利用地震波信息进行地震定位

陈卓

摘 要：地震定位一直是地震学的最基本、经典问题之一，提高地震定位精度也是重要课题。本文就常见地震方法进行了分类和原理解释，对地震定位的信息读取，震相识别进行了阐述。最终选取了可以利用多种已知量进行地震定位的Hyposat方法，对发生在四川省成都市彭州区的地震事件进行了绝对定位，获得了这次地震的震源参数信息。

关键词：地震波;地震定位;地震震相;hyposat

中图分类号：P315.75 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0184-02

0 引言

由于断层突然破裂引起的大地的震动形成地震，由于断层在震源处发生两种形变—体积形变和剪切形变，其中体积形变产生纵波，剪切变形产生横波[1]，纵波和横波称为体波。纵波和横波在界面附近，衍生出另一种形式的波，它们只在界面附近传播，这种波称为面波。

地震波包括体波和面波，经过地球介质传播被地面的地震台记录为地震图，地震工作人员通过波形分析，可以获得地震的震相信息，利用这些信息可以确定地震发生的位置，以及传播介质的结构特征等。地震波的传播和几何光学很相似[2]，有关地震波传播的许多问题，可以用地震射线理论来解决，地震波在地球介质中传播存在反射、折射、干涉以及衍射等现象，因此地震射线理论遵循惠更斯原理、费马原理和斯奈尔定律等光学规律。

1 地震定位方法简介

地震发生之后，快速确定地震的位置，一直是地震学最经典、最基本的问题之一[3]，它不仅对研究地球介质结构、地震预测、活动构造等地震学基本问题意义重大，而且对地震之后的地震救灾和减灾工作快速开展起着至关重要的作用。

早期的地震定位方法以几何作图法为主，基于射线理论，以走时方程为基础，借助平面或球面作图确定地震位置[4]。1912年德国科学家Geiger提出了经典的地震定位方法[5]，只是由于当时计算技术落后，并未得到很好的应用，直到20世纪 70年代，计算机的出现及发展，Geiger定位方法开始广泛应用于各种线型定位方法。随着计算机性能的提升，非线性方法也开始逐渐应用于地震定位中。地震定位根據获取地震事件位置的相对性，可以分为绝对地震定位和相对地震定位方法。

1.1 绝对地震定位方法

根据求解地震数目是单个地震或多个地震事件分为单事件绝对地震定位和多事件绝对地震定位。单事件绝对定位方法一般均基于Geiger法，将地震波走时方程线性化，利用最小二乘方法求解地震震源参数。随着计算机技术的发展，根据Geiger法，进一步发展出了HYPO71-86、HYPOINVERSE、HYPOCENTER等算法及地震定位计算机程序。

但是单事件绝对定位方法使用简单的地下速度模型，因此在地下结构比较复杂的地区地震定位会出现较大的定位误差。为了克服这一缺点，1967年Douglas提出了台站校正的联合反演法（JED）[6]，在JED方法上，Dewey进一步发展了台站校正的联合反演法（JHD）[7]，该方法既包括了震源深度在内的震源参数以及台站校正值，在一定程度上减少了由于复杂地壳引起定位误差。1976年Crosson提出了震源位置与速度结构的联合反演法[8]，也就是该方法将速度模型也变为求解参数之一，加入方程，与震源参数共同求解，最终可以获得比较精确的定位结果，还可以获得地下结构信息。

1.2 相对地震定位方法

相对定位方法获得的是一群地震事件的震源位置，而并非是这一系列地震事件每一个地震事件的绝对位置，这种方法主要是利用地震事件离得比较近，因此地震事件到地震台站的路径基本相似，在计算时可以将地震到台站路径相减，去掉相同路径的部分，那么只有震源附近的速度模型影响地震定位的结果。目前的相对定位方法主要包括主事件法和双差定位方法。

主地震定位法基本原理是选定震源位置较为精确的地震作为主地震事件，计算发生在其周围的一群地震相对于它的位置，进而确定这群地震的震源位置[9][10]。但该方法严格依赖于主事件的位置和到时，如果主事件定位结果不够精确，会导致整个地震事件群误差较大。

Waldhauser和Ellsworth于2000年提出双差定位方法，该方法的基本原理是2个地震满足一定条件（地震至台站距离与两个地震之间距离之比至少大于10），两两地震组成事件对，地震对内2个地震的观测走时差与理论走时差的残差，即为双重残差，利用所有台站和事件对，组成方程组，利用最小二乘法，最终获得地震事件的相对位置。该方法的优势首先克服了地震到台站传播路径的速度模型的影响，其次并不依赖于某一个地震定位的精度，然后双差定位方法可以利用波形互相关方法提高地震事件的到时差精度。

