（固体地球物理学专业论文）区域数字地震台网数据处理系统研制.pdf

摘要 数字地震记录具有频带宽、分辨率高、动态范围大、易于与计算机联接处 理等优点，一经出现，世界各国无不竞相发展数字地震观测系统，从而使地震 学的发展出现了一个新的飞跃。进入全新的数字地震学时代。 区域数字地震台网一般建立在地震活动频繁地区或有一定地震活动背景 的重要经济区或人口稠密区，主要用来监视一个地区及邻区的地震活动，为地 震监测预报，为研究本区域及邻区的地球内部构造和震源环境服务。 为了充分发挥数字地震台网的作用，充分利用丰富的数字化地震资料，同 时考虑到数字地震台网的同常工作内容，我们研制了适合于区域数字地震台网 的数据处理系统。刘瑞丰老师将德国的波形分析处理系统移植改造成全国地震 台网数据处理系统( t h eh a n d les yst e r no fr e g io n a ls eis m o g r a p hn e t w o r k s 简称h s r s n 系统) ，在此基础上，我们将该系统移植改造成了适用于区域数字 地震台网的数据处理系统。对系统进行了功能增加，特别是地震定位方法和绘 图功能。增加了横向不均匀介质中的地震定位和地震震中分布图绘制。考虑到 震群型地震在使用双差定位法时有很大优越性，我们以三峡台网为例，研究讨 论了双差定位法在三峡水库地区地震定位中的应用。 一直以来地震学家都在致力于提高地震定位精度，目前地震定位发展有两 大主流：一是地震模型的不断发展：二是各种定位方法的创新，尤其是采用多 重地震定位方法来提高相对定位的能力。 现在地震地位的精度差，很大程度是由于我们所假定的模型有误差引起 的，为了改善定位精度，必须采用更符合实际情况的速度结构模型，尤其要考 虑速度结构的横向差异。故我们在文中进行了横向不均匀介质中地震定位的尝 试。 考虑到相对到时不受波速不均匀引起的射线路径异常的影响，但受空间距 离的约束很强，而绝对到时空问范围选取自由，w a l d h a u s e r 等人提出了一种比 绝对定位方法精度高的相对定位法，即当今国内外较为盛行的双差法。如果两 个地震位置之间的距离小于事件到台站的距离和速度结构不均匀的尺度，那么 这两个地震到同一台站之间的射线路径几乎相同。这时，在某一台站观测到的 两个事件的走时差就来自于事件之问高精度的空间偏移。这两个地震事件构成 地震对，通过引入“双差”，可以计算地震之间的相对位置，从而消除了速度 模型的不均匀引起的误差。 最后我们把数据处理系统应用于三峡台网，对2 0 0 4 年间的18 个地震事件进 行了重新定位，并用横向不均匀介质中的地震定位法，对三峡台网记录到的部 分地震，进行了重新定位。还对三峡地区( 3 0 5 0 31 5 0 n 、l0 9 5 0 11 1 5 0 e ) 2 0 0 3 年5 月19 只到2 0 0 5 年8 月三峡台网观测报告上的l6 7 6 次地震，进行了双差定位， 得到了其中的l l61 次地震的基本参数。重新定位结果显示了比较精细的震中分 布图像和震源深度剖面图像。 关键词：区域台网数据处理地震定位横向不均匀 双差法三峡 a b s t r a c t d i g i t a ls e i s m o l o g i c a lr e c o r d sh a v es u c ht h ea d v a n t a g e sa sb r o a db a n d ，h i g h r e s o l u t i o n ，l a r g ed y n a m i cr a n g e ，e a s yc o n n e c t i o nw i t hc o m p u t e r s ，e t c o n e ei t a p p e a r e d ，t h ew h o l ew o r l dd e v e l o p e dt h ed i g i t a ls e i s m o l o g i c a lo b s e r v a t i o ns y s t e m i ti san e wl e a pi ns e i s m o l o g y ，a n dan e we r ao fd i g i t a ls e i s m o l o g yc o m e s o n r e g i o n a ld i g i t a ls e i s m o g r a p hn e t w o r k sa r eu s u a l l yb u i l ti nt h ea r e a sw h e r e e a r t h q u a k e sh a p p e nf r e q u e n t l y ，o ri m p o r t a n te c o n o m i co rp o p u l o u sa r e a sw i t hh i g h s e i s m i c i t y t h em a j o rt a s ki s t oo b s e r v es e i s m i ca c t i v i t y i nt h ea r e aa n dt h e a d ja c e n tr e g i o n s ，a n ds e r v et h ee a r t