地震波从震源到达观测点所需的时间称为走时,地震纵波和横波传播速度不同。一般而言,震源深度越深、震中距越大,走时也越长。传播时间的长短,还受到所经之处的物质组成情况的影响,准确地测出走时,对研究地震有重要意义。震相走时表就是将不同震中距、不同震源深度发生的地震的各种震相波传播到达观测点的走时汇编成的二维表。在走时表中,按照不同的震源深度和震中距的顺序,给出了各种震相的走时数据,其中走时以分、秒为单位; 震中距以千米或球面大圆弧的度数为单位; 震源深度以千米为单位。

在模拟测震时代,为了便于测震分析人员人工查找,一般将震相走时编辑成纸质的震相走时便查表,如1980年5月国家地震局地球物理研究所编著的《震相走时便查表》、一些省份自主总结编辑的本区域近震走时表等。自20世纪90年代我国步入数字化地震观测,用人工辅助地震分析软件实现地震分析定位以来,软件自动查找的电子震相走时表逐步取代人工查找的纸质震相走时便查表。这显著地提高了地震定位的速度和精度,大大减轻了测震人员的工作量。

20世纪80年代以前的地震定位可以说是“一表定全球”,即全国不同地区的地震观测台站基本上都采用J-B表来完成近震、远震和极远震定位,定位精度普遍不高,尤其是近震定位误差或残差很大。20世纪末期,随着对几十年来地震观测资料的深入研究、观测台站密度的增大和先进观测技术的引进使用,地震工作者对地球(特别是浅部)结构的认识进一步深化,提出了许多区域的地壳速度结构多层模型,还编制出相应的区域近震走时表,如中国平均地壳速度模型和中国地区地震走时表(国家地震局地球物理研究所,1980)、甘青地壳模型和甘青地区近震走时表(张诚等,1989)、华南地壳模型和华南近震走时表(范玉兰等,1992)以及其他一些区域地壳模型(晏凤桐等,1986; 赵珠,张润生,1987; 林显明,虞争鸣,1989; 赵珠,曾融生,1992; 庄真等,1992; 景天永,章纯,1992; 张曼丽等,1994),国际上也倡导用IASPEI91走时表取代J-B走时表(和跃时,孙文斌,2005)。

目前,我国又在研究编制新一代区域走时表,如中国地震局地球物理研究所正在牵头研制首都圈震相走时表和川滇地区震相走时表,地震定位由粗糙定位逐步向区域精细定位或精确定位(杨文东等,2005)发展。地壳结构的认识深化(区域地震走时表的修订完善)和地震区域精细定位精度的提高是相辅相成、相互促进的。而地震分析定位软件是联系这两方面的桥梁和纽带,因此软件中地震震相走时表文件配置的数量、质量和文件结构尤为关键,它们直接决定着地震的定位精度。目前,我国台站使用的多款地震分析软件配置的震相走时表由于数量、质量和结构的限制使得软件定位在安全性、完整性、灵活性、开放兼容性等方面都存在明显不足,无法适应地震区域精细定位的需要,本文只对最关键的走时表文件结构进行研究。

走时表主要有下列3种使用方式:

(1)根据给定的深度、测定震中距的两震相走时差,如t(S_g-P_g)、t(S-P)、t(S-Pdif)t(PP-PKP)等来查找震中距;

(2)根据给定的震中距、测定深度的震相的走时差,如t(sP-P)、t(sPKP-PKP)等来查找震源深度;

(3)根据给定的震中距、震源深度来查找某一震相的走时或两个震相之间的走时差。

如果震中距或震源深度有固定的步长时,通过计算得出要查找的震中距或震源深度在震相走时表中所在的位置,否则只能通过查询比较得出。

1987年,国际地震学与地球内部物理协会(IASEPI)考虑到J-B表的局限性,利用地球的径向均匀模型,完成一个新的走时表,来取代以往的J-B表,这就是目前国际上流行的IASPEI91走时表。

美国阿尔布开克地震实验室提供的IASPEI91走时表是二进制文件。其存储格式分为头段信息和各种震相走时数据两部分,具体格式如下:

(1)头段信息:首先是由5个4字节数据分别表示震相数量、震中距数量、震源深度数量、震中距步长、震源深度步长,其值分别为86、90、68、2和10,其含义是表中有86个震相,180°震中距平均划分成90档(若0°档计算在内为91档),震源深度平均划分成68档,震中距按以2°为步长单位递增,震源深度按10 km为步长单位递增,最大震源深度为680 km; 其后是86个震相名称,每个震相名占10个字节,共860个字节。头段信息总共包含880个字节。

