遗漏震相检测技术在2016年9月唐山震群中的应用

王 宁， 杨春利， 李雪英， 常 亮， 赵英萍

(1．河北省地震局，石家庄 050021；2．河北建设勘察研究院有限公司，石家庄 050031)

遗漏震相检测技术在2016年9月唐山震群中的应用

王 宁1， 杨春利2， 李雪英1， 常 亮1， 赵英萍1

(1．河北省地震局，石家庄 050021；2．河北建设勘察研究院有限公司，石家庄 050031)

以河北省数字测震台网测定的河北唐山震群目录中震级较大的地震事件为模板，运用匹配滤波技术，对2016年09月10—12日3天的连续波形做互相关扫描，以进行唐山震群遗漏地震检测，并确定遗漏地震的发震时刻；运用S波振幅比方法估计遗漏地震震级；用单纯型方法对遗漏地震进行定位，确定震中位置。结果显示，检测出22次遗漏地震，进一步完善了地震目录。

监测能力；目录完整性；遗漏地震；匹配滤波技术

0 引言

地震目录是地震观测系统产出的最终成果，目录的准确性、完整性直接影响区域地震活动、地震危险性分析及其后续科学研究的可信度[1]。目前，测震台网接收河北省属53个数字遥测地震台站，加上周边地区共166个地震台站提供的实时地震数据，河北省全省范围内地震监测能力达到ML2.0，唐山地区更是达到ML1.0～1.5[2](图1a)，河北台网较高的地震监测能力为数据的产出提供了有力保证。随着监测能力的发展，台网人员工作水平的不断提高，使得地震目录的产出越来越精细。震群活动期间，地震目录的产出向来是台网工作的重点和难点。在震群活动中，震中附近短时间内往往发生大量地震，震级大小不一，不同地震相互交叠，一些较小的地震难以辨别，这些都给地震目录完整性造成了一定的影响。针对这种情况，本文尝试用遗漏震相检测技术，即波形匹配滤波技术对震群的遗漏震相进行拾取检测。

2016年8—9月河北唐山地区陡河台附近发生小震震群活动，据《河北省测震台网地震观测报告》给出，9月10—12日为地震日频次最高的3天。仅这3天就发生地震事件441次，其中ML1.0～2.9共 89次，ML3.0以上2次，最大地震震级为ML4.3(图1b)。本文选取ML1.0以上唐山地区地震为模板，通过匹配滤波技术检测遗漏地震，并对遗漏地震的震级和震中位置进行估计，以补充现有地震目录。

1 研究方法

本文采用匹配滤波技术(matched filter technique,MFT)进行遗漏地震检测，此方法是在低信噪比情况下提取信号的一种有效方法[3]。经过快速发展，匹配滤波技术已广泛应用于中强地震余震序列分析[4-6]、非火山地脉动与低频地震[7-8]、微震震群发震构造[9-10]等方面的研究。

首先，挑选地震序列中震级较大或记录波形信噪比较好的地震事件，依据震相报告给出的到时数据，从连续记录波形数据中截取相应地震事件波形作为模板，以直达S波到时为中心，截取其前2 s至后2 s波形。本次互相关扫描选用ML1.0以上唐山地区地震(表1)为模板，若地震事件波形出现限幅、断计等情况，则舍弃该地震。台站选取原则是：宽频带地震计记录波形的台站，地震记录较为清晰，台站距离震中较近，信噪比较高，因此选取了DOH、LUX、QIX、CLI、TLK、XLD 6个台站参与互相关计算。

a 唐山地区现有地震监测能力，三角形为唐山地区台站

b 2016年9月10—12日唐山震群震中分布图

表1 模板地震选取

模板选取后，基于匹配滤波技术，在连续波形上进行互相关扫描，得到地震与模板间的相关系数。在对地震波信号滤波时，需保证在保留地震信号的情况下滤掉噪声信号。本次运算中使用了4 阶 Butterworth 零相移数字滤波器。通常所选台站震中距不超过50 km，选择2～8 Hz的滤波频段。计算中对模板地震波形和连续波形使用同样的滤波器和滤波频段滤波。若模板事件发震时刻处在所扫描的那一天，则每个台的互相关系数的最大值应为1.0。此次震群计算中，以记录到的9月10日17时57分12.5秒地震的陡河台(DOH)连续波形的扫描结果为例(图2)。在互相关序列图中最大值为 1.0(三分向互相关系数平均值)，表明计算参数设置基本是正确的。

将互相关扫描的结果进行组合，计算序列的绝对离差中位数(MAD，median absolute deviation)，以得到地震编目时遗漏的地震。绝对离差中位数倍数阈值是地震事件检测中最为关键的参数设置。MAD 倍数表示一个互相关系数在序列中脱离背景值的程度，其倍数越大表示在这一时间点连续波形与模板波形相似程度越高，其为一次地震事件的可能性越大，本次运算中 MAD 倍数阈值默认值为9[4]。

注：小圆圈处表示互相关系数平均值为1。图2 Eq910175712对DOH台的互相关扫描序列图

2 遗漏地震事件检测

2.1 遗漏地震发震时刻和震级

基于互相关扫描模块的计算结果文件，给出每个模板地震所能够识别出地震事件的发震时刻，合并所有模板检测出来的地震事件，对比原始地震目录，就可找出遗漏地震。地震事件检测部分选取每3个台1天的互相关系数文件进行运算(表2)，本文选取6个台站，每个模板地震对应2个地震事件检测结果文件。检查互相关扫描结果文件是否准确可靠的一种方法， 就是查看在模板地震发震时刻的平均互相关系数是否为1.0。在模板地震的发震时刻，互相关检测的结果应为模板波形的自相关，即3个台站互相关系数都为1.0，平均互相关系数也为1.0，则表明计算参数设置合理。

