冀北地区震相到时数据提取

李 凤雷建设刘 静董 博纪春玲陈俊霖

1）中国安徽235000淮北地震台

2）中国安徽235000淮北市地震局

冀北地区震相到时数据提取

李 凤1）雷建设2）刘 静1）董 博1）纪春玲1）陈俊霖1）

1）中国安徽235000淮北地震台

2）中国安徽235000淮北市地震局

中国地震台网中心提供的区域震相到时多用于地震定位，到时数据有限。为提取更多可用到时数据，选取2001年10月—2002年12月首都圈107个数字化地震台记录的3 018个区域地震波形资料，采用中国地震局提供的波形处理软件ISDP，拾取22 547个Pg波和22 547个Sg波到时数据，为获得研究区高分辨地震成像结果和精度定位提供基础资料。

区域震相；初至到时；到时提取；冀北

0 引言

近年来，随着地震观测台网的发展，特别是北京测震台网的快速改善，在研究区域积累了丰富的地震观测资料。新建成的首都圈数字地震台网由107个数字地震台站组成，平均台站间距约20km，覆盖京、津、冀15×104km2的面积，配备48个宽带记录仪，59个短周期记录仪。与传统的模拟地震观测台网相比，这些数字地震记录为利用各种数字信号处理技术，提高震相识别的精度和可靠性创造了有利条件，为数据集中处理而提高时间服务精度均具有重要价值。高精度、高分辨率的地震层析成像结果和精度定位，有利于地震研究和发展。而中国地震台网中心提供的区域震相到时资料有限，可用于地震初定位，对于精细研究多显不足。为此，利用首都圈数字地震台网记录的区域震相，提取更多Pg波和Sg波到时数据，为获得冀北地区地震精度定位结果和波速精细结构提供基础资料，从而为防震减灾事业做贡献。

1 地质构造背景

中国是一个地震多发国家。冀北地区范围内（38.5°—41°N，114°—120°E）位于华北地块北端，是我国政治、经济和文化中心，也是地震灾害多发区和重点地震监视区。该区构造复杂，分布有太行山隆起、燕山隆起、华北断陷盆地和一系列断裂带，北部是沿东西走向的燕山隆起构造带，西侧为北东走向的太行山隆起构造带，东临渤海，南部是华北盆地（图1）。该地区的主要构造方向为北东方向和北西向。其中，北西向最为著名的断裂带为张渤地震带（金安蜀等，1980）。有史记载以来，该区域内共发生过5.0级以上的地震100多次。在这些地震中，6.0级以上的地震有34次，7.0级以上的大地震有7次，如1679年三河平谷8.0级地震、1730年沙城6级地震、1966年邢台7.2级地震和1976年唐山7.8级地震等（图1）。因此，了解冀北地区的强震孕育机理对于强震预测和防震减灾均具有重要意义（孙若昧等，1995；李明莉，2005），而地震层析成像技术是获取强震区地下波速结构、探测强震机理的强有力手段之一（齐诚等，2006；Lei et al，2008；庞群英，2008）。

图1 冀北及邻区地质构造分布Fig.1 The geological structure distribution of north Hebei and adjacent regions

2 资料选取

观测台站包括甚宽频带、宽频带及井下短周期3种类型，数据采集系统为24位数字地震记录仪，并采用GPS授时和卫星、DDN等数据传输方式。与传统的模拟地震观测台网相比，数字地震记录为利用各种数字信号处理技术，提高震相识别的精度和可靠性创造有利条件，对数据集中处理，提高时间服务精度均具有重要价值。地震台站积累了大量深部结构基础资料（图2）（吴荣辉等，1985；嘉世旭等，2005；庞群英，2008），做层析成像分析使用的到时数据多为地震台网中心速报定位时所用（徐锡伟等，2002）。

选取冀北地区2001年10月—2002年12月由107个数字化地震台记录的3 018个地震事件（图2），进行地震波震相到时数据提取。所选地震事件多处于张渤地震带或以北地区，见图2。

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

3 资料处理

3.1 到时提取

使用中国地震局提供的波形处理软件ISDP，对所选地震事件波形资料进行处理，提取震相到时数据，共获得22 547条Pg波和22 547条Sg波到时数据。近震波形到时提取界面见图3。图3中，每个地震台记录到3条地震波形，由上到下分别为垂直向P波、东西向S波及南北向S波，曲线上数值即为提取的到时数据。

因经济发展和环境的改变，地震台不可避免地受到干扰。图4给出首都圈数字地震台网部分地震台噪音水平对比曲线，可见不同台站的噪音水平有较大差异。在干扰或噪音小的情况下，可清晰准确地读取相应台站到时，同时剔除受噪声影响较大的数据（赵仲和，1983）。

