基于高頻GPS 資料確定強震P 波到時研究

翟宏光 蘇利娜 丁曉光 張永奇

（陜西省地震局，陜西西安 710068）

面對世界范圍內(nèi)地震等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，目前使用高頻GPS進行地震方面的應(yīng)用研究成為了一個研究熱點。與傳統(tǒng)的地震儀相比，高頻GPS 方法可以有效記錄地表位移軌跡，在同震形變監(jiān)測方面優(yōu)勢明顯[1-3]；其次，高頻GPS 記錄過程不會出現(xiàn)振幅飽和的情況，如日本3.11 地震發(fā)生時，由于地震儀對地震震級估算結(jié)果受到振幅飽和、噪聲放大和真實信號扭曲等影響，造成測定震級遠小于真實震級，直接導(dǎo)致對后續(xù)地震帶來災(zāi)害的低估，造成了巨大的人員傷亡。Blewitt 等[4]人在2006 年利用高頻GPS 得到震前和震后站點的位移量來計算地震距，從而得到地震的矩震級。此外，方榮新等[5]采用RTPPP 的方法證明了高頻GPS 具有面波震級反演能力。但地震參數(shù)獲取的前提是準確的P 波到時，否則得到的地震參數(shù)將出現(xiàn)偏差。因此，研究利用高頻GPS 計算精確的地震P 波到時是非常有必要且意義。

本文使用2011 年3 月11 日日本仙臺發(fā)生Mw9.0 地震和2003 年12 月22 日發(fā)生于美國加州圣西蒙地區(qū)的Mw6.5 級地震當(dāng)天周邊GPS 站點的高頻GPS 數(shù)據(jù)，采用Gamit 的TRACK模塊獲取站點的同震位移，在此基礎(chǔ)上利用S 變換和STA/LTA算法對GPS 地震波進行震相識別獲取精確的地震P 波到時進行研究。

1 高頻GPS 解算站點位移時間序列

本文利用Gamit 的Track 模塊來獲取高頻GPS 的同震位移時間序列，以日本3.11 大地震時距震中較近的兩個IGS 跟蹤站MIZU 和USUD 和美國圣西蒙地震的5 個IGS 站（MASW、POMM、LOWS、PIN1、RNCH）的高頻GPS（1Hz）數(shù)據(jù)為例，采用的解算策略為：使用精密星歷文件，消弱衛(wèi)星軌道誤差，采用無電離層組合（LC 組合）觀測量來削弱電離層誤差，利用參數(shù)估計的方法消弱對流層誤差，采用MW-WL 寬巷模糊度進行相關(guān)的模糊度的解算,得到各站點的位移時間序列，如圖1 所示。

2 震相識別獲取P 波到時方法

2.1 S 變換去噪

S 變換(S-Transform) 是1996 年由美國的地球物理科學(xué)家Stokwell 等人提出的一種可逆無損的線性時頻分析的方法，該方法的特點是同時具備小波變換和短時傅里葉變換的優(yōu)點，因此具有很好的時頻分辨率，目前在信號分析方面有較為廣泛的應(yīng)用[6]。在地震波到達測站時去除信號中的原始背景噪聲，在時頻域內(nèi)形成能量突變，即可準確的獲取地震波到時。

2.2 STA/LTA 算法

STA/LTA 算法是指利用信號的短時時窗的均值（STA）和信號的長時窗均值（LTA）的比值作為對接收到的信號的能量變化的反應(yīng)。2010 年吳治濤等[7]，利用該方法在識別微地震事件的P波到時方面進行了研究。使用S 變換剔除測站信號中的背景噪聲影響，獲取信號能量突變[8]，然后利用STA/LTA 算法對突變結(jié)果進行分析，從而精確獲得站點地震波P 波到時。

圖1 MIZU 和圣西蒙相關(guān)站點N/E/U 方向位移時間序列

3 算例

以2011 年3 月11 日日本仙臺的Mw9.0 級大地震影響區(qū)域內(nèi)距震中較近的兩個IGS 跟蹤站MIZU 和USUD 以及2003 年12 月22 日美國加州圣西蒙地區(qū)的Mw6.5 級地震震中附近的5個IGS 跟蹤站（MASW、POMM、LOWS、PIN1、RNCH）的高頻GPS（1Hz）數(shù)據(jù)為例，進行地震波P 波到時的確定。對上述站點進行S 變換處理，結(jié)果如下圖所示，圖2 和圖3 分別為MIZU 站點震時S 濾波后N/E/U 三個方向和POMM 站點E 方向的頻譜圖，可以直觀的看出地震到時發(fā)生了明顯的突變現(xiàn)象（限于篇幅其它站點的頻譜圖不再顯示）。

4 結(jié)論

本文使用2011 年3 月11 日日本仙臺發(fā)生Mw9.0 地震和2003 年12 月22 日發(fā)生于美國加州圣西蒙地區(qū)的Mw6.5 級地震周邊GPS 站點的高頻GPS 數(shù)據(jù)，采用Gamit 的TRACK 模塊獲取站點的同震位移，在此基礎(chǔ)上利用S 變換和STA/LTA 算法進行地震波震相識別并獲取了精確的地震P 波到時，首先再次證明了高頻GPS 在強震預(yù)警、地震應(yīng)急方面可以提供十分有意義的決策依據(jù)，其次表明了利用S 變換和STA/LTA 算法相結(jié)合進行高頻GPS 震相識別獲取P 波到時的方法是實際有效可行的。隨著今后GPS 設(shè)備及相關(guān)處理方法的不斷改進和提升，高頻GPS 將會為地震預(yù)警和地震應(yīng)急提供更加精準、更加科學(xué)的決策依據(jù)。

圖2 MIZU 站點震時S 濾波后N/E/U 三個方向頻譜圖

圖3 POMM 站點East 方向震時頻譜圖