表2 模板Eq912165931扫描DOH、LUX、CLI 3个台站检测出来的地震事件的发震时刻

需要注意的是，同一个地震可能被很多模板检测出来，即一条遗漏地震和目录地震均有多次扫描结果，如9月10日22时29分58.8秒遗漏地震，被Eq910181728，Eq910182804，Eq 910185622等8个模板分别检测出；9月10日22时31分55.9秒遗漏地震，被模板Eq 910181519，Eq 910181728，Eq 910212558，Eq 911164336共检测出4次，等等。对于此种情况，由于发震时刻差距很小，故遗漏地震发震时刻取平均值。本次共检测出22处遗漏地震，遗漏地震震级较小，都在ML0.6以下(表3)。

表3 遗漏地震发震时刻和震级

在得到遗漏地震事件后，接下来就是对遗漏地震震级的确定。测震台网一般利用水平向S波列最大振幅测量近震震级，因而本研究使用S波到时后2 s振幅比测量遗漏地震震级。遗漏地震波形经过4阶Butterworth零相移数字滤波，滤波频段是2～8 Hz，取其S波到时后2 s内最大振幅与模板地震S波到时后2 s内最大振幅之比，即为遗漏地震S波震级。一个遗漏事件可以更换几个模板计算震级，同一个模板也可以计算若干个遗漏事件的震级。本次运算取互相关系数大于0.6的震相的震级计算结果，通过计算平均值得到遗漏地震最终的震级估计结果。互相关系数越大的，震级计算结果也越可靠(图3)。

波形模板为事件Eq910181418陡河台(DOH)记录，扫描出的遗漏地震发震时刻为2016-09-11 15:26:13.2；图3a 是P波通过垂直向波形互相关检测的互相关系数，互相关最大值(CCmax)为0.59；图3b则是S波通过水平向的互相关系数，互相关最大值(CCmax)为0.89。

图3 遗漏地震的P、S波到时及互相关系数示意图

2.2 遗漏地震定位

本次唐山震群台网目录已有地震事件共441次，台网人员日常地震定位所使用的是单纯型法[11]。该方法是适用于地方震、近震和远震的地震定位程序。对于检测出来的遗漏地震也是运用单纯型法进行定位(表4)。

表4 遗漏地震事件定位及检测到震相的台站

3 结论与讨论

本文运用匹配滤波技术对2016年9月10—12日发生的唐山震群遗漏震相进行拾取检测，共检测出遗漏地震22条。运用S波振幅比对遗漏地震进行震级估计，并用单纯型地震定位方法对遗漏地震进行定位，得到以下结论：

1)运用匹配滤波技术检测震群的地震事件，检测出来的结果地震个数比地震目录多。当一个地区发生震群之后，很短时间内出现大量地震，台网人员任务繁重，此种方法不仅能给台网人员提供一种震相拾取手段，而且可以作为一种对地震目录完整性检测的方法。

2)运用此方法虽然检测出一些遗漏地震，但由于震群中震级较小的地震波形信噪比低，可能难以检测到目录中所有的遗漏地震。

匹配滤波技术在震群中的应用，能有效地抑制低频干扰，检测出较多的遗漏地震事件。它对完善地震目录有一定的帮助，地震数目增加可使最小完整性震级降低；在以小震震群为基础的各项研究中，地震数目的增加，可以为震群发震构造的分析及其他的研究提供更为科学的依据[12]。但是，模板数据量大，扫描时间长等这些问题是匹配滤波技术难以应用到台网日常工作的关键。随着科技和地震学研究的发展，以波形互相关方法来识别震相的相关研究将不断改进。另外，由于震群中震级较小的地震波形信噪比低，滤波过程中有很多较小的地震难以识别。我们会在接下来的工作中对程序进行优化，以期解决这一问题。

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Application of Missing Seismic Phase Detection Technology in Tangshan Earthquake Swarm on September 2016

WANG Ning1, YANG Chun-li2, LI Xue-ying1, CHANG Liang1, ZHAO Ying-ping1

(1. Earthquake Administration of Heibei Province, Shijiazhuang 050021, China; 2. Hebei Research Institute of Construction & Geotechnical Investigation Co., Ltd ,Shijiazhuang 050031, China)

In this paper, using matched filtering technology, the missing seismic phases of the Douhe earthquake swarm on september10 to 12 in 2016 in Tangshan region are detected. In the detection, the largest earthquake in the swarm is taken as the template of the existing earthquake catalog produced by Hebei seismic network. The continuous waveforms are cross-correlated scanned to determine the occurrence time of the missing earthquake; The magnitude of missing earthquakes is estimated by using S wave amplitude ratio method; Location of observed earthquakes is determined by simple seismic location method. The results show that a total of twenty two missed earthquakes were detected which improve the earthquake catalog.

monitoring ability; directory integrity; missing earthquake; matching filtering technique

王宁，杨春利，李雪英，等. 遗漏震相检测技术在2016年9月唐山震群中的应用[J]．华北地震科学，2017，35(2):38-43.

2016-10-25

河北省地震局星火计划面上项目(DZ20160408048)

王 宁(1988—)，女，河北邯郸人，助理工程师，现主要从事地震监测方面研究．E-mail：819087955@qq.com

P315.73

A

1003-1375(2017)01-0038-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.006