图3 近震波形到时数据提取Fig.3 The data extraction interface of near earthquake waveform

图4 不同台站背景噪音对比Fig.4 Comparison with different background noise of stations

3.2 数据分析

采用中国地震局提供的利用波形处理软件ISDP进行地震定位时发现，台站数量多获得的定位结果不一定更精确（宋占隆等，1997），而地震台数适当、震中距小的台站数据定位结果较好。与此相反，选择数量适当的小震中距台站数据可以得到较好的定位结果。造成此结果的可能原因有：①软件自身局限性；②地壳强不均匀性。我们认为，地震定位受软件影响可能性较大，因为地震定位要求台站资料尽可能多，且方位覆盖尽可能好。

以北京市地震局台网中心提供的2002年1月—12月地震数据获取721个地震事件6 587条P波到时数据为例，采用本研究方法，获取相同时段2 858个地震事件20 913条P波到时数据。由此可见，本研究获得的事件数为原数据近4倍，到时数据近3.2倍，数据量明显增多。因此，利用获取的大量高质量到时数据，采用当前流行的双差定位法（Waldhauser and Ellsworth，2000），重新对地震进行精定位。

按照图3所示过程，对47个地震台进行地震定位，结果见图5，图中显示相应地震台站名、震相、到时、震中距和残差。图6 给出利用图5所示到时数据定位后获得事件的相应参数，如发震时刻、震中位置、震源深度、拟合残差、参与定位震相数、参与定位台站数、水平误差、深度误差、定位精度、台站分布质量、近台距和空隙角等。

4 数据应用

（1）到时数据提取可用于地震预警中地震事件判别和地震定位，是实现基于地震台网地震预警的首要条件，因此地震台网到时数据的精确提取将起到重要作用（于湘伟等，2003）。采用本研究方法提取事件数随台站数的变化情况见图7。由图7可见，多数事件有3—10个台站记录，有3个台站记录的事件有近600个。事件最多的台站记录数为49个，没有一个事件被所有107个台站全部记录。为进一步看清有20个以上台站记录的事件数分布，对图7（a）进行放大，见图7（b），可以看到，有30个以上台站记录的事件数在2—5之间。

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

图6 地震定位结果参数Fig.6 The results of location of earthquake

图7 不同台站记录的事件数Fig.7 The number of event records from different stations

（2）到时数据提取可靠性基于地震事件判别，实际地震记录往往记录到非天然地震干扰信号，具体可分为环境干扰和仪器干扰，会降低初值震相数据的精确度，图8为研究区内所选到时数据的时距曲线，可见P波、S波到时数据随震中距变化而具有较好的线性关系，也有一些明显偏离时距曲线的数据，可能由于震相误判所致。由图8分析可知：①记录的P波、S波到时数据，最大震中距为600km，数据多集中在350km之内；②时距曲线有一定宽度，表明相同震中距条件下，震源越深，走时越小；震源越浅，走时越大。

图8 地震波到时数据的时距曲线Fig.8 The time-distance curve of arrival time data of seismic wave

5 结束语

利用中国地震局提供的波形处理软件，提取Pg波和Sg波到时数据，大量高质量震相到时数据，可为地震精确定位，研究震相特征，确定震源深度，噪声影响因素，构建高分辨率的地壳速度模型等提供重要资料，也可为其他方法进行地震定位结果的检验依据做参考。根据到时数据提取对丰富地震资料的需要，转换波信息读取将是今后进一步研究方向。随着更大规模的数字地震记录提取，并尽可能快速、准确地自动拾取有用地震信息，将是今后研究课题。因此，更多、更详细的波形到时数据，可以为今后对地震精确定位和获得高分辨率的地壳速度模型提供基础资料，从而为防震减灾工作服务。

金安蜀，等.北京地区地壳和上地幔的三维P波速度结构［J］.地球物理学报，1980，23（2）：172-182.

嘉世旭，王夫运，陈棋福，等.首都圈地壳网络化三维结构［J］.地球物理学报，2005，48（6）：1 316-1 324.

李明莉，等.安徽及邻区平均波速比的测定及研究［J］.地震地磁观测与研究，2005，26（1）：22-27.

庞群英，崔晓峰，王建国，栗连弟.天津地区地震波速比分区变化特征［J］.地震地磁观测与研究，2008，29（5）：22-25.

齐诚，赵大鹏，陈棋福，王宝善.首都圈地区地壳P波和S波三维速度机构及其与大地震的关系［J］.地球物理学报，2006，49（3）：805-815.

孙若昧，刘福田.京津唐地区地壳结构与强震的发生——I.P波速度结构［J］.地球物理学报，1995，（5）：599-607.

宋占隆，杨卓欣，石金虎，等.用Pg波走时重建华北地区结晶底速度时间项图象［J］.华北地震科学，1997，15（2）：9-16.

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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.

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10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.007

李凤（1986—），女，学士，助理工程师，从事地磁观测研究工作。E-mail：kindlifeng@126.com

河北省地震局星火计划青年基金项目

本文收到日期：2015-6-18