程喆,余晨(1.中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院,湖北武漢 430074; .中國人民解放軍61175部隊(duì),湖北武漢 430074)

基于IGS觀測(cè)數(shù)據(jù)的智利Mw8.2級(jí)地震分析

程喆1,2?,余晨2
(1.中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院,湖北武漢 430074; 2.中國人民解放軍61175部隊(duì),湖北武漢 430074)

摘 要:利用2014年智利Mw8.2級(jí)地震前后各3d的震中周邊40個(gè)IGS站的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和IGS精密星歷,計(jì)算獲得遠(yuǎn)場(chǎng)同震地表位移,結(jié)果顯示,智利地震同震水平位移影響范圍達(dá)1 500 km～2 000 km;經(jīng)過對(duì)其中2個(gè)IGS站的高頻觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,獲得地震發(fā)生瞬時(shí)測(cè)站動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡,在此基礎(chǔ)上,使用S變換,過濾背景噪聲,有效拾取P波初至?xí)r刻,反演出P波在地殼中的傳播速度,并與IRIS提供的參考值進(jìn)行對(duì)比和分析,說明結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞:智利地震;同震位移;高頻數(shù)據(jù);S變換;P波初至

1　引 言

智利時(shí)間2014年4月1日20時(shí)46分于智利伊基克西北約99 km處海域(19.610°S,70.769°W)發(fā)生Mw8.2級(jí)地震,震源深度25 km。該地震發(fā)生在納斯卡板塊和南美板塊交匯處,在該區(qū)域納斯卡板塊向東俯沖到南美板塊下部,兩者相對(duì)匯聚速率達(dá)到7.2 cm/ a(http:/ / earthquake.usgs.gov)。

由于震源遠(yuǎn)離陸地,板塊破裂情況無法直接通過野外地質(zhì)考察或航攝影像得出,只能通過余震定位、地震波震相識(shí)別和GPS分析進(jìn)行。王敏等利用全球GPS觀測(cè)資料,計(jì)算出2004年印尼蘇門答臘島Mw9.3級(jí)地震的同震永久位移影響范圍為6 000 km ～7 000 km[1]。“中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目組利用GPS獲取的地表形變資料,測(cè)定了2008年汶川Ms8.0級(jí)地震的同震位移場(chǎng)[2]。楊少敏等利用IGS和陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算了2011年日本Mw9.0級(jí)地震的遠(yuǎn)場(chǎng)同震位移[3,4].繆淼等根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地球物理資料分析了2012年印尼Mw8.6級(jí)地震的孕震機(jī)理[5],然而目前分析2012年印尼Mw8.6級(jí)地震同震位移的資料仍比較少。

近年來,隨著GPS接收機(jī)存儲(chǔ)容量的不斷增大,高頻(1 Hz)和超高頻(2 Hz～50 Hz)GPS技術(shù)開始出現(xiàn),GPS作為地震儀的補(bǔ)充,彌補(bǔ)了地震儀速度或加速度積分容易出錯(cuò)和振幅容易飽和的缺點(diǎn),Irwan、方榮新、蘇小寧等人利用高頻GPS對(duì)2003年Tokachi-oki M8.1級(jí)地震,2004年Sumatra-Andaman M9.3級(jí)巨震,2008年汶川M8.0級(jí)地震,2011年日本宮城M9.0級(jí)巨震進(jìn)行了研究,得出了高精度、高分辨率的地表位移時(shí)間序列[6～10],吳繼忠、彭方喜、徐韶光等人基于高頻GPS得出日本宮城地震和汶川地震中S波的平均傳播速度[11～13],彭懋磊等人得出日本宮城地震中Rayleigh波的傳播速度[14],然而S波和Rayleigh波在地震波中破壞力最大,事后拾取其初至?xí)r刻,社會(huì)效益不大,只有破壞力較小,第一個(gè)達(dá)到測(cè)站的P波的初至?xí)r刻,快速分析其頻率、振幅等信息,確定地震影響范圍和隨后而來的S波的達(dá)到時(shí)刻,才能實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警。張小紅[15]等人利用高頻GPS基于PPP進(jìn)行了P波初至拾取,取得了比較好的結(jié)果,然而目前利用高頻GPS基于TRACK進(jìn)行P波初至拾取的資料比較少。

2　同震位移

2.1利用GAMIT/ GLOBK處理GPS數(shù)據(jù)

