CN114994754A - 基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，具体步骤包括根据地震事件位置、台站位置和预设的速度模型计算得到直达波和深度震相sPL各自的走时和离源角；再根据直达波和sPL的走时分别确定直达波和深度震相的波形位置，并根据波形位置分别拾取直达波和sPL的初动极性；最后，按照预设的走向、倾角和滑动角间隔产生一系列震源机制候选者，将每一个候选者的直达波和sPL的初动极性与观测值进行匹配，以满足给定匹配阈值的候选者作为可能的震源机制解。本发明将深度震相sPL的初动极性作为震源机制反演的新型约束条件，能够大幅度提高稀疏台网区域的地震震源机制的准确度。

Description

基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法

技术领域

本发明属于地震学领域，具体涉及一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法。

背景技术

现有技术中，通常利用台站数据中完整的震相波形信息进行约束震源机制，比如通过体波和面波进行联合反演地震的震源参数。或者通过多种体波干涉形成的一种长周期震相（W phase）波形反演震源参数。这两种波形反演方法均能快速得到地震事件的震源参数，但是，所使用的震相的周期通常较大（T>45 s），仅适用于中强震级的中深源事件，而且对小震级的浅源地震的震源参数约束性差。

相关技术中，为了实现通过小震级事件的波形信息反演准确度高的震源参数，相关技术人员提出了CAP（Cut and Paste）方法。随后，有人对CAP的振幅归一化处理进行了改进，使得该方法能够更好地匹配实际观测的震相波形，对浅源地震的震源参数约束效果好。但是研究表明，CAP在稀疏台网情况下求解震源机制解需要对一维模型的准确性做矫正。对于小震级地震，因缺乏足够的低频能量，CAP需要使用更高频的信号进行反演震源机制，此时需考虑地下三维结构的影响。除了上述波形匹配方式，还可通过初动极性反演震源机制，这种方式能更直接和快速地求解震源机制解。因此，有人提出了通过匹配观测和理论的P波初动极性的方式，在允许的极性匹配误差范围内求解出最佳的震源机制解，提出了FPFIT（Fault plane fit）方法。但该方法未考虑射线的离源角误差会影响震源机制反演的稳定性，为此，有学者通过不同分量之间的直达波的振幅比和直达波初动极性一起联合反演震源机制，然而，振幅比值容易受到噪声的干扰，从而影响震源机制解的准确性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服现有方法的不足，提供一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，以解决现有方法中仅通过直达波初动极性反演震源机制存在不够准确的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，包括：

获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，根据预设的速度模型进行计算，得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；其中，所述地震事件包括地震震源位置，所述台站数据包括台站位置和台站波形记录；

根据所述直达波的走时和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相两者的波形位置，再根据两者的波形位置分别拾取直达波的初动极性和深度震相的初动极性；

按照预设的走向、倾角和滑动角角度间隔生成一系列震源机制候选者；对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解。

进一步的，所述对多个所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解，包括：

逐一对所述震源机制候选者的直达波初动极性分别与观测的直达波初动极性进行匹配；

当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第一预设阈值时，将所述震源机制候选者中的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性进行匹配，当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第二预设阈值时，输出当前所述震源机制候选者为震源机制解；

其中，所述震源机制解包括断层走向、倾角及滑动角。

进一步的，如果所述震源机制候选者中的直达波初动极性与观测的直达波初动极性匹配成功的台站数量的百分比小于第一预设阈值，则遍历下一个震源机制候选者；

如果所述震源机制候选者中的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性匹配成功的台站数量的百分比小于第二预设阈值，则遍历下一个震源机制候选者。

进一步的，所述根据所述直达波的走时和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相两者的波形位置，再根据两者的波形位置分别拾取直达波的初动极性和深度震相的初动极性，包括：

根据地震事件获取台站的三分量波形数据；

对所述三分量波形数据进行去均值、去趋势、消除仪器响应处理；

根据所述地震事件和台站的位置关系，将处理后的三分量波形数据旋转变换为垂直、径向和横向三个方向；

对垂直、径向和横向三个方向的分量进行带通滤波；

在垂直和横向方向的分量拾取直达波的初动极性，在垂直或径向方向的分量拾取深度震相的初动极性。

进一步的，所述对走向、倾角和滑动角分别按照预设角度间隔生成一系列震源机制候选者，包括：

将成功拾取到的直达波的初动极性、成功拾取到的深度震相的初动极性、深度震相的离源角、直达波的离源角进行关联，对断层走向、倾角及滑动角分别按照预设角度间隔生成多个震源机制候选者。

