APP下载

一种具备干扰台站剔除的多台站定位方法

2018-01-25朱夏乐

价值工程 2018年35期
关键词:台站监测点震源

朱夏乐

摘要:在地震预警技术中震中的精确定位是一个难点问题,相较于仅利用单台P波记录进行震中定位,多台站地震定位具备更高的精度。然而,在多台定位中,存在由于某一台站误触发导致整体地震定位结果误差过大的问题。本文在基于网格搜索的多台定位基础上,利用Delaunay三角剖分对可能为干扰触发的台站进行剔除。通过实际天然地震定位对本文提出的方法进行验证,采用了Delaunay三角剖分可以有效剔除误触发多台站,在工程应用中有实际应用价值。

Abstract: Accurate location of epicenter is a difficult problem in earthquake early-warning technology. Compared with single P wave record, multiple stations have higher accuracy. However, there is a problem of large error in overall seismic positioning results due to the mistrigger of one station. In this paper, based on grid search, Delaunay triangulation is used to eliminate stations that may be interference triggered. The method proposed in this paper is verified by the actual natural seismic positioning, and the Delaunay triangulation can be used to effectively eliminate multiple mis-triggered stations, which has practical application value in engineering applications.

關键词:地震预警;干扰波;误触发

Key words: earthquake early warning;interference wave;triggered by mistake

中图分类号:P315.73                                       文献标识码:A                                  文章编号:1006-4311(2018)35-0249-03

0  引言

在假设地震波速度已知且地下为各向同性介质的前提下,通过地面地震监测点台站布设位置的分布情况,可以计算得到地下任一点到地面监测点之间的地震波旅行时。因此,当有地震发生时比对各台站之间的到时差与地下离散模型地震波旅行时之间的差值,差值绝对值最小的点即为地震的震中位置。然而,若在此时某一台站出现了误触发,则会获得错误的台站到时差,对地震定位的结果会有极大的影响。因此,在多台站地震定位中剔除干扰触发台站,对于地震定位的准确性具有至关重要的作用。

1  方法原理

多台网格搜索定位法首先建立目标区域的理论网格化走时到时差,并结合地下波速模型,以任意网格单元作为震源,计算各台站两两之间台站的P波到时差。地震发生时,依据台站之间实际的到时差,与计算的时差目录作对比,快速查找出到时差最接近的网格单元,震中就限定在该网格中。该方法采用求取目标函数最小值方法来进行地震定位,即在全区域内找到一个网格单元EP(x,y,z,t),使下式取最小值:

其中,Tj,tj为j号台站的观测到时和理论走时;Ti,ti为i号台站的观测到时和理论走时;(x,y,z)代表震源位置;n为已触发台站数量。根据最小二乘原理,使函数F取最小值的网格即为震源所处位置。

发震时刻T0的计算则由各台站到时减去各台站的理论走时后,累加求其平均,如下式所示:

为了更加精确和快速的定位震中,在第一次定位震中时,往往选定一个较大的网格间距,地震定位在某一网格后,再将该网格剖分成小网格,进行二次搜索,逐步缩小网格间距,就可得到满足精度要求的震源位置。根据上述定位过程可知,在目标区域较大时,在相同的定位精度下,该方法耗时少。

图1为加密网格示意图。

对于某些特殊工程周边布设的台站,如高铁沿线地震预警台站由于需要依据相应的行政区划分、台站工作人员生活成本等问题,所以地震台站在定位过程中造成台站共线的现象不可避免,而台站共线无论在传统定位中,还是在双曲线定位中都将造成定位结果不唯一。利用Delaunay三角剖分,可以在一定程度上解决台站共线造成的定位误差,同时可以通过对台站触发顺序和台站位置,对非地震干扰进行剔除。

对于非震动干扰,其各台站到时顺序上是不相关的,即不符合地震震相的传播规律,此规律可以作为震动信号的逻辑判据。

Delaunay(以下简称D)三角剖分是计算几何学的重要基础,应用于许多科学领域中。图2是D三角剖分示意图,其定义为连接所有相邻V图多边形的生长中心所形成的三角网。可以看出D三角剖分在平面上反映出了各台站的相邻关系,可以作为台站到时顺序的逻辑判别依据。

假定地震P波传播速度恒定且地球介质均匀,台网对同一次地震第i个接收到P波的台站,成为第i台,记为S(i)。由D三角剖分性质和台站的几何分布,可以对触发的干扰信号进行剔除。具体操作如下,如果对于台网数据我们得到某台站S(i)的P波到时,则下一个P波到时台站S(i+1)一定位于以S(i)台站为顶点的D三角的另一个顶点。运用以上结论,我们对判断出P波到时错误信号进行排除,以前三个台站为例,方法如下:第1个台站触发后,如果触发的第2个台站不在第1个台站周围的D三角顶点上,则等待第3个台触发;如果第3个台在第1个台周围D三角顶点上则认为第2个台的第1个触发错误,进而判断第2个触发到时;如果第3个台站在第2个台站周围D三角顶点上则认为第1个台第1个到时错误;如果三台D三角互不相关,则把第3台当成第1台并循环向下判断。如果某台发生多个不相关触发,则把此台直接剔除。

2  计算实例

采用13次天然地震数据对算法进行验证,数据来源如表1。

图3为不同台站数量的定位结果图中红色线为定位平均误差,由图可见,随着台站数量增加,震中定位平均误差逐渐减小。

2015年12月10日13时27分20秒在山西省忻州市原平市(北纬38.7度,东经113.0度)发生3.2级左右地震,震源深度6千米。距永兴庄监测点29.64km,忻州西監测点38.91km,南山监测点54.88km,阳曲西监测点77.17km,欢咀村监测点87.04km,该次地震发生在铁路沿线附近,距离最近的监测台站在30km以内。

采用本文上述定位方法的预警系统成功对该次地震进行了预警,图4为定位结果示意图,其结果单台定位误差为67.17km,双台定位误差为41.55km,三台定位误差为9.62km,四台定位误差为4.81km,五台定位误差为10.63km,未因误触发台站造成地震定位出现偏差。

3  结论

本文采用基于网格搜索对地震事件进行定位,随着台站数量的增多,地震定位误差逐渐减小。在进行定位计算中,引入Delaunay三角剖分,利用台站触发顺序可以有效剔除误触发的台站,避免由于误触发台站引入的定位误差。

参考文献:

[1]朱元清,赵仲和.提高地震定位精度新方法的研究[J].地震地磁观测与研究,1997,18(5):59-66.

[2]杨智娴,陈运泰.用双差地震定位法在我国中西部地区地震精确定位中的应用[J].中国科学(D辑),2004,26(2):115-120.

[3]刘希强,李霞,等.2012a.基于单台P波初始记录的地震震中和震级快速测定方法研究[J].地震研究,35(4):514-521.

[4]金星,张红才,李军,等.地震预警连续定位方法研究[J].地球物理学报,2012,03:925-936.

猜你喜欢

台站监测点震源
滑县2020年耕地质量监测主要做法与成效
地震台站基础信息完善及应用分析
一种适用于高铁沿线的多台站快速地震预警方法
有人值守地震台站采购工作现状与思考
长三角典型农业区耕地土壤重金属污染与潜在生态风险评价
地震烈度速报与预警台站选址相关问题探讨
济南市细颗粒物(PM2.5)的时空分布特征分析研究