王 寧， 楊春利， 李雪英， 常 亮， 趙英萍

(1．河北省地震局，石家莊 050021；2．河北建設(shè)勘察研究院有限公司，石家莊 050031)

遺漏震相檢測(cè)技術(shù)在2016年9月唐山震群中的應(yīng)用

王 寧1， 楊春利2， 李雪英1， 常 亮1， 趙英萍1

(1．河北省地震局，石家莊 050021；2．河北建設(shè)勘察研究院有限公司，石家莊 050031)

以河北省數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的河北唐山震群目錄中震級(jí)較大的地震事件為模板，運(yùn)用匹配濾波技術(shù)，對(duì)2016年09月10—12日3天的連續(xù)波形做互相關(guān)掃描，以進(jìn)行唐山震群遺漏地震檢測(cè)，并確定遺漏地震的發(fā)震時(shí)刻；運(yùn)用S波振幅比方法估計(jì)遺漏地震震級(jí)；用單純型方法對(duì)遺漏地震進(jìn)行定位，確定震中位置。結(jié)果顯示，檢測(cè)出22次遺漏地震，進(jìn)一步完善了地震目錄。

監(jiān)測(cè)能力；目錄完整性；遺漏地震；匹配濾波技術(shù)

0 引言

地震目錄是地震觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)出的最終成果，目錄的準(zhǔn)確性、完整性直接影響區(qū)域地震活動(dòng)、地震危險(xiǎn)性分析及其后續(xù)科學(xué)研究的可信度[1]。目前，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)接收河北省屬53個(gè)數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)站，加上周邊地區(qū)共166個(gè)地震臺(tái)站提供的實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)，河北省全省范圍內(nèi)地震監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML2.0，唐山地區(qū)更是達(dá)到ML1.0～1.5[2](圖1a)，河北臺(tái)網(wǎng)較高的地震監(jiān)測(cè)能力為數(shù)據(jù)的產(chǎn)出提供了有力保證。隨著監(jiān)測(cè)能力的發(fā)展，臺(tái)網(wǎng)人員工作水平的不斷提高，使得地震目錄的產(chǎn)出越來(lái)越精細(xì)。震群活動(dòng)期間，地震目錄的產(chǎn)出向來(lái)是臺(tái)網(wǎng)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在震群活動(dòng)中，震中附近短時(shí)間內(nèi)往往發(fā)生大量地震，震級(jí)大小不一，不同地震相互交疊，一些較小的地震難以辨別，這些都給地震目錄完整性造成了一定的影響。針對(duì)這種情況，本文嘗試用遺漏震相檢測(cè)技術(shù)，即波形匹配濾波技術(shù)對(duì)震群的遺漏震相進(jìn)行拾取檢測(cè)。

2016年8—9月河北唐山地區(qū)陡河臺(tái)附近發(fā)生小震震群活動(dòng)，據(jù)《河北省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震觀測(cè)報(bào)告》給出，9月10—12日為地震日頻次最高的3天。僅這3天就發(fā)生地震事件441次，其中ML1.0～2.9共 89次，ML3.0以上2次，最大地震震級(jí)為ML4.3(圖1b)。本文選取ML1.0以上唐山地區(qū)地震為模板，通過匹配濾波技術(shù)檢測(cè)遺漏地震，并對(duì)遺漏地震的震級(jí)和震中位置進(jìn)行估計(jì)，以補(bǔ)充現(xiàn)有地震目錄。

1 研究方法

本文采用匹配濾波技術(shù)(matched filter technique,MFT)進(jìn)行遺漏地震檢測(cè)，此方法是在低信噪比情況下提取信號(hào)的一種有效方法[3]。經(jīng)過快速發(fā)展，匹配濾波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中強(qiáng)地震余震序列分析[4-6]、非火山地脈動(dòng)與低頻地震[7-8]、微震震群發(fā)震構(gòu)造[9-10]等方面的研究。

