張雁濱 蔣 駿 郭 斌 顧升宇 徐文杰 王 朝

1 華中科技大學(xué)物理學(xué)院，武漢市珞喻路1037號(hào)，430074

寬頻帶地震觀測(cè)技術(shù)提供了前所未有的更豐富的地球物理信號(hào)，例如在俯沖帶和板塊交界處觀測(cè)到的非火山震顫（nonvolcanic tremor）、間歇式震顫滑動(dòng)（ETS）、低頻地震滑動(dòng)（LFEs）、甚低頻地震（VLFE）、慢滑動(dòng)事件（SSE）等［1－6］。在中國(guó)大陸地區(qū)，寬頻帶地震計(jì)以及重力和傾斜儀普遍都能觀測(cè)到類似的信號(hào)，這里統(tǒng)稱為震顫波信號(hào)［7－10］，與國(guó)際上在特殊地區(qū)觀測(cè)到的Tremor、ETS、LFEs、VLFE、SSE 等信號(hào)相比，既有類似之處，又有所不同。顯然，在分析研究大陸地震觀測(cè)中的震顫波與大規(guī)模天氣系統(tǒng)活動(dòng)的關(guān)系、震顫波與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景及一些強(qiáng)震活動(dòng)之間的關(guān)系、產(chǎn)生機(jī)理等問(wèn)題時(shí)，對(duì)震顫波信號(hào)的定位是關(guān)鍵。

對(duì)能夠拾取初動(dòng)的信號(hào)，只要滿足觀測(cè)條件，便可通過(guò)提取波初動(dòng)的方法進(jìn)行較精確定位。而對(duì)小振幅、低信躁比、無(wú)明顯初動(dòng)到時(shí)的弱信號(hào)，例如非火山間歇震顫信號(hào)，目前國(guó)際上采用的方法有顫動(dòng)信號(hào)提取、信號(hào)振幅平方、采用互相關(guān)方法確定震顫信號(hào)包絡(luò)線的相對(duì)到時(shí)、以網(wǎng)格搜索法來(lái)進(jìn)行信號(hào)源的定位［1，11－12］。此外，Kao等［13］提出震源掃描算法（the source－scanning algorithm，SSA）進(jìn)行震顫源的定位。這些方法都主要針對(duì)間歇式的震顫信號(hào)（每個(gè)震顫的持續(xù)時(shí)間為s～min），研究的空間尺度范圍一般都在幾十km 或上百km，分布有非常密集的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)。

連續(xù)震顫波信號(hào)持續(xù)時(shí)間在幾h以上，觀測(cè)范圍可達(dá)幾千km，信噪比低、傳播路程長(zhǎng)、不同臺(tái)站的記錄變異大，因此信號(hào)源的定位難度非常大。本文參考國(guó)際上對(duì)間歇式震顫的定位方法，在對(duì)連續(xù)震顫波信號(hào)的特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)特點(diǎn)，在信號(hào)的提取和識(shí)別及處理方面進(jìn)行整合和改進(jìn)，得到可行的定位技術(shù)和方法，并通過(guò)對(duì)已知臺(tái)風(fēng)引發(fā)的連續(xù)震顫波的定位進(jìn)行方法檢驗(yàn)。

1 連續(xù)震顫波信號(hào)的定位技術(shù)

1.1 定位方法的實(shí)驗(yàn)和技術(shù)

