区域台网地震矩张量快速反演系统研究*

赵 韬 赵 曦 王 莹李少睿 惠少兴 王杰民

1) 中国合肥230026中国科学技术大学地球和空间科学学院2) 中国西安710068陕西省地震局 3) 中国济南250014山东省地震局

区域台网地震矩张量快速反演系统研究*

赵 韬1，2),*赵 曦2)王 莹2)李少睿2)惠少兴2)王杰民1，3)

1) 中国合肥230026中国科学技术大学地球和空间科学学院2) 中国西安710068陕西省地震局 3) 中国济南250014山东省地震局

基于美国内华达大学地震实验室的矩张量反演程序， 采用JAVA和HTML语言， 研发了一套近实时全波形矩张量快速反演系统， 用于区域台网地震矩张量的快速产出． 该系统由区域地震速报系统触发， 能自动实现中等强度地震矩张量的快速反演， 同时也包含人机交互模块， 可进行人工校正， 最终以网页形式对外服务． 本文将系统运行以来成功反演的结果与USGS和中国地震局地球物理研究所的计算结果进行对比， 验证了该系统的可靠性．

区域台网 地震矩张量 快速反演 全波形 JAVA

引言

地震矩张量在地震学领域有着重要和广泛的应用， 例如用于研究区域应力场、 地震成因、 震源过程和海啸成因等(赵翠萍等， 2008； 吴微微等， 2014； Hou， Xu， 2015)． 震后快速准确地得到地震矩张量对地震本身的研究、 地震灾害的快速评估、 震后趋势判定和地震应急救援等方面都具有重要的意义(Pasyanosetal， 1996)．

目前， 对于全球较大地震(MW≥5.0)， 美国哈佛大学的全球矩心矩张量(global centroid moment tensor, 简写为GCMT)项目组、 美国地质调查局(USGS)、 东京大学和中国地震局地球物理研究所等机构能够利用全球台网地震记录或大范围的全国台网记录， 在震后较短时间内(一般为2小时)给出快速矩张量目录． 此外， 赵旭等(2014)使用最新构建的虚拟全球地震台， 开发了基于W震相技术的全球强震(MW≥6.5)矩心矩张量自动反演系统， 该系统能够实现在震后25—40分钟内自动准确测定全球MW≥6.5地震的矩心矩张量． 但是， 这些研究都利用震中距大于几千千米的远震波形进行分析， 同时要求地震具有足够的能量．

20世纪80年代以来， 随着测震台网密度的不断提高， 高增益、 大动态范围的宽频带数字地震仪被广泛应用于地震监测， 使用数字化区域宽频带地震波形在区域范围内(震中距<1000 km)获取震源机制的工作得到了很大的发展， 并形成了目前常用的两种地震矩张量反演方法： TDMT_INT(time domain seismic moment tensor inversion)方法(Dreger， Helmberger， 1993； Romanowiczetal， 1993； Benmenahem， 1995)和CAP(cut and paste)方法(Zhao， Helmberger， 1994； Nbělek， Xia， 1995； Randalletal， 1995； Zhu， Helmberger， 1996)． 很多研究人员已利用这两种方法， 基于区域宽频带地震波形记录， 求解了国内部分中等强度地震的矩张量(谢祖军等， 2012； 陈继峰， 2015； 康清清等， 2015)和强震的中强余震矩张量(吕坚等， 2008)．

近年来， 随着区域台网建设的快速发展和地震矩张量的深入应用， 实现区域地震矩张量的自动反演已成为必然的发展趋势． 日本国家地球科学与防灾研究所(National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention， 简写为NIED)利用区域台网实现了地震矩张量的近实时自动反演(Fukuyamaetal， 1998； Fukuyama， Dreger， 2000； Kuboetal， 2002)， 瑞士地震研究所(Swiss Seismological Service， 简写为SED)、 安达卢西亚地理学会(Instituto Andaluz de Geofísica， 简写为IAG)和西班牙国家地理学会(Instituto Geográfico Nacional， 简写为IGN)等机构也已开展了例行的震源矩张量反演(Danieletal， 2003； Bernardietal， 2004； Rueda， Mezcua， 2005)． 邱毅等(2014)在Dreger和Helmberger(1993)提出的矩张量反演程序的基础上， 建立了一套区域中等强度地震的矩张量快速自动反演系统， 并对台湾和福建地区的中等强度地震矩张量进行了自动求解．

