冀北地區震相到時數據提取

李 鳳雷建設劉 靜董 博紀春玲陳俊霖

1）中國安徽235000淮北地震臺

2）中國安徽235000淮北市地震局

冀北地區震相到時數據提取

李 鳳1）雷建設2）劉 靜1）董 博1）紀春玲1）陳俊霖1）

1）中國安徽235000淮北地震臺

2）中國安徽235000淮北市地震局

中國地震臺網中心提供的區域震相到時多用于地震定位，到時數據有限。為提取更多可用到時數據，選取2001年10月—2002年12月首都圈107個數字化地震臺記錄的3 018個區域地震波形資料，采用中國地震局提供的波形處理軟件ISDP，拾取22 547個Pg波和22 547個Sg波到時數據，為獲得研究區高分辨地震成像結果和精度定位提供基礎資料。

區域震相；初至到時；到時提取；冀北

0 引言

近年來，隨著地震觀測臺網的發展，特別是北京測震臺網的快速改善，在研究區域積累了豐富的地震觀測資料。新建成的首都圈數字地震臺網由107個數字地震臺站組成，平均臺站間距約20km，覆蓋京、津、冀15×104km2的面積，配備48個寬帶記錄儀，59個短周期記錄儀。與傳統的模擬地震觀測臺網相比，這些數字地震記錄為利用各種數字信號處理技術，提高震相識別的精度和可靠性創造了有利條件，為數據集中處理而提高時間服務精度均具有重要價值。高精度、高分辨率的地震層析成像結果和精度定位，有利于地震研究和發展。而中國地震臺網中心提供的區域震相到時資料有限，可用于地震初定位，對于精細研究多顯不足。為此，利用首都圈數字地震臺網記錄的區域震相，提取更多Pg波和Sg波到時數據，為獲得冀北地區地震精度定位結果和波速精細結構提供基礎資料，從而為防震減災事業做貢獻。

1 地質構造背景

中國是一個地震多發國家。冀北地區范圍內（38.5°—41°N，114°—120°E）位于華北地塊北端，是我國政治、經濟和文化中心，也是地震災害多發區和重點地震監視區。該區構造復雜，分布有太行山隆起、燕山隆起、華北斷陷盆地和一系列斷裂帶，北部是沿東西走向的燕山隆起構造帶，西側為北東走向的太行山隆起構造帶，東臨渤海，南部是華北盆地（圖1）。該地區的主要構造方向為北東方向和北西向。其中，北西向最為著名的斷裂帶為張渤地震帶（金安蜀等，1980）。有史記載以來，該區域內共發生過5.0級以上的地震100多次。在這些地震中，6.0級以上的地震有34次，7.0級以上的大地震有7次，如1679年三河平谷8.0級地震、1730年沙城6級地震、1966年邢臺7.2級地震和1976年唐山7.8級地震等（圖1）。因此，了解冀北地區的強震孕育機理對于強震預測和防震減災均具有重要意義（孫若昧等，1995；李明莉，2005），而地震層析成像技術是獲取強震區地下波速結構、探測強震機理的強有力手段之一（齊誠等，2006；Lei et al，2008；龐群英，2008）。

圖1 冀北及鄰區地質構造分布Fig.1 The geological structure distribution of north Hebei and adjacent regions

2 資料選取

觀測臺站包括甚寬頻帶、寬頻帶及井下短周期3種類型，數據采集系統為24位數字地震記錄儀，并采用GPS授時和衛星、DDN等數據傳輸方式。與傳統的模擬地震觀測臺網相比，數字地震記錄為利用各種數字信號處理技術，提高震相識別的精度和可靠性創造有利條件，對數據集中處理，提高時間服務精度均具有重要價值。地震臺站積累了大量深部結構基礎資料（圖2）（吳榮輝等，1985；嘉世旭等，2005；龐群英，2008），做層析成像分析使用的到時數據多為地震臺網中心速報定位時所用（徐錫偉等，2002）。

選取冀北地區2001年10月—2002年12月由107個數字化地震臺記錄的3 018個地震事件（圖2），進行地震波震相到時數據提取。所選地震事件多處于張渤地震帶或以北地區，見圖2。

圖2 2001年10月—2002年12月冀北區地震分布Fig.2 Earthquake distribution of north Hebei between October 2001 and December 2002

3 資料處理

3.1 到時提取

使用中國地震局提供的波形處理軟件ISDP，對所選地震事件波形資料進行處理，提取震相到時數據，共獲得22 547條Pg波和22 547條Sg波到時數據。近震波形到時提取界面見圖3。圖3中，每個地震臺記錄到3條地震波形，由上到下分別為垂直向P波、東西向S波及南北向S波，曲線上數值即為提取的到時數據。

因經濟發展和環境的改變，地震臺不可避免地受到干擾。圖4給出首都圈數字地震臺網部分地震臺噪音水平對比曲線，可見不同臺站的噪音水平有較大差異。在干擾或噪音小的情況下，可清晰準確地讀取相應臺站到時，同時剔除受噪聲影響較大的數據（趙仲和，1983）。

圖3 近震波形到時數據提取Fig.3 The data extraction interface of near earthquake waveform

圖4 不同臺站背景噪音對比Fig.4 Comparison with different background noise of stations

3.2 數據分析

采用中國地震局提供的利用波形處理軟件ISDP進行地震定位時發現，臺站數量多獲得的定位結果不一定更精確（宋占隆等，1997），而地震臺數適當、震中距小的臺站數據定位結果較好。與此相反，選擇數量適當的小震中距臺站數據可以得到較好的定位結果。造成此結果的可能原因有：①軟件自身局限性；②地殼強不均勻性。我們認為，地震定位受軟件影響可能性較大，因為地震定位要求臺站資料盡可能多，且方位覆蓋盡可能好。

