=≈SoftwareX 6（2017）30原始软件出版物CodaNorm：一个用尾波归一化法计算体波衰减的软件包Peter A.放大图片作者：A.Dobrynina，a，b，Zyren A.尤金·图巴诺夫德甲a俄罗斯科学院西伯利亚分院地质研究所，俄罗斯乌兰乌德b俄罗斯科学院西伯利亚分院地壳研究所，俄罗斯伊尔库茨克ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收日期：2015年6月22日接收日期：2016年2016年12月10日接受保留字：尾波归一化法衰减质量因数a b st ra ctCodaNorm软件包是一个开放源代码的地震学软件包，它允许通过用户选择的不同频率范围的尾波归一化方法来估计体P波和体S波的地震品质因子（QP，QS）、其频率依赖性（n）和衰减量（γ）地震波衰减资料的获得，对于主城区地震活动带记录地震衰减震动模型的校正，以及进一步计算合成加速度记录和评价可能发生的强震的震动参数等都是必要的。CodaNorm软件包被用于使用185个震级为Ml2-5的区域地震来估计贝加尔湖南部和中部（贝加尔裂谷系统，西伯利亚南部，俄罗斯）区域的体P波和S波的衰减进行了计算的八个痕迹穿越裂谷系统在不同的方向和频率范围从0.5到16赫兹。 在低频区域，观察到P波和S波的地震品质因子值（分别为Q P和Q S）的重合，而对于高频（8 -16 Hz），品质因子之间的比率为Q S 1。7 Q P.这种差异是地质介质对纵横波吸收不同的证据。不同方位地震道的衰减参数比较表明，垂直于主要构造方向穿过裂谷系的地震道具有较高的衰减这可能反映了贝加尔裂谷系地壳局部弹性性质的差异和介质的高度非均匀性©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。代码元数据当前代码版本0.1代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-15-00038GNU通用公共许可证，第2使用Git的代码版本控制系统软件代码语言、工具Python编制要求链接到开发人员文档/手册https://github.com/cormorant/CodaNorm/wiki问题支持电子邮件crmpeter@gmail.com软件元数据当前软件版本0.1此版本可执行文件的永久链接https://github.com/cormorant/CodaNorm/法律软件许可证GNU宽通用公共许可证计算平台/操作系统跨平台安装要求依赖Python 2，Numpy，Scipy，Matplotlib，Obspy用户手册链接https://github.com/cormorant/CodaNorm/wiki问题支持电子邮件crmpeter@gmail.com对应于：664033，关闭。224 G，128，Lermontov st.，俄罗斯伊尔库茨克传真号码：+7 3952426900。电子邮件地址：dobrynina@crust.irk.ru（A.A. Dobrynina）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2016.12.0042352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxP.A. Predein等人/SoftwareX 6（2017）30311. 动机和意义关于区域衰减参数的信息（一个固定的流逝时间，大约是从地震起源时间开始测量的直接S地震品质因数及其频率依赖性和衰减lnAP（f，r）rαπf= −r +const f（一）衰减）是必要的，以纠正衰减震动模型，从地震活动区的痕迹，在Ac（f，tc）AS（ f， r） rαr±100rQP（f）VPπf（）、主要城市地区，以及为进一步计算综合加速度图和参数的评价lnAc （f，tc）r±100r=−QS（f）VSr+const（f），（2）地震波的衰减是地震波在地质介质中传播时，由于几何扩展、不均匀性散射和热损失等原因，地震波的振幅（或能量）降低。为了描述地震波衰减，通常使用无量纲参数Q（品质因子），其被定义为波能量与每个振荡周期消耗的能量的比率[1]。还使用了Q因子（或频率参数n）和衰减量（γ）的频率依赖性根据主动或被动地震试验，发展了几种Q因子测定方法.在后一种情况下，地震Q因子可以针对直接P波（QP）、S波（QS）或尾波（QC）来获得尾波是所有直达波到达后，在地震记录尾部的连续波列[2]（图1）。