h q u a k ep r e d i c t i o na n dt h er e s e a r c h e so nt h e e a r t hi n t e r n a ls t r u c t u r ea n dt h eh y p o c e n t e re n v i r o n m e n t i no r d e rt op l a yaf u l lr o l et od i g i t a ls e i s m o g r a p hn e t w o r ka n dm a k eaf u l l u s e o ft h er i c hd i g i t a ls e i s m o l o g i c a ld a t a ，w h i l et a k i n gr o u t i n ew o r k so ft h ed i g i t a l s e i s m o g r a p hn e t w o r ki n t oa c c o u n t ，w ed e v e l o p e dt h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mo f r e g i o n a ld i g i t a l s e i s m o g r a p hn e t w o r k ( t h eh a n d l i n gs y s t e mo f r e g i o n a l s e i s m o g r a p hn e t w o r k s ，h s r s nf o rs h o r t ) p r o f e s s o rl i ur u i f e n gi n t r o d u c e dt h e s e i s m i cw a v e f o r ma n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gs y s t e mf r o mg e r m a n yt o t h ec h i n a s e i s m o g r a p hn e t w o r k w em a d et h ed i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e ma p p l yt ot h e r e g i o n a ld i g i t a ls e i s m o g r a p hn e t w o r ka n di m p r o v e dt h ef u n c t i o n s ，e s p e c i a l l yt h e e a r t h q u a k el o c a t i o nm e t h o d sa n dm a p p i n gf u n c t i o n w ea d dal o c a t i o nm e t h o di n t h el a t e r a lh e t e r o g e n e o u sm e d i u ma n dm a p p i n ge p i c e n t e rm a pb yg m ts o f t w a r e c o n s i d e r i n gt h eg r e a ta d v a n t a g eo fh a n d l i n gs w a r mt y p ee a r t h q u a k e sb yu s i n gt h e d o u b l e - d i f f e r e n c e l o e a t i o n m e t h o d ， w ed i s c u s s e dt h e a p p l i c a t i o n o f d o u b l e d i f f e r e n c ee a r t h q u a k el o c a t i o nm e t h o di nl o c a t i o nf o r t h et h r e eg o r g e s r e s e r v o i ra r e a s e i s m o l o g i s t sa l w a y sd e v o t et h e m s e l v e st oe n h a n c et h ee a r t h q u a k el o e a t i o n p r e c i s i o n n o wt h e r ea r et w om a i ns t r e a m si ne a r t h q u a k el o c a t i o n 。