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攀枝花地震臺(tái)數(shù)字地震分析探討
摘要：結(jié)合地震波記錄原理，分析并討論攀枝花臺(tái)數(shù)字儀震相的一些物理特征，并使用MATLAB對(duì)攀枝花、長(zhǎng)春臺(tái)的地震資料做簡(jiǎn)單濾波分析，便于真實(shí)地反映地震波震相。參考川滇交界地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，總結(jié)出攀枝花臺(tái)對(duì)多次地震記錄震相分析的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，為地震速報(bào)快速識(shí)別震相提供實(shí)用參考。 關(guān)鍵詞：攀枝花地震臺(tái)；數(shù)字地震儀；震相識(shí)別；地震速報(bào) 中圖分類(lèi)號(hào)：P315.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2013）02-0215-04 0 引言 數(shù)字地震分析由于記錄方式和處理方式的變化，使得識(shí)別震相特征有所變化。仿真和濾波是震相分析處理的有效輔助方法。結(jié)合攀枝花地震臺(tái)所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，不斷摸索解決四川攀枝花臺(tái)實(shí)際震相分析問(wèn)題。 1 記錄方式的優(yōu)點(diǎn) 數(shù)字地震記錄具有頻帶范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，攀枝花臺(tái)使用寬頻帶數(shù)字儀，其頻帶寬度為0.02～120s，利用波形分析軟件可以仿真模擬短周期DD-2儀、中長(zhǎng)周期DK-1、SK儀和763儀記錄。仿真后短周期信號(hào)濾除了低頻信號(hào)和干擾，中長(zhǎng)周期信號(hào)濾除了高頻信號(hào)和干擾，一般震相較為清晰，便于處理。數(shù)字地震儀動(dòng)態(tài)范圍大，記錄了更多的信息，也帶有寬頻干擾（劉瑞豐，1999）。進(jìn)一步分析需做仿真或?yàn)V波，可充分顯現(xiàn)各種震相。 2 模擬與數(shù)字儀器記錄的視差 模擬地震儀記錄地震的最大困難在于周期限制，不能將寬頻帶的地震波更大限度地記錄下來(lái)。攀枝花臺(tái)以前配有短周期儀（DD-2）和中長(zhǎng)周期儀（DK-1、SK、763）共4套儀器，雖然可以記錄全球地震，但不能將寬頻帶震相完整地記錄下來(lái)。現(xiàn)使用速度型寬頻帶數(shù)字地震儀，記錄范圍大大加寬。 對(duì)模擬記錄圖紙來(lái)說(shuō)，滾筒轉(zhuǎn)速是固定的，走紙距離與時(shí)間成正比。初至震相起始角與固定圖面相對(duì)比，尖銳與否是固定的。角度0°～30°為平緩出射，記為“E”；角度60°～90°為尖銳出射，記為“I”；角度30°～60°不作標(biāo)記。記錄頻帶相對(duì)較窄且固定，震相也在圖紙上較干凈，疊加的成分不多。 對(duì)數(shù)字記錄來(lái)說(shuō)，顯示的時(shí)間框可以拉伸或壓縮，震相起始角與看到的不固定“圖面”相對(duì)比，尖銳與否是相對(duì)變化的。除了垂直出射的90°或水平出射的0°角以外，起始角都有隨顯示“圖面”時(shí)間框變小而趨“緩”的情況。實(shí)際上角度是不會(huì)變化的，只是對(duì)比的時(shí)間線(xiàn)度不一樣而已。但這樣就會(huì)出現(xiàn)使用局部“圖面”時(shí)與使用全局“圖面”時(shí)所分析的震相起始角尖銳與否有差別，從而形成視差。所以震相起始角尖銳與否對(duì)數(shù)字儀來(lái)說(shuō)是一個(gè)較為相對(duì)的概念，只有針對(duì)特定的“圖面”時(shí)間線(xiàn)度才具有明確的意義。在實(shí)際的分析與速報(bào)中，除了尖銳出射“I”型的初動(dòng)震相，一般都不再標(biāo)出，就可以避免爭(zhēng)議。 3 數(shù)字地震儀震相的不同之處 儀器的頻帶差別造成了記錄的表象差別，同一震相以不同儀器記錄，相位可能會(huì)不同。 