本文利用GAMIT/ GLOBK軟件對(duì)智利Mw8.2級(jí)地震前后各3 d(3月30日～4月4日)震中周邊40個(gè)IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。由于地震發(fā)生于UTC時(shí)間2014年4月1日23:46:47,因此4月1日當(dāng)天的數(shù)據(jù)只采用了UTC時(shí)間23:00以前的數(shù)據(jù)。GAMIT解算設(shè)置如表1所示。

GAMIT解算設(shè)置 表1

經(jīng)過解算后,得到各自對(duì)應(yīng)于不同坐標(biāo)框架的6個(gè)單日松弛解,利用GLOBK將這些單日解與斯克里普斯軌道與永久陣列中心(Scripps Orbit and Permanent Array Center,SOPAC)計(jì)算出的全球IGS站的6個(gè)單日松弛解(igs1～igs6)合并,綜合考慮40個(gè)站點(diǎn)的分布情況和數(shù)據(jù)質(zhì)量,選擇其中21個(gè)作為框架點(diǎn),采用七參數(shù)將單日解轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的ITRF2008框架下,形成具有統(tǒng)一基準(zhǔn)的單日解。單日解絕大多數(shù)站點(diǎn)水平精度優(yōu)于5 mm,垂直精度優(yōu)于10 mm。

2.2計(jì)算與結(jié)果分析

在地殼運(yùn)動(dòng)分析中,GPS點(diǎn)在ti時(shí)刻的位置分量可以描述為[2]:

其中,y(t0)為t0時(shí)刻的位置,v表示測(cè)站長期運(yùn)動(dòng)速度,aj、fj、φj分別為年周期和半年周期變化的振幅、頻率和初相,c為同震位移,在以對(duì)數(shù)形式的函數(shù)代表的震后弛豫模型中,p、τ分別為位移系數(shù)和弛豫時(shí)間常數(shù),teq為地震發(fā)生時(shí)刻,ri為觀測(cè)噪聲。這里由于參與解算的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度比較短(6 d),期間震后的蠕滑形變和周期性變化等非構(gòu)造形變可以忽略不計(jì),求解同震位移c。解算結(jié)果能夠反映地震瞬間的地表位移情況,計(jì)算精度取決于單日解的精度。通過計(jì)算,得出27個(gè)IGS站水平方向的同震位移場(chǎng),如圖1所示。

圖1　智利Mw8.2級(jí)地震引起的遠(yuǎn)場(chǎng)水平同震位移場(chǎng)

同震位移計(jì)算結(jié)果表明,地震的影響范圍只局限在震中區(qū)域附近1 500 km～2 000 km范圍內(nèi),且隨著震中距的增大同震位移逐漸減小。距離震中最近的IQQE站向北移動(dòng)1.2 cm,向西移動(dòng)42.7 cm,AREQ站向北移動(dòng)0.3 cm,向西移動(dòng)0.2 cm,UNSA站向北移動(dòng)0.2 cm,向西移動(dòng)0.4 cm。

選取2014年2-10月在中山大學(xué)中山眼科中心海南省眼科醫(yī)院屈光中心接受全飛秒激光手術(shù)的近視散光患者。按患者選擇的手術(shù)方式將他們分為FLEx組28例（56眼）和SMILE組33例（66眼）。本研究獲得中山眼科中心海南省眼科醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)（批號(hào)：2014-005），所有患者術(shù)前均簽署手術(shù)知情同意書。

3　動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡

TRACK是GAMIT/ GLOBK的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊,采用雙差模式進(jìn)行高精度動(dòng)態(tài)相對(duì)定位,逐個(gè)歷元進(jìn)行差分計(jì)算,獲得站點(diǎn)的三維坐標(biāo)和相應(yīng)誤差,從而得出站點(diǎn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡。本文選取震中距由小到大的IQQE站(68 km)、AREQ站(460 km)、UNSA站(689 km)、BOGT 站(2 724 km)和ISPA站(4 011 km)1-Hz高頻GPS數(shù)據(jù),使用TRACK分析,通過選取合適的固定站[16,17],處理從UTC時(shí)間4月1日23:00～4月2日01:00數(shù)據(jù),在所得結(jié)果中取UTC時(shí)間4月1日23:46～4月2日00: 01之間15 min的結(jié)果,得到各個(gè)測(cè)站北、東、垂直方向動(dòng)態(tài)軌跡如圖2所示,測(cè)站從上到下按照震中距由小到大排列。可以看出,地震發(fā)生后,距離震中最近的IQQE站最先感知,隨著地震波的傳播,其能量逐漸衰弱,各站各分量均有不同程度的變化,變化大小主要取決于震中距及地震帶破裂方向。

