梁向軍，劉林飛*，劉雪嬌，閆曉美

（1.山西省地震局，山西 太原；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原）

前言

中國地震觀測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過“九五”、“十五”和“十一五”的建設(shè)和發(fā)展，還有近年來實(shí)施的“中國地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)”項(xiàng)目、“國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”項(xiàng)目和“一帶一路”等重大項(xiàng)目，使得地震觀測(cè)資料日積月累迅猛增長，為地震學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。然而，目前人工震相識(shí)別速度慢、微震識(shí)別難等方面面臨挑戰(zhàn)，尤其是國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程-山西子項(xiàng)目建設(shè)1096 個(gè)臺(tái)站（圖1），預(yù)警中心于2021 年9 月底已投入運(yùn)行，1096 個(gè)臺(tái)站的震相識(shí)別僅依靠人工處理工作量太大，難以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。為此，如何實(shí)現(xiàn)預(yù)警震相資料自動(dòng)化快速、精確拾取，最終形成完整的目錄已成為目前急需研究的重要課題。

近年來，隨著深度學(xué)習(xí)方法不斷發(fā)展，許多深度學(xué)習(xí)方法被應(yīng)用到地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域——震相自動(dòng)拾取方面，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN[1]、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN[2]、全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)FCN[3-4]和U 形網(wǎng)絡(luò)U-net[4-5]。經(jīng)過研究者使用大量的震相資料進(jìn)行訓(xùn)練，拾取效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法，使得震相自動(dòng)化拾取工作成為可能。

自動(dòng)震相識(shí)別在一些重點(diǎn)地區(qū)已取得很好的效果，山西地區(qū)在震相自動(dòng)識(shí)別這一領(lǐng)域剛剛涉及，目前山西臺(tái)網(wǎng)雖然安裝了自動(dòng)編目系統(tǒng), 但是只接入了測(cè)震臺(tái)網(wǎng)74 個(gè)臺(tái)站（57 個(gè)省內(nèi)臺(tái)站和共享周邊省份的17 個(gè)臺(tái)站），尚未接入預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。預(yù)警臺(tái)網(wǎng)接入省內(nèi)的臺(tái)站有1096 個(gè)，平均臺(tái)間距為10 km，對(duì)于同一個(gè)地震，用測(cè)震臺(tái)站分析和預(yù)警臺(tái)站分析工作量是無法比擬的，分析一個(gè)2 級(jí)左右的地震，用測(cè)震臺(tái)網(wǎng)得分析30 個(gè)臺(tái)左右，而預(yù)警臺(tái)網(wǎng)得分析50 個(gè)臺(tái)以上，面對(duì)如此大的工作量，僅依靠人工處理效率太低，因此很有必要對(duì)預(yù)警臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的地震事件進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與分析處理，產(chǎn)出比較完整的目錄和報(bào)告，這項(xiàng)工作可提高值班人員的工作效率，為科研人員提供更多的基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)。

1 震相自動(dòng)檢測(cè)（自動(dòng)編目）方法原理

震相自動(dòng)檢測(cè)主要有以下4 個(gè)步驟：（1） 采用PhaseNet 算法[4]進(jìn)行地震檢測(cè)與震相拾??；（2） 根據(jù)組觸發(fā)策略[6]確定關(guān)鍵震相，即震相關(guān)聯(lián)；（3） 絕對(duì)地震定位，獲得地震的絕對(duì)位置；（4） 震級(jí)測(cè)定；（5）形成最終的目錄和報(bào)告。

2 研究資料選取

應(yīng)用震相自動(dòng)檢測(cè)（自動(dòng)編目）方法，對(duì)山西預(yù)警中心產(chǎn)出的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行震相的自動(dòng)識(shí)別并定位，產(chǎn)出地震目錄，將地震目錄結(jié)果與臺(tái)網(wǎng)中心的統(tǒng)一編目結(jié)果匹配，并對(duì)震中位置和震級(jí)偏差進(jìn)行比較。

