HYPOINVERSE用户指南.docx

1、HYPOINVERSE用户指南地震定位和定震级的Fortran程序HYPOINVERSE-2000用户指南2002年4月版本作者：F.KleinUSGS Open File Report 02-171，ver1.0目录图和表的列表引言用默认值和输入文件进行初始化关于地震和台站数据的注译地壳速度模型多重模型替换模型模型类型：均匀层模型和线性梯度模型均匀层模型使用走时表的线性梯度模型台站列表和台站延时、增益历史以及震级校正的使用震级校正台站位置文件台站名代码和文件格式指定仪器类型和标定因子台站延迟文件台站衰减和标定因子文件台站震级校正文件其他台站注译震相数据输入格式 存档输出格式对所有震相输入格式

2、都是共同的加权代码、名字代码以及其他参数作为震相输入读取的存档文件终结行和实验位置（全为ASCII格式）直接从（USP“MEM”文件中读取地震地震定位方法交互地震处理 如何改变打印文件中的权 交互处理中的步骤流程固定深度或震源保留或删除差地震尾波震级尾波震级类型和如何测量尾波尾波震级选项选择尾波震级类型对尾波震级的增益校正持续时间震级表达式延续时间（tau）震级表达式振幅（地方）震级由伍德安德森地震计测定的地方震级振幅震级的距离校正由电磁（速度）地震计测定的震级（XMAGS） 模拟数据传输和记录速度地震计的振幅震级关系关联和数字数据记录和振幅测量单位带有速度地震计的全数字系统地震计仪器类型各种

3、数字系统的CAL因子振幅震级注译计算两种振幅震级P振幅震级振幅震级命令举例持续时间震级和振幅震级的加权优选的地震震级P和S到时的加权距离加权残差加权一些简单的命令序列HYPOINVERSE可识别的命令输入文件二进制文件读附加台站数据文件格式和相关的控制输出文件多重地壳模型处理震相文件中的多个事件打印输出格式实验深度、速度比和误差方便性和控制命令震级尾波持续时间震级振幅震级其他命令到时加权迭代和收敛参数输出文件格式打印输出 台站表 地震迭代输出 最终定位数据震级数据输出质量代码（只在HYPO71摘要输出中出现老的千年虫问题之前的输出格式解决千年虫问题后的输出格式示例输入和输出文件附录附录1：跟随

4、在命令后的自由格式参数要遵循的规则附录2：迭代与收敛 从哪里开始迭代 如何修改迭代步骤 收敛与何时停止迭代附录3：反演算法与本征值截断的使用台站重要性和信息密度本征值和协方差（误差）输出附录4：误差计算 协方差或误差矩阵 误差椭球、垂直和水平误差附录5：用程序TTGEN生成线性梯度地壳模型的走时表 走时表的使用 可允许输入到TTGEN的地壳模型 使用程序TTGEN 文件TTMOD中对TTGEN的输入 TTGEN的输出附录6：编程者注记参考文献命令和专用名索引引言 Hypoinverse是一个计算机程序，它处理一个地震的地震台数据文件（如P波到时和地震图上的振幅和持续时间），得到地震位置和震级。

5、它是美国地质调查局（USGS）一系列类似程序之一，这些程序包括HYPOLAYR（Eaton，1969），HYPO71（Lee and Lahr，1971），HYPOELLIPSE（Lahr，1980）.如果你是Hypoinverse的新手，你可能想从浏览“某些简单命令序列”一节开始，以得到某些简单的场景。本报告实质上是一本高级用户指南，顺序地读它可能使读者进入比他/她所需要的要多的细节。每个用户必须有一个速度模型，台站列表和震相数据输入文件，浏览这些章节是开始的好地方。该程序有许多选项，因为它是多年发展起来的，要满足那些世界上最大台网之一的需要，但只有少数台站的小台网也使用该程序，此时能忽略大