圖2已經(jīng)詳細(xì)的反映了測(cè)站在N、E、U方向的運(yùn)動(dòng)過程,為了更直觀地刻畫測(cè)站運(yùn)動(dòng)軌跡,圖3中給出了UTC時(shí)間4月1日23:46～4月2日00:01之間15 minIQQE和AREQ水平向的運(yùn)動(dòng)軌跡,兩站初始位置都為(0,0)?？梢钥闯?地震波到達(dá)前,測(cè)站坐標(biāo)非常集中,地震波到達(dá)后,能量逐漸聚集,測(cè)站發(fā)生劇烈抖動(dòng),偏離初始位置,地震波衰退后,測(cè)站逐漸回彈到初始位置附近,坐標(biāo)又趨于集中,初始位置和最終位置之間的差異即為該站高頻同震位移,列于表2中。

圖2　同震位移時(shí)間序列(15 min)

圖3　IQQE和AREQ水平方向運(yùn)動(dòng)軌跡

高頻GPS測(cè)站同震位移 表2

從表2可以看出,高頻同震位移方向與基于年積日平均坐標(biāo)的測(cè)站永久變形相同,但大小有差異,說明主要位移是由主震引起,差異由主震誘發(fā)的多次余震及震后緩慢蠕動(dòng)造成。

4　地震波震相識(shí)別

4.1S變換原理及初至識(shí)別機(jī)理

地震波中體波分為P波(縱波)和S波(橫波),它們?cè)趲r石圈中的實(shí)際傳播速度取決于巖石的密度和內(nèi)在彈性?？偟恼f來,P波在地殼中運(yùn)動(dòng)速度比S波快, P波第一個(gè)到達(dá)目標(biāo)測(cè)站,使地面發(fā)生上下振動(dòng),破壞性較弱。S波第二個(gè)到達(dá),使地面發(fā)生前后、左右抖動(dòng),破壞性較強(qiáng)。地震預(yù)警的基本思想是利用P波與S波傳播過程中的時(shí)間差,當(dāng)P波到來時(shí),快速準(zhǔn)確判斷波形,分析其初至?xí)r刻,預(yù)估隨后而來的S波初至?xí)r刻和影響范圍,確定預(yù)警級(jí)別和范圍。通常預(yù)警時(shí)間都只有九秒至數(shù)十秒,但這對(duì)于減輕人員和財(cái)產(chǎn)損失起著十分重要的作用[15]。

S變換(S -Transform)是由美國地球物理學(xué)家Stockwell[18]等在1996年提出的一種無損可逆的線性時(shí)頻分析方法,它克服了短時(shí)傅里葉變換時(shí)窗函數(shù)固定、對(duì)信號(hào)時(shí)間定位能力差的缺點(diǎn),同時(shí)其基本小波不必滿足容許性條件,是一種優(yōu)于短時(shí)傅里葉變換和小波變換的時(shí)間-頻率分析技術(shù),在信號(hào)處理[19]、地震分析[20]領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用S變換進(jìn)行時(shí)間序列的頻譜分析,一方面能夠提高對(duì)背景噪聲成分的時(shí)間定位能力,便于實(shí)現(xiàn)噪聲的濾波處理;另一方面可以增加頻譜系數(shù)的個(gè)數(shù),從而改善地震波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性[21]。

Stockwell等將時(shí)域信號(hào)h(t)的S變換定義為

其中,S(τ,f)為變換后得到的時(shí)頻譜,ωf(t)為高斯時(shí)窗函數(shù),τ表示時(shí)窗函數(shù)中心對(duì)應(yīng)的時(shí)間,f表示頻率(單位Hz)。對(duì)于一維函數(shù)h(t),變量τ和其中一個(gè)頻率fi可以確定一個(gè)S(τ,fi),稱其為一個(gè)時(shí)窗的信號(hào)。因此,當(dāng)頻率取不同值時(shí),S變換可以獲得不同頻率信號(hào)頻譜隨時(shí)間的變化特征。