o r ei st h e d e v e l o p m e n to ft h ee a r t h q u a k em o d e l sa n dt h eo t h e ri st h ei n n o v a t i o n o ft h e l o c a t i o nm e t h o d s ，e s p e c i a l l yt h ee n h a n c e m e n to ft h er e l a t i v el o c a t i o n a b i l i t yi n m u l t i p l el o c a t i o nm e t h o d s d u et oo u rp o o re a r t h q u a k em o d e l ，n o wt h ee a r t h q u a k el o c a t i o np r e c i s i o ni s n o tv e r yh i g h t oi m p r o v et h el o c a t i o np r e c i s i o n ，w es h o u l du s et h ev e l o c i t ym o d e l n e a r e rt ot h ep r a c t i c e ，e s p e c i a l l yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h el a t e r a lh e t e r o g e n e o u s m e d i u m t h u sw em a d ea na t t e m p tt ol o c a t ei nt h el a t e r a lh e t e r o g e n e o u sm e d i u m c o n s i d e r i n gr e l a t i v ea r r i v a lt i m ea l m o s te f f e c t e db yt h er a yp a t ha n o m a l y c a u s e dt h ew a v ev e l o c i t yh e t e r o g e n e i t y ，w h i l eh i g h l yr e s t r i c t e db ys p a t i a ld i s t a n c e a n dw ec a nf r e e l yc h o o s et h ea b s o l u t ea r r i v a lt i m es p a t i a lr a n g e ，m r w a l d h a u s e r p u tf o r w a r dan e wr e l a t i v el o c a t i o nm e t h o dt h a ti sb e t t e rt h a na b s o l u t el o c a t i o n m e t h o d t h en e wm e t h o di sd o u b l e d i f f e r e n c ee a r t h q u a k ei o c a t i o nm e t h o dw h i c h i sp o p u l a ri nt h ew o r l d i ft h eh y p o c e n t r a ls e p a r a t i o nb e t w e e nt w oe a r t h q u a k e si s s m a l lc o m p a r e dt ot h ee v e n ts t a t i o nd i s t a n c ea n dt h es c a l el e n g t ho ft h ev e l o c i t y h e t e r o g e n e i t y ，t h e nt h er a yp a t h sb e t w e e nt h es o u r c er e g i o na n dac o m m o n s t a t i o n a r es i m i l a ra l o n ga l m o s tt h ee n t i r er a yp a t h i nt h i sc a s e ，t h ed i f f e r e n c ei nt r a v e l t i m e sf o rt w oe v e n t so b s e r v e da to n es t a t i o nc a nb ea t t r i b u t e dt ot h es p a t i a lo f f s e t b e t w e e nt h ee v e n t sw i t hh i g ha c c u r a c y t h et w oe v e n t sa r ec a l l e dae a r t h q u a k e c o u p l e s i n t r o d u c i n gt h ed o u b l ed i f f e r e n c ei d e a ，w ec a nc o m p u t ee a r t h q u a k e s r e l a t i v el o c a t i o n t h ee f f e c t so fe r r o r si ns t r u c t u r ec a na l s ob ee f f e c t i v e l y m i n i m i z e db yu s i n gd o u b l ed i f f e r e n c ee a r