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(shí)的位移波形。對位移波形一階差分得到速度時(shí)間序列，并采用S變換譜的方法對該速度時(shí)序進(jìn)行地震波到時(shí)的拾取。其拾取結(jié)果用于震中位置和發(fā)震時(shí)刻反演，并將反演結(jié)果與USGS比較得出：日本地震震中位置相差約16km，發(fā)震時(shí)刻相差約0.7s；汶川地震震中相差約4km，發(fā)震時(shí)刻相差約0.4s，為強(qiáng)震預(yù)警和應(yīng)急提供了支持和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高頻GNSS；精密單點(diǎn)定位；強(qiáng)震預(yù)警；震相識別；震中反演

0 引言

近年來，面對世界范圍內(nèi)災(zāi)難性地震頻發(fā)，國內(nèi)外學(xué)者正在積極思考如何采用GNSS技術(shù)及測震儀技術(shù)進(jìn)行地震/海嘯預(yù)警[1-4]。隨著GNSS觀測精度及處理方法的不斷改進(jìn)與提高，以及高采樣率GNSS接收機(jī)的出現(xiàn)，使GNSS能夠記錄到高頻形變波，且與強(qiáng)震儀記錄結(jié)果具有較好的一致性，因而被廣泛應(yīng)用于大地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)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(dāng)天各四個(gè)測站1Hz的高頻GNSS觀測數(shù)據(jù)位移時(shí)間序列，并在此基礎(chǔ)上利用測站速度信息，采用S變換在時(shí)頻域提取地震波初到時(shí)刻，為地震預(yù)警提供支持和依據(jù)。

1 高頻GNSS地震位移時(shí)間序列

選取此次日本大地震近震區(qū)的3個(gè)IGS跟蹤站（MIZU、USUD、DAEJ），同時(shí)利用日本區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的JA01站1Hz的觀測數(shù)據(jù)；選取汶川地震近震區(qū)范圍內(nèi)的PIXI、QLAI、CHDU、ZHJI四站數(shù)據(jù)。采用PPP方法，15分鐘間隔的精密星歷與5秒間隔的精密衛(wèi)星鐘差，對單臺(tái)接收機(jī)進(jìn)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(shù)確定方法及實(shí)例分析

2.1 地震波到時(shí)拾取方法

高頻GNSS強(qiáng)震預(yù)警和地震震源參數(shù)的確定，首先需要確定各觀測站地震波到時(shí)，即震相識別。

S變換是一種加時(shí)窗傅里葉變換方法。地震波初到前測站信號表現(xiàn)為隨機(jī)的背景噪聲，到達(dá)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(shí)，濾去背景噪聲的信號在時(shí)頻域內(nèi)表現(xiàn)為振幅能量的突變[5]。

2.1.1 計(jì)算震前背景噪聲

選取測站震前一千個(gè)歷元的位移時(shí)序進(jìn)行差分，得到各站速度時(shí)序的同時(shí)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(zhuǎn)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(shí)地震波初到拾取的濾波閾值。

2.1.2 震時(shí)GNSS地震波初至拾取

選取各測站震時(shí)的速度波形進(jìn)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(jìn)行濾波去噪，得到震時(shí)頻譜和速度時(shí)序。地震波到達(dá)時(shí)，北、東方向在頻域內(nèi)均發(fā)生了能量突變。利用S變換時(shí)頻譜進(jìn)行地震波初到識別結(jié)果如表2所示。

2.2 震中及發(fā)震時(shí)刻反演方法

在拾取了地震波到達(dá)各個(gè)觀測臺(tái)站的時(shí)刻后，即可利用多個(gè)臺(tái)站的坐標(biāo)和各自的地震波到時(shí)，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(tái)站的坐標(biāo)，其中（X，Y，Z）為各個(gè)臺(tái)站的地心坐標(biāo)；臺(tái)站的地震波到時(shí)分別為t1，t2，…，tn。假設(shè)地震的震中坐標(biāo)為（X，Y，Z），則各臺(tái)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(shè)為v，地震發(fā)震時(shí)刻設(shè)為t，則根據(jù)地震波到達(dá)各個(gè)觀測臺(tái)站的時(shí)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(biāo)和發(fā)震時(shí)刻。

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

3 結(jié)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(shù)據(jù)，解算出位移時(shí)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(nèi)利用振幅能量突變進(jìn)行地震波震相識別拾取到時(shí)。優(yōu)化到時(shí)結(jié)果后將其帶入反演震中位置及發(fā)震時(shí)刻，反演得到的日本地震與USGS相比，震中相差約為16km，發(fā)震時(shí)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(fā)震時(shí)刻相差0.41s。

今后隨著觀測精度和采樣率的提高，以及實(shí)時(shí)觀測臺(tái)網(wǎng)更加密集的布設(shè)，高頻GNSS將成為一種有效的觀測手段，實(shí)現(xiàn)大震地震參數(shù)的快速確定，在地震預(yù)警和應(yīng)急中發(fā)揮更重要的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Allen R M，Ziv A. Application of real-time GPS to earthquake early warning[J].G eophys Res Lett，2011（16）：L16310.

[2]Allen R M，Kanamori H. The potential for earthquake early warning in southern California[J]. Science，2003，300（5620）：786-789.

[3]殷海濤，甘衛(wèi)軍，肖根如，等.利用高頻GPS技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24（6）：2012-2019.doi：10.3969/j.issn.1004-2903.2009.06.

011.

[4]孟國杰，任金衛(wèi)，金紅林，等.GPS高頻數(shù)據(jù)處理方法及其在地震學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].國際地震動(dòng)態(tài)，2007（7）：26-31.doi：10.3969/j.issn.0253-4975.2007.07.005.

[5]張小紅，郭斐，郭博峰等.利用高頻GPS進(jìn)行地表同震位移監(jiān)測及震相識別[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（6）：1912-1918.doi：10.6038/j.issn.0001-5733.2012.06.012.

[6]王俊.GPS實(shí)時(shí)相對定位及其在地震預(yù)警中的應(yīng)用[D].中國地震局地震研究所，2013.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]