早先，我們參考文獻(xiàn)［11－12］，對(duì)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)中幾個(gè)已知的來(lái)自西太平洋臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的震顫波信號(hào)進(jìn)行定位方法的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于連續(xù)震顫波持續(xù)震動(dòng)幾十h不斷，觀測(cè)臺(tái)站的分布范圍大，信號(hào)傳遞時(shí)間長(zhǎng)，分析所涉及信號(hào)的時(shí)間尺度范圍大，觀測(cè)中不同信號(hào)的互相關(guān)相差不明顯，給“同一信號(hào)包絡(luò)線”的相對(duì)到時(shí)判斷工作帶來(lái)困難。對(duì)此，采取了一系列處理手段：從連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)段中選擇有相似突變特征信號(hào)的時(shí)段討論分析①；在信號(hào)提取過(guò)程中，除在對(duì)信號(hào)特征分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行濾波外，考慮到震顫波中含有多種復(fù)雜的信號(hào)成分，以及定位對(duì)信號(hào)時(shí)間變化的精準(zhǔn)要求，對(duì)信號(hào)識(shí)別提取以及分析方法進(jìn)行了改進(jìn)。利用小波分析在信號(hào)時(shí)頻分析上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行震顫波中各信號(hào)的識(shí)別和分析②，比較不同臺(tái)站、不同支波的信號(hào)，進(jìn)行多個(gè)信號(hào)時(shí)間段的大致確定（進(jìn)一步縮小分析的時(shí)間尺度）；在對(duì)包絡(luò)信號(hào)的互相關(guān)分析上，不僅對(duì)單個(gè)包絡(luò)信號(hào)，而且將一個(gè)確定時(shí)間窗中連續(xù)的幾個(gè)包絡(luò)信號(hào)作為一體來(lái)進(jìn)行相關(guān)分析等。總之，在“更準(zhǔn)確地提取、識(shí)別相同的震顫波信號(hào)，提高信噪比”上做工作，最后以所確定時(shí)段內(nèi)的同一組信號(hào)包絡(luò)線的相對(duì)到時(shí)，利用網(wǎng)格搜索法進(jìn)行信號(hào)源的定位。以1 Hz采樣數(shù)據(jù)，對(duì)幾個(gè)已知臺(tái)風(fēng)信號(hào)進(jìn)行定位方法實(shí)驗(yàn)，定位結(jié)果與同時(shí)段臺(tái)風(fēng)中心位置的誤差范圍約40～100km①易鵬程.震顫信號(hào)的起始時(shí)間判斷與定位.華中科技大學(xué)物理學(xué)院畢業(yè)論文，2009年6月。指導(dǎo)教師：張雁濱，蔣駿。②劉偉.基于小波分析方法的震顫信號(hào)起始時(shí)間判斷與定位．華中科技大學(xué)物理學(xué)院畢業(yè)論文，2010年6月。指導(dǎo)教師：張雁濱，蔣駿。。根據(jù)臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀況，對(duì)其產(chǎn)生的信號(hào)源的定位來(lái)說(shuō)，這樣的結(jié)果是合理的。以上采用的方法最終需要獲得信號(hào)的相對(duì)到時(shí)。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果都較理想，但在多臺(tái)站觀測(cè)信號(hào)的互相關(guān)分析以及“同一組包絡(luò)信號(hào)線的相對(duì)到時(shí)”的確定環(huán)節(jié)，困難較大。例如實(shí)際工作中所遇到的最大問(wèn)題是不相關(guān)的波形間相關(guān)系數(shù)也很高，從而需加入人為判斷，不利于方法的程式化。因此，采用震源掃描算法（SSA 法）來(lái)取代前面的到時(shí)判斷以及網(wǎng)格搜索定位環(huán)節(jié)。

1.2 震源掃描算法（the source－scanning algorithm，SSA法）

SSA 法［13］的核心是通過(guò)觀測(cè)波形信號(hào)的相對(duì)振幅和到時(shí)來(lái)判定震源是否位于特定的時(shí)間和地點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)地掃描一個(gè)試探性的位置和發(fā)震時(shí)刻，得到整個(gè)震源序列分布，而不需要拾取到時(shí)，也不需要計(jì)算理論地震圖（圖1）。

圖1 震源掃描算法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram to illustrate the concept of SSA

假設(shè)一個(gè)地震事件被N個(gè)臺(tái)站的地震儀記錄到。首先對(duì)每個(gè)數(shù)字地震信號(hào)的振幅歸一化，然后計(jì)算點(diǎn)η在時(shí)刻τ的亮度函數(shù)br（η，τ），定義如下［13］：

式中，un是在臺(tái)站n記錄的歸一化地震記錄，tηn為從η點(diǎn)到臺(tái)站n計(jì)算的某個(gè)最大震相的走時(shí)。如果所有的最大振幅都是由點(diǎn)η在時(shí)間τ產(chǎn)生，那么br（η，τ）＝1（圖1）。同樣，br（η，τ）＝0.1意味著位于點(diǎn)η、時(shí)間τ的震源產(chǎn)生的最大振幅在每個(gè)臺(tái)站只有平均10%被觀測(cè)到。通過(guò)系統(tǒng)地搜索η點(diǎn)和時(shí)間τ來(lái)尋找亮度函數(shù)的最大值，便可有效地重構(gòu)震源的時(shí)空分布。在通常情況下，br（η，τ）＝1極少出現(xiàn)，可以認(rèn)為，整個(gè)時(shí)空中“亮度”函數(shù)取最大時(shí)是震源發(fā)生的位置和事件發(fā)生的時(shí)刻。有關(guān)該方法的更多信息及應(yīng)用細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)［3，13－14］。