t h q u a k el o c a t i o nm e t h o d f i n a l l yw ea p p l i e dt h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mi n t ot h es a n x i as e i s m o g r a p h n e t w o r ka n dr e l o c a t ee i g h t e e ne v e n t si n2 0 0 4 a n dw er e l o c a t es o m ee a r t h q u a k e s r e c o r d e db yt h es a n x i as e i s m o g r a p hn e t w o r ku s i n gal o c a t i o nm e t h o di nt h el a t e r a l h e t e r o g e n e o u sm e d i u m t h ed o u b l ed i f f e r e n c ee a r t h q u a k e l o c a t i o nm e t h o dw a s a p p l i e dt o l o c a t ep r e c i s e l yt h ee a r t h q u a k e si nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a ( 3 0 5 。31 5 。n ，10 9 5o 一111 5 。e ) u s i n g 16 7 6e a r t h q u a k e sr e c o r d e db yt h es a n x i a s e i s m o g r a p hn e t w o r kf r o mm a y19 ，2 0 0 3t oa u g ，2 0 0 5 ，w er e l o c a t e dt h e ma n dg o t t h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h e1 161e v e n t s t h er e s u l to fr e l o c a t i o ns h o w st h ef i n e r i m a g eo ft h ee a r t h q u a k ed i s t r i b u t i o na n dt h ep r o f i l es e c t i o no ft h ef o c a ld e p t h k e yw o r d s ：r e g i o n a ls e i s m o g r a p hn e t w o r k ，d a t ap r o c e s s i n g ，e a r t h q u a k e l o c a t i o n ，l a t e r a lh e t e r o g e n e o u s n e s s ，d o u b l ed i f f e r e n c em e t h o d ， t h et h r e eg o r g e s i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局地震研究所关于收集、保存、使用学位 论文的规定，同意如下各项内容：按照地震所要求提交学位论文的印 刷本和电子版本；地震所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采 用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：地震所有权提供 目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；地震所有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，地震所可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名：承受民 加96 年6 月碍日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在加矽年解密后适用 嘉誓耋嚣名：譬s 芭，指导教师签名：急5 巴r 施月z ? 日 学位论文作者签名：泵砍民 汹6 年6 月谒日 中国地震局地震研究所 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式表明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：张珉 枷6 年6 月仉日 第一章引言 第一章引言 1 1 数字地震观测技术的发展 地震学是一门观测科学。地震仪对于地震学犹如望远镜对于天文学一样的 重要1 1j 。地震学的发展是与地震仪的发展密切相关的。 公元13 8 年，我国东汉时期的张衡( 7 8 13 9 年) 于公元l3 2 年发明的、设 置在洛阳的一台候j x l 地动仪检测到了一次发生在甘肃省内的地震。