2008年6月14日日本岩手宫城发生7.2级强震,地震发生4 s后日本地震预警系统发出警报,再次发挥了减灾作用。2008年5月12日我国四川汶川发生8.0级特大地震,如果该地区建立了地震预警系统,并且能够在地震波到达北川、青川等地区之前,提前数秒至数十秒发出预警,或可有效减轻灾区的人员伤亡和经济损失。因此,在我国建立地震预警系统是非常有必要的,具有强烈的社会需求。

快速确定地震参数是地震预警系统的关键性技术环节之一,关系到预警时间的长短。地震预警方法在理论上通常分为两类:第一类方法是异地震前预警系统,即将地震计安装在震源区,通过震源区记录的S波到达后的地震数据确定震级、震中距,以此对离震中距更远的地方预警。这样预警虽然比较准确,但却要等S波到达后才能确定地震参数。第二类方法是现场地震预警系统,即在预警的目标区安装地震计,利用P波比S波传播速度快的原理,用P波到达后数秒的数据来确定地震参数,对S波还没到达的地区通过电磁波发出预警,从而达到预警的目的。显然利用P波进行预警可以获得更长的预警时间。

目前,已经有较多快速测定地震参数的算法,如Rydelek和Pujol(2004)提出的双子台阵方法、Wu和Teng(2002)提出的基于虚拟子网计算地震参数的方法、Allen和Kanamori(2003)提出的τ_p方法、Wu和Kanamori(2005)在Nakamura(1988)方法的基础上提出的τ_c方法、Odaka等(2003)通过拟合P波包络提出的测定震中距和震级的方法等。美国、日本、墨西哥和我国台湾等地都已经建立了地震预警系统,并在实际应用中取得了不少成功的经验。20世纪90年代以来,我国在地震预警技术方面也开展了相关的研究和实验工作(陈顒等,2005)。

国际上许多国家和地区将P波快速定位的方法应用在实际地震预警系统中,我国在这方面的研究还甚少。本文在对上述测定地震参数算法进行改进的基础上,选取山东数字地震台网记录的震中距在100 km以内的58次2级以上单台地震波形资料,探讨仅用P波初至后1 s的数据快速测定地震基本参数的可能性。

选取2000～2007年山东地震台网58个单台记录的震中距在100 km以内的55次2级以上的地震进行分析,研究所用的地震事件及记录台站位置见图1。图1中地震震中距分布范围在12.7～93.5 km之间,震级分布范围在M_L2.0～4.5之间。

图1 研究所用的地震事件及记录台站位置
Fig.1 Earthquake and station location used in the paper

D=-12.21×logB+74.63.(5)

把B值代入上述公式进行反演计算,研究发现估算震中距和实际震中距的平均误差为16.3 km,其中80%的地震震中距误差在22 km之内。

图2 震中距拟合曲线(a)及误差柱状图(b)
Fig.2 Fitting line(a)and error bar(b)of epicenter

M_est=1.298 8×logP_max-0.679 9logB+3.006 6.(6)

图3为反演震级M_est与实际震级的对照图。把表1中的P_max和B值代入上式反演出估计震级,和实际的震级比较发现最大误差为1,最小误差为0,平均误差为0.3,其中80%的估算地震震级误差在0.5之内。

图3 反演震级Mest与实际震级M的对照图
Fig.3 Map of Invert Magnitude and real magnitude M

根据(5)式估算的震中距和计算的方位角就可以进行快速定位。用此方法快速定位青岛台记录的2003年6月5日18时35分青岛4.2级地震,快速定位震中距、方位角、震级分别为:29.8 km、51.28°、4.2,台网定位的震中距、方位角、震级分别为 35 km、41.13°、3.7,震中定位误差为6.9 km,震级误差为0.5。将所研究的55次2级以上地震的58个单台记录的定位结果,与台网定位结果相比较,发现方位角正确的49次地震中80%的地震震中误差在28.8 km以内。

表1 地震基本参数及快速定位结果参数表
Tab.1 Earthquake parameters and quick location results

注:P_max为P波1秒的最大振幅; D_est为震中距估算值; M_est为震级估算值;

A_est为方位角估算值; / 表示方位角估算错误,不做误差统计.

(1)本文建立了仅基于单台P波到达后1 s数据的包络特征、最大振幅及P波段地震信号的偏振特性来进行地震快速定位的改进模型和方法。经过对实际地震事件的处理和分析,得到了P波包络特征参数与地震震中距的统计关系、地震震级大小与P波包络特征参数和最大振幅之间的统计关系、根据P波的偏振方向和估计震中距得到了地震的发生位置。以上述模型为基础,我们可以根据距离发生强震最近的单个地震台记录进行地震定位。研究结果表明:基于单台P波记录的早期地震预警方法研究是有效的。

(2)基于单台记录以及仅利用1 s长度的P波记录进行地震早期预警有利于提高地震速报的速度并能保证一定的精度。但由于用于地震定位的信息量太少,导致地震定位的精度与人机交互处理的结果相比有一定误差。提高地震速报速度与提高定位精度是一对矛盾。我们研究的侧重点在于如何利用尽量少的地震波信息尽快地比较准确地测定地震事件的发生及发生的地点。

(3)本文选取100 km以内的55次2级以上地震的58个单台记录进行分析,结果表明:80%的估算震级误差小于0.5,震中距误差小于22 km,方位角误差小于20°。Lockman等(2005)使用了28个台站的700多个单台波形进行研究,结果表明:25%的估算震级误差在小于0.3,地震震中距误差在小于15 km,方位角误差小于20°,由于两种方法选取资料的方法不同,预警效果不便比较。

(4)单台定位结果存在一定误差。根据单台记录进行地震定位取决于震中距和方位角的测量精度,特别是方位角的确定是一个科学难题。单台定位的结果误差是相对于台网定位结果而言的,而台网定位结果本身和实际的地震位置也存在有差异,所以比较的结果是比较粗略的。单台定位的精度提高渴望通过改进方法和模型逐步实现。

(5)本文用单台P波数据快速测定地震参数中所用模型还需更多的观测数据对它进行“外符合”检验。另外文中选用的5个4级以上(含4级)地震的震级估计都偏低,考虑到地震预警主要是针对大地震的特点,对于这些问题作者将在以后的工作中进一步研究。

(6)由于山东地区3级以上的地震较少,尤其没有5级以上的震例,所以本研究所得到的统计关系存在有一定的局限性,这部分工作有待进一步研究。