(2)数据格式:每个震相有6 188组数据(91行×68列),每组数据占4字节,共24 752字节,不足数据用-1代替。对于同一个震相,在每一个震中距下,横向(即每行)按震源深度步长10 km为单位,用68组数据表示全部深度内的震相走时; 纵向(即每列)上一个震中距加震中距步长2°为实际震中距。依次类推,每个震相分配(91行×68列)的二维表数据区,以各震源深度和各震中

表5 IASPEI91走时表内部结构
Tab.5 Internal structure of the IASPEI91 travel-time table file

震相数量:86 震中距数量:90头段信息 震源深度数量:68 震中距步长:2 震源深度步长:10 86种震相名称 No.1 24 752数据区 No.2 24 752  No.86 24 752 PcP走时 深度1 深度2 深度3 … 深度68初始震中距 511.28 508.56 507.83 … 434.35步长1震中距 511.47 509.75 508.03 … 434.55步长2震中距 512.05 510.33 508.60 435.10 步长49震中距 817.88 816.21 814.53 … -1.00 步长90震中距 -1.00 -1.00 -1.00 … -1.00

距为坐标对应的点上没有震相到时的,用-1表示。如此算来,86个震相需要86×24 752=2 128 672字节空间。

这样编排的存储格式,优点有二:一是结构清晰,每个震相占用的空间大小长度固定,都用固定方法存储。二是便于计算机处理,因其长度固定,可以利用计算机的随机文件读取方式来查数,定位准确,速度快。

缺点是:头段信息不完整,没有显性给出震中距初始值和震源深度初始值; 只能存储上述分析的4种走时表结构类型中最理想的类型1走时表,带有很大的局限性; 无论近震震相或远震震相都统一以2°为震中距步长、10 km为震源深度步长,这样编排对近震震相而言一方面浪费空间,另一方面震中距、震源深度分辨率太低,非常不利于区域地震精细定位。

依据新型的二进制表文件结构,可以对IASPEI91走时表和J-B走时表传统走时表文件格式进行改造。如将原来的IASPEI91.bin走时表文件中统一的一张表划分成两张表——近震走时表和远震、极远震走时表,并存储在一个文件中。近震走时表的震源深度步长和震中距深度步长要减小,震源深度范围和震中距范围要缩小,这样就提高了近震的区域定位精度。也可以将原来独立的J-B近震走时表文件和J-B远震极远震表文件,合并成一个包含两个表的文件,同时远震极远震走时表震中距的步长可由0.2°提高到1°甚至2°,这样就有效地降低存储空间,改进了文件管理。

编程读取走时表数据的关键是:始终用一个长整型变量指针来保存文件中某一个走时表的数据区开始处的绝对位置。每次查找读取一组数据后都把文件指针返回到此位置,下次读取时再跳动指针,这样指针位置就不会错乱,从而保证快速读数查找操作。

这种新型走时表文件格式已经在个旧地震台自主研制的单台全球地震快速分析软件中得到成功应用。待目前正在编制的新一代区域走时表首都圈震相走时表和川滇地区震相走时表公布后,将其存储成此种格式配置到地震分析软件中,即可以以最快的速度进行地震定位。如果在只有简单的区域地壳模型而没有编制区域近震走时表的地区,地震分析软件可以根据区域地壳模型和近震波的走时方程直接计算各种近震震相的走时来完成近震定位(孟晓春,2005)。

开展地震活动地区地壳结构的精细研究需要大量真实的震相走时资料,可以通过下面3个要素获取高质量的区域震相走时表资料:①测震台站、台网日常要保证测震仪器授时准确、仪器工作性能正常、降低环境干扰; ②地震发生后要立即在震源区布设流动观测地震台站(网),这是修正主震震源深度的有效方法(张晁军等,2010)。③要不断提高台站的分布密度。这样既能有效保证震相到时读数的准确,又能获得大量的样本。每次近震都有一个震源深度,把监测到此地震的多个台站的震中距按从小到大排列,取同一震相的走时,就可构成一列走时,编排进走时表中; 长此以往,数据点由稀疏到密集,就能编制一个精度较高的类型4的区域走时表。在地震样本数量少的情况下通过线性化处理来编制成形式规范的其他3种类型的走时表,必将增大误差。这种情况下,建议不转换。在样本数量丰富时,再归档转换,就可编制出分辨率小、精度较高的、能精细表征地壳深部结构的区域震相走时表。笔者认为,台站或台网地震分析软件,增加自主更新编制本台站或台网的走时表(尤其是区域震相走时表)功能也是未来一个有重要价值的研究课题。