3 自動(dòng)編目結(jié)果

以2022 年6 月為例，自動(dòng)編目方法方法共拾取出山西預(yù)警臺(tái)網(wǎng)2022 年6 月地震目錄1522 條，全國統(tǒng)一編目結(jié)果共產(chǎn)出367 條（測(cè)震臺(tái)網(wǎng)人工編目要求處理省內(nèi)及省界30 km 之內(nèi)的天然地震、ML≥2.5 的非天然地震），相匹配的地震數(shù)目為216 條，其中152條是單臺(tái)地震。目前，自動(dòng)編目軟件只檢測(cè)可交地震事件，所以單臺(tái)地震未檢測(cè)到。自動(dòng)檢測(cè)軟件多檢測(cè)出的1155 條編目結(jié)果，是由于自動(dòng)檢測(cè)出的編目結(jié)果包含震級(jí)不夠ML2.5 的非天然地震和省界超過30 km 之外的地震，這1155 條地震事件中，其中107 條是2.5＞ML≥2.0 的非天然地震，剩余的1048 條事件則為震級(jí)小于2.0 的非天然地震和省外不參與編目的地震。從預(yù)警臺(tái)網(wǎng)和測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力圖（圖2、圖3）可以看出：預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力比測(cè)震臺(tái)站的監(jiān)測(cè)能力要強(qiáng)，預(yù)警臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力達(dá)到0.5 級(jí)以下的地震監(jiān)測(cè)區(qū)域與測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力達(dá)到1.0 級(jí)以下的地震所占區(qū)域的比例相當(dāng)，預(yù)警臺(tái)網(wǎng)能監(jiān)測(cè)到全省1.0 級(jí)以下的地震，這就是自動(dòng)檢測(cè)軟件檢測(cè)出預(yù)警臺(tái)網(wǎng)比測(cè)震臺(tái)網(wǎng)事件多的原因。

圖2 預(yù)警臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力

圖3 測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力

對(duì)比分析自動(dòng)產(chǎn)出的預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的地震目錄和全國統(tǒng)一編目結(jié)果顯示：發(fā)震時(shí)刻偏差平均值為-0.1 s，震中位置偏差平均值為3.98 km，震級(jí)偏差平均值為0.2級(jí)，偏差結(jié)果都比較小，所以我們認(rèn)為自動(dòng)編目結(jié)果可為臺(tái)網(wǎng)使用。

我們選取1 個(gè)典型地震來看，以2023 年6 月18日發(fā)生的山西洪洞3.3 級(jí)地震為例：全國統(tǒng)一編目結(jié)果、預(yù)警人工編目和自動(dòng)編目結(jié)果相比較（見表1）。

表1 洪洞3.3 級(jí)地震全國統(tǒng)一編目、預(yù)警人工編目和預(yù)警自動(dòng)編目結(jié)果對(duì)比

表1 中數(shù)據(jù)顯示，預(yù)警臺(tái)網(wǎng)自動(dòng)編目結(jié)果與測(cè)震臺(tái)網(wǎng)全國統(tǒng)一編目結(jié)果相比較：發(fā)震時(shí)刻相差0.5 s，震中位置偏差2.1 km，震級(jí)相同；預(yù)警臺(tái)網(wǎng)自動(dòng)編目與人工編目結(jié)果相比：發(fā)震時(shí)刻相同，震中位置偏差1.1 km，震級(jí)相同。對(duì)比結(jié)果顯示，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)用的臺(tái)站和預(yù)警臺(tái)網(wǎng)用的臺(tái)站不一樣（圖4、圖5），但定位結(jié)果卻有很好的一致性，說明預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的自動(dòng)定位結(jié)果可靠。

圖4 測(cè)震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一編目部分觀測(cè)報(bào)告

4 結(jié)論與討論

（1） 本文用自檢測(cè)編目軟件對(duì)山西預(yù)警臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，產(chǎn)出了預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的自動(dòng)編目結(jié)果，并將自動(dòng)定位結(jié)果與臺(tái)網(wǎng)中心的全國統(tǒng)一編目結(jié)果進(jìn)行匹配。匹配結(jié)果顯示：自動(dòng)檢測(cè)軟件多檢測(cè)出1155 條非天然事件目錄，一方面是由于預(yù)警臺(tái)網(wǎng)比測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力較高所致，另一方面是由于測(cè)震臺(tái)網(wǎng)人工編目要求處理所有記錄到的山西省內(nèi)地震、省界30 km 之內(nèi)的天然地震、省內(nèi)及省緣ML≥2.5 級(jí)的非天然地震。

（2） 以2023 年6 月18 日發(fā)生的山西洪洞3.3級(jí)地震為典型震例，將自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果與速報(bào)結(jié)果和全國統(tǒng)一編目結(jié)果對(duì)比，結(jié)果有很好的一致性。

綜上所述，預(yù)警臺(tái)網(wǎng)震相自動(dòng)檢測(cè)軟件產(chǎn)出的編目結(jié)果穩(wěn)定可靠，有很好的實(shí)用性，可以大大減少臺(tái)網(wǎng)值班人員的工作量，提高值班人員的工作效率。

致謝：感謝福建省地震局廖詩榮究員為本文研究提供程序及在操作過程中給予指導(dǎo)!