尾波是由地球岩石圈中随机不均匀性散射的体S波引起的本工作的目的是设计一个软件的估计的体波衰减的地方和区域地震和爆炸。 有许多地震学软件允许获得地震波衰减的估计以及另一个常规程序。例如，Seisan[3]的CodaQ子程序允许使用尾波计算衰减SGRAPH程序[4]具有通过MLTW方法[5]计算衰减的两个分量（固有和散射地震衰减）的工具。CodaNorm软件包是一个开放源代码的地震学软件，允许估计地震品质因数（QP，QS），其频率依赖性，(n) 和体P波和S波的衰减减量（γ），针对用户选择的不同频率范围的尾码归一化方法[1]使用的初始数据为：1. GSE 2格式的地震（或爆炸）波形（地震图）2. 文本文件，包含有关地震起源时间、坐标、直接体波（P波和S波）到达时间以及波形数据库路径的信息。CodaNorm软件包的主要优点是易于安装（程序不需要安装任何附加软件）;它在Windows中运行，用户可以控制计算过程（详情请参见第32. 扩展的尾码归一化法我们使用扩展的尾波归一化方法[6]来估计体波的衰减。尾波归一化方法是基于尾波能量均匀分布在源周围区域在该方法中，直接P波和S波的谱振幅（分别为AP和AS）除以尾波谱振幅（AC），该方法使我们能够估计QP-和QS-值从一个数据集通过归一化的直接P-和S波的频谱振幅的尾波频谱其中A P，S是距离r处的体P波和体S波的频谱振幅; Q P，S分 别是体P波和体S波的品质因子; V P，S分别是体P波和体S波的平均速度; α是几何扩展参数。回归线的斜率绘制在方程的左侧（1）与震源距离的关系用于估计Q值（图1）。 2）的情况。3. 软件描述该软件包由两部分组成：转换器baikal2gse和计算地震品质因子的程序CodaNorm。 因此，程序CodaNorm是独立的产品，可以单独使用，而转换器baikal2gse是专门为将南西伯利亚和雅库特（俄罗斯）地震机构使用的区域数据格式的波形转换为标准格式GSE 2而设计的附加补充。为了编写软件包，使用了解释型编程语言Python。为了连接程序的不同模块，使用了Obspy包[7]地震数据处理的Python框架，它提供了通用文件格式的解析器和不同的地震信号处理例程，以促进地震学应用程序的快速开发转换器baikal2gse.目前，地震波形有多种格式（MSEED、SAC、GSE、SAF、SEGY等）。其中一些是常规的，广泛用于不同的地震学软件（如 PITSA ， SEISAN ，地震学计算机程序，SGRAPH等）。用于可视化、处理和分析地震数据。但其他的是原始的，只由区域地震台站网络使用因此，在数据转换和进一步处理方面存在在南西伯利亚和雅库特（俄罗斯）境内有五个常设地震台站网络（四个区域和一个地方）这些网络包括阿尔泰-萨彦、贝加尔、布里亚特和雅库茨克地区地震中心、俄罗斯科学院地球物理服务中心和克拉斯诺亚尔斯克地质矿产资源研究所（KRAR）。这些台站通常配备有GS SB RAS开发的三分量台站配备短周期地震接收器（SM-3、SM-3 KV），垂直、南北和东西方向，并在0.5至20 Hz的频率范围内工作。采样频率为每秒100个样本。波形以Baikal-5格式记录。编写贝加尔2gse转换器是为了适应贝加尔-5区域格式，该格式允许以GSE 2格式获得区域台站网络的记录记录的地震波形以区域格式Baikal-5存储。用于将数据从Baikal-5格式转换为GSE 2格式的脚本baikal 2gse是根据原始格式从文件中读取原始输入数据编写的（图10）。 3）。该脚本从文件的主要标题读取记录的通道和其他一般设置的数量，然后-通道的标题和多路复用形式的数据，直到文件的结尾根据渠道的痕迹流，32P.A. Predein等人/SoftwareX 6（2017）30==138.5-138.52019 - 05 - 15 00： 00Fig. 1. 贝加尔湖地区地震的典型地震记录实例。箭头表示发震时间（t0），虚线表示P波和S波的到达时间，灰色括号表示尾波。图二. 计算3 Hz频率下品质因数QP、QS（ www.scipy.org ） 和 用 于 处 理 地 震 学 数 据 的 Python 框 架（ www.obspy.org ） 。 需 要 Matplotlib 库 来 可 视 化 计 算 过 程（www.matplotlib.org）。