以北京市地震局臺網中心提供的2002年1月—12月地震數據獲取721個地震事件6 587條P波到時數據為例，采用本研究方法，獲取相同時段2 858個地震事件20 913條P波到時數據。由此可見，本研究獲得的事件數為原數據近4倍，到時數據近3.2倍，數據量明顯增多。因此，利用獲取的大量高質量到時數據，采用當前流行的雙差定位法（Waldhauser and Ellsworth，2000），重新對地震進行精定位。

按照圖3所示過程，對47個地震臺進行地震定位，結果見圖5，圖中顯示相應地震臺站名、震相、到時、震中距和殘差。圖6 給出利用圖5所示到時數據定位后獲得事件的相應參數，如發震時刻、震中位置、震源深度、擬合殘差、參與定位震相數、參與定位臺站數、水平誤差、深度誤差、定位精度、臺站分布質量、近臺距和空隙角等。

4 數據應用

（1）到時數據提取可用于地震預警中地震事件判別和地震定位，是實現基于地震臺網地震預警的首要條件，因此地震臺網到時數據的精確提取將起到重要作用（于湘偉等，2003）。采用本研究方法提取事件數隨臺站數的變化情況見圖7。由圖7可見，多數事件有3—10個臺站記錄，有3個臺站記錄的事件有近600個。事件最多的臺站記錄數為49個，沒有一個事件被所有107個臺站全部記錄。為進一步看清有20個以上臺站記錄的事件數分布，對圖7（a）進行放大，見圖7（b），可以看到，有30個以上臺站記錄的事件數在2—5之間。

圖5 地震定位示意Fig.5 The location of earthquake

圖6 地震定位結果參數Fig.6 The results of location of earthquake

圖7 不同臺站記錄的事件數Fig.7 The number of event records from different stations

（2）到時數據提取可靠性基于地震事件判別，實際地震記錄往往記錄到非天然地震干擾信號，具體可分為環境干擾和儀器干擾，會降低初值震相數據的精確度，圖8為研究區內所選到時數據的時距曲線，可見P波、S波到時數據隨震中距變化而具有較好的線性關系，也有一些明顯偏離時距曲線的數據，可能由于震相誤判所致。由圖8分析可知：①記錄的P波、S波到時數據，最大震中距為600km，數據多集中在350km之內；②時距曲線有一定寬度，表明相同震中距條件下，震源越深，走時越小；震源越淺，走時越大。

圖8 地震波到時數據的時距曲線Fig.8 The time-distance curve of arrival time data of seismic wave

5 結束語

利用中國地震局提供的波形處理軟件，提取Pg波和Sg波到時數據，大量高質量震相到時數據，可為地震精確定位，研究震相特征，確定震源深度，噪聲影響因素，構建高分辨率的地殼速度模型等提供重要資料，也可為其他方法進行地震定位結果的檢驗依據做參考。根據到時數據提取對豐富地震資料的需要，轉換波信息讀取將是今后進一步研究方向。隨著更大規模的數字地震記錄提取，并盡可能快速、準確地自動拾取有用地震信息，將是今后研究課題。因此，更多、更詳細的波形到時數據，可以為今后對地震精確定位和獲得高分辨率的地殼速度模型提供基礎資料，從而為防震減災工作服務。

金安蜀，等.北京地區地殼和上地幔的三維P波速度結構［J］.地球物理學報，1980，23（2）：172-182.

嘉世旭，王夫運，陳棋福，等.首都圈地殼網絡化三維結構［J］.地球物理學報，2005，48（6）：1 316-1 324.

李明莉，等.安徽及鄰區平均波速比的測定及研究［J］.地震地磁觀測與研究，2005，26（1）：22-27.

龐群英，崔曉峰，王建國，栗連弟.天津地區地震波速比分區變化特征［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29（5）：22-25.

齊誠，趙大鵬，陳棋福，王寶善.首都圈地區地殼P波和S波三維速度機構及其與大地震的關系［J］.地球物理學報，2006，49（3）：805-815.

孫若昧，劉福田.京津唐地區地殼結構與強震的發生——I.P波速度結構［J］.地球物理學報，1995，（5）：599-607.

宋占隆，楊卓欣，石金虎，等.用Pg波走時重建華北地區結晶底速度時間項圖象［J］.華北地震科學，1997，15（2）：9-16.

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徐錫偉，吳衛民，張先康，等.首都圈地區地殼最新構造變動與地震［M］.北京：科學出版社，2002.

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Waldhauser F，Ellsworth W.A double-difference earthquake location algorithm: Method and application to the Northern Hayward fault，California ［J］.Bull Seism Soc Am，2000，90: 1 353-1 368.

A synthetically practice of picking of the arrival times in the north of Hebei Province

Li Feng1），Lei Jianshe2），Liu Jing1），Dong Bo1），Ji Chunling1）and Chen Junlin1）
1） Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China
2） The Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China

The arrival time data of regional seismic phases offered by Earthquake Network Center of Earthquake Administration of Beijing Municipality are often used to locate earthquakes effciently.However，the center only can offer a limited number of arrival time data for users.We picked arrival time data available as many as possible from seismic wave-forms of 3 018 events recorded by the 107 seismic stations from October 2001 to December 2002，and fnally we extracted 22 547 Pg and 22 547 Sg wave arrivals by using the software ISDP provided by China Earthquake Administration.This work is of great signifcance for offering fundamental data to gain a high-resolution seismic image under the region and to locate earthquakes accurately.

regional phases，frst arrival times，arrival time data，the north of Hebei Province

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.007

李鳳（1986—），女，學士，助理工程師，從事地磁觀測研究工作。E-mail：kindlifeng@126.com

河北省地震局星火計劃青年基金項目

本文收到日期：2015-6-18