 法 进 行 所 有 相 关 事 件 的 重 新 相 对定 位 , 定 位 后 比 较 重 定 位 效 果 , 从 定 位 精 度以 及 震 中 分 布 图 像 等 角 度 比 较 确 有 改 善 的 事件 采 用 重 定 位 结 果 , 并 将 该 事 件 提 交 波 形 数据 库 , 这 样 对 于 一 定 区 域 内 的 地 震 , 每 当 有新 事 件 发 生 , 通 过 波 形 互 相 关 获 取 相 对 到 时差 , 通 过 双 差 算 法 重 定 位 获 取 更 精 确 震 源 位置 , 对 该 区 域 内 地 震 事 件 的 定 位 精 度 是 一 个逐 步 改 善 的 过 程 。3. 2  其 他 作 用该 方 法 尤 其 适 用 于 大 地 震 发 生 后 , 对 一定 时 间 范 围 内 余 震 序 列 的 监 视 , 因 为 余 震 通常 发 生 在 相 对 小 的 一 个 区 域 范 围 内 , 区 域 构造 相 同 , 地 震 事 件 波 形 相 似 性 极 高 , 可 以 通过 波 形 互 相 关 获 取 更 加 准 确 的 到 时 数 据 , 并通 过 双 差 法 获 取 序 列 事 件 间 更 准 确 的 相 对 震源 位 置 。 另 外 在 我 国 大 地 震 后 的 余 震 监 测 ,通 常 会 架 设 距 离 震 中 非 常 近 的 流 动 台 站(网 ) , 有 近 台 数 据 参 加 计 算 , 双 差 定 位 算 法还 可 以 给 出 更 加 精 确 的 震 源 绝 对 位 置 [ 8 ] , 这就 为 获 取 更 加 细 致 、 更 加 准 确 的 震 中 分 布 图像 提 供 了 可 能 , 为 震 后 趋 势 判 定 提 供 更 准 确的 资 料 。波 形 互 相 关 不 仅 可 以 大 幅 度 提 高 震 相 到时 读 数 的 精 度 , 同 时 还 可 以 用 于 弱 震 事 件 的识 别 、 地 震 事 件 的 自 动 定 位 以 及 特 殊 事 件 侦查 等 方 面 的 研 究 。波 形 互 相 关 可 以 识 别 常 规 情 况 人 工 无 法识 别 的 弱 震 事 件 , 提 高 台 网 监 测 能 力 。 例 如 20 ]使 用 欧 洲 北 极 圈 和 亚洲 中 部 地 区 及 其 附 近 已 有 的 台 阵 (网 )数 据 ,通 过 波 形 互 相 关 技 术 将 这 两 个 地 区 的 地 震 监测 能 力 提 高 了 0. 5— 1级 。 如 果 互 相 关 技 术可 以 将 一 个 台 网 地 震 监 测 能 力 的 震 级 下 限 降低 1级 , 将 会 有 比 目 前 约 多 十 倍 以 上 的 事 件被 监 测 到 。4  分 析 讨 论(1) 波 形 互 相 关 效 果 的 好 坏 受 台 站 信 噪比 高 低 影 响 很 大 , 这 可 以 通 过 合 理 滤 波 、 互谱 等 方 法 在 一 定 程 度 上 降 低 影 响 , 但 是 无 法绝 对 避 免 。 因 此 , 在 计 算 过 程 中 需 要 对 相 关波 形 进 行 比 较 , 增 加 人 肉 眼 辨 别 的 过 程 , 避免 不 真 实 数 据 参 与 到 计 算 中 , 从 而 提 高 定 位数 据 的 可 信 度 。(2) 在 相 关 事 件 选 取 上 , 存 在 一 个 多 次试 验 逐 步 优 化 的 过 程 。 可 以 尝 试 按 照 经 纬 网格 划 分 , 也 可 以 按 照 经 验 性 多 边 形 区 域 图 形划 分 , 甚 至 可 以 按 照 地 震 序 列 划 分 。 究 竟 选取 哪 种 划 分 方 式 更 理 想 , 在 程 序 设 计 中 应 该综 合 考 虑 , 在 实 际 使 用 中 应 该 逐 步 摸 索 实验 。