使用PythonSetuptools（https://pypi.python.org/pypi/setuptools）和Obspy设置：命令easy_install obspy可以安装所有必要的li-box程序CodaNorm的算法：当你启动程序时，CodaNorm读取配置文件coda.conf，它的主要参数是输入文件的名称，带有列的分隔符（默认情况下，任何连续的空格都充当空格）。该文件包含必要的输入数据：地震起始时间、地震台站P波和S波的到达时间，这些参数（国际代码和坐标）也输入到配置文件中。此外，在输入文件中指定波形目录的路径配置文件中规定了P波、S波和尾波的经过时间窗口值（以秒为单位）以及计算尾波开始的系数（coef）。系数值通常取为等于2，这对应于S波旅行时间的两倍[8]。此外，配置文件还提供了一个调试选项，可以在原始/滤波地震图上绘制带有地震波到达绘制标记的图形。中心频率被直接指定为整数串，eq。‘1 2 4 6 8’,separated by space or tabs, where the numbers determine该程序可以选择获得或图三.数据格式贝加尔湖-5的说明。使用分组Obspy记录来自数据读取的源文件和格式为GSE 2的输出文件程序CodaNorm。CodaNorm程序允许使用尾波归一化方法计算地震品质因数[6]。计算是根据同一地震台的地震记录进行的。该程序是在编程语言Python（v.2）中实现的，并通过数值计算Numpy（www.numpy.org），Scipy地震图的原始振幅值或振幅谱值，这也在配置文件中定义（请参见清单1）。清单1.配置文件示例#任何以#开头的行都将被忽略input_file inputSTATION. dat#Station codestation#coords138.5P.A. Predein等人/SoftwareX 6（2017）3033=====±=见图4。地震波形处理实例。上线：以“年-月-日-时-分”格式表示的地震日期和发生时间、地震台站名称以及进行计算的中心频率和（括号内）频率范围。在不同通道上获得的波形：HON（南北方向），HOE（东西方向）和HOZ（垂直方向），黑色曲线显示在选定频率范围内滤波的波形。虚线表示地震的起始时间和体P波和S波的经过时间窗口，实线表示尾波的经过时间窗口，对尾波进行了地震品质因子的计算。图五.程序CodaNorm的算法。本站_lat 55.45station_lon 37.36#P-、S-、尾波的窗口大小（以秒为单位）sd8#coefficient（* time ofS）coef2. 5#drawplot True#频率freqs = 0。5 1 3 9 12#算法（SQRT_SUM_ SPECTRUM_AMP或NORMALIZE）算法=SQRT_SUM_SPECTRUM_AMP衰减参数计算包括以下步骤：1.读取初始数据：目录中的事件和直达波的到达时间; 2. GSE 2格式波形数据的检索; 3.使用具有以用户选择的频率为中心的倍频程频带的四极巴特沃斯带通滤波器的地震图滤波。滤波后，体P波、体S波和尾波水平分量和垂直分量振幅的均方根值被估计。可选地，在输出文件夹中创建具有计算可视化的图像（图1）。 4）. 该程序的算法如图所示。 五、为了便于大数据量的输出，在程序的输出端创建了一个Excel格式的文件，在该文件中为每个中心频率生成一个单独的工作表，其中记录了所有窗口的所有归一化幅度计算结果保存在数据库中，最终计算通过Microsoft Excel进行（请参见表1示例）。4. 影响作者对CodaNorm软件包进行了测试，以评估贝加尔裂谷系中部地震波的衰减情况。所选区域是贝加尔裂谷系最古老的部分，其特征是结构复杂-正是在这里，裂谷系的方向从亚纬向（裂谷的西南侧）转变为东北向（裂谷的中部，图6）。新生代裂陷盆地（贝加尔湖南部和中部）从北西向毗邻稳定的西伯利亚地台，岩石圈较厚，从东南向阿穆尔板块向东南移动。发散率约为3。40.7毫米，它定义了这里发生的地震过程的高强度[9]。对于衰减参数估计，地震台站Huramsha（HRM，图6）记录的震级为M12震中位于8条不同方向穿越裂谷系的地震道上这种方法允许估计地震波的衰减参数，考虑到沿地震道的地质结构的局部特性地震道在1、3、6和12Hz四个中心频率使用CodaNorm程序34P.A. Predein等人/SoftwareX 6（2017）30=±见图6。地 震 道的位置（用线表示，每条道都有编号）、选定事件的震中（1）和区域地震台站（2）。研究区域用矩形表示。表1输出示例标题。