这是人类历 史上第一次用地震仪器检测到远处发生的、但在仪器所在地无感的地震。第一 台近代地震仪是意大利人f ih p p oc e c c h i 于1 8 7 5 年发明的，可以记录两个分 向( 南一北与东一西分向) 的地面运动，由于放大倍数只有三倍，只能记录强震。 可以说，l9 世纪8 0 年代以前，地震学是以宏观观察和定性描述为主。19 世纪 8 0 年代之后的3 0 4 0 年间，随着近代地震仪的发展，地震学家才有可能丌始 研究实际的地面运动。 ， 第一个标准化全球台网( 世界标准地震网w w s s n ) 在2 0 世纪6 0 年代早期才 得以建立，采用的是最为原始的记录方法一一在照相纸上进行的相似体光点记 录法。需要指出的是，从l8 7 5 年第一台近代地震仪诞生到2 0 世纪7 0 年代中 期的l0 0 年来，地震学家主要依靠的是模拟记录地震图。然而这种地震仪实在 太灵敏且动态范围小、频带窄，遇到大地震时就“出格”( 超过量程) 。从2 0 世纪7 0 年代起，地震观测系统中大量采用了将信号进行数字化的记录方式。 数字记录地震仪具有记录频带宽、分辨率高、动态范围大、易于与计算机联接 处理等优点，所以自l9 7 5 年美国圣迭戈加州大学( u c s d ) 地球和行星物理研究 所( i g p p ) 开始实施i d a 台网一一国际加速度仪部署台网( i n t e r n a tio n a l d e p l o y m e n to fa c c e le r o m e t e r s ) 和德国开始建立g r ；i f e n g b e r g 台阵计划以来， 地震观测系统中大量采用了数字记录方式，从而使地震学的发展出现了一个新 的飞跃，数字地震台站、台网和台站数量迅速增加，地震观测由此进入数字地 震时代。 我国从2 0 世纪8 0 年代丌始建设数字地震台网，中美合作的中国数字地震 台网( c d s n ) 是我国第一个国家级的数字地震台网。该台网于19 8 3 年规划设计， 1 9 8 6 年投入实际运行。19 9 3 2 0 0 1 年，中美双方对c d s n 进行了二期改造，使 台网的硬件、软件系统符合美国地震学联合研究协会( ir i s ) 在全球建立的数字 地震台网( g s n ) 的技术规范。目前，c d s n 是g s n 的一个重要组成部分( 周公威等， 1 9 9 5 ，l9 9 7 ) 。从19 9 6 年开始，在中央和地方政府的大力支持下，中国地震局 进行了“中国数字地震监测系统 建设。根据台站均匀分布的原则，同时又要 保证对于一些重点地区的加密观测，该监测系统分为国家数字地震台网、区域 遥测数字地震台网和流动数字地震台网3 个层次( 庄灿涛等，19 9 5 ，2 0 0 3 ) 。通 过“八五 、“九五”期间的中国数字地震观测系统建设，尤其是“十五”项 中圈地震局地震研究所硕l ：学位论文 目，经过中国地震局和有关部门的重视和支持，以及广大地震科学工作者和工 程技术人员的努力，现已建立了比较完善的数字地震观测网络系统。可以颁见， 目前已建立或正在逐步建立完善的各省市区域数字地震观测网络系统，必将在 我国地震观测中发挥重要的作用。 1 2 数字地震台网数据处理概述 数字地震观测系统的建设是发展数字地震学的基础，但决不是最终目的， 观测资料的充分利用才是目的。数字地震观测系统的基本原理、数字地震资料 产出过程以及数字地震信号处理的基本原理都与模拟地震观测系统不同，也不 仅仅是模拟地震观测的改进。我们不能仅满足于将模拟分析一套方法照搬到计 算机屏幕上。实际上整个数字地震观测系统是“硬件 和“软件紧密结合的 【z j 。为了充分发挥数字地震台网的建设效益和作用，为科学研究、地震预报、 工程建设等提供可靠完整的数据，需要研制适应于数字化要求的地震台网数据 处理系统。 与国家数字地震台网相比，区域数字地震台网的子台布局范围要小得多， 主要用来监视一个地区的地震活动，一般建立在地震活动频繁地区或有一定地 震活动背景的重要经济区或人口稠密区。区域台网主要任务是监测本区域及邻 区的地震活动性，为地震监测预报，研究本区域及邻区的地球内部构造和震源 环境服务。与国家台网相比，它在观测方面具有如下优势： ( 1 ) 台站密度较高：如三峡数字地震台网平均台间距15 - 2 0 k m ，加密地区还 要更小； ( 2 ) 观测震级大大降低：记录的大量中、小地震资料，精确时1 8 j 服务和定 位的中、小地震对研究本区域的精细构造和震源环境是难得的资料： ( 3 ) 在震源研究方面：区域台网资料大部分是近场或中场记录，含有丰富 震源信息的高频成分尚未衰减，这对研究本区域中强以上震源破裂的细过程是 远场资料所不能代替的： ( 4 ) 从事区域地震监测和研究的科技人员，一般对本区域的构造环境比较 熟悉，容易将地震学研究成果与构造环境、地震地质和其他地球物理场观测结 果联系思考。这对于研究地震成因和地震预测是十分重要的，毕竟地震不是一 个孤立的自然现象。 区域数字地震台网中心承担着区域数字地震台网资料的汇集、处理等任务， 是充分发挥区域数字地震台网在地震监测中的作用的十分关键因素，而区域台 网中心的软件系统，可以说又是区域台网中心的灵魂【3 l ，软件系统的性能直接 关系到区域数字台网在地震观测中作用的发挥。 