對(duì)單道地震記錄經(jīng)S變換后,得到時(shí)間、頻率的聯(lián)合表示,在地震波到來前,觀測(cè)到的一般都是背景噪聲,而地震波到來后,地震信號(hào)與背景噪聲混雜在一起,這樣振幅能量的突變點(diǎn)就是初至起跳處。如果信噪比比較高,用肉眼可以在時(shí)間域上識(shí)別振幅能量在初至起跳處前后的差異;如果信噪比低,初至起跳處前后的能量差異小,在時(shí)間域無法識(shí)別,可以利用地震波與背景噪聲頻率的差異,使得初至前后的能量在時(shí)頻圖上具有不同的空間分布,同時(shí)地震信號(hào)的時(shí)頻譜有明顯的能量聚集的特性加以區(qū)分,有效拾取P波初至?xí)r間。

4.2提取背景噪聲

首先取IQQE和AREQ兩個(gè)測(cè)站震前15 min(900歷元)的高頻時(shí)間序列進(jìn)行一階求差,消除長周期噪聲,獲得測(cè)站速度波形,對(duì)速度波形進(jìn)行S變換,將時(shí)間域信息轉(zhuǎn)換到頻率域,判斷背景噪聲能量大小,從而確定提取P波初至?xí)r刻的能量閾值,得到如圖4所示頻譜圖,第一行為IQQE站,第二行為AREQ站,從左至右依次為北、東、垂直方向,橫軸為歷元數(shù),縱軸為頻率。

圖4　IQQE站和AREQ站震前速度波形S變換

可以看出,震前速度波形背景噪聲頻率主要分布在0.2 Hz～0.5 Hz之間,十分雜亂,沒有規(guī)律,垂直向背景噪聲能量明顯大于水平向,這是由于GPS垂直方向比水平方向觀測(cè)誤差大造成的,北、東、垂向背景噪聲能量分別為1.5×10-4、1×10-4和2×10-4,這些數(shù)值將作為P波初至拾取的能量閾值,低于或等于該值的能量信號(hào)將在后續(xù)分析中予以過濾去除。

4.3拾取P波初至?xí)r刻

分別取IQQE和AREQ站UTC時(shí)間23:46～23: 51各5 min的高頻時(shí)間序列,經(jīng)過S變換后過濾背景噪聲,獲得頻譜圖和速度序列圖如圖5、圖6所示,其中從上至下是頻譜圖和速度圖,從左至右依次是北、東、垂向,橫軸是UTC時(shí)間,縱軸是頻率或速度,頻譜圖中能量低于或等于背景噪聲的部分用白色表示。

可以看出,當(dāng)P波剛剛到達(dá)時(shí),能量比較弱,速度序列圖變化不明顯,信噪比較低,肉眼很難根據(jù)速度變化識(shí)別出初至?xí)r刻,隨著破壞力較大的S波和面波到達(dá),能量逐漸增強(qiáng)到最強(qiáng)(對(duì)應(yīng)于速度序列圖變化最快的部分),維持一段時(shí)間后,隨著地震波的減弱而逐漸衰退,最后恢復(fù)到背景噪聲。拾取的P波初至?xí)r刻列于表3中,同一測(cè)站由N、E、U三個(gè)方向拾取的時(shí)刻并不相同,差異在10 s之內(nèi)。

圖5　IQQE站震時(shí)頻譜圖

圖6　AREQ站震時(shí)頻譜圖

各測(cè)站P波初至?xí)r刻對(duì)比 表3

4.4初至?xí)r刻檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證S變換提取P波初至?xí)r刻的準(zhǔn)確性,將IRIS公布的附近地震臺(tái)站地震儀觀測(cè)P波初至?xí)r刻與本文進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果列于表3中,其中臺(tái)站LVC距離IQQE站345 km,臺(tái)站NNA距離AREQ站 700 km,根據(jù)臺(tái)站到震中的距離和IRIS公布的P波初至?xí)r刻,計(jì)算出P波在地殼中傳播距離,分別用LVC、NNA監(jiān)測(cè)到的P波初至?xí)r刻內(nèi)插出P波傳播到IQQE和AREQ站的時(shí)刻,與本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