首先，挑選地震序列中震級(jí)較大或記錄波形信噪比較好的地震事件，依據(jù)震相報(bào)告給出的到時(shí)數(shù)據(jù)，從連續(xù)記錄波形數(shù)據(jù)中截取相應(yīng)地震事件波形作為模板，以直達(dá)S波到時(shí)為中心，截取其前2 s至后2 s波形。本次互相關(guān)掃描選用ML1.0以上唐山地區(qū)地震(表1)為模板，若地震事件波形出現(xiàn)限幅、斷計(jì)等情況，則舍棄該地震。臺(tái)站選取原則是：寬頻帶地震計(jì)記錄波形的臺(tái)站，地震記錄較為清晰，臺(tái)站距離震中較近，信噪比較高，因此選取了DOH、LUX、QIX、CLI、TLK、XLD 6個(gè)臺(tái)站參與互相關(guān)計(jì)算。

a 唐山地區(qū)現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)能力，三角形為唐山地區(qū)臺(tái)站

b 2016年9月10—12日唐山震群震中分布圖

表1 模板地震選取

模板選取后，基于匹配濾波技術(shù)，在連續(xù)波形上進(jìn)行互相關(guān)掃描，得到地震與模板間的相關(guān)系數(shù)。在對(duì)地震波信號(hào)濾波時(shí)，需保證在保留地震信號(hào)的情況下濾掉噪聲信號(hào)。本次運(yùn)算中使用了4 階 Butterworth 零相移數(shù)字濾波器。通常所選臺(tái)站震中距不超過50 km，選擇2～8 Hz的濾波頻段。計(jì)算中對(duì)模板地震波形和連續(xù)波形使用同樣的濾波器和濾波頻段濾波。若模板事件發(fā)震時(shí)刻處在所掃描的那一天，則每個(gè)臺(tái)的互相關(guān)系數(shù)的最大值應(yīng)為1.0。此次震群計(jì)算中，以記錄到的9月10日17時(shí)57分12.5秒地震的陡河臺(tái)(DOH)連續(xù)波形的掃描結(jié)果為例(圖2)。在互相關(guān)序列圖中最大值為 1.0(三分向互相關(guān)系數(shù)平均值)，表明計(jì)算參數(shù)設(shè)置基本是正確的。

將互相關(guān)掃描的結(jié)果進(jìn)行組合，計(jì)算序列的絕對(duì)離差中位數(shù)(MAD，median absolute deviation)，以得到地震編目時(shí)遺漏的地震。絕對(duì)離差中位數(shù)倍數(shù)閾值是地震事件檢測(cè)中最為關(guān)鍵的參數(shù)設(shè)置。MAD 倍數(shù)表示一個(gè)互相關(guān)系數(shù)在序列中脫離背景值的程度，其倍數(shù)越大表示在這一時(shí)間點(diǎn)連續(xù)波形與模板波形相似程度越高，其為一次地震事件的可能性越大，本次運(yùn)算中 MAD 倍數(shù)閾值默認(rèn)值為9[4]。

注：小圓圈處表示互相關(guān)系數(shù)平均值為1。圖2 Eq910175712對(duì)DOH臺(tái)的互相關(guān)掃描序列圖

2 遺漏地震事件檢測(cè)

2.1 遺漏地震發(fā)震時(shí)刻和震級(jí)