在觀測(cè)范圍較大、臺(tái)網(wǎng)較稀疏的條件下，對(duì)大陸觀測(cè)中那些持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、到時(shí)難以確定、不同臺(tái)站觀測(cè)信號(hào)的相關(guān)不明顯的連續(xù)震顫信號(hào)，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分析以及一系列處理的基礎(chǔ)上，采用SSA 法來(lái)取代到時(shí)確定、搜索定位環(huán)節(jié)，以震源掃描的“最大亮度”值進(jìn)行連續(xù)震顫波信號(hào)的定位，可解決前述實(shí)際困難。

1.3 連續(xù)震顫波信號(hào)定位的技術(shù)方案

經(jīng)過(guò)反復(fù)應(yīng)用和檢驗(yàn)，得到適合于連續(xù)震顫波信號(hào)的定位技術(shù)方案：

1）應(yīng)用頻譜特征、時(shí)頻分析、小波變換等多種方法，對(duì)觀測(cè)信號(hào)中的連續(xù)震顫信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和提??；

2）采用“振幅平方法”、“差分法”等對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，提高其信噪比；

3）選擇包含有較強(qiáng)特征信號(hào)的時(shí)段（可以是多個(gè)）作為分析樣本信號(hào)，盡可能縮小連續(xù)震顫波分析討論的時(shí)間尺度；

4）對(duì)樣本信號(hào)取包絡(luò)線（也可采用對(duì)數(shù)據(jù)平滑的方法），即對(duì)波群信號(hào)進(jìn)行有關(guān)時(shí)間的分析，并根據(jù)具體觀測(cè)情況（臺(tái)站分布、掃描空間范圍），來(lái)選擇掃描所用信號(hào)的時(shí)間段（時(shí)間窗長(zhǎng)）；

5）分別對(duì)所選擇時(shí)段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行歸一化后，用SSA 法進(jìn)行空間掃描定位，給出“亮度”較大的結(jié)果。

2 連續(xù)震顫波信號(hào)定位方法的檢驗(yàn)實(shí)例

基于上述基本原則和技術(shù)方法，對(duì)實(shí)際觀測(cè)中不同的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試和檢驗(yàn)。這里給出其中幾個(gè)實(shí)例。

2.1 對(duì)地震面波信號(hào)的定位

SSA已被引用于微震的定位［14－15］，這里把上述技術(shù)方法用于稀疏臺(tái)站觀測(cè)、低采樣信號(hào)，對(duì)已知小地震進(jìn)行定位檢驗(yàn)。采用中國(guó)大陸CD2、KMI、GOM、GYA、LAS、LZH 和XAN 等7個(gè)臺(tái)站觀測(cè)的2008－05－27四川青川4.4級(jí)地震連續(xù)波形數(shù)據(jù)（圖2（a）），采樣率1Hz（對(duì)原始地震信號(hào)作重采樣處理）。需要說(shuō)明的是，與連續(xù)震顫波信號(hào)不同，地震信號(hào)的信噪比高、持續(xù)時(shí)間短、信號(hào)清晰明確，但因觀測(cè)點(diǎn)不同，各臺(tái)觀測(cè)的地震波形有差別，所以這里只是對(duì)這個(gè)地震信號(hào)進(jìn)行了平方、取包絡(luò)及歸一化等處理（圖2（b）），然后用SSA 法，在95°～115°E、20°～40°N 空間范圍掃描定位。在一次掃描的基礎(chǔ)上縮小空間進(jìn)行二次掃描計(jì)算，當(dāng)取3.1km／s波速模型時(shí)（圖3），“亮度”最大值位于104.92°E、32.24°N（中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心公布的地點(diǎn)為104.74°E、32.24°N）。由于這里所用信號(hào)的采樣率相對(duì)較低，又對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列處理，所以這個(gè)偏差是合理的。關(guān)于波速模型，考慮到掃描空間較大，而且對(duì)信號(hào)作了取包絡(luò)處理，波速模型的準(zhǔn)確性可能帶來(lái)偏差，所以在實(shí)驗(yàn)中，還采用了不同的面波波速模型（2.8～3.5km／s）進(jìn)行計(jì)算比較。結(jié)果顯示，采用不同波速會(huì)帶來(lái)幾十km的偏差，波速在3.0km／s左右時(shí)結(jié)果偏差小。

