地震台站#

  • 本节贡献者: 田冬冬(作者)、姚家园(审稿)

  • 最近更新日期: 2023-04-29

  • 预计花费时间: 60 分钟


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。 这一节介绍如何筛选公开地震台站并获取台站信息。

使用 IRIS GMAP 筛选台站#

Note

IRIS GMAP 使用了 Google 地图服务,因而需要科学上网才能正常访问。

IRIS GMAP 是一个由 IRIS 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。下面演示 IRIS GMAP 的基本使用方法。

访问 IRIS GMAP 网站 https://ds.iris.edu/gmap/, 会看到如下界面:界面左侧为功能栏,可以使用不同的准则筛选地震台站; 右侧为显示区,用于显示符合筛选条件的地震台站。

左侧功能栏中,支持以多种不同的方式对地震台站进行筛选:指定台网名、台站名、位置码、通道名;指定时间范围;指定台站位置范围(矩形区域或圆形区域);指定地震数据中心。

IRIS GMAP 界面

Fig. 18 IRIS GMAP 界面#

例如,想筛选所有 IU 台网的宽频带地震台站,则可以在 Network 框中输入 IU, 在 Channel 框中输入 BH?(此处的问号为通配符),然后点击上方的 Update Map 按钮,界面右侧便会显示出所有满足筛选条件的台站。右侧上方为地图区域,圆圈标记了 台站的位置;下方为列表区域,会显示台网名、台站名、台站位置以及台站的开始和结束时间。

IRIS GMAP 显示 IU 台网的宽频带台站

Fig. 19 IRIS GMAP 显示 IU 台网的宽频带台站#

可以更进一步查看每个台站的详细信息。以位于美国新墨西哥州的地震台站 IU.ANMO 为例, 点击 IU.ANMO 台站对应的圆圈或下方列表区域的该台,会出现如下图所示的提示框:

IRIS GMAP 查看 IU.ANMO 台站的基本信息

Fig. 20 IRIS GMAP 查看 IU.ANMO 台站的基本信息#

可以看到,IU.ANMO 台站位于美国新墨西哥州 Albuquerque 市,台站开始运行的时间为 2002 年 11 月 19 日,结束运行的时间为 2599 年 12 月 31 日(这一“未来”结束时间 表示台站依然在长期运行中)。

点击提示框中的 “More Information”链接,则会跳转到 IRIS MDA 中 该台站所对应的页面(即 https://ds.iris.edu/mda/IU/ANMO/?starttime=2002-11-19&endtime=2599-12-31)。 该页面不仅列出了台站的基本信息,还列出了台站所使用的地震仪器及其基本参数。

IRIS MDA 中查看 IU.ANMO 台站的基本信息

Fig. 21 IRIS MDA 中查看 IU.ANMO 台站的基本信息#

使用 ObsPy 下载地震台站信息#

IRIS GMAP 作为一个在线工具可以很直观地查看台站分布和基本信息,但却不适合数据 自动化处理。ObsPy 提供了从不同的地震数据中心筛选和下载台站基本信息的功能。

下面演示如何使用 ObsPy 的 Client.get_stations() 函数筛选和下载地震台站信息。

首先,需要导入 ObsPy 中地震数据中心数据下载客户端 Client

from obspy.clients.fdsn import Client

接下来,我们需要初始化一个 Client 对象。 ObsPy 的 Client 支持多个地震数据中心。这里我们选择使用 IRIS 地震数据中心:

client = Client("IRIS")

Client.get_stations() 函数可以根据指定的参数获取地震台站信息。这里我们想要获得 IU 台网中所有台站名以 A 开头的 宽频带三分量(BH*)台站,并同时获取台站的仪器响应信息(level="response"):

inv = client.get_stations(
    network="IU", 
    station="A*",
    channel="BH*",
    starttime="2002-01-01",
    endtime="2002-01-02",
    level="response"
)

该函数会向 IRIS 地震数据中心发起请求,并返回符合条件的地震台站信息。其返回值是 Inventory 类型,并被保存到变量 inv 中。 下面我们看看变量 inv 中的内容:

print(inv)
Inventory created at 2024-06-09T01:22:46.862600Z
	Created by: IRIS WEB SERVICE: fdsnws-station | version: 1.1.52
		    http://service.iris.edu/fdsnws/station/1/query?starttime=2002-01-...
	Sending institution: IRIS-DMC (IRIS-DMC)
	Contains:
		Networks (1):
			IU
		Stations (3):
			IU.ADK (Adak, Aleutian Islands, Alaska)
			IU.AFI (Afiamalu, Samoa)
			IU.ANMO (Albuquerque, New Mexico, USA)
		Channels (15):
			IU.ADK.00.BHZ, IU.ADK.00.BHN, IU.ADK.00.BHE, IU.AFI.00.BHZ, 
			IU.AFI.00.BHN, IU.AFI.00.BHE, IU.AFI.10.BHZ, IU.AFI.10.BHN, 
			IU.AFI.10.BHE, IU.ANMO.00.BHZ, IU.ANMO.00.BH1, IU.ANMO.00.BH2, 
			IU.ANMO.10.BHZ, IU.ANMO.10.BH1, IU.ANMO.10.BH2