基于互相關(guān)掃描模塊的計(jì)算結(jié)果文件，給出每個(gè)模板地震所能夠識(shí)別出地震事件的發(fā)震時(shí)刻，合并所有模板檢測(cè)出來(lái)的地震事件，對(duì)比原始地震目錄，就可找出遺漏地震。地震事件檢測(cè)部分選取每3個(gè)臺(tái)1天的互相關(guān)系數(shù)文件進(jìn)行運(yùn)算(表2)，本文選取6個(gè)臺(tái)站，每個(gè)模板地震對(duì)應(yīng)2個(gè)地震事件檢測(cè)結(jié)果文件。檢查互相關(guān)掃描結(jié)果文件是否準(zhǔn)確可靠的一種方法， 就是查看在模板地震發(fā)震時(shí)刻的平均互相關(guān)系數(shù)是否為1.0。在模板地震的發(fā)震時(shí)刻，互相關(guān)檢測(cè)的結(jié)果應(yīng)為模板波形的自相關(guān)，即3個(gè)臺(tái)站互相關(guān)系數(shù)都為1.0，平均互相關(guān)系數(shù)也為1.0，則表明計(jì)算參數(shù)設(shè)置合理。

表2 模板Eq912165931掃描DOH、LUX、CLI 3個(gè)臺(tái)站檢測(cè)出來(lái)的地震事件的發(fā)震時(shí)刻

需要注意的是，同一個(gè)地震可能被很多模板檢測(cè)出來(lái)，即一條遺漏地震和目錄地震均有多次掃描結(jié)果，如9月10日22時(shí)29分58.8秒遺漏地震，被Eq910181728，Eq910182804，Eq 910185622等8個(gè)模板分別檢測(cè)出；9月10日22時(shí)31分55.9秒遺漏地震，被模板Eq 910181519，Eq 910181728，Eq 910212558，Eq 911164336共檢測(cè)出4次，等等。對(duì)于此種情況，由于發(fā)震時(shí)刻差距很小，故遺漏地震發(fā)震時(shí)刻取平均值。本次共檢測(cè)出22處遺漏地震，遺漏地震震級(jí)較小，都在ML0.6以下(表3)。

表3 遺漏地震發(fā)震時(shí)刻和震級(jí)

在得到遺漏地震事件后，接下來(lái)就是對(duì)遺漏地震震級(jí)的確定。測(cè)震臺(tái)網(wǎng)一般利用水平向S波列最大振幅測(cè)量近震震級(jí)，因而本研究使用S波到時(shí)后2 s振幅比測(cè)量遺漏地震震級(jí)。遺漏地震波形經(jīng)過4階Butterworth零相移數(shù)字濾波，濾波頻段是2～8 Hz，取其S波到時(shí)后2 s內(nèi)最大振幅與模板地震S波到時(shí)后2 s內(nèi)最大振幅之比，即為遺漏地震S波震級(jí)。一個(gè)遺漏事件可以更換幾個(gè)模板計(jì)算震級(jí)，同一個(gè)模板也可以計(jì)算若干個(gè)遺漏事件的震級(jí)。本次運(yùn)算取互相關(guān)系數(shù)大于0.6的震相的震級(jí)計(jì)算結(jié)果，通過計(jì)算平均值得到遺漏地震最終的震級(jí)估計(jì)結(jié)果?；ハ嚓P(guān)系數(shù)越大的，震級(jí)計(jì)算結(jié)果也越可靠(圖3)。

波形模板為事件Eq910181418陡河臺(tái)(DOH)記錄，掃描出的遺漏地震發(fā)震時(shí)刻為2016-09-11 15:26:13.2；圖3a 是P波通過垂直向波形互相關(guān)檢測(cè)的互相關(guān)系數(shù)，互相關(guān)最大值(CCmax)為0.59；圖3b則是S波通過水平向的互相關(guān)系數(shù)，互相關(guān)最大值(CCmax)為0.89。

圖3 遺漏地震的P、S波到時(shí)及互相關(guān)系數(shù)示意圖

2.2 遺漏地震定位

本次唐山震群臺(tái)網(wǎng)目錄已有地震事件共441次，臺(tái)網(wǎng)人員日常地震定位所使用的是單純型法[11]。該方法是適用于地方震、近震和遠(yuǎn)震的地震定位程序。對(duì)于檢測(cè)出來(lái)的遺漏地震也是運(yùn)用單純型法進(jìn)行定位(表4)。