從表3可知,LVC內(nèi)插得出IQQE站P波初至?xí)r刻參考值為23:46:56,NNA內(nèi)插得出AREQ站P波初至?xí)r刻參考值為23:47:46,測(cè)站S變換的拾取結(jié)果都要比IRIS提供的參考值晚2 s～5 s,這是因?yàn)槭紫?受精度限制,GPS本身測(cè)量噪聲較大,在測(cè)站較遠(yuǎn),信噪比較低的情況下,不容易將背景噪聲與地震信號(hào)十分準(zhǔn)確的分離出來,而地震儀的信噪比比高頻GPS要高;其次,S變換中背景噪聲能量閾值主要是通過目視頻譜確定,難免存在一定誤差,而閾值的選取對(duì)于拾取時(shí)刻的影響可能達(dá)到數(shù)秒;第三,N、E、U三方向拾取時(shí)刻的不同是由各個(gè)方向?qū)Φ卣鸩ǖ拿舾谐潭炔煌鸬?不能簡(jiǎn)單求平均,確定整體初至?xí)r刻;第四,地震儀兩測(cè)站到高頻GPS兩測(cè)站有一定距離,期間由于巖石的密度和內(nèi)在彈性的不同,P波傳播速度會(huì)發(fā)生一定變化,簡(jiǎn)單的內(nèi)插與外推,會(huì)有誤差存在。使用S變換拾取P波初至?xí)r刻與地震儀數(shù)據(jù)不完全一致,結(jié)果大體上吻合較好。

另一方面,由S變換反演出P波傳播速度為6.80 km/ s和7.30 km/ s,這與P波在地殼中平均傳播速度為5 km/ s～8 km/ s的范圍一致。

5　結(jié) 語

本文利用智利Mw8.2級(jí)地震前后各3 d的震中周邊40個(gè)IGS站的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和IGS精密星歷,計(jì)算獲得遠(yuǎn)場(chǎng)同震位移,結(jié)果顯示其同震水平位移影響范圍達(dá)1 500 km～2 000 km;對(duì)其中2個(gè)IGS站的高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,獲得地震發(fā)生瞬時(shí)二維和三維動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡以及高頻同震位移,說明高頻同震位移與基于年積日平均坐標(biāo)的測(cè)站永久變形的差異由主震誘發(fā)的多次余震及震后緩慢蠕動(dòng)造成。

在此基礎(chǔ)上,對(duì)測(cè)站速度波形使用S變換,過濾背景噪聲,在北、東、垂直三個(gè)方向有效拾取P波初至?xí)r刻,并與IRIS提供的參考值進(jìn)行對(duì)比和分析,發(fā)現(xiàn)同一測(cè)站三個(gè)方向S變換拾取時(shí)刻各不相同,差異在5 s之內(nèi);兩個(gè)測(cè)站拾取時(shí)刻都比參考值要晚2 s～5 s,總體上吻合較好,反演出P波在地殼中的傳播速度在6 km/ s～8 km/ s,與合理值較符合,說明了結(jié)果的可靠性,研究成果對(duì)于今后利用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行地震預(yù)警有一定參考意義。

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Analysis of Chile Mw8. 2 Earthquake Based on Observations of IGS Stations

Cheng Zhe1,2,Yu Chen2
(1.Faculty of Information Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China; 2.PLA 61175,Wuhan 430074,China)

Abstract:Based on IGS precise ephemeris and 3-day IGS observations before and after the great Mw8.2 Chile earthquake,we presented the coseismic deformation field composed of 40 sites for Indonesia and surrounding area.The results show that the scope of co-seismic horizontal displacement up to 1500-2000km;we solved high-frequency observations of 2 IGS stations to obtain the dynamic trajectory,furthermore,we used the S-transform algorithm for background noise Filtering and the primary wave(P-wave) arrival picking from high-rate GPS seismic waves,inversed the P-wave propagation velocity in the earth's crust,we compared and analyzed it with reference values provided by IRIS(Incorporated Research Institutions for Seismology) to illustrate the reliability of the result.The results of research could be used for GNSS data monitoring and forecasting on future as a reference.

Key words:chile earthquake;coseismic displacement;high-frequency data;s-transform;p-wave arrival time

文章編號(hào):1672-8262(2015)01-73-06中圖分類號(hào):P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2014—09—01

作者簡(jiǎn)介:程喆(1989—),男,碩士,助理工程師,從事GPS數(shù)據(jù)處理科研與生產(chǎn)工作。