圖2 2008－05－27各臺(tái)站觀測(cè)的青川4.4地震信號(hào)（1Hz采樣）Fig.2 The observation of Qingchuan 4.4earthquake on May 27th，2008（1Hz sampling）

圖3 2008－05－27青川4.4地震SSA 掃描圖Fig.3 Application of SSA to locate Qingchuan 4.4 earthquake on May 27th，2008

2.2 對(duì)臺(tái)風(fēng)引發(fā)的連續(xù)震顫波信號(hào)的定位

將上述技術(shù)用于已知臺(tái)風(fēng)引發(fā)的連續(xù)震顫波信號(hào)來(lái)進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。選擇兩個(gè)發(fā)生在西太平洋、運(yùn)動(dòng)路徑比較有代表性的臺(tái)風(fēng)——2006－05強(qiáng)臺(tái)風(fēng)珍珠（Chanchu）和2007－07碧利斯（Bilis）為研究對(duì)象，采用中國(guó)大陸GZH、CD2、WHN、GYA、GUL、CNS、HEF、QZH、WZH 和SSE 等臺(tái)站的地震觀測(cè)記錄。根據(jù)對(duì)各個(gè)臺(tái)站觀測(cè)信號(hào)的小波分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)引發(fā)的連續(xù)震顫波信號(hào)主要分布在d1、d2和d3層，而且與d1和d2層信號(hào)比，d3層信號(hào)（1Hz采樣數(shù)據(jù)，8～16s周期段）雖相對(duì)弱，但在較大的觀測(cè)范圍內(nèi)，不同臺(tái)站的d3層信號(hào)特征表現(xiàn)一致性強(qiáng)，信號(hào)在傳播空間上衰減相對(duì)緩慢，所以采用d3層的信號(hào)進(jìn)行震顫波源的定位。

圖4 臺(tái)站分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of station distribution

對(duì)2006－05－14～19“珍珠”引發(fā)的連續(xù)震顫波的d3信號(hào)，選其中信號(hào)較強(qiáng)時(shí)段的數(shù)據(jù)取振幅平方（以05－16 20：00、05－07 00：00各1h的信號(hào)為例，見(jiàn)圖5），根據(jù)需要確定掃描時(shí)間窗長(zhǎng)（這里選1 000s），再對(duì)所選時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)（例如圖5（a）中陰影部分，可任意前后挪動(dòng)這個(gè)窗來(lái)選不同時(shí)段的信號(hào)）經(jīng)取包絡(luò)線、歸一化處理后以SSA方法進(jìn)行震源掃描。在一次掃描的基礎(chǔ)上，縮小掃描的空間為110°～120°E、15°～25°N，進(jìn)行二次定位。用圖5（a）、5（b）所示數(shù)據(jù)中多個(gè)不同時(shí)段的信號(hào)，以不同的波速（采用面波波速模型2.8～3.5km／s）進(jìn)行掃描計(jì)算實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果穩(wěn)定、地點(diǎn)集中，與臺(tái)風(fēng)路徑相比較，所得地點(diǎn)均分布在距臺(tái)風(fēng)中心幾十到100余km 的范圍內(nèi)，并能正確反映臺(tái)風(fēng)中心隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)，結(jié)果可信。因篇幅有限，這里僅給出對(duì)應(yīng)圖5（a）、5（b）所示數(shù)據(jù)中多個(gè)時(shí)段掃描結(jié)果中的一個(gè)圖（圖6（a）、6（b），波速采用3.0km／s）。

圖5 各臺(tái)站觀測(cè)的震顫波取平方后的信號(hào)Fig.5 The signals after square processing

圖6 臺(tái)風(fēng)“珍珠”的連續(xù)震顫波信號(hào)震源掃描結(jié)果圖例Fig.6 The map by SSA of Chanchu’s tremor wave

將同樣的方法用于2006－07臺(tái)風(fēng)“碧利斯”引發(fā)的連續(xù)震顫波信號(hào)。同樣采用db小波分層進(jìn)行信號(hào)的識(shí)別，采用d3層的信號(hào)，選取其中07－13 12：00、07－14 04：00的數(shù)據(jù)為例（圖7（a）、7（b）），取掃描時(shí)間窗長(zhǎng)1 000s，采用與前面相同的方法，對(duì)這2h的數(shù)據(jù)分時(shí)段進(jìn)行信號(hào)處理后，用不同的波速（采用面波波速模型2.8～3.5km／s）進(jìn)行震源掃描實(shí)驗(yàn)計(jì)算，掃描后的定位結(jié)果也同樣能反映臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，結(jié)果也穩(wěn)定分布在距臺(tái)風(fēng)中心20～100 多km 的范圍內(nèi)（圖8（a）、8（b））。并且，對(duì)“碧利斯”的觀測(cè)而言，其臺(tái)站的空間分布相對(duì)要比“珍珠”的合理，掃描的結(jié)果也優(yōu)于“珍珠”。