本文拟结合全国地震自动速报系统， 建立基于区域台网宽频带地震记录波形的地震矩张量快速反演系统． 地震矩张量反演的核心计算程序来自美国内华达大学地震实验室开发的矩张量反演程序软件包(Ichinoseetal, 2003)．

1 方法原理

1.1 矩张量反演

在双力偶点源的假设条件下， 矩张量反演方法可表示为(Jost， Herrmann， 1989； Kawakatsu， 1998； Tajimaetal， 2002)：

(1)

(2)

VR值越大， 表明波形拟合得越好， 求解出来的地震矩张量越可靠． 因此我们认为最大VR值对应的深度即为最佳深度．

1.2 矩张量反演程序软件包

内华达地震实验室矩张量反演程序软件包(Ichinoseetal, 2003)可基于区域台网三分量地震记录进行全波形地震矩张量反演， 反演过程中每一步数据处理都是一个独立的模块， 用户可以根据自己的需要对某个模块进行单独控制， 最后通过地震矩张量、 震源深度及其与发震时刻的关系等判别标准来确定最佳的地震矩张量解．

美国内华达地震实验室已将该矩张量反演程序包用于内华达地区的地震矩张量实时反演中. Ichinose等(2003)曾使用该方法， 基于不同的速度结构模型， 对美国加利福尼亚东部和内华达州西部MW≥4.0地震进行了矩张量计算， 计算结果显示， 在方位角分布较为均匀的情况下， 最少使用3个台站即可得到较好的矩张量解， 且P轴和T轴方向的偏差可控制在10°以内， 说明该软件的稳定性有充分保障．

2 区域台网地震矩张量快速反演系统的技术路线

本研究研发的区域台网地震矩张量快速反演系统包括自动反演平台、 手动反演平台和管理平台等3部分． 自动反演平台实现了系统触发、 地震相关信息与地震波形记录获取、 矩张量反演计算和最佳解挑选等过程的自动化； 手动反演平台可以根据用户需求， 自主进行反演计算； 管理平台用于管理各项反演事件及结果． 该快速反演系统操作便捷， 最终通过网页形式对外提供数据服务．

2.1 自动矩张量计算平台

本文研发的实时快速矩张量自动反演系统的框架如图1a所示， 其处理流程(图1b)主要分为以下步骤：

1) 地震发生后， 全国地震速报系统自动触发快速矩张量自动反演系统， 并由地震速报系统自动获取地震三要素；

2) 自动从区域测震台网实时流数据库中截取地震事件波形记录， 并解压缩为后续步骤需要的SAC格式文件， 同时准备好反演所需要的台站参数文件；

3) 自动进行矩张量反演计算． 由于本文使用的内华达大学地震实验室的矩张量反演程序， 其求解过程采用人机交互方式， 每次反演计算需要人工分多阶段运行多个程序， 且各程序运行过程中需要输入的参数和生成的结果也需要人工修改． 因此本文对该反演程序进行改进， 自动生成各阶段需要的输入文件及自动读取各阶段程序生成的结果， 实现自动矩张量解反演． 本系统采用Crust2.0速度模型计算格林函数， 采用的滤波频段为0.02—0.08 Hz；

4) 自动挑选矩张量最佳解． 本文程序选用信噪比大于20 dB的地震波形记录， 与不同深度理论震动图进行拟合求解矩张量解， 最终选取反演方差减小值VR最大的解作为此次地震的矩张量最佳解；