进一步的，所述预设角度间隔一般为5°。

进一步的，采用射线追踪算法计算直达波和深度震相两者的走时和离源角。

本申请实施例提供一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，包括：

获取模块，用于获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，根据预设的速度模型进行计算，得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；其中，所述地震事件包括地震震源位置，所述台站数据包括台站位置和台站波形记录；

拾取模块，用于根据所述直达波的走时和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相两者的波形位置，再根据两者的波形位置分别拾取直达波的初动极性和深度震相的初动极性；

反演模块，用于按照预设的走向、倾角和滑动角角度间隔生成一系列震源机制候选者；对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解。

进一步的，所述反演模块包括：

匹配单元，用于逐一对所述震源机制候选者的直达波初动极性分别与观测的直达波初动极性进行匹配；

输出单元，用于当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第一预设阈值时，将所述震源机制候选者的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性进行匹配，当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第二预设阈值时，输出当前所述震源机制候选者为震源机制解；

其中，所述震源机制解包括断层走向、倾角及滑动角。

本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：

本发明提供一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，本申请提供的技术方案将深度震相sPL的初动极性作为震源机制反演的新型约束条件，能够大幅度提高稀疏台网区域的地震震源机制的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法的步骤示意图；

图2为本发明提供的观测系统的结构示意图；

图3为本发明直达波p和深度震相sPL到达台站A的射线路径示意图；

图4为本发明台站A的参数信息和三分量地震波形图；

图5为本发明基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法的流程示意图；

图6为本发明的技术方案得到的震源机制解与现有技术方案得到的震源机制解的效果对比图；

图7为本发明基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法。

如图1所示，本申请实施例中提供的基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，包括：

S101，获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，根据预设的速度模型进行计算，得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；其中，所述地震事件包括地震震源位置，所述台站数据包括台站位置和台站波形记录；

需要说明的是，速度模型采用现有的模型，本申请在此不再赘述。采用射线追踪算法计算直达波和深度震相的走时和离源角。

本申请在如图2所示的观测系统（其中，五角星代表震源，三角形代表地震台站）、预设的速度模型和震源参数的基础上，先通过走时正演计算到达各台站的直达波和深度震相sPL的走时和离源角，如图3所示；再从这些波形数据拾取直达波和sPL的初动极性，如图4所示。

一些实施例中，采用射线追踪算法计算直达波和深度震相两者的走时和离源角。

具体的，本申请在预设的速度模型、地震震源位置和台站位置的基础上，通过射线追踪方法计算直达波和深度震相sPL两者各自的旅行时和离源角。本申请在具体计算时，该步骤可使用TauP程序完成。

S102，根据所述直达波的走时和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相两者的波形位置，再根据两者的波形位置分别拾取直达波的初动极性和深度震相的初动极性；

一些实施例中，所述根据所述直达波的走时及深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相的波形位置，再根据所述波形位置分别拾取直达波和深度震相的初动极性，包括：

根据地震事件获取台站的三分量波形数据；

对所述三分量波形数据进行去均值、去趋势、消除仪器响应处理；

根据所述地震事件和台站的位置关系，将处理后的三分量波形数据旋转变换为垂直、径向和横向三个方向；

对垂直、径向和横向三个方向的分量进行带通滤波；

在垂直和横向方向的分量拾取直达波的初动极性，在垂直或径向方向的分量拾取深度震相的初动极性。

具体的，首先通过地震事件获取台站的三分量波形数据，然后对三分量波形数据去均值、去线性趋势和消除仪器响应处理；根据台站和地震事件的位置关系将三分量数据旋转至垂直（Z）、径向（R）和横向（T）方向，再对每个分量进行带通滤波；最后分别从垂直Z和横向T分量拾取直达波的初动极性。对于深度震相sPL的初动极性，根据数据信噪比的实际情况在垂直Z或径向R分量上拾取。成功拾取的直达波和sPL初动极性信息将被用于下一步的震源机制反演。

S103，按照预设的走向、倾角和滑动角角度间隔生成一系列震源机制候选者；对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解；

一些实施例中，所述对走向、倾角和滑动角分别按照预设角度间隔生成多个震源机制候选者；对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解，包括：