表4 遺漏地震事件定位及檢測(cè)到震相的臺(tái)站

3 結(jié)論與討論

本文運(yùn)用匹配濾波技術(shù)對(duì)2016年9月10—12日發(fā)生的唐山震群遺漏震相進(jìn)行拾取檢測(cè)，共檢測(cè)出遺漏地震22條。運(yùn)用S波振幅比對(duì)遺漏地震進(jìn)行震級(jí)估計(jì)，并用單純型地震定位方法對(duì)遺漏地震進(jìn)行定位，得到以下結(jié)論：

1)運(yùn)用匹配濾波技術(shù)檢測(cè)震群的地震事件，檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果地震個(gè)數(shù)比地震目錄多。當(dāng)一個(gè)地區(qū)發(fā)生震群之后，很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量地震，臺(tái)網(wǎng)人員任務(wù)繁重，此種方法不僅能給臺(tái)網(wǎng)人員提供一種震相拾取手段，而且可以作為一種對(duì)地震目錄完整性檢測(cè)的方法。

2)運(yùn)用此方法雖然檢測(cè)出一些遺漏地震，但由于震群中震級(jí)較小的地震波形信噪比低，可能難以檢測(cè)到目錄中所有的遺漏地震。

匹配濾波技術(shù)在震群中的應(yīng)用，能有效地抑制低頻干擾，檢測(cè)出較多的遺漏地震事件。它對(duì)完善地震目錄有一定的幫助，地震數(shù)目增加可使最小完整性震級(jí)降低；在以小震震群為基礎(chǔ)的各項(xiàng)研究中，地震數(shù)目的增加，可以為震群發(fā)震構(gòu)造的分析及其他的研究提供更為科學(xué)的依據(jù)[12]。但是，模板數(shù)據(jù)量大，掃描時(shí)間長(zhǎng)等這些問題是匹配濾波技術(shù)難以應(yīng)用到臺(tái)網(wǎng)日常工作的關(guān)鍵。隨著科技和地震學(xué)研究的發(fā)展，以波形互相關(guān)方法來(lái)識(shí)別震相的相關(guān)研究將不斷改進(jìn)。另外，由于震群中震級(jí)較小的地震波形信噪比低，濾波過程中有很多較小的地震難以識(shí)別。我們會(huì)在接下來(lái)的工作中對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，以期解決這一問題。

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Application of Missing Seismic Phase Detection Technology in Tangshan Earthquake Swarm on September 2016

WANG Ning1, YANG Chun-li2, LI Xue-ying1, CHANG Liang1, ZHAO Ying-ping1

(1. Earthquake Administration of Heibei Province, Shijiazhuang 050021, China; 2. Hebei Research Institute of Construction & Geotechnical Investigation Co., Ltd ,Shijiazhuang 050031, China)

In this paper, using matched filtering technology, the missing seismic phases of the Douhe earthquake swarm on september10 to 12 in 2016 in Tangshan region are detected. In the detection, the largest earthquake in the swarm is taken as the template of the existing earthquake catalog produced by Hebei seismic network. The continuous waveforms are cross-correlated scanned to determine the occurrence time of the missing earthquake; The magnitude of missing earthquakes is estimated by using S wave amplitude ratio method; Location of observed earthquakes is determined by simple seismic location method. The results show that a total of twenty two missed earthquakes were detected which improve the earthquake catalog.

monitoring ability; directory integrity; missing earthquake; matching filtering technique

王寧，楊春利，李雪英，等. 遺漏震相檢測(cè)技術(shù)在2016年9月唐山震群中的應(yīng)用[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(2):38-43.

2016-10-25

河北省地震局星火計(jì)劃面上項(xiàng)目(DZ20160408048)

王 寧(1988—)，女，河北邯鄲人，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)方面研究．E-mail：819087955@qq.com

P315.73

A

1003-1375(2017)01-0038-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.006