6、部分选项和命令。历史和可用性。Hypoinverse最初是在1978年为Eclipse小型计算机写（Klein，1978）。后来为VAX和Pro-350计算机写的修改版（Klein，1985）包括了多种模型和其他能力（Klein，1989）。本报告报告的是扩展的Y2000（2000年问题）版本，本报告覆盖先前的报告。它是作为当前在Unix和VAX-alpha计算机上运行的当前版本的详细用户指南，也是与Earthworm地震数字化系统一起提供的版本的用户指南。通过Menlo Park中计算机的无记名ftp可得到Fortran-77源代码（Sun和VAX兼容的）以及本报告的副本。当前，该计算机是s

7、wave.wr.usgs.gov，目录是/ftp/pub/outgoing/klein/hyp2000。如果你要在Menlo Park EHZ或NCSN Unix计算机上运行Hypoinverse，当前的可执行程序是klein/hyp2000/hyp2000。新特点。Hypoinverse的y2000版包括先前的全部能力，但对先前定义的格式增加了y2000格式。在大多数情况下，新格式是对年字段增加2个数字位，以容纳世纪。有时对其他字段重新安排或扩展，以容纳更好的字段顺序。用“200”命令调用y2000格式。当启动y2000标记时，全部文件都以新格式读、写，在单次运行中没有格式类型的混合。某些格

8、式不含日期字段，如台站文件，没有改变。写了一个单独的程序2000CONV，用于将老格式转换成新格式。其他新特点，如扩展的台站名，由多种数字地震计计算振幅震级，台站历史文件，交互式地震处理，以及从CUSP（Caltech USGS Seismic Processing，加州理工学院的美国地质调查局地震处理系统）二进制文件进行定位等都已增加进来。一般特点。Hypoinverse将定位一个输入文件中的任何数量事件，该输入文件可以是几个不同格式之一。可产生打印输出、摘要或存档输出中的任何一个或全部。Hypoinverse由用户命令驱动。各种命令定义输入和输出文件，设置可调整的参数，使用当前设定的参数和

9、文件求解一个地震数据文件中的多个位置。它又是交互式的，又是“批处理”的，即各个命令可从键盘上执行，又可从一个文件中执行。通过在Hypoinverse提示符处打入文件名，即可执行该文件中的命令，用户可在命令行上提供参数，也可略去它们，然后交互式地根据提示打入。当前参数值被显示，并可在提示符之后打入回车键（RETURN）使其用作默认值。这使得程序很易于使用，如果你能记住命令的名字的话。将带有或不带有所需参数的命令组合成命令文件允许生成多种定制的过程，如：自动输入地壳模型和台站数据，但每次提示输入不同的震相文件。所有命令都是3个字符长，大多数需要一个或多个参数或文件名。如果这些参数或文件名出现在与命

10、令同一行上，则诸如文件名这样的字符串必须用撇号（）括起（单引号）。附件1给出提供参数的这类自由格式的规则，它们可在Fortran中被解析。当需要在命令后面跟随若干个参数时，它们当中任何一个都可用空字段代替（见附录1）。空字段使那个参数保持其当前值或默认值不变。当启动HYPOINVERSE时，对除了文件名之外的所有参数，其默认值生效。本报告的格式。本报告中在适当的地方给出文件的格式。数据文件的格式是固定的（按列给出）。本报告中的格式使用Fortran规范。这样，A10是10个字符长的字母字段，I5是5个数字位的右对齐整数，F4.2是4列的实数，如果不存在小数点的话，其含义是小数点位于两个10进位

11、之前，等等。格式用黑体字体（Helvetica typeface ）给出。本报告中，命令和某些其他“计算机”行用等间距的Courier字体给出。这使得更容易认出空格和句号等字符，并允许列对齐。如果包含数据的计算机文件中各列所在位置具有重要性的话，这类计算机文件都是这样做的。Hypoinverse是具有许多特性和选项的一个复杂程序。这里报告了这些“先进的”或很少使用的特性中的许多特性，但比普通用户第一次开始使用该程序时所需要的更详细。我已将这一材料的一些部分写成较小字号，从而使第一次的用户能集中注意力于更重要的信息。使用参数的Hypoinverse命令是自由格式的，意思是那些值用空格、逗号或制表