将成功拾取到的直达波的初动极性、成功拾取到的深度震相的初动极性、深度震相的离源角、直达波的离源角进行关联，对断层走向、倾角及滑动角分别按照预设角度间隔生成多个震源机制候选者。

所述预设角度间隔一般为5°。

具体的，在得到观测的直达波和深度震相sPL的离源角及初动极性的基础上，对走向（ϕ）、倾角（δ）和滑动角（λ）分别按照一定的间隔（比如均为5°）产生一系列假设的震源机制，也就是震源机制候选者。

需要说明的是，在地震发生时，无法得知震源机制解，需要观测得到的地震波形，从地震波形中提取特征信息，根据特征信息筛选接近实际震源机制的解。可以理解的是，特征信息即直达波和深度震相两者的初动极性。

本申请中的观测的直达波初动极性和深度震相初动极性都是从实际情况下观察或测量得到的数据，因此称为观测的数据。而本申请中的震源机制候选者是理论计算出的结果，需要跟观测的实际结果进行匹配，将作为接近实际情况的震源机制解。

一些实施例中，所述对多个所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解，包括：

逐一对所述震源机制候选者的直达波初动极性分别与观测的直达波初动极性进行匹配；当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第一预设阈值时，再将所述震源机制候选者的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性进行匹配，当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第二预设阈值时，输出当前所述震源机制候选者为震源机制解；

其中，所述震源机制解包括断层走向、倾角及滑动角。

作为另一个实施方式，如果所述震源机制候选者中的直达波初动极性与观测的直达波初动极性匹配成功的台站数量的百分比小于第一预设阈值，则遍历下一个震源机制候选者；

如果所述震源机制候选者中的深度震相初动极性与观测的深度震相的初动极性匹配成功的台站数量的百分比小于第二预设阈值，则遍历下一个震源机制候选者。

对于每个震源机制候选者，首先将所有台站观测得到的直达波的初动极性分别与理论的直达波相应位置（由方位角和离源角决定）的初动极性进行比对，如果匹配成功的台站数量的百分比达到给定的第一预设阈值E1，将进一步利用深度震相sPL极性进行匹配，如果深度震相sPL的初动极性与理论深度震相相应位置的初动极性比对匹配成功的台站数满足预设的第二预设阈值E2，则将其记为一个可能的震源机制解。

基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法的工作原理为：参见图5，本发明需要以地震震源位置、台站位置和速度模型作为输入参数，通过射线追踪方法计算直达波和sPL的走时和离源角，通过地震台站的波形数据拾取直达波和sPL的初动极性，对走向、倾角和滑动角分别按照一定的间隔产生一系列假设的震源机制候选者，遍历每一个震源机制候选者，匹配候选者与观测的直达波初动极性；如果直达波初动极性匹配成功的百分比大于或等于第一预设阈值E1，则执行下一步，否则遍历下一个震源机制候选者；

当匹配候选者与观测的sPL初动极性相符且sPL初动极性匹配成功的百分比大于或等于第二预设阈值E2，则输出当前循环遍历的候选者作为可能的震源机制解，否则遍历下一个震源机制候选者。

通过本申请提供的技术方案，得到的震源机制解更加准确，如图6所示，其中图6中的第一行图是本发明通过p、s、sPL三种震相的初动极性联合反演得到的震源机制解，第二行图是常规方法仅通过p和s两种震相的初动极性联合反演得到的震源机制解，其中虚线代表真实的震源机制，三角形代表直达波在震源球的出射位置，圆点代表sPL在震源球的出射位置。

可以理解的是，直达波包括p和s两种震相。

如图7所示，本申请实施例提供一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演装置，包括：

获取模块701，用于获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，在预设的速度模型基础上计算得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；其中，所述地震事件和台站数据包括地震震源位置、台站位置和台站波形记录；

拾取模块702，用于根据所述直达波和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相的波形位置，再根据所述波形位置分别拾取直达波和深度震相的初动极性；

反演模块703，用于对走向、倾角和滑动角分别按照预设角度间隔生成多个震源机制候选者；对多个所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解。

一些实施例中，所述反演模块703，包括：

匹配单元，用于逐一对所述震源机制候选者的直达波初动极性分别与观测的直达波初动极性进行匹配；

输出单元，用于将所述震源机制候选者的直达波初动极性与观测的直达波初动极性进行匹配，当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第一预设阈值时，再将所述震源机制候选者中的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性进行匹配，当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第二预设阈值时，输出当前所述震源机制候选者为震源机制解；

