一种基于速度反演的高速铁路多台地震定位方法

林华伟

摘要：多台站地震预警是地震预警中的关键步骤，相对于单台站预警而言多台地震定位结合了多个台站的位置与地震到时差，具备更高的定位精准度。本文在已有地震的资料的基础上反演地震波速度，将反演后的速度应用到基于双曲线的多台定位方法中，通过对实际天然地震进行定位，采用反演速度的地震定位方法可以有效提高多台定位的精度，在实时预警中具备应用价值。

Abstract： Multi-station earthquake warning is a key step in earthquake warning. Compared with the warning of single station， multiple seismic positioning combined the position of multiple stations and the time difference between earthquake and earthquake. Therefore， multiple seismic positioning has higher accuracy. In this paper， the velocity of seismic wave is retrieved on the basis of existing seismic data. By positioning the actual natural earthquake， the seismic positioning method with inversion speed can effectively improve the accuracy of multiple sets of positioning， which has application value in real-time warning.

關键词：地震;高速铁路;反演速度;地震定位

Key words： earthquake;high-speed railway;inversion speed;earthquake location

中图分类号：P315                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）35-0214-02

0  引言

随着我国高速铁路防灾技术研究的不断深入，地震预警技术在防震减灾领域所起到的重要作用日益突出。由于高铁预警对时效性的要求很高，当铁路沿线首个台站检测到地震后，可以根据通过拾取到的P波震相对地震进行定位，进而预测地震波传播到监测台站的地震动强度。然而，地震的发生和发展过程非常复杂，仅仅通过单一台站几秒内的的P波记录的定位结果，往往不能满足地震定位的精度。因此，将多台站地震预警技术应用到高速铁路，可以在保证地震预警时效性的基础上进一步提升地震预警的精确度。本文针对多台地震中地震P波速度难以确认的问题，利用了已有地震数据进行速度反演，并结合双曲线定位方法提出一种适用于高速铁路的地震定位方法。

1  方法原理

在忽略地震震源深度且已知地震P波速度的前提下，由两个地震监测台站的相对位置及这两个台站P波到时差可以确定一条震中轨迹，该轨迹上任一两个点的距离差的绝对值均为常数，因此该轨迹近似为一条双曲线，震中位置会落在靠近首个触发台站的那条支线上。假设铁路沿线前两个触发台站分别为S1和S2，这两个台站间的连线为x轴，台站间连线的垂直平分线为y轴台站连线中点为坐标原点，台站之间的直线距离为2c，台站S1的坐标为（+c，0），台站S2的坐标可表示为（-c，0）。将地下介质视为各项同性介质，地震P波的传播速度为Vp，发震时刻为T0，震源深度为H，两个地震监测台站的地震P波分别为T1和T2（T1为首个触发台站到时），地震震源与两个监测台站的直线距离分别为d1和d2，d1和d2满足下面关系式：

考虑到对高铁有影响的地震震源深度一般在5km～20km，相对于震中距可以忽略，则有：

因此，震中位置到2 个地震监测点的直线距离差等于常数，满足双曲线规律，其方程如下：

随着触发报警的台站数量的增多，不同台站两两确定的双曲线轨迹的交点即为震中位置。

对于上文中的P波速度，本文采用已有地震的进行反演，具体方法为对于本地区铁路沿线接收到的地震，由其震中距、震源深度以及地震波旅行时（发震时刻与台站接收到地震的时差）通过勾股定理计算得到。

2  计算实例

本文采用日本2015年2月25日6.3级地震及2014年1月16日5.1级地震对算法进行验证，两次地震深度分别为3km及28km。两次地震一次为网内地震，一次为网外地震。

图1为两次地震台站位置、职守区域及震中位置示意图。图2、图3、图4分别为首个、三个、五个台站的定位示意图。

两次真实地震的定位的速度是由台站到时差反算得到，即当速度能够较为准确的给定时，三台以上的定位可以将误差控制在10km以下，如图5所示。

图6为不同速度情况下各台站定位精度示意图，从图中可以看出，采用反速度的定位误差最小，即当速度不确定时，定位会有一定误差，且随着速度误差的增大，定位精度逐渐降低。

3  结论

本文通过已有天然地震数据反演地震波速度，将反演的速度应用到双曲线多台站定位中，并采用实际天然地震对方法进行验证。结果表明采用反演天然地震波速度的方法在整体上可以提升多台站的定位精度，且随着台站数量的增多，定位误差逐渐减小，计算结果比常规直接设定P波速度的方法更加稳定可靠，在实时预警中具备应用价值。

参考文献：

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