基于高频GPS 资料确定强震P 波到时研究

2021-07-16翟宏光苏利娜丁晓光张永奇

科学技术创新 2021年20期

翟宏光苏利娜丁晓光张永奇

（陕西省地震局，陕西西安 710068）

面对世界范围内地震等地质灾害频发，目前使用高频GPS进行地震方面的应用研究成为了一个研究热点。与传统的地震仪相比，高频GPS 方法可以有效记录地表位移轨迹，在同震形变监测方面优势明显[1-3]；其次，高频GPS 记录过程不会出现振幅饱和的情况，如日本3.11 地震发生时，由于地震仪对地震震级估算结果受到振幅饱和、噪声放大和真实信号扭曲等影响，造成测定震级远小于真实震级，直接导致对后续地震带来灾害的低估，造成了巨大的人员伤亡。Blewitt 等[4]人在2006 年利用高频GPS 得到震前和震后站点的位移量来计算地震距，从而得到地震的矩震级。此外，方荣新等[5]采用RTPPP 的方法证明了高频GPS 具有面波震级反演能力。但地震参数获取的前提是准确的P 波到时，否则得到的地震参数将出现偏差。因此，研究利用高频GPS 计算精确的地震P 波到时是非常有必要且意义。

本文使用2011 年3 月11 日日本仙台发生Mw9.0 地震和2003 年12 月22 日发生于美国加州圣西蒙地区的Mw6.5 级地震当天周边GPS 站点的高频GPS 数据，采用Gamit 的TRACK模块获取站点的同震位移，在此基础上利用S 变换和STA/LTA算法对GPS 地震波进行震相识别获取精确的地震P 波到时进行研究。

1 高频GPS 解算站点位移时间序列

本文利用Gamit 的Track 模块来获取高频GPS 的同震位移时间序列，以日本3.11 大地震时距震中较近的两个IGS 跟踪站MIZU 和USUD 和美国圣西蒙地震的5 个IGS 站（MASW、POMM、LOWS、PIN1、RNCH）的高频GPS（1Hz）数据为例，采用的解算策略为：使用精密星历文件，消弱卫星轨道误差，采用无电离层组合（LC 组合）观测量来削弱电离层误差，利用参数估计的方法消弱对流层误差，采用MW-WL 宽巷模糊度进行相关的模糊度的解算,得到各站点的位移时间序列，如图1 所示。

2 震相识别获取P 波到时方法

2.1 S 变换去噪

S 变换(S-Transform) 是1996 年由美国的地球物理科学家Stokwell 等人提出的一种可逆无损的线性时频分析的方法，该方法的特点是同时具备小波变换和短时傅里叶变换的优点，因此具有很好的时频分辨率，目前在信号分析方面有较为广泛的应用[6]。在地震波到达测站时去除信号中的原始背景噪声，在时频域内形成能量突变，即可准确的获取地震波到时。

2.2 STA/LTA 算法

STA/LTA 算法是指利用信号的短时时窗的均值（STA）和信号的长时窗均值（LTA）的比值作为对接收到的信号的能量变化的反应。2010 年吴治涛等[7]，利用该方法在识别微地震事件的P波到时方面进行了研究。使用S 变换剔除测站信号中的背景噪声影响，获取信号能量突变[8]，然后利用STA/LTA 算法对突变结果进行分析，从而精确获得站点地震波P 波到时。

图1 MIZU 和圣西蒙相关站点N/E/U 方向位移时间序列

3 算例

以2011 年3 月11 日日本仙台的Mw9.0 级大地震影响区域内距震中较近的两个IGS 跟踪站MIZU 和USUD 以及2003 年12 月22 日美国加州圣西蒙地区的Mw6.5 级地震震中附近的5个IGS 跟踪站（MASW、POMM、LOWS、PIN1、RNCH）的高频GPS（1Hz）数据为例，进行地震波P 波到时的确定。对上述站点进行S 变换处理，结果如下图所示，图2 和图3 分别为MIZU 站点震时S 滤波后N/E/U 三个方向和POMM 站点E 方向的频谱图，可以直观的看出地震到时发生了明显的突变现象（限于篇幅其它站点的频谱图不再显示）。

4 结论

本文使用2011 年3 月11 日日本仙台发生Mw9.0 地震和2003 年12 月22 日发生于美国加州圣西蒙地区的Mw6.5 级地震周边GPS 站点的高频GPS 数据，采用Gamit 的TRACK 模块获取站点的同震位移，在此基础上利用S 变换和STA/LTA 算法进行地震波震相识别并获取了精确的地震P 波到时，首先再次证明了高频GPS 在强震预警、地震应急方面可以提供十分有意义的决策依据，其次表明了利用S 变换和STA/LTA 算法相结合进行高频GPS 震相识别获取P 波到时的方法是实际有效可行的。随着今后GPS 设备及相关处理方法的不断改进和提升，高频GPS 将会为地震预警和地震应急提供更加精准、更加科学的决策依据。