根据区域数字地震台网承担的任务，其数据处理的主要内容是： ( 1 ) 震相分析 区域地震台网主要是监测地方震和近震，因此，震相分析的主要内容是p g 、 2 第一章引言 s g 、p n 、s n 、l n 震相的识别和震相到时及相应振幅、周期的读取。 ( 2 ) 地震基本参数的测定 当一个地震发生后，通过台网的观测资料，使用特定的方法，测定出地震 震源基本参数，包括地震发震时刻、震中经纬度、震源深度。测定震源基本参 数的方法概括起来可分为两类，一类是作图法，另一类是计算法。各方法必须 满足的已知条件是：a 台站位置坐标：b 速度模型或走时表：c 清晰可靠的震 相记录。 ( 3 ) 测定震级 震级是表征地震强弱的量度，它是地震的基本参数之一，是地震预报和其 他有关地震学研究中的一个重要参数。区域地震台网通常使用近震震级m i 。 ( 4 ) 其他内容 作为一个完整的数据处理系统需要包括：a 计算机软硬件的基本配置要 求；b 系统安装步骤；c 系统中的参数文件及其建立；d 系统功能；e 使用方 法。 数字地震台网数据处理系统根据不同的需要可分为，主要用于地震速报目 的的数据处理系统和主要用于编辑出版地震目录与观测报告的数据处理系统。 前者追求的是“快速”测定地震位置，定位结果尽量准确，后者追求是“精确 测定地震位置，定位结果要准确。一般情况下，后者是对前者地震定位结果的 重新修定。 第一二章数据处理系统研制 第二章数据处理系统研制 2 1 研制思路和内容 地震台网数据处理分析系统，一般由波形处理、地震定位、结果显示( 绘 图) 、报告编辑等功能组成。目前，国内外现行的地震台网数据处理系统很多。 例如，地震预测研究所港震公司开发的人机交互地震数据分析处理系统( e d a s ) 。 主要功能包括：( 1 ) 震相拾取；( 2 ) 地震定位：提供了远震定位、h y p 0 8l 、遗传 法和交切法等多种台网定位方法，速度模型采用j - b 模型：( 3 ) 数据处理：提供 了仪器仿真、滤波等数据处理方法；( 4 ) 地震复核：软件中具有连续记录文件和 事件文件的编辑功能，可以对不满足触发条件的微震由人工从连续记录文件中 进行截取；( 5 ) 定位结果显示：用图形方式，配合背景地图显示震中位置。再例 如，德国格拉芬堡地震台阵开发的人机交互数据处理系统( s h m ) ，主要功能包 括：( 1 ) 读取s t ei m l 格式压缩的mi1 1is e e d 连续数据流，支持g s e 、a h 、q ( p r iv a t e f o r m a to fs h ) 等文件：( 2 ) 在时间或振幅方向上对记录进行放大或缩小；( 3 ) 提供了标准滤波器，包括仿真滤波器和巴特沃斯滤波器：( 4 ) 确定信噪比；( 5 ) 使用台阵聚束滤波( a r r a y b e a m f o r m i n g ) 或f k 算法( f k a l g o r i t h m ) 计算远震 波束，确定波前的慢度和反方位角：( 6 ) 基于台阵方法的全球走时表或相对走 时表远震事件定位；( 7 ) 使用l o c s a t 程序进行区域事件定位，l o c s a t 在定位上 采用了i a s p 91 速度模型，也可根据需要外挂其他速度模型，如j b 、a k 13 5 等模 型；( 8 ) 显示理论走时：( 9 ) 确定振幅和震级( m 1 、m b 和m s ) 。 任何一个地震台网数据处理系统的开发都有它的针对性，因此是各具特色。 我的论文是要在老师的指导下，在前人的基础上，开发区域地震台网数据处理 系统。我们综合分析了上述两个数据处理系统的特点，认为以s h m 系统为基础， 开发区域地震台网数据处理系统是可行的。刘瑞丰老师1 9 9 8 年把s h m 系统移植到 国家地震台网分中心，经过改进建成了适合于全国地震台网的数据处理系统， 八年来该系统运行稳定，处理了上千的地震事件，每月处理8 3 4 g b 的连续波形 数据。 我的论文是通过对s h m 系统的进一步移植和改造，开发出一套区域地震台 网数据处理系统( th eh a n d lin g s y st e mo fr e g io n a ls eis m o g r a p hf i e t w o r k s ， 简称h s r s n 系统) 。h s r s n 系统除沿用s h m 系统基本功能外，还做了如下改进： 一是在l in u x 操作系统下，对s h m 系统进行了精简，使界面更清晰明朗、简单 实用；二是扩充了地震定位功能，增加了横向不均匀介质中的地震定位方法。 此外考虑到对于震群型地震使用双差定位法有很大优越性，我们以三峡台网为 例，研究讨论了双差定位法在三峡水库地区地震定位中的应用。若要作为常规 分析处理系统的一部分，双差定位法可随时增加到系统中。三是增加了绘图功 能，结合使用g m t 软件和l m a g e m a g i c k 软件，用图形方式配合背景地图显示震 5 中固地震局地震研究所颀lj 学位论文 中位置。 随着各省级和区域数字地震台网的逐步建立，该系统的完成会使数字地震 处理软件更加多元化，必将为数字地震资料的进一步处理和使用提供帮助。 