5) 输出矩张量最佳解结果， 并在网页上进行发布和网页给出的反演结果包括地震三要素、 震中位置、 台站分布和矩张量解等信息， 以及波形拟合结果．

图1 自动计算系统框架(a)和自动矩张量反演流程(b)

2.2 手动矩张量计算平台

手动计算平台略去了传统矩张量计算中Linux系统操作、 脚本修改及使用SAC、 rdseed等专业软件处理数据的繁琐过程， 用户只需上传波形， 输入计算参数， 便可进行地震矩张量计算， 计算方法与自动计算所采用的方法一致． 计算完成后， 根据不同深度的波形拟合图可以确定计算结果的准确性， 选择是否重新计算． 计算结果通过网页形式对外服务． 目前手动计算平台只支持标准SEED格式的波形文件．

2.3 管理平台

管理平台主要是对计算服务和自动处理的数据进行管理． 用户可在管理平台中设置全国自动地震速报系统的连接参数、 自动反演触发条件等， 也可校正自动计算结果、 手动添加历史地震、 清理用户计算文件等．

3 自动反演结果

本文研发的区域台网快速矩张量反演系统目前已在陕西省地震台网中心在线运行， 区域台网覆盖范围包括陕西省区域台网台站及四川、 甘肃、 新疆、 内蒙、 青海、 西藏、 宁夏、 云南等省区的部分台站， 这些台站为快速反演系统提供了高质量的地震记录．

该系统自2014年8月开始运行， 在运行近两年的时间内对西北片区的地震进行监测， 共计得到165次地震的地震矩张量解(图2)， 其中震级最大的地震为2014年8月3日云南鲁甸MS6.5地震， 最小的地震为2014年9月12日四川青川MS3.4地震． 这165次地震的地震矩张量解的自动反演结果均在地震发生后15—25分钟内发布．

图2 区域台网快速矩张量反演系统获取的165次地震反演结果分布

综合考虑本反演系统使用的数据资料和算法特征， 选取求解最优解的VR值对反演结果进行定量化的论证． 根据系统算法和源程序开发者Ichinose的经验和建议， 选取VR≥50%作为反演结果可靠性的标准． 本文对系统自动反演的165次地震的VR值进行统计， 其中VR≥50%的反演结果为131个， 所占比例为79%； VR<50%的反演结果为34个， 所占比例为21%． 对这34个VR<50%的结果进行对比分析， 发现其中有27次地震发生在区域台网覆盖范围的外围或边缘， 台站包络性不佳．

将系统自动反演的165次地震中的14次MS≥5.0地震的矩张量解与USGS和中国地震局地球物理研究所的反演结果进行对比， 结果如表1所示, 可以看出各项参数的一致性较高.

表1 区域台网地震矩张量自动反演系统MS≥5.0地震反演结果对比

*USGS的反演结果引自http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/, 中国地震局地球物理研究所的反演结果引自http:∥www.cea-igp.ac.cn/tpxw/index.shtml/．

4 讨论与结论

本文结合区域台网现状， 对美国内华达大学地震实验室的矩张量反演程序进行改进， 研发了一套基于区域台网宽频带地震记录波形的快速矩张量反演系统． 该系统以矩张量自动反演为主， 由地震速报系统触发， 自动获取地震三要素和地震波形记录， 自动反演计算地震矩张量并挑选最佳解， 最后通过网页发布， 实现了整个处理过程的自动化． 这种自动化有利于快速得到矩张量反演结果， 能有效提高震后应急服务产品的产出速度， 并为灾后烈度速报、 紧急救援和震后趋势的快速判定提供数据支持． 此外， 该系统还提供了一套手动矩张量计算平台和管理平台， 只需通过网页即可完成用户选定事件的矩张量计算和管理， 略去了各种程序操作和脚本修改的过程， 更加方便、 快捷， 易于操作． 该系统目前在陕西省地震台网中心运行， 已实现西北部分地区中等强度地震的自动快速反演．