其中，所述震源机制解包括断层走向、倾角及滑动角。

具体的，本申请提供的基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法的工作原理为，获取模块701获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，在预设的速度模型基础上计算得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；其中，所述地震事件和台站数据包括地震震源位置、台站位置和台站波形记录；拾取模块702根据所述直达波和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相的波形位置，再根据所述波形位置分别拾取直达波和深度震相的初动极性；反演模块703用于对走向、倾角和滑动角分别按照预设角度间隔生成多个震源机制候选者；对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解。

综上所述，本发明提供一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，包括获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，在预设的速度模型基础上计算得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；根据所述直达波和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相的波形位置，再根据所述波形位置分别拾取直达波和深度震相的初动极性；对走向、倾角和滑动角分别按照预设角度间隔生成多个震源机制候选者；对多个所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解。本发明将深度震相sPL的初动极性作为震源机制反演的新型约束条件，能够大幅度提高稀疏台网区域的地震震源机制的准确度。

可以理解的是，上述提供的方法实施例与装置实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令方法的制造品，该指令方法实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演方法，其特征在于，包括：

获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，根据预设的速度模型进行计算，得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；其中，所述地震事件包括地震震源位置，所述台站数据包括台站位置和台站波形记录；

根据所述直达波的走时和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相两者的波形位置，再根据两者的波形位置分别拾取直达波的初动极性和深度震相的初动极性；

按照预设的走向、倾角和滑动角角度间隔生成一系列震源机制候选者；对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解，包括：

逐一对所述震源机制候选者的直达波初动极性分别与观测的直达波初动极性进行匹配；

当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第一预设阈值时，将所述震源机制候选者的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性进行匹配，当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第二预设阈值时，输出当前所述震源机制候选者为震源机制解；

其中，所述震源机制解包括断层走向、倾角及滑动角。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

如果所述震源机制候选者中的直达波初动极性与观测的直达波初动极性匹配成功的台站数量的百分比小于第一预设阈值，则遍历下一个震源机制候选者；

如果所述震源机制候选者中的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性匹配成功的台站数量的百分比小于第二预设阈值，则遍历下一个震源机制候选者。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述直达波的走时和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相两者的波形位置，再根据两者的波形位置分别拾取直达波的初动极性和深度震相的初动极性，包括：

根据地震事件获取台站的三分量波形数据；

对所述三分量波形数据进行去均值、去趋势、消除仪器响应处理；

根据所述地震事件和台站的位置关系，将处理后的三分量波形数据旋转变换为垂直、径向和横向三个方向；

对垂直、径向和横向三个方向的分量进行带通滤波；

在垂直和横向方向的分量拾取直达波的初动极性，在垂直或径向方向的分量拾取深度震相的初动极性。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对走向、倾角和滑动角分别按照预设角度间隔生成一系列震源机制候选者，包括：

将成功拾取到的直达波的初动极性、成功拾取到的深度震相的初动极性、深度震相的离源角、直达波的离源角进行关联，对断层走向、倾角及滑动角分别按照预设角度间隔生成多个震源机制候选者。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述预设角度间隔为5°。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

采用射线追踪算法计算直达波和深度震相两者的走时和离源角。

8.一种基于直达波和深度震相初动极性的震源机制联合反演装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取地震事件和台站数据，根据所述地震事件和台站数据，根据预设的速度模型进行计算，得到直达波和深度震相各自的走时和离源角；其中，所述地震事件包括地震震源位置，所述台站数据包括台站位置和台站波形记录；

拾取模块，用于根据所述直达波的走时和深度震相的走时分别确定所述直达波和所述深度震相两者的波形位置，再根据两者的波形位置分别拾取直达波的初动极性和深度震相的初动极性；

反演模块，用于按照预设的走向、倾角和滑动角角度间隔生成一系列震源机制候选者；对一系列所述震源机制候选者分别进行匹配，确定震源机制解。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述反演模块包括：

匹配单元，用于逐一对所述震源机制候选者的直达波初动极性分别与观测的直达波初动极性进行匹配；

输出单元，用于当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第一预设阈值时，将所述震源机制候选者的深度震相初动极性与观测的深度震相初动极性进行匹配，当匹配成功的台站数量的百分比大于等于第二预设阈值时，输出当前所述震源机制候选者为震源机制解；

其中，所述震源机制解包括断层走向、倾角及滑动角。

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