23 国   际   地   震   动   态                             2008年(3) 随 着 数 字 化 资 料 的 广 泛 使 用 , 高 精度 三 维 区 域 地 震 走 时 表 研 究 项 目 逐 步 开 展 ,为 地 震 定 位 提 供 更 加 接 近 真 实 情 况 的 壳 幔 速度 模 型 后 , 结 合 波 形 互 相 关 技 术 获 取 高 精 度震 相 到 时 读 数 , 必 将 为 地 震 定 位 发 展 开 辟 一片 更 加 广 阔 的 天 空 。(作 者 电 子 信 箱 , 黄 媛 : 考 文 献[ 1 ] P, R G. to 999m, 2004, 94: 8672879[ 2 ] W U im m, 1999,89: 1 14321 146[ 3 ] , L, . in n to J 1984, 89: 5 71925 731[ 4 ] R pp pp l 2006, 163: 3512372[ 5 ] , H, s D. m, 2004, 94: 8562866[ 6 ] 赵 翠 萍 . 1997— 2003年 伽 师 震 源 区 特 征 的 地 震 学 方 法 研 究 . 博 士 学 位 论 文 , 中 国 地 震 局 地 球 物 理 研 究所 , 2006[ 7 ] 黄 媛 , 杨 建 思 , 张 天 中 . 2003新 疆 巴 楚 2伽 师 地 震 序 列 的 双 差 法 重 新 定 位 研 究 . 地 球 物 理 学 报 , 2006,49 (1) : 1622169[ 8 ] 张 天 中 , 武 巴 特 尔 , 黄 媛 , 等 . 近 台 资 料 对 近 震 相 对 定 位 算 法 的 影 响 . 地 球 物 理 学 报 , 2007, 50 ( 4) :1 12321 130[ 9 ] , D. H p of t. W 1987, 92: 10 223210 236[ 10 ] , of m 1992, 110: 5012517[ 11 ] L, , W. p J 1994, 99: 15 375215 386[ 12 ] M. 1 to J e, 1997, 102: 8 26928 283[ 13 ] W , L . on 1999, 26: 3 52523 528[ 14 ] P, H R, C, W L. H J 2002, 107 (: 2 18622 201[ 15 ] W , L. A m, 2000, 90 (6) : 1 35321 368[ 16 ] P, R et Op mp m, 2004, 94: 7052721[ 17 ] 杨 智 娴 , 陈 运 泰 , 郑 月 军 , 等 . 双 差 地 震 定 位 算 法 在 我 国 中 西 部 地 区 地 震 精 确 定 位 中 的 应 用 . 中 国 科学 , 2003, 46 (增 刊 ) : 1812188[ 18 ] 朱 艾 斓 , 徐 锡 伟 , 胡 平 , 等 . 首 都 圈 地 区 小 震 重 新 定 位 及 其 在 地 震 构 造 研 究 中 的 应 用 . 地 质 论 评 , 2005(3) : 268227433第 4期             黄   媛 : 结 合 波 形 互 相 关 技 术 的 双 差 算 法 在 地 震 定 位 中 的 应 用 探 讨[ 19 ] 朱 艾 斓 , 徐 锡 伟 , 周 永 胜 , 等 . 川 西 地 区 小 震 重 新 定 位 及 其 活 动 构 造 意 义 . 地 球 物 理 学 报 , 2005, 48(3) : 6292636[ 20 ] J, R . of at m Sp P em 1 1 2004,35248on en t of DA w ta in dm 0081, W of ic in to p of s of D ( is a p in D, p p in ic p s of ic of in of D of of   际   地   震   动   态                             2008年
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