地震波有自身特點(diǎn)，表現(xiàn)為連續(xù)的有規(guī)律的波形。與地震波初動(dòng)周期相近的高頻大地脈動(dòng)周期較�。�0.04～0.1s），幅度也較小。數(shù)字儀記錄到的波形周期相對(duì)大地脈動(dòng)周期較大，幅度也較大，使地震初動(dòng)波形能夠和大地脈動(dòng)及其它不規(guī)則干擾區(qū)別開(kāi)來(lái)（閔大鎰，1993）。例如2003年4月24日6時(shí)陜西石泉4.5級(jí)影區(qū)地震（攀枝花臺(tái)記錄震中距為8.64°，約960km）就體現(xiàn)了兩類(lèi)地震儀記錄震相的聯(lián)系與區(qū)別。在DD-2儀上，波形表現(xiàn)為近震，可分出PN、PG、SN、SG震相。在DK-1儀上，可分出P、S遠(yuǎn)震震相和影區(qū)地震面波震相LG1、LG2。數(shù)字地震儀上的原始記錄文件，則明顯記錄到較小周期的近震震相、較大周期的遠(yuǎn)震震相和影區(qū)地震面波震相。分別仿真為WWSSNSP和SK，體現(xiàn)出了近震、遠(yuǎn)震和影區(qū)地震面波震相（圖1）。在這里P相當(dāng)于PN，S相當(dāng)于SN，LG1相當(dāng)于SG。短周期儀或中長(zhǎng)周期儀單獨(dú)工作時(shí)，不會(huì)記錄到如此豐富的波形。 2011年3月發(fā)生的緬甸系列地震也反映了類(lèi)似情況，對(duì)攀枝花臺(tái)來(lái)說(shuō)，這些影區(qū)地震使用WWSSNSP仿真分析可較好地分析震相，但因?yàn)榉抡姘裇波大周期的成份濾掉了，計(jì)算出的ME震級(jí)誤差較大；使用SK仿真分析才可以體現(xiàn)出較大周期震相攜帶的巨大能量，計(jì)算出比較準(zhǔn)確的Ms震級(jí)。 數(shù)字地震儀記錄震相與頻帶相關(guān)，經(jīng)仿真后的波形記錄按短周期、中長(zhǎng)周期對(duì)近震、遠(yuǎn)震分別處理即可。影區(qū)地震可綜合處理。 4 使用MATLAB做簡(jiǎn)單濾波分析 仿真可以解決不同頻帶的震相分析，濾波可以進(jìn)行震相本身的頻帶分析（張志涌，2003）。下面使用MATLAB做簡(jiǎn)單高通和低通濾波分析。 以四川攀枝花地震臺(tái)200403211717.EVT地震資料曲線(xiàn)做高通濾波。原始資料中由于地脈動(dòng)使得記錄疊加了一些高頻成分。為了得到真實(shí)的地震近震波形，設(shè)計(jì)了一高通濾波器（設(shè)計(jì)程序略），其頻帶寬度為0.02s。圖2是高通濾波前和濾波后的圖象。 以長(zhǎng)春地震臺(tái)200308100239.EVT地震資料曲線(xiàn)做低通濾波。原始資料中由于地脈動(dòng)和干擾使得記錄疊加了一些高頻成分。為了得到真實(shí)的地震波形特別是面波的真實(shí)波形，設(shè)計(jì)了一低通濾波器（設(shè)計(jì)程序略），其頻帶寬度為1s，進(jìn)行低通濾波器頻率轉(zhuǎn)換。圖3是濾波前和濾波后的圖象，濾波效果明顯。 濾波分析更進(jìn)一步加深了對(duì)數(shù)字儀頻帶寬度的認(rèn)識(shí)，對(duì)不同周期的地震波形需要采用不同的頻帶尺度進(jìn)行分析，以真實(shí)地反映地震波震相。 5 攀枝花臺(tái)震相特征 攀枝花地震臺(tái)海拔高度1160m，擺房基巖為完整構(gòu)造的石英閃長(zhǎng)巖，巖基條件較好。攀枝花地震臺(tái)處于青藏高原、云貴高原和橫斷山脈之間的川滇菱形塊體南部，與四川盆地盆周山區(qū)構(gòu)造上有較大差異，所在地區(qū)斷裂較多，造成地震波傳播的震相有所不同。 5.1震相分析經(jīng)驗(yàn)規(guī)律 �。�1）由于所在地區(qū)斷裂較多，造成地震波被分散以致速度下降，使得后續(xù)震相相對(duì)理論值延時(shí)，由此計(jì)算出的發(fā)震時(shí)刻與臺(tái)網(wǎng)發(fā)布時(shí)間相比，一般略為超前（蘇國(guó)君，1997）。 （2）攀枝花臺(tái)近震記錄中較少記錄到明顯的莫霍界面反射波P11、S11，PG和SG一般明顯。