自動編目軟件在山西預警臺網中的應用

梁向軍，劉林飛*，劉雪嬌，閆曉美

（1.山西省地震局，山西 太原；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原）

前言

中國地震觀測系統經過“九五”、“十五”和“十一五”的建設和發展，還有近年來實施的“中國地震科學臺陣探測”項目、“國家地震烈度速報與預警工程”項目和“一帶一路”等重大項目，使得地震觀測資料日積月累迅猛增長，為地震學研究提供了堅實的研究基礎。然而，目前人工震相識別速度慢、微震識別難等方面面臨挑戰，尤其是國家地震烈度速報與預警工程-山西子項目建設1096 個臺站（圖1），預警中心于2021 年9 月底已投入運行，1096 個臺站的震相識別僅依靠人工處理工作量太大，難以在規定的時間內完成任務。為此，如何實現預警震相資料自動化快速、精確拾取，最終形成完整的目錄已成為目前急需研究的重要課題。

近年來，隨著深度學習方法不斷發展，許多深度學習方法被應用到地震監測領域——震相自動拾取方面，如卷積神經網絡CNN[1]、遞歸神經網絡RNN[2]、全連接神經網絡FCN[3-4]和U 形網絡U-net[4-5]。經過研究者使用大量的震相資料進行訓練，拾取效果遠遠超過傳統方法，使得震相自動化拾取工作成為可能。

自動震相識別在一些重點地區已取得很好的效果，山西地區在震相自動識別這一領域剛剛涉及，目前山西臺網雖然安裝了自動編目系統, 但是只接入了測震臺網74 個臺站（57 個省內臺站和共享周邊省份的17 個臺站），尚未接入預警臺網的數據。預警臺網接入省內的臺站有1096 個，平均臺間距為10 km，對于同一個地震，用測震臺站分析和預警臺站分析工作量是無法比擬的，分析一個2 級左右的地震，用測震臺網得分析30 個臺左右，而預警臺網得分析50 個臺以上，面對如此大的工作量，僅依靠人工處理效率太低，因此很有必要對預警臺網產出的地震事件進行自動識別與分析處理，產出比較完整的目錄和報告，這項工作可提高值班人員的工作效率，為科研人員提供更多的基礎性研究數據。

1 震相自動檢測（自動編目）方法原理

震相自動檢測主要有以下4 個步驟：（1） 采用PhaseNet 算法[4]進行地震檢測與震相拾??；（2） 根據組觸發策略[6]確定關鍵震相，即震相關聯；（3） 絕對地震定位，獲得地震的絕對位置；（4） 震級測定；（5）形成最終的目錄和報告。

2 研究資料選取

應用震相自動檢測（自動編目）方法，對山西預警中心產出的連續波形數據進行震相的自動識別并定位，產出地震目錄，將地震目錄結果與臺網中心的統一編目結果匹配，并對震中位置和震級偏差進行比較。

3 自動編目結果

以2022 年6 月為例，自動編目方法方法共拾取出山西預警臺網2022 年6 月地震目錄1522 條，全國統一編目結果共產出367 條（測震臺網人工編目要求處理省內及省界30 km 之內的天然地震、ML≥2.5 的非天然地震），相匹配的地震數目為216 條，其中152條是單臺地震。目前，自動編目軟件只檢測可交地震事件，所以單臺地震未檢測到。自動檢測軟件多檢測出的1155 條編目結果，是由于自動檢測出的編目結果包含震級不夠ML2.5 的非天然地震和省界超過30 km 之外的地震，這1155 條地震事件中，其中107 條是2.5＞ML≥2.0 的非天然地震，剩余的1048 條事件則為震級小于2.0 的非天然地震和省外不參與編目的地震。從預警臺網和測震臺網的監測能力圖（圖2、圖3）可以看出：預警臺網的監測能力比測震臺站的監測能力要強，預警臺網監測能力達到0.5 級以下的地震監測區域與測震臺網監測能力達到1.0 級以下的地震所占區域的比例相當，預警臺網能監測到全省1.0 級以下的地震，這就是自動檢測軟件檢測出預警臺網比測震臺網事件多的原因。

圖2 預警臺網監測能力

圖3 測震臺網監測能力

對比分析自動產出的預警臺網的地震目錄和全國統一編目結果顯示：發震時刻偏差平均值為-0.1 s，震中位置偏差平均值為3.98 km，震級偏差平均值為0.2級，偏差結果都比較小，所以我們認為自動編目結果可為臺網使用。

我們選取1 個典型地震來看，以2023 年6 月18日發生的山西洪洞3.3 級地震為例：全國統一編目結果、預警人工編目和自動編目結果相比較（見表1）。

表1 洪洞3.3 級地震全國統一編目、預警人工編目和預警自動編目結果對比

表1 中數據顯示，預警臺網自動編目結果與測震臺網全國統一編目結果相比較：發震時刻相差0.5 s，震中位置偏差2.1 km，震級相同；預警臺網自動編目與人工編目結果相比：發震時刻相同，震中位置偏差1.1 km，震級相同。對比結果顯示，測震臺網用的臺站和預警臺網用的臺站不一樣（圖4、圖5），但定位結果卻有很好的一致性，說明預警臺網的自動定位結果可靠。

圖4 測震臺網統一編目部分觀測報告

4 結論與討論

（1） 本文用自檢測編目軟件對山西預警臺網產出的波形數據進行自動識別，產出了預警臺網的自動編目結果，并將自動定位結果與臺網中心的全國統一編目結果進行匹配。匹配結果顯示：自動檢測軟件多檢測出1155 條非天然事件目錄，一方面是由于預警臺網比測震臺網監測能力較高所致，另一方面是由于測震臺網人工編目要求處理所有記錄到的山西省內地震、省界30 km 之內的天然地震、省內及省緣ML≥2.5 級的非天然地震。

（2） 以2023 年6 月18 日發生的山西洪洞3.3級地震為典型震例，將自動檢測結果與速報結果和全國統一編目結果對比，結果有很好的一致性。

綜上所述，預警臺網震相自動檢測軟件產出的編目結果穩定可靠，有很好的實用性，可以大大減少臺網值班人員的工作量，提高值班人員的工作效率。

致謝：感謝福建省地震局廖詩榮究員為本文研究提供程序及在操作過程中給予指導!