上周在高县地震的科普短文中展现了高县近期发生的地震分布,
这些地震的位置看上去非常有规律,似乎在一个隐形的棋盘格上,“横平竖直”。
评论区很多网友也提到了这点,进而和人类活动联系起来。
其实,这本质上是一个假象,是因为定位精度不够的原因。
为什么这么讲呢?
地震定位的基本公式,初一就学过:
定位,就是要确定上式中的(x0, y0, z0),还有一个发震时刻t0。
观测到的量为地表各个地震台站记录到的时间,如从震源位置发出的P波到达台站的时间。
若我们已知波的传播速度c,根据上式就能计算假定震源位置的波到达台站的时间,进而和观测时间进行对比,若非常接近,就可认为该点即为震源位置。
显然,波传播所需时间t和震源位置(x0,y0,z0)不是一个线性关系,因而地震定位是一个典型的非线性问题,这就是其不容易做好的根本原因。
怎么办呢?应对非线性问题最朴素的方法是网格搜索:即把可能区域划分成棋盘格,依次计算每个格点的可能,选择最有可能的点即是震源位置。
下面举个二维例子说明,如下图所示,红色圆圈代表地震,蓝色三角形为地震台站。我们已知各地震发生后,5个台站记录到的波到达时间,现在要确定地震位置,即能否把这些地震定位到其真正的位置。
怎么办呢?我们将此区域划分为棋盘格:
然后,对于待定位的地震,我们依次计算各棋盘格点到台站的时间,将此时间和观测到的时间对比,选取总体时间差最小的位置即为地震位置。
可以看出,我们划分网格就默认了地震将分布在这些格点上。
显然,当网格不够密时,如上图,上述三个地震将被定位到如下位置:
黄色圆圈为地震定位后的结果。
棋盘格分布出现了!
三个地震本质上是非常紧密的线性分布,经过粗定位,却展现为格点分布,完全偏离真实位置。
那你可能会讲,网格画密一些不就可以了吗?
是的,这能一定程度改善此问题。但同时计算量也非常大,中国地震台网速报的要求是快,若非常密的网格显然很难达到此目的。
注意上述为二维例子,真实情况为三维地球。
若一个10公里*10公里的区域,1公里一个格点。
二维情况下:11*11=121格点;
三维情况下:11*11*11=1331格点。
可见,三维的计算量比二维大得多,高一个量级非常正常。因此,要更加精确地确定地震位置,需要人工介入,进行更加细致的重定位工作。
另外,地下的速度结构不可能是一个常数,其存在空间分布,即各个地方的速度可能不同,而我们并不是特别清楚这些细节,只能近似。
同时,我们读取波的到时也存在一定的不确定性,如下图,到时读取快0.1秒或慢0.1秒,可能非常正常:
这些因素共同作用,就会造成地震定位很难做好。
总之,地震定位看上去非常基本的问题,却是一个经典的非线性反演问题,要做好,真的不容易。
从高县地震分布可以推测:中国地震台网的速报定位算法中,网格大小似乎为1公里?
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