在有PN和PG時(shí)，PB（即P*）和SN在近震中普遍存在，有時(shí)比PG更明顯，需要分析。當(dāng)PN不清晰時(shí)，可以用PB和PG反推PN。一般會(huì)形成PN、PB、PG；SN、SG的震相系列。由于構(gòu)造差異，整個(gè)四川盆地及盆周山區(qū)和川西北地區(qū)的近震，PN衰減較大，不大清晰。而云貴高原的近震記錄中，PN和PG發(fā)育清晰，SN不清晰，SG較為清晰。 �。�3）在震中距6°～16°乃至20°的影區(qū)地震記錄中，則有橫波性質(zhì)的LG1、LG2短周期面波，水平向明顯，常常疊加在勒夫波的前半部分，周期一般為2～12s。西藏、印度、中南半島和印度洋地震在我臺(tái)的記錄中經(jīng)常出現(xiàn)清晰的LG1、LG2波，使得影區(qū)地震的S波有時(shí)需要用LG1、LG2波進(jìn)行反推，這在速報(bào)中相當(dāng)重要。雖然不要求分析LG1、LG2波，但如果識(shí)別出來(lái)，對(duì)其他后續(xù)震相的分析就比較容易。 （4）在勘察加半島和日本海地震中記錄到典型的海洋型特征地震波，面波發(fā)育，正頻散顯著，初至P波起始尖銳。 （5）臺(tái)灣和新疆5.5級(jí)以下地震，記錄到的P波和S波都較為模糊，面波也受上地幔的地殼明顯差異影響而發(fā)育較差。菲律賓地震的P波周期則較大，甚至于比S波周期大。蒙古地震面波衰減較大，可能為深源地震。但不會(huì)出現(xiàn)較小周期成分疊加，這也是我臺(tái)區(qū)分深震的依據(jù)之一。 �。�6）攀枝花臺(tái)SKS震相在70°～80°起始尖銳，出現(xiàn)在S波之后，而從84°以后出現(xiàn)在S波之前。 （7）極遠(yuǎn)震PKIKP和PKP的出射角、周期都較大，較好辨認(rèn)。攀枝花臺(tái)可以清楚地記錄到震中距為125°左右的墨西哥和中美洲7.0級(jí)以上地震外核界面上的衍射波Pdif。 5.2應(yīng)用與檢驗(yàn) �。�1）精確分析初至波震相到時(shí) 數(shù)字儀可將震相在幅度上任意放大縮小，在時(shí)限上拉伸壓縮，可較好地量取到時(shí)和初動(dòng)方向。 �。�2）更好地分析續(xù)至震相和更多的計(jì)算震級(jí) 模擬儀對(duì)一些震級(jí)較小的遠(yuǎn)震，往往很難分析續(xù)至震相。數(shù)字儀只要能量取初至波震相和面波，基本上都能分析到續(xù)至震相，從而更多地計(jì)算震級(jí)。介于近震和遠(yuǎn)震之間的影區(qū)地震可分別計(jì)算出ML和Mb、MB、Ms震級(jí)。 �。�3）發(fā)現(xiàn)“新”震相 數(shù)字儀記錄頻帶寬，仿真分析后，量取震相更為容易。有些震相由于受記錄頻帶限制被掩蓋了，在數(shù)字儀上則成為了“新”震相，其實(shí)正是地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真實(shí)反映。 2003年5月4日21時(shí)智利附近6.3級(jí)地震，我臺(tái)記錄為極遠(yuǎn)震型，可清楚分析PKP：21-28-36.9、PP：21-32-28.7，SKKS、SS等震相。特別是在SKKS和SS之間出現(xiàn)了一個(gè)清晰的無(wú)名震相I：21-41-05.3，震相走時(shí)表上無(wú)對(duì)應(yīng)震相。該震相出射方向與SKKS震相相反且出射角較尖銳，周期較大，具有橫波性質(zhì)，估計(jì)為穿透地核的又經(jīng)過(guò)反射的橫波（圖4）。有些震相在走時(shí)表上查不到，但它具有明顯的周期及相位變化，可能是一種震相，或許會(huì)對(duì)我們地球介質(zhì)的認(rèn)識(shí)有幫助。 6 結(jié)論 從以上所述來(lái)看，應(yīng)用仿真和濾波等震相分析處理方法作為輔助手段，結(jié)合臺(tái)站所在地區(qū)的構(gòu)造，可以較全面地分析數(shù)字震相，認(rèn)清地方震、近震、一般遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震及淺、中深源地震的特征及區(qū)別，為地震速報(bào)提供參考。
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