2.3 結(jié)果討論

以上實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了小波變換、平方、取包絡(luò)或平滑等一系列處理，可考慮這些信號(hào)是以波群的“視速度”傳播。若視其在地表傳播，以面波波速2.5～3.5km／s進(jìn)行測(cè)試，得到的結(jié)果基本分布在距該時(shí)段臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)路徑中心的20～180km 范圍內(nèi)，說(shuō)明這個(gè)波速模型是可行的。臺(tái)風(fēng)的本身結(jié)構(gòu)半徑在500～1 000km，即使是臺(tái)風(fēng)的環(huán)狀區(qū)域（最大風(fēng)速和最強(qiáng)暴雨集中出現(xiàn)的區(qū)域），也是位于距臺(tái)風(fēng)中心約幾十到100 多km 半徑范圍內(nèi)，加上大陸的觀測(cè)臺(tái)站均分布在臺(tái)風(fēng)的西北部，位置并不十分理想，綜上因素，定位的結(jié)果是合理的。此外，對(duì)連續(xù)震顫波中不同時(shí)段的信號(hào)以相同方法進(jìn)行定位，最后所得結(jié)果也都是穩(wěn)定的，地點(diǎn)相對(duì)集中，定位結(jié)果也能反映臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，達(dá)到對(duì)此類大規(guī)模天氣運(yùn)動(dòng)與大陸地震觀測(cè)中出現(xiàn)的震顫波相關(guān)分析中對(duì)信號(hào)源定位的要求。這也表明，對(duì)于連續(xù)的震顫波信號(hào)用該方法得到的定位結(jié)果是可信的。

圖7 各臺(tái)站觀測(cè)的震顫波取平方后的信號(hào)Fig.7 The signals after square processing

3 結(jié) 語(yǔ)

本文參考國(guó)際上對(duì)間歇式震顫的定位方法，根據(jù)連續(xù)震顫波的特點(diǎn)，在準(zhǔn)確識(shí)別提取信號(hào)、提高信噪比、縮小分析討論的時(shí)間尺度等原則基礎(chǔ)上，對(duì)信號(hào)的識(shí)別及處理技術(shù)進(jìn)行整合和改進(jìn)，得到對(duì)這類信號(hào)所采用的定位途徑和方法流程：識(shí)別分析－信號(hào)處理－掃描定位。對(duì)已知臺(tái)風(fēng)引發(fā)的連續(xù)震顫波定位檢驗(yàn)結(jié)果表明，這些技術(shù)方法是可行的，結(jié)果合理可信。

對(duì)連續(xù)震顫波信號(hào)的識(shí)別提取是其中關(guān)鍵的一環(huán)，信號(hào)若識(shí)別準(zhǔn)確，再經(jīng)過(guò)有效的處理，即使對(duì)信號(hào)以SSA 方法進(jìn)行無(wú)特定信號(hào)的“盲目掃描”，也能獲得可信的穩(wěn)定結(jié)果。該定位方法和技術(shù)已實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程式化。

以上對(duì)連續(xù)震顫波定位所采用的技術(shù)方法還有可提升的空間，例如在信號(hào)的識(shí)別環(huán)節(jié)，可以采用時(shí)頻分析技術(shù)來(lái)提高對(duì)“相同信號(hào)”的確定；數(shù)據(jù)處理中可用取包絡(luò)線的方法，也可嘗試采用數(shù)據(jù)平滑等多種方式；根據(jù)實(shí)際觀測(cè)的信號(hào)情況來(lái)選擇合適的掃描時(shí)間窗的長(zhǎng)度等。由于連續(xù)震顫波的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所用數(shù)據(jù)的采樣率一般為1 Hz，嘗試用采樣率為20Hz的連續(xù)信號(hào)來(lái)進(jìn)行定位時(shí)，準(zhǔn)確度雖有提高，但在“信號(hào)識(shí)別”及“相關(guān)分析”環(huán)節(jié)會(huì)帶來(lái)更多的困難。

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