12、符（tab）分开。应用于自由格式的其他规格设计空字段，其中的值不被重新定义，而是保持现有值。这样，命令DUR*3.3*-5.2/设定第2个和第6个值，但保持其他值，包括第7个及以后的各参数，如它们已存在的那样。数组大小。当前各数据类型的maxima（数组限）是：台站文件中的台站数 4000每个事件的台站数（震相行数） 1000每个事件的震相（P或S）数 820均匀分层地壳模型数 36线性梯度地壳模型数 36任何类型地壳模型数 36每个地壳模型的层数 20模型分区节点数 124输入影子记录中的字符数 103输入存档格式中的摘要影子记录 4虚拟的台站代码数（UNK命令） 10要拷贝到输出中的未知台

13、站数 40为找出本程序用于台站、震相等各种数组的最大大小，使用MAX命令。如果在一个事件中有太多台站（“震相卡片”）并且要产生存档输出，则超出的震相数据被拷贝到输出文件但不做任何处理，应由计算产生的字段保持空白。这些最大数组值是在程序的源程序中的公共块（common block）包括文件（include file）中的参数陈述语句汇中设定的，当需要更多或较少空间时不难改变。用默认值和输入文件进行初始化如果在你的当前目录中有一个文件叫做“hypinst”（在VMS中是“HYPINST.”，无扩展名），则在开始时由Hypoinverse读该文件。它可用于设置你自己的默认值，读你总在使用的台站文件或

14、地壳模型文件等。然后你可以直接打入命令或将控制转移到其他命令文件去做指定的任务。不是必须使用hypinst文件，而且对于新用户而言，使用hypinst不是一个好主意。我从不使用它，因为它可能在以后去执行，而我却并不知情。通常在没有hypinst文件的情况下Hypoinverse只是发出一个命令提示。通过打入文件名，可运行任何命令文件。Hypoinverse有一个INI命令，它通过运行一个命令文件来初始化，该命令文件适用于给定计算机上运行该程序的一组人。INI命令部要求你处在该命令文件所在的目录中。该命令文件用于一组人需要使用相同的参数以及台站和速度模型文件的场合，或你想迅速初始化该程序的场合。

15、在Unix计算机上，当打入INI命令时，Hypoinverse把环境变量HYPINITFILE作为命令文件去运行。例如，在Menlo Park 的sware计算机上，NCSN用户当前在他们的系统启动文件中放入命令：setenv HYPINITFILE /we/calnet/klein/hypfiles/cal2000.hyp关于地震和台站数据的注释对于输入和输出，可使用许多不同类型的“注释”字段。这里不能完全地讨论这些注释，但本报告中对如何使用不同的注释类型做了解释并对主要的讨论内容编制了索引。在有创造性的人手中，这些讨论很有用。台站注释（即区域代码，1字符）事件位置注释（3字符）事件类型注释

16、，由分析人员赋予（1字符）事件定位问题注释，由Hypoinverse赋予（1字符）事件处理和授权注释（3个单字符代码）震相注释（是否脉冲型等，包括P初动极性；2字符）地震图或振幅注释（每个震相记录一个，1字符）数据来源代码是列出的特殊注释。每个震相或存档记录有一个1字符字段用于注释数据来源（贡献台网、读到时系统等）。在同一事件中对同一台站和分量能同时存在多个数据记录，但这一来源代码能区分开它们。对每个事件的处理过程中，对每个P到时、尾波和振幅，程序能确定最常用的数据源代码，允许你知道不同事件的数据来自何处。地壳速度模型所有模型都是平地球模型并假定台站位于地球表面。台站高程没有被使用，但高程的延