可以看到,返回的变量 inv 中包含了满足条件的 1 个台网、3 个台站、15 个通道的信息。

Inventory 类提供的 Inventory.plot() 函数 可以用于快速绘制地震台站分布图:

inv.plot();
../../_images/14d1a9c8e75ad5d1e5cf0d9626e5c30dfd808f0d50ef0b70211cf886c0528c69.png

Inventory.plot_response() 函数可以用于绘制仪器响应。下面的函数绘制了 inv 中所有 BHZ 分量的仪器响应,并设置了仪器响应图的 最小频率为 0.001 Hz:

inv.plot_response(min_freq=0.001, channel="BHZ");
../../_images/05a415aabd6befce9ae85b3481ab6ac2d6e0776b18c3e9346be13e66a6f4b3e4.png

台站信息的读和写#

通过 Client.get_stations() 获得的台站信息可以保存为多种不同格式。下面的代码将台站信息以 StationXML 格式保存到文件 stations.xml 中:

inv.write("stations.xml", format="STATIONXML")

在需要时,随时可以使用 read_inventory() 函数读入磁盘文件中的台站信息。该函数值返回 Inventory 类型:

from obspy import read_inventory
inv = read_inventory("stations.xml")

深入理解和使用 Inventory#

上面提到,Client.get_stations()read_inventory() 的返回值都是 Inventory 类型。 事实上,Inventory 类是 ObsPy 中最核心的类之一,用于储存地震台站信息。 下图展示了 Inventory 类的属性及其层级关系: Inventory 类可以看做是 Network 类的列表; Network 类可以看做是 Station 类的列表; Station 类可以看做是 Channel 类的列表。

ObsPy 的 Inventory 类

Fig. 22 ObsPy 的 Inventory 类。引自 ObsPy 网站#

Inventory#

可以对 Inventory 进行列表相关的操作, 下面对 inv 进行循环并打印每个元素(即 Network 类)的值:

for net in inv:
    print(net)
Network IU (Global Seismograph Network - IRIS/USGS (GSN))
	Station Count: 3/128 (Selected/Total)
	1988-01-01T00:00:00.000000Z - --
	Access: open
	Contains:
		Stations (3):
			IU.ADK (Adak, Aleutian Islands, Alaska)
			IU.AFI (Afiamalu, Samoa)
			IU.ANMO (Albuquerque, New Mexico, USA)
		Channels (15):
			IU.ADK.00.BHZ, IU.ADK.00.BHN, IU.ADK.00.BHE, IU.AFI.00.BHZ, 
			IU.AFI.00.BHN, IU.AFI.00.BHE, IU.AFI.10.BHZ, IU.AFI.10.BHN, 
			IU.AFI.10.BHE, IU.ANMO.00.BHZ, IU.ANMO.00.BH1, IU.ANMO.00.BH2, 
			IU.ANMO.10.BHZ, IU.ANMO.10.BH1, IU.ANMO.10.BH2

Network#

Network 类提供了很多台网相关的属性和函数。 例如,下面的代码会输出第一个台网的代码、总台站数以及 inv 中实际包含的台站数目:

net = inv[0]
print(net.code, net.total_number_of_stations, net.selected_number_of_stations)
IU 128 3

可以对 Network 进行列表相关的操作, 这里我们取其第一个台站并查看其信息:

sta = net[0]
print(sta)
Station ADK (Adak, Aleutian Islands, Alaska)
	Station Code: ADK
	Channel Count: 3/103 (Selected/Total)
	1993-09-21T00:00:00.000000Z - 2009-02-14T00:00:00.000000Z
	Access: open 
	Latitude: 51.8823, Longitude: -176.6842, Elevation: 130.0 m
	Available Channels:
	  .00.BH[ZNE]    20.0 Hz  1999-02-11 to 2003-05-23

Station#

Station 类也提供了很多台站相关的属性和函数。 例如,下面的代码输出了当前台站的台站代码、经纬度、高程、台站的总通道数目和当前 inv 中包含的 通道数目:

print(sta.code, sta.latitude, sta.longitude, sta.elevation)
print(sta.total_number_of_channels, sta.selected_number_of_channels)
ADK 51.8823 -176.6842 130.0
103 3

可以对 Station 进行列表相关的操作, 这里我们取该台站的第一个通道并查看其信息:

chn = sta[0]
print(chn)
Channel 'BHE', Location '00' 
	Time range: 1999-02-11T00:00:00.000000Z - 2003-05-23T08:40:00.000000Z
	Latitude: 51.8823, Longitude: -176.6842, Elevation: 130.0 m, Local Depth: 0.0 m
	Azimuth: 90.00 degrees from north, clockwise
	Dip: 0.00 degrees down from horizontal
	Channel types: CONTINUOUS, GEOPHYSICAL
	Sampling Rate: 20.00 Hz
	Sensor (Description): None (Streckeisen STS-1H/VBB Seismometer)
	Response information available

Channel#

Channel 类也提供了很多通道相关的属性和函数。 例如,下面的代码输出了当前通道的方位角、倾角、位置码和采样率等信息:

print(chn.azimuth, chn.dip, chn.location_code, chn.sample_rate)
90.0 0.0 00 20.0