2 2h s r s n 系统基本功能 h s r s n 系统沿用了全国地震台网数据处理系统的主要功能，解决了区域( 或 遥测) 数字地震台网的数据读取、仿真滤波、g m t 成图等问题。 根据区域数字地震台网承担的任务和数据处理的主要内容，h s r s n 系统的 功能可划分为以下几个部分，如图2 1 所示。 j 图2 1h s r s n 系统基本功能示意 ( 1 ) 地震波形数据分析处理功能：主要包括连续波形和事件波形的读取， 人机结合分析震相，波形的仿真与滤波，震相的保存与恢复，写成g s e 或 m i n i s e e d 格式等： ( 2 ) 地震基本参数精确测定功能：主要包括应用l o c s a t 程序( 速度模型 采用i a s p 9 l 模型) 进行定位，量取振幅，确定震级( m l 、m b 、m b 、m s ) 等； ( 3 ) 绘图编辑输出功能：主要包括g m t 绘制震中位置图，定位文件输出 和观测报告输出； ( 4 ) 其他辅助功能：如频谱分析，计算震相的理论走时，新增的横向不 均匀介质中地震定位的初步尝试等。 为了实现上述功能，我们在系统中设计了八个菜单( 包括f i l e 菜单、e d i t 菜单、w i n d o w 菜单、l o c a t e 菜单、a m p l i t u d e 菜单、t r a c el i s t 菜单、s a v e 菜 单、o t h e r 菜单) ，两个窗口( 一个主显示窗口，一个放大显示窗口) ，一个参 6 第二章数据处理系统研制 数显示栏p a r a m e t e r s 和个震相信息栏p h a s es e l e c t i o n 。各菜单和菜单对应的 按钮如图2 2 所示。 图2 - 2 系统菜单模型图 一7 一 中国地震局地震研究所帧i j 学位论文 2 3h s r s n 系统中扩充的地震定位功能 h s r s n 系统除具有常规地震台网数据处理系统的功能外，还在定位方法上 扩充了横向不均匀介质中的地震定位和双差定位。对于横向不均匀介质中的地 震定位，我们以三峡地区为例，已经增加到系统中；对于双差定位，由于处理 对象是许多地震事件构成的地震丛集，而非单一的地震事件，所以只是讨论了 双差定位法在三峡水库地区地震定位中的应用，我们会在以后的工作中把双差 法也增加进来。 地震定位反演可追溯到上世纪g e i g e r 【4 】经典定位的时代。一般而言，影响 地震定位精度的因素是多方面的，如：时i 日j 服务系统是否一致、震相识别是否 f 确、震相读数误差、地壳速度模型是否合适、台站坐标是否精确、台站高程 走时是否校j 下、台站布局是否合理、地球曲率影响是否扣除以及定位程序本身 计算引入误差等等。在这诸多的影响因素中，走时误差和模型误差是最主要的。 目前地震定位发展有两大主流：一是地震模型的不断发展；二是各种定位方法 的创新，尤其是采用多重地震定位方法来提高相对定位的能力1 5 - 9 l 。 2 。3 。1 横向不均匀介质中的地震定位 地震学是一门以观测为主的科学，观测地震学的最重要任务之一就是震源 定位1 1 叭。震源位置是研究地震活动图象、地震与活动构造的关系以及工程地震 等问题的基础，同时也是开展地震预报和震害预测的基础资料。基于快速准确 定位的地震速报，对于震后的减灾、救灾工作也是至关重要的。在我国，随着 数字化地震台网的建立和不断完善，以及现代定位技术的应用，近十几年来地 震的定位精度有了显著提高，常规地震目录和地震报告在地震监测和工程地震 工作中发挥了重要作用。然而，随着人们研究的不断深入，在一些重大的地震 研究和重大工程项目中，还需要在常规地震目录的基础上开展一些专题研究， 给出更为精确的震源参数。 提高地震定位精度长期以来都是地震学应用研究的重要课题之一。对涉及 地震定位精度的可能误差，如朱元清等1 1 ”所划分的模型误差、走时误差、计算 误差、与震源相关的误差和其他因素导致的误差等始终都在致力解决。安装精 密仪器，提高测量精度，改进地震数掘质量，降低地震波走时判识误差，可在 一定程度上提高定位精度。然而现在地震地位的精度差，很大程度是由于我们 所假定的模型有误差引起的，为了改善定位精度，必须采用更符合实际情况的 速度结构模型，尤其要考虑速度结构的横向差异。由于真实地球构造的复杂性， 要查清一个地区甚至全球内部的速度结构是很困难的，只能建立尽可能接近真 实的近似模型。另外，还有一个能否在实际地震定位处理中用好所给定的速度 模型的问题。这都是地震学家们一直在研究的问题。 8 一 第二章数据处理系统研制 进入数字地震观测时代，全球速度结构三维层析成像的研究进展迅速 【1 2 一引，尤其是不同速度( p 波和s 波) 联合成像的结果i d6 1 ，以及区域三维速度结 构在地震精细定位、推断断层走向、地震成核和震源参数研究等方面展现了良 好的应用前景l r 卜1 9 l 。美国哈佛大学一直将提高地震定位精度列为主要的研究方 向之一，侧重于探索使用三维速度模型为主；国际地震中心i s c 和法国az ur 的u m rg e o s c i e n c e 等也在致力于应用三维模型提高地震定位精度的研究。地 震层析成像反演研究近十年来进展十分迅速，给出了许多地区的三维地震波速 结构，全球尺度从不同的方法和资料方面也给出了众多的结果。