忧郁的大能猫

好奇的探索者，理性的思考者，踏实的行动者。

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简介

日常地震学科研工作中，使用地震学数据开展研究前，往往需要先获取观测资料，并做预处理和分析。 经处理和分析得到的可靠数据可用于研究震源、地震学成像以及探索地球深部等。因此，这一部分将介绍 日常地震学科研工作中的常用工作流程，主要以实际工作中会用到的代码为主。 目的是帮助地震学新手快速熟悉地震学数据下载、处理以及分析的基础代码，然后直接可以开展实际科研工作。

地震台站记录到的地震图会实时或隔一段时间后传输至数据中心（Data Center）， 如 Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS)。 一般情况下，地震学科研工作者直接可以从数据中心下载到公开的波形数据（time series data）。 此外，一些数据中心也会提供地震目录（catalog）和台站元数据（medadata）。

以下是地震学数据实战常见流程：

• 首先，我们可以通过 FDSN Web Services 向数据中心申请和下载波形资料。得易于 ObsPy、SOD 等软件，现在的资料申请和下载十分简便、易学
• 接着，我们可以利用 ObsPy、SAC 等软件对下载的数据进行预处理，如格式转换、去除仪器响应、滤波等
• 然后，我们可以对处理好的数据进行分析，如拾取震相走时与振幅、分析波形的时频特征等
• 最后，我们就可以利用提取到的数据信息开展深入的地震学研究，如震源定位、体波走时层析成像等

数据下载

地震目录

地震目录中包括了海量地震的信息，而通常用户只需要使用其中的一小部分，因而需要对 地震目录进行筛选。对地震目录进行筛选的准则一般有如下几条：
- 根据地震发震时刻筛选
- 根据震中位置（即震中经纬度）筛选
- 根据震源深度筛选
- 根据地震震级筛选

USGS（United States Geological Survey，美国地质调查局） 提供了可用于在线搜索和查看地震目录的网页工具。用户既可以手动筛选和下载 地震目录，也可以方便直观地查看地震分布情况。下面演示如何使用 USGS 网站在线搜索 和查看地震目录。

访问 USGS 地震目录网站: https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/，

地震台站

全球地震台站有成千上万个，通常在某个具体研究中只需要符合特定要求的台站，因而需要对地震台站进行筛选。
IRIS GMAP 是一个由 IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology） 提供的地震台站网页搜索工具，可以方便地查看全球地震台站分布以及台站的 详细信息。

地震波形数据

地震波形数据是地震学中最重要的数据。这一节介绍如何使用 ObsPy 下载地震波形数据。

下载波形数据时需要提供两个最基本的信息：
- 下载哪个地震台站哪个通道的数据，即需要指定台网（network）、台站（station）、 位置码（location）和通道码（channel）
- 下载哪个时间段的数据，即指定数据开始时间（starttime）和结束时间（endtime）

数据处理

去均值

去线性趋势

波形尖灭

去仪器响应

滤波

分量旋转

数据分析

分析地震目录

质点运动轨迹

互相关

震中距、方位角与反方位角

震中距
一般来说，球面上任意两点都可以和球心确定唯一的大圆（great circle）。 在大圆上，连接这两点的弧有两条，较短的叫优弧（minor arc），较长的叫 劣弧（major arc）。

震中距是震中与台站位置沿大圆弧的连线的优弧的长度。

震中距的单位一般为 km 或度（°）。km 常用于近震，度常用于远震。

假设地球是完美球体，半径 R0 为 6371 km：
- 1°=π∗R0/180km≈111.19492km
- 1km=180π∗R0°≈0.00899°

方位角与反方位角
方位角（azimuth，常简写为 az）是震中到台站的连线与地理北向的顺时针夹角
反方位角 （back azimuth，常简写为 baz）指台站到震中的连线与地理北向的顺时针夹角。

需要注意的是，由于地球是个球体，方位角和反方位角一般并不是相差 180°。 例如，地震和台站分别位于（0°N，0°E）和（40°N，120°E）时，方位角约为 46°， 反方位角约为 290°，二者相差 244°。

慢度（Slowness）

慢度是地震学里速度的倒数：s=1/v
​物理意义：
- 描述地震波传播的“慢快程度”。速度越低，慢度越大。
- 如果一条地震波以 8 km/s 速度传播，那么它的慢度就是 0.125 s/km。

慢度为什么要用速度的倒数儿不用速度呢?
1. 数学上的便利：走时与距离关系
地震波的走时可以写成:t=d/v
如果定义 慢度 s=1/v，那么 t=s⋅d
也就是说，走时和距离成 线性关系，斜率就是慢度。

震相

定位

• 定位算法，IstvanBondar/iLoc: iLoc

常用软件

ObsPy

ObsPy 是地震学数据处理的 Python 软件包，极大促进了地震学应用程序的快速开发。 其可以用来读写多种地震学数据格式，下载地震目录、台站元数据和波形数据，以及处理和分析波形数据等， 满足了日常科研中与地震学数据相关的大部分需求。

可以说正是因为 ObsPy 的出世，地震学科研工作者才可以喊出“人生苦短，我用 Python！”。
- 主页：https://www.obspy.org/
- 官方教程：https://docs.obspy.org/
- 中文教程：https://seismo-learn.org/software/obspy/

SOD

SOD，全称是 Standing Order for Data，可以自动筛选并下载地震目录、台站元数据和波形数据， 并对波形数据做预处理。其具有高度可定制化的特点，可以满足日常科研中地震学数据下载的大部分需求。

虽然从零开始学习 SOD 的语法较难，但中文教程将持续维护开源且易懂的 SOD 脚本，读者一般只需 复制并做简单修改即可使用。
- 主页：http://www.seis.sc.edu/sod/
- 中文教程：https://seismo-learn.org/software/sod/

SAC

SAC，全称 Seismic Analysis Code，是天然地震学领域使用最广泛的数据分析软件包之一。 我们推荐使用中文手册学习 SAC。至少在某些章节，中文手册比官方手册更好。 中文手册提供了更多有关数据处理的详细说明，以帮助初学者正确使用 SAC 和学习地震学数据处理基础。

SAC 拥有图形界面，方便实时查看结果。SAC 历史悠久，仍有许多开源代码和用户使用 SAC。 推荐用户学习和掌握 SAC 的基础用法。

• 主页：http://ds.iris.edu/ds/nodes/dmc/software/downloads/sac/
• 官方教程：https://ds.iris.edu/files/sac-manual/
• 中文教程：https://seisman.github.io/SAC_Docs_zh/

GMT

GMT，全称 Generic Mapping Tools，中文一般译为“通用制图工具”， 是地球科学最广泛使用的制图软件之一，其具有强大的绘图功能和数据处理功能。

PyGMT 是 GMT 官方维护的 GMT 的 Python 接口， 目前仍在快速开发中。
- 主页：https://www.generic-mapping-tools.org/
- 官方教程：https://docs.generic-mapping-tools.org/
- 中文教程：https://docs.gmt-china.org/

TauP

TauP 用于计算一维球状分层模型下地震震相的走时和路径。
- 主页：https://www.seis.sc.edu/taup/
- 官方教程：http://www.seis.sc.edu/downloads/TauP/taup.pdf
- 中文教程：https://seismo-learn.org/software/taup/