17、时效应大部分能以台站延时来补偿。这一平地球假设意味着震源深度是相对于由附近的那些地震台站确定的平均的局部表面。这在计算上很简单。对于每个地壳模型，速度只随深度改变。只能通过根据位置选择模型或对于同一地震不同台站使用两个不同的模型来补偿。多重模型Hypoinverse处理的最简单情况是对所有震中和所有台站使用一个地壳模型和一组台站延时。Hypoinverse还允许使用多重速度模型，从而有相当的复杂性。可使用许多模型，每个模型赋予不同区域的震中。通过定义过渡区来实现相邻模型之间的平滑过渡，在过渡区内使用对2个或3个不同模型的加权平均走时、走时偏导数和台站延时。没有对穿过不同模型的射线进行想象中的计

18、算，只是对走时和走时偏导数进行简单的数值加权。这样，如果对模型#1得到的走时是1.10sec，对模型#2是1.20sec，而且模型#1的权是20%（模型#2是80%），则使用的走时是1.12sec。就这么简单。还计算了出射角的加权平均，但在震源求解中没有使用。对不同区域赋予模型的几何构成是由“节点”或地图上点的列表给出的。对每个节点赋予一个模型以及在其中使用该模型的圆的半径。对同一模型可赋予多个节点，如果有这种情况，则这些圆圈往往会重叠。这样便有可能定义不规则形状的区域作为若干圆的并集。每个节点由NOD命令定义。确定所用地壳模型的算法是：如果震中位于包围任何一个节点的圆内，则排他地使用该模型。

19、对每个节点还必须定义一个外圆，它描述该模型向外的影响有多远。如果震中位于内圆和外圆之间，它对那个模型接受一个部分“权”。该权是在内圆（权1）和外圆（权0）之间的平滑余弦削减。对于给定的地震位置，对每个节点进行测试（按其被定义的顺序）看该震中是否位于该节点的外圆之内，但当发现震中位于3个外圆之内时测试停止。如果总权值大于1.0，则这些权值被归一化到1.0，如果它们的总权值小于1.0，则差值部分用默认模型（模型#1）补上，使得总的权值总为1.0，如果震中位于所有圆圈之外，则排他地使用默认模型。模型的混合是对每次迭代确定的，震中可以从一个模型迁移到另一个模型。图1是假想的例子，由4个节点定义的两个地

20、壳模型（还有一个用于全部周围地区的默认模型，用白色表示）。下面是用于定义这一模型几何构成的命令： MUL T 1启动多重模型，赋予模型1作为默认模型. NOD 37 38 122 24 10 10 2 NOD 37 35 122 24 10 10 2NOD 37 32 122 24 10 10 2这3个NOD命令建立中心点（以纬度和经度的度、分表示）、内圆（灰色区）的10km半径、围绕每个内圆的10km宽过渡带，并将该节点赋予模型#2。排他地赋予模型2的区域是这3个内圆的并集，因此是深灰色区域的香肠形状。一个节点定义了模型3的圆区域，其半径也是10km。围绕内圆的过渡区是值得注意的地方，因为最

21、多使用3个模型，每个模型的权值小于1.0。Hypoinverse使用上述算法找出在过渡区（外圆）内地震的最多3个节点的权值，从而使总权值为1.0。图1，定义两个地壳模型区和它们之间过渡区的节点举例在内圆内的深灰色区域中的地震排他地使用一个模型。在所有圆周围的白色区域中的地震排他地使用默认模型。在淡灰色过渡区内的地震使用各模型的加权平均。编号指出正文中讨论的对不同模型加权的位置。考虑图1中编号给出的举例：1）一个简单的位置，它只在一个节点的外园区。根据上述算法，点1得到模型2的加权。因为总加权小于1.0，为补至1.0所需的权由默认模型#1给出。这样，在这一区域只使用模型1和2，并使用余弦削减使过