随着全面禁 止核试验条约实施中对核爆破事件监测和检测的需要，三维结构在地震定位 中的应用己逐渐成为研究的热点之一。 c h e n 等人i z0 l 检验了不同维度的全球模型( 三个一维模型：a k l3 5 、p r e m 和 j b ：两个三维模型：s p l2 和k h 0 7 ) 对国际地震中心i s c 资料的全球定位效果， 通过比较，不仅发现现有的三维速度模型的确提高了全球地震定位的精度，不 同维度的模型对震源深度的影响比对震中位置的要大，而且采用p p 、p k p 等后 续震相等确定的震源深度精度最高，三维模型( s p l2 和k h 0 7 ) 次之，走时模型 如( a kl3 5 ) 最差。 r i t z w o l l e r 等人r ”检验了全球地壳和上地幔三维地震模型( c u v 2 0 ) 在区 域定位中的能力。结果为三维和一维模型( a k l3 5 ) 的定位精度分别在5 k m 和l0 k m 之内。m i c h e l l e 等人l zz 】提出一个区域的三维波速模型w i n p a k 3 d ，同时应用于 研究印度巴基斯坦地区的定位问题，得出结论：合适的三维波速模型在区域定 位中尤其是在地质构造比较复杂的地区定位精度明显改善( 文中定量结果： w i n p a k 3 d 的定位误差6 2 k m ，i a s p 9 l 为15 4 k m ) 。 国外也有许多研究者用层析成像技术联合反演震源参数和三维地震模型。 通常都是借助已有的高质量的可控震源( 如核爆破、矿井爆破等) 及天然地震 资料作为反演的初始模型。如a r i l 2 a 】( 2 0 0 2 ) 和h u s e n 2 4j ( 2 0 0 3 ) 分别研究了冰 岛西南部和瑞士的地震。 我国对于表征地球真实面貌的三维波速结构的反演工作也取得了显著的进 展，尤其是在区域或局部的地壳上地幔层析成像方面。刘福田等1 2 5 - 2 7 1 在震源位 置和速度结构的联合反演中，通过引入正交投影算子实现了速度参数与震源参 数的分离。他们用这种方法反演得到了华北地区、中国大陆及邻区、秦岭一大 别造山带等处的三维岩石圈结构。王椿镛【28 j 等利用类似的方法，研究了云南地 区的岩石圈三维结构。李松林【2 9 l 等人采用间接的三维成像的方法，利用多条人 工地震测深剖面资料联合反演的首都圈的三维地壳结构。李强o j 等人在前人已 有的研究结构的基础上，收集了华北地区发生的天然地震，应用层析成像技术 重建了华北地区地壳三维速度图像。段永红p 1 j 等人通过对华北地区3 0 条深地震 测深剖面的p g 波三维有限差分速度层析成像反演，获得了该地区上部地壳的三 维速度结构。于湘伟【3 2 】等根据华北遥测台网和延庆一怀来数字地震台网记录的 京津唐地区l9 9 2 19 9 9 年共l6 0 4 8 条p 波首波到时资料，利用近震层析成像方法 反演了该地区中、上地壳三维p 波速度结构，反演结果揭示了京津唐地区地震p 中国地震局地震研究所硕i ：学位论义 波速度结构明显的横向不均匀性。s u n 和l i u 等【3 3 l 通过对华北台网模拟地震资料 研究，获得了华北地区层析成像结构。而h u a n g 和z h a o l 3 4 j 则利用首都圈数字化 台网的地震资料以及人工爆破事件反演了北京及其邻区的三维p 波速度结构。近 期嘉世旭等人1 3 5 1 通过对首都圈区域内大量的d s s 资料的处理研究，采样形成网 格密度为0 2 5o 0 2 5o ( 2 5 ) k m 的速度网格化数字地壳。 国内地震层析技术的发展促进了三维模型的建立，让我们在更清楚的认识 地球结构同时，也为在此基础上开展三维结构地震定位( 横向不均匀介质中的 地震定位) 研究打下了基础。可以预期三维地震定位研究结果应用于日常地震 定位已为期不远。在我国数字地震台网投入运行之际，全国各区域的波速成像结 构研究结果和资料同益增多的情况下，尽快丌展三维结构的地震定位研究将是 我们的必然选择p 引。 2 3 1 1 三维速度结构模型 如图2 3 一l ( 图2 3 一l 三维速度结构模型示意图) 所示，设任一节点的坐 标记为( 妒，兄，厅) ，与之相应的节点速度记为y ( p ，五，办) 。 根据已有的知识给，给定各节点初值后，空间任意点的速度值y ( 缈，彳，h ) 可 出其周围8 5 - 节点的速度线性内插得到。公式为： ) 木( 1 i ) 术( 1 一 ，( 仍五，如) ，( 魄厶也) 1 f 奶a 、h 1 ) h 伤，五丸 ) 】 图2 3 1三维速度结构模型示意图 1 0 ，) 第- 二章数据处理系统研制 2 3 1 2 横向不均匀介质中的地震定位理论 现行的定位方法大多源于1 912 年g e ig e r 提出的经典方法。设x t 表示真实的 地震参数，x e 表示它的估计值，丁幽表示观测走时，丁删表示理论走时，通常可 根据球对称速度模型计算得到。设第i 个地震到第j 个台站的走时函数记作： f 驴= 乃( x ，矿) ( 2 3 2 ) 其中x = ( y ，0 ，旯，) r ，7 ，0 ，兄，分别表示深度、纬度、经度和发震时刻，v 为传播介 质的地震波速度，可以假定是已知的。在x e 处对( 2 - 3 2 ) 式线性化得： 锄= ( 警) 毋+ ( 署) 阳