日期时间LATLon时间_P时间_SDistPSCP_ZS_ZC_Z04012414：18：23.752.5106.814：18：38.914：18：50.09252024311920427115.2180581173.05032118：04：55.251.7104.418：05：24.518：05：46.3178368631570817.24847.816988341.106092917：28：52.752.1106.417：29：04.217：29：12.76715467377624.01621.73295.9337.307070813：43：44.352.4106.413：43：58.513：44：09.191281214570746.22648.46933.4353.608011220：32：24.251.7104.620：32：50.420：33：12.316339.2492.313.747.6200.56.0注.输出信息：地震信息-日期（日期栏）、起始时间（时间）和坐标（纬度- LAT和经度LON）; 2 P波和S波的到达时间（时间_P）和S波（时间_S）; 3震中距离（公里）（距离）; 4 P波、S波和尾波的水平分量（P、S、C）和垂直分量（P_Z、S_Z、C_Z）的振幅估计值。对于每一个频率音，估计P波、S波和尾波对于振幅估计，使用了从地震波开始的几秒钟长的地震图部分，其中包含地震波的峰值振幅（图3）。对每个频率和每个迹线估计QP和QS值。根据这些数据，获得了地震Q因子与频率之间的经验关系[10]：乌夫恩f0地质介质对纵波和横波的不同吸收的证据。2. 地震Q因子随频率的增加而增大因此，对于南贝加尔湖（迹线1 -2）为了比较，对于在NE方向上取向的迹线（迹线6 - 8）3. 对于东北方向（沿贝加尔湖）的痕迹其中QP，S是体P波和S波的质量因子，Q0是参考频率f0（通常为f01Hz）处的Q值，n是频率参数，其随介质的非均匀性而变化[11]。对获得的衰减参数的分析揭示了以下趋势：1. P波和S波的经验关系式（3）的比较表明，在低频（± 1Hz）下，Q P和Q S值相当，而在高频（± 12 Hz）下，品质因数之间的比值为Q S± 1。7QP. 这种差异是裂缝系统）的Q-因子的依赖性越强，频率特征（表2）。较小的Q-因子值和较高的频率参数值，n，其特征在于中贝加尔湖地区（为痕迹定向垂直于主要构造结构）。这可能反映了贝加尔裂谷系地壳局部弹性性质的差异和介质的高度非均匀性。获得的低频S波地震品质因子值（150 30）与之前根据尾波对南贝加尔湖获得的结果一致[12]。n值QP，S（ f）=Q0·、（3）P.A. Predein等人/SoftwareX 6（2017）3035=≈表2频率参数和衰减系数。频率参数n±δn衰减量γ±δγ1-2 1. 16± 0。110. 0051 ± 0. 0013-5 1. 25± 0。010. 018 ± 0. 00696-8 1. 15± 0。十个0029± 0. 0006获得的结果（n>1）与包括贝加尔裂谷在内的构造活动高的地区的结果一致[12，本文参考文献5. 结论使用CodaNorm软件可以得到当地和区域地震和爆炸的地震品质因子值，计算衰减的频率依赖性，评估强震震源区的时间衰减变化。品质因子QP，S（f）的频率依赖性被用来考虑衰减参数，用于震源参数计算。CodaNorm软件可以显著加快数据处理和衰减参数计算的过程此外，我们还可以将贝加尔湖-5区域格式的波形转换为标准GSE 2格式，用于专门的地震程序。用Python编写程序可以进一步开发程序，以集成现有的软件包和地震数据的GIS处理。利用CodaNorm软件包，根据185次M12-5级区域地震资料，估算了贝加尔湖南部和中部地区（贝加尔裂谷系，南西伯利亚，俄罗斯）的体P波和体S波衰减进行了计算的八个痕迹穿越裂谷系统在不同的方向和频率范围从0.5到16赫兹。在低频区，P波和S波的地震品质因子（Q-P和Q-S，反射率）值一致，而在高频区（8 -16Hz），品质因子之比为Q-S-1。7QP.这种差异是地质介质对纵横波吸收不同的证据对不同方位地震道衰减参数的比较表明，沿主要构造的法线方向穿过裂谷系的地震道这可能反映了贝加尔裂谷系地壳局部弹性性质的差异和介质的高度非均匀性目前，CodaNorm软件包正被作者及其同事积极用于研究南西伯利亚和雅库特地震波的衰减特性。致谢作者感谢一位匿名的推荐人，他的评论改进了这篇文章。作者希望感谢俄罗斯科学院地球物理调查布里亚特和贝加尔地区地震中心提供的数据：地震波形，目录和公报。报告的研究由RFBR和伊尔库茨克州政府资助，根据研究项目编号14- 45-04157_