22、渡平滑。2）该点恰在两个节点的内圆外侧，都是赋予模型2的。对每个节点的权可以是90%，总权1.8。因为它大于1.0，故归一化到1.0，于是模型2得到满加权，从每个节点得到50%。3）该点靠近赋予模型2和3的两个外圆的外边界附近。它可能从模型2和3每个得到15%的权，总权30%。要达到1.0的剩余权为70%，这将来自默认模型1。4）该点在3个节点的外区内，可能从每个模型得到3040%的权。如果余弦削减值是30%，来自总共3个节点的总权值是0.90。于是模型1贡献10%，模型2是60%，模型3是30%。如果来自每个节点的余弦削减值是40%，则总权大于1.0，于是来自模型2的归一化贡献是67%，来自

23、模型3的归一化贡献是33%。本例没有来自4个不同节点的外区都相遇的地方的点，但如果有的话，则只有在节点列表中遇到的头3个节点被用于确定权值。在定义节点及其周围圆方面的一些简单指导原则会帮助避免定位出现问题和在节点间的陡峭过渡（这可能造成人为的不连续面）。1）不要让不同模型的内圆重叠，否则将造成模型间的陡峭间断面。对于给定的震中位置，按其定义顺序测试每个节点，看震中是否落入其内圆中。如果是位于内圆中，则对那个模型赋予100%权值，即使它还处于其后节点的内圆中也不予考虑。2）最好是包围节点的内圆区位于地震活动性高的地区，如断层区，而在节点之间的过渡区是地震活动性低的地区。于是不同模型的复杂混合不会

24、影响地震活动图像。3）允许在不同模型的内圆之间有宽的过渡带。换言之，避免半径为10km的内圆只有1km宽过渡带的情况。过渡带窄的这种情况会造成模型间的快速或甚至陡峭的过渡，它可能使震中位于圆弧上或形成其他奇怪的图像。图2显示对北加利福尼亚定义的分区举例。在许多地方模型间的过渡带可能太窄，但这些过渡带一般位于地震活动性低的位置。用CRH或CRT命令分别读入每个地壳模型。这把每个模型与一个模型号和一个3字符代码（模型名的开头）关联。这3字符代码是所有输出文件中该模型的标签。每个模型有它自己的一组台站延时。DEL命令读包含台站代码和延时的文件，每行一个台站。DEL命令还将文件中的延时与模型号关联。对

25、每个模型可有一个不同的延时文件（推荐做法），或将所有模型的延时放在一个文件中。如果所有延时放在一个文件中，则延时所用的列必须对应于读地壳文件时该模型所用的模型号。我发现，将一个模型的延时保存在一个文件中要更容易些。在输出上用3个字符标识模型而不是用模型编号标识。MUL命令用于选择单模型方式或多模型方式并定义默认模型。图2.多地壳模型区域举例模型区域由圆的并集定义。每组圆是一个不同的模型。这些圆由NOD命令定义。只画出了内圆（见正文），模型区之间的区域使用模型的加权组合，组合中或许会包含默认模型。替换模型Hypoinverse还有替换模型能力，允许不同的台站对同一震源使用不同的模型。替换模型的典

26、型应用是在断层两侧的地壳不同的地方（如San Andreas断层），地震发生在断层上或附近，在断层每一侧的所有台站应使用它们自己的模型。通常只在对于两组台站导出了两个模型和两组延时的情况下这种替换模型特性才最有用。当已知在地壳中有单一垂直间断面时，替换模型最有用。当不同的区域有局部确定的模型而且模型间的变化梯度平缓或未知时，多种模型有用。请记住，还能调节台站延时以横向移动震中或将震中移到断层上或移离断层。替换模型和多重模型组合，每个模型有其自己的一组延时，这种组合会相当复杂，很灵活，但可能被误用。为使用替换模型特性，读入使用两个不同模型号的两个模型。然后使用ALT命令指定主模型号和替换模型号，

