利用高频GNSS资料进行强震的震相识别和震中反演

林牧等

【摘 要】利用2011年日本东北Mw9.0地震和2008年汶川Mw7.9地震的高频GNSS观测资料，解算出震时的位移波形。对位移波形一阶差分得到速度时间序列，并采用S变换谱的方法对该速度时序进行地震波到时的拾取。其拾取结果用于震中位置和发震时刻反演，并将反演结果与USGS比较得出：日本地震震中位置相差约16km，发震时刻相差约0.7s；汶川地震震中相差约4km，发震时刻相差约0.4s，为强震预警和应急提供了支持和依据。

【关键词】高频GNSS；精密单点定位；强震预警；震相识别；震中反演

0 引言

近年来，面对世界范围内灾难性地震频发，国内外学者正在积极思考如何采用GNSS技术及测震仪技术进行地震/海啸预警[1-4]。随着GNSS观测精度及处理方法的不断改进与提高，以及高采样率GNSS接收机的出现，使GNSS能够记录到高频形变波，且与强震仪记录结果具有较好的一致性，因而被广泛应用于大地震强地面运动观测。

本文利用2011年3月11日日本Tohoku-oki Mw9.0级地震及2008年5月12日汶川Mw7.9级地震当天各四个测站1Hz的高频GNSS观测数据位移时间序列，并在此基础上利用测站速度信息，采用S变换在时频域提取地震波初到时刻，为地震预警提供支持和依据。

1 高频GNSS地震位移时间序列

选取此次日本大地震近震区的3个IGS跟踪站（MIZU、USUD、DAEJ），同时利用日本区域网络的JA01站1Hz的观测数据；选取汶川地震近震区范围内的PIXI、QLAI、CHDU、ZHJI四站数据。采用PPP方法，15分钟间隔的精密星历与5秒间隔的精密卫星钟差，对单台接收机进行非差定位处理，获取测站相对于全球参考框架的高精度位移变化。

2 地震参数确定方法及实例分析

2.1 地震波到时拾取方法

高频GNSS强震预警和地震震源参数的确定，首先需要确定各观测站地震波到时，即震相识别。

S变换是一种加时窗傅里叶变换方法。地震波初到前测站信号表现为随机的背景噪声，到达测站后则形成地震波信号与噪声的叠加。因此，在地震波到来时，滤去背景噪声的信号在时频域内表现为振幅能量的突变[5]。

2.1.1 计算震前背景噪声

选取测站震前一千个历元的位移时序进行差分，得到各站速度时序的同时消除了长周期趋势的影响。采用S变换方法将其速度波形转换为频域，得到测站三分量震前背景噪声的S变换谱。

震前的速度波形S变换谱背景噪声主要分布于0.2～0.5Hz之间。各站水平向基底噪声平均值如表1所示。这将作为震时地震波初到拾取的滤波阈值。

2.1.2 震时GNSS地震波初至拾取

选取各测站震时的速度波形进行S变换，利用中得到各站各方向的背景噪声作为阈值对其进行滤波去噪，得到震时频谱和速度时序。地震波到达时，北、东方向在频域内均发生了能量突变。利用S变换时频谱进行地震波初到识别结果如表2所示。

2.2 震中及发震时刻反演方法

在拾取了地震波到达各个观测台站的时刻后，即可利用多个台站的坐标和各自的地震波到时，反演出地震的震中位置以及地震波的传播速度。

已知观测台站的坐标，其中（X，Y，Z）为各个台站的地心坐标；台站的地震波到时分别为t1，t2，…，tn。假设地震的震中坐标为（X，Y，Z），则各台站的震中距可表示为[6]：

假定地震波沿各方向传播速度相等，设为v，地震发震时刻设为t，则根据地震波到达各个观测台站的时间差可得如下观测方程：

将（3）式在初值处迭代求解，得出震中坐标和发震时刻。

得出反演的日本地震震中位置与USGS发布相差16km；发震时刻相差0.748s。反演得出的汶川震中位置相差3.96km，发震时刻相差0.41s。

3 结果分析展望

本文利用高频GNSS记录的2011年日本东北地震和2008年汶川地震数据，解算出位移时序，得到同震位移波形。在将位移通过差分得到速度波形之后采用S变换方法，对速度波形在频域内利用振幅能量突变进行地震波震相识别拾取到时。优化到时结果后将其带入反演震中位置及发震时刻，反演得到的日本地震与USGS相比，震中相差约为16km，发震时刻相差0.748s；反演汶川地震震中位置与USGS相比震中相差3.96km，发震时刻相差0.41s。

今后随着观测精度和采样率的提高，以及实时观测台网更加密集的布设，高频GNSS将成为一种有效的观测手段，实现大震地震参数的快速确定，在地震预警和应急中发挥更重要的作用。

【参考文献】

[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]殷海涛，甘卫军，肖根如，等.利用高频GPS技术进行强震地面运动监测的研究进展[J].地球物理学进展，2009，24（6）：2012-2019.doi：10.3969/j.issn.1004-2903.2009.06.

011.

[4]孟国杰，任金卫，金红林，等.GPS高频数据处理方法及其在地震学中的应用研究进展[J].国际地震动态，2007（7）：26-31.doi：10.3969/j.issn.0253-4975.2007.07.005.

[5]张小红，郭斐，郭博峰等.利用高频GPS进行地表同震位移监测及震相识别[J].地球物理学报，2012，55（6）：1912-1918.doi：10.6038/j.issn.0001-5733.2012.06.012.

[6]王俊.GPS实时相对定位及其在地震预警中的应用[D].中国地震局地震研究所，2013.

[责任编辑：邓丽丽]