2 地震信息读取

地震发生之后，能量以地震波的形式向外传播，最终地震波传播到地表，被地震仪器记录到，经过数电转换，形成数字地震波形，通过地震专用软件，最终在地震图上显示出来。在地震图上显示的地震波组，称为震相，地震波的震相在波形、到时、振幅、质点运动方式和周期等方面均有自己特有的特征，然而这些地震波会有一定持续时间，因此又会发生彼此的干涉，从而使地震图更加复杂，地震学的基本任务之一就是从这些复杂的地震图中，将这些地震震相分析出来。实际的工作中，对于地震定位最重要的为地震纵波P波和和地震横波S波震相，因此确定地震波的直达波、首波，是非常重要的。图1为2013年4月24日18点43分4秒发生的地震波形图。在波形图上最开始到的一组地震波能量即为纵波震相，最开始到达的地震波为直达波，国内通常用Pg作为标记，因为横波波速比纵波波速慢，因此第二组明显的能量为横波震相，横波最开始到达的地震波为横波直达波，国内通常用Sg作为标记，如图所示地震图中第一个台站WCH，所标识的震相Pg和Sg。当震中距达到193km之后，纵波最先到达地震台站的有直达波过渡为首波，国内通常用Pn来表示，如图2所示。

3 利用地震横波和纵波对地震事件定位

根据已有的数据资料，选取合适的定位方法很重要，根据地震的位置，地震定位可以划分为绝对定位和相对定位方法，但是相对定位方法是以地震发生的绝对位置为基础，因此获取地震发生的绝对定位非常重要，目前已有的绝对地震定位方法中，hyposat定位方法1997由Schweitzer在Geiger法基础上发展而来，该方法除了采用传统的震相（Pn、Sn、Pg、Sg等）到时，还能联合利用震相到时差、地震震源到地震台站的方位角和地震射线参数等相关已知量，来参与定位，从而进一步提高地震绝对位置的精度。

现在以2013年4月24日18点43分发生在四川地区的地震事件为例，利用地震专业处理软件（MSDP或SAC），可以获得地震到达台站纵波和横波到时，本次地震我们获得的数据见表1。

在hyposat方法中，有五个输入文件，分别为hyposat参数控制文件（默认为hyposat-parameter）、震相文件名（默认为hyposat-in）、全球速度文件名（默认为REG_L3.DAT）、台站位置文件名（默认为hyposat-sta）、区域速度模型文件名（默认为hyposat-crh）定义以及反演过程中控制参数设置。在五个输入文件中最重要的是震相文件（hyposat-in），该文件的数据主要内容也就是表1中的数据，来源于地震图。Hyposat-sta为台站信息文件，包括地震台站的经度、纬度、高程以及台站名。全球与区域模型均为一维速度模型，格式类似，区别在于全球的模型，为比较大区域的平均模型，区域模型主要为研究区附近的平均速度模型。这五个文件准备完成之后，可以运行hyposat相关计算机程序进行计算，最終获得地震的绝对定位的位置。图3中为hyposat计算机程序利用表1中的数据，定位出了2013年4月24日18点43分4秒在经度为103.77°，纬度为31.36°，震源深度为10km的地点发生的地震。

4 结语

地震定位它不仅对研究地球介质结构、地震预测、活动构造等地震学基本问题意义重大，因此如何提高地震定位精度是一个重要且必须面对的难题，影响地震定位的因素包括速度模型的精确程度、地震信息获取的精度，地震定位方法选取。本文选取了四川成都附近的速度模型，尽可能保证地震信息纵波（Pg、Pn）、横波（Sg）准确性，利用hyposat定位方法，对发生在四川省成都市彭州区的地震进行了绝对定位，该方法能利用多种已知量进行地震定位，从而提高本次地震事件的定位精度。

参考文献

[1] 中国地震局监测预报司.实用数字地震分析[M].地震出版社，2009.

[2] 曾融生.固体地球物理学导论[M].科学出版社，1984.

[3] 田玥，陈晓非.地震定位研究综述[J].地球物理学进展，2002，17（1）：147-155.

[4] 杨文东，金星，李山有，等.地震定位研究及应用综述[J].地震工程与工程振动，2005，25（1）：14-20.

[5] Geiger L.Probability method for the determination of earthquake epi centers from arrival time only[J].Bull.St.Louis.Univ，1912（8）：60-71.

[6] DouglasA.Jointepicenterdetermination[J].Nature，1967，215：47-48.

[7] Dewey J W. Seismicity and tectonics of western Venezuela[J].Bulletin of the Seismological Society of America，1972，62（6）：1711-1751.

[8] Crosson R S.Crustal structure modeling of earthquake data： 1.Simultaneous least squares estimation of hypocenter and velocity parameters[J].Journal of Geophysical Research，1976，81（17）：3036-3046.

[9] 吴开统.地震序列概论[M].北京大学出版社，1990.

[10] 周仕勇，许忠淮，韩京，等.主地震定位法分析以及1997年新疆伽师强震群高精度定位[J].地震学报，1999，21（3）：258-265.