27、于是它们构成一对。台站文件或“替换台站延时文件”必须指定哪个台站使用替换模型。替换模型可与多重模型特性一起使用，也可以不使用。如果二者一起使用，要保证在NOD命令中指定主模型号而不是替换模型号，因为在一对中的主模型和替换模型可能使用同样一组节点。若干不同的模型可以有替换模型，但同一组台站必须在所有情况下使用替换模型。这样，对于所有“主”模型和“替换”模型，一个给定台站或者是使用“主”模型的或者是使用“替换”模型的。一个替换模型必须与主模型有相同类型（分层均匀或梯度的）。模型类型：均匀层模型和线性梯度模型模型可有两类，它们以不同的方式存储和计算。最简单的是均匀层模型，它直接从速度结构计算走时。第

28、二种模型使用具有线性速度梯度的多层，但需要预先用程序TTGEN产生走时表。该走时表只需产生一次，Hypoinverse很有效地使用它，只是由它内插以得到所有走时和导数。VAX计算机上的测试表明，使用走时表需要的时间约为使用分层模型所需时间的60%。使用CRH命令读均匀层模型，使用CRT命令读梯度（走时表）模型。可同时使用这两类模型。均匀层模型每个模型可由最多20个均匀层构成，其中包括半空间。速度必须随深度增大。使用CRH命令指定模型号和含有均匀层模型的文件名。CRH命令还将模型读入内存。例如：CRH 2 CRUST2.CRH均匀层地壳模型文件的格式（本例中的CRUST2.CRH）是行 格式 数

29、据行1 A30 模型名称行2及以后各行 2F5.2 层的速度和到层顶的深度30个字符模型名的头3个字符用作模型代码出现在打印、摘要和存档输出中。每层使用一行，首先是顶层。到第一层顶的深度必须为0.0，最后一层是下伏的半空间。使用走时表的线性梯度模型计算走时的另一种更为有效的方式在运行Hypoinverse之前产生的走时表内进行内插。使用一个表允许更复杂的走时计算，如在每层内的线性速度梯度，和有能力处置埋入的低速带。必须在地震定位之前使用程序TTGEN（附录5）计算出走时表并存入一个文件。可对一个速度深度函数计算走时表，该函数由指定了速度和深度的2个到20个点构成。然后，假定在点之间速度是线性的

30、，即在各层内有均一的梯度。对可能的模型有若干限制：（1）不能有2个速度深度点位于同一深度（不允许陡峭的速度间断）。可以使用具有高梯度的薄层模拟间断面，但过渡层应足够厚，使得用于产生走时表的一条或两条射线的底部在该层内并确定走时曲线的返回（reverse）分支。（2）第一点的深度必须是0.0，其他点必须按深度增大顺序给出。（3）最后一点（即最深的一点）设为假定下伏在该模型下方的均匀半空间的速度。该半空间的速度必须是任何指定速度中最大的，以保证射线能沿半空间顶绕射。（5）在每个模型中允许埋入一个低速带，即除了对一组相邻层外，速度不能随深度降低。（6）通过对两个相邻点赋予同一个速度，可指定均匀层。使

31、用CRT命令指定模型号和含有被赋予那个模型的走时表的文件名。CRT命令还将该模型读入内存。模型名（在运行TTGEN之前最初赋予的名）的头3个字符用于输出中的模型代码。例如CRT 1 MODEL1.CRT如果地壳模型文件是二进制的而不是ASCII，则读地壳模型文件的效率会更高。你可在读入全部地壳模型数据（包括台站延时和多重模型参数）之后创建二进制地壳模型文件。用RCR命令将文件读回去。RCR命令代替CRH、CRT、MUT、ALT和NOD命令。测试表明，使用RCR做二进制读的速度至少是等效的ASCII读的5倍，而且模型数量越多，加速越大。台站列表和台站延时、增益历史以震级校正的使用台站位置文件使用STA命令指定含有台站名、坐标和其他台站数据的文件。例如：STA 1984.STA当给出这一命令时，台站数据立即被读入内存，并保持到发出另一个STA命令时为止。台站文件中必须是每个台站一行。使用H71命令选择使用Hypoinverse（老式样的或新式样的）文件格式还是HYPO71文件格式。没有单独的y2000格式，因为该文件不包含日期。如果台站文件是二进制的而不是ASCII，则