区域台网地震矩张量快速反演系统使用美国内华达地震实验室的矩张量反演程序包， 该软件包有充分的稳定性保障， 即使在稀疏台网下亦能够得到较为精确的地震矩张量解． 对系统自动计算的165次地震反演结果的VR值进行统计， 结果表明， 系统可靠性可达79%， 而其余21%的“不可靠”结果主要是由台网覆盖不全面造成的． 如果只考虑区域台网覆盖范围内的地震， 系统可靠率可达95%． 再将系统自动计算的14次MS≥5.0地震的矩张量解与国内外权威研究机构给出的结果进行对比分析， 各项参数的一致性较高， 证实了该方法的可靠性比较高．

地震发生后， 经速报系统触发， 区域台网地震快速矩张量自动反演系统能在20分钟左右准确计算地震的矩张量解． 如果参与反演的台站数据较多， 计算格林函数时间变长， 反演所用时间也会增加． 该系统目前处于上线试运行阶段， 在今后的工作中还可对本文的方法进行优化， 以进一步减少得到结果所需的时间．

架设于陕西省、 四川省和甘肃省台网中心的区域台网地震快速矩张量自动反演系统， 经过一年多的试运行， 成功反演了3.5≤MS<6.5地震165次． 除去3次系统升级时间段内发生的地震外， 该自动反演系统均经速报系统触发， 成功反演出地震矩张量， 且无地震事件遗漏． 因此， 可以认为该系统能够稳定地、 全面地监控区域地震．

研究中使用了美国内华达州地震实验室的矩张量反演软件包和SAC波形处理软件、 中国地震局地球物理研究所和美国地质调查局(USGS)的相关计算结果； 中国地震局地球物理研究所国家测震台网数据备份中心(doi:10.11998/SeisDmc/SN； 郑秀芬等， 2009)和甘肃、 内蒙古、 宁夏、 青海、 四川、 陕西、 新疆、 西藏、 云南各省区的地震台网为本研究提供地震波形数据； 两名审稿专家提出了非常宝贵的意见及建议， 作者在此一并表示感谢．

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Study on the fast seismic moment tensor inversion system using regional seismic network data

Zhao Tao1，2),*Zhao Xi2)Wang Ying2)Li Shaorui2)Hui Shaoxing2)Wang Jiemin1，3)

1)SchoolofEarthandSpaceSciences，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026，China2)EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince，Xi’an710068，China3)EarthquakeAdministrationofShandongProvince，Ji’nan250041，China

Seismic moment tensor is an important part of seismology study， which supplies indispensable information for earthquake research. Fast acquisition of seismic moment tensor solution could be the key of post-earthquake relief and tendency determination. Based on the moment tensor inversion package from Nevada Seismology Laboratory， using JAVA and HTML language， we developed a near real-time full waveform moment tensor inversion system， which could fast output seismic moment tensor. Triggered by the Earthquakes Instant Messenger (EQIM)， the system could inverse seismic moment tensor of moderate earthquakes automatically， also could be corrected manually， and offer web services in the end. Comparison has been made between our results and published ones by USGS and Institute of Geophysics， China Earthquake Administration, verifying the reliability of this system.

regional seismic network； seismic moment tensor inversion； fast inversion； full waveform; JAVA

测震台网青年骨干培养专项(20160524)和陕西省地震局启航与创新基金课题(201603)共同资助.

2016-05-06收到初稿， 2016-08-13决定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.06.008

P315.61

A

赵韬， 赵曦, 王莹, 李少睿, 惠少兴， 王杰民. 2016. 区域台网地震矩张量快速反演系统研究. 地震学报, 38(6): 889--897. doi:10.11939/jass.2016.06.008.

Zhao T, Zhao X, Wang Y, Li S R, Hui S X, Wang J M. 2016. Study on the fast seismic moment tensor inversion system using regional seismic network data.ActaSeismologicaSinica, 38(6): 889--897. doi:10.11939/jass.2016.06.008.

*通讯作者 e-mail: zhaotaowy@163.com