利用高頻GNSS資料進行強震的震相識別和震中反演

林牧等

【摘 要】利用2011年日本東北Mw9.0地震和2008年汶川Mw7.9地震的高頻GNSS觀測資料，解算出震時的位移波形。對位移波形一階差分得到速度時間序列，并采用S變換譜的方法對該速度時序進行地震波到時的拾取。其拾取結果用于震中位置和發震時刻反演，并將反演結果與USGS比較得出：日本地震震中位置相差約16km，發震時刻相差約0.7s；汶川地震震中相差約4km，發震時刻相差約0.4s，為強震預警和應急提供了支持和依據。

【關鍵詞】高頻GNSS；精密單點定位；強震預警；震相識別；震中反演

0 引言

近年來，面對世界范圍內災難性地震頻發，國內外學者正在積極思考如何采用GNSS技術及測震儀技術進行地震/海嘯預警[1-4]。隨著GNSS觀測精度及處理方法的不斷改進與提高，以及高采樣率GNSS接收機的出現，使GNSS能夠記錄到高頻形變波，且與強震儀記錄結果具有較好的一致性，因而被廣泛應用于大地震強地面運動觀測。

本文利用2011年3月11日日本Tohoku-oki Mw9.0級地震及2008年5月12日汶川Mw7.9級地震當天各四個測站1Hz的高頻GNSS觀測數據位移時間序列，并在此基礎上利用測站速度信息，采用S變換在時頻域提取地震波初到時刻，為地震預警提供支持和依據。

1 高頻GNSS地震位移時間序列

選取此次日本大地震近震區的3個IGS跟蹤站（MIZU、USUD、DAEJ），同時利用日本區域網絡的JA01站1Hz的觀測數據；選取汶川地震近震區范圍內的PIXI、QLAI、CHDU、ZHJI四站數據。采用PPP方法，15分鐘間隔的精密星歷與5秒間隔的精密衛星鐘差，對單臺接收機進行非差定位處理，獲取測站相對于全球參考框架的高精度位移變化。

2 地震參數確定方法及實例分析

2.1 地震波到時拾取方法

高頻GNSS強震預警和地震震源參數的確定，首先需要確定各觀測站地震波到時，即震相識別。

S變換是一種加時窗傅里葉變換方法。地震波初到前測站信號表現為隨機的背景噪聲，到達測站后則形成地震波信號與噪聲的疊加。因此，在地震波到來時，濾去背景噪聲的信號在時頻域內表現為振幅能量的突變[5]。

2.1.1 計算震前背景噪聲

選取測站震前一千個歷元的位移時序進行差分，得到各站速度時序的同時消除了長周期趨勢的影響。采用S變換方法將其速度波形轉換為頻域，得到測站三分量震前背景噪聲的S變換譜。

震前的速度波形S變換譜背景噪聲主要分布于0.2～0.5Hz之間。各站水平向基底噪聲平均值如表1所示。這將作為震時地震波初到拾取的濾波閾值。

2.1.2 震時GNSS地震波初至拾取

選取各測站震時的速度波形進行S變換，利用中得到各站各方向的背景噪聲作為閾值對其進行濾波去噪，得到震時頻譜和速度時序。地震波到達時，北、東方向在頻域內均發生了能量突變。利用S變換時頻譜進行地震波初到識別結果如表2所示。

2.2 震中及發震時刻反演方法

在拾取了地震波到達各個觀測臺站的時刻后，即可利用多個臺站的坐標和各自的地震波到時，反演出地震的震中位置以及地震波的傳播速度。

已知觀測臺站的坐標，其中（X，Y，Z）為各個臺站的地心坐標；臺站的地震波到時分別為t1，t2，…，tn。假設地震的震中坐標為（X，Y，Z），則各臺站的震中距可表示為[6]：

假定地震波沿各方向傳播速度相等，設為v，地震發震時刻設為t，則根據地震波到達各個觀測臺站的時間差可得如下觀測方程：

將（3）式在初值處迭代求解，得出震中坐標和發震時刻。

得出反演的日本地震震中位置與USGS發布相差16km；發震時刻相差0.748s。反演得出的汶川震中位置相差3.96km，發震時刻相差0.41s。

3 結果分析展望

本文利用高頻GNSS記錄的2011年日本東北地震和2008年汶川地震數據，解算出位移時序，得到同震位移波形。在將位移通過差分得到速度波形之后采用S變換方法，對速度波形在頻域內利用振幅能量突變進行地震波震相識別拾取到時。優化到時結果后將其帶入反演震中位置及發震時刻，反演得到的日本地震與USGS相比，震中相差約為16km，發震時刻相差0.748s；反演汶川地震震中位置與USGS相比震中相差3.96km，發震時刻相差0.41s。

今后隨著觀測精度和采樣率的提高，以及實時觀測臺網更加密集的布設，高頻GNSS將成為一種有效的觀測手段，實現大震地震參數的快速確定，在地震預警和應急中發揮更重要的作用。

【參考文獻】

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011.

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[責任編輯：鄧麗麗]