1 研究背景

针对全球地震等各种地质灾害的频繁发生，研究人员对地震相关方面的研究不断深入，而随着高频GNSS设备的出现和处理方法的不断改进，高频GNSS成为地震相关研究热点。地震发生后第一时间获得发震时刻、震级及震中是后续预警及应急的基础。传统地震仪在强震（M＞7）发生时，会出现限幅、饱和、系统偏差及信号扭曲等现象，给地震参数的获取带来困难（Bilich et al，2008）。例如，2011年日本3·11地震发生时，受传统地震仪对强震记录饱和等现象的影响，测定震级偏小，震后灾害被低估，由此造成严重的人员伤亡。而利用高频GNSS，可以有效记录到强震发生时站点的地表位移，不会出现传统地震仪所述情况，在同震形变监测方面优势明显。相关研究有：Blewitt等（2006）利用GNSS高频数据解算站点位移并反演得到地震矩震级；Allen等（2011）根据Blewitt等（2006）的研究方法，利用高频GNSS对地震参数确定和地震预警进行了深入研究；方荣新等（2014）采用RTPPP（实时精密单点定位）方法，验证了GNSS高频数据在震级反演上的能力。因此，对强震参数进行高频GNSS数据反演研究具有重要意义。

文中以2003年12月22日美国加州圣西蒙地区M_W 6.5地震和2011年3月11日日本仙台M_W 9.0地震为例，使用2次地震发生当日GNSS测站高频数据，利用Gamit的TRACK模块计算测站的位移时间序列，采用将S变换和STA/LTA算法相结合的方法拾取地震波到时，利用几个站点的已知坐标和地震到时反演震中位置和发震时刻。

2 研究方法及案例分析 2.1 地震前后GNSS站点位移时间序列获取

选用距日本大地震震中较近的4个跟踪站（MIZU、USUD、DAEJ及JA01）和美国圣西蒙地震震区的5个IGS站（MASW、POMM、LOWS、PIN1、RNCH）频率为1 Hz的GNSS数据，利用Gamit的TRACK模块，使用精密星历文件，无电离层组合（LC组合）观测量，MW-WL宽巷模糊度设置，解算位移时间序列。

2.2 地震波到时拾取

S变换（S-Transform）是1996年由美国地球物理科学家Stokwell等提出的一种可逆无损的线性时频分析方法，该方法同时具备小波变换和短时傅里叶变换的优点，在地震波到达测站时去除信号中的原始背景噪声，在时频域内形成能量突变，即可准确获取地震波到时。STA/LTA算法是指，利用信号的短时时窗的均值（STA）和信号的长时窗均值（LTA）的比值作为对接收信号能量变化的反应。使用S变换剔除测站信号中的背景噪声影响，获取信号能量突变，利用STA/LTA算法对突变结果进行分析，获得站点地震波到时。文中只展示USUD站点经S变换去噪及STA/LTA算法处理后得到的地震波到时结果，见图 1。

2.3 震级及震中位置反演

利用获得的各个站点地震波到时和各自的站点坐标对地震的发震时刻和震中位置进行反演。所选测站的坐标设为（X_i，Y_i，Z_i），站点的地震波到时分别为t₁、t₂、...、t_n，假定地震的震中位置坐标为（X，Y，Z），则震中距可以表示为

$ D_i=\sqrt{\left(X-X_i\right)^2+\left(Y-Y_i\right)^2+\left(Z-Z_i\right)^2} $

(1)

假设地震波在各个方向的传播速度v相同，发震时刻假定为t，那么利用地震波到达各站点的时间差值可得

$ D_i-v\left(t_i-t\right)=0 $

(2)

将式（2）在初始处进行迭代，即可得到震中位置坐标和发震时刻。

将计算结果与USGS发布结果进行对比，发现：在日本3·11地震中，震中位置相差18 km，发震时刻相差1.135 s；在美国圣西蒙地震中，震中位置相差4.1 km，发震时刻相差0.842 s。

3 结论

针对2011年3月11日日本仙台M_W 9.0地震和2003年12月22日美国加州圣西蒙地区M_W 6.5地震震区内若干跟踪站的GNSS高频数据，使用Gamit软件的TRACK模块解算得到位移时间序列，将S变换和STA/LTA算法相结合进行滤波，并拾取精确的地震波到时，利用各测站坐标和解算得到的地震波到时，计算2个地震的震中位置坐标和发震时刻。与USGS公布的结果进行对比，发现该方法是可行的，证明高频GNSS在强震预警、地震应急方面可以提供有意义的决策依据。其次表明，利用S变换和STA/LTA算法相结合进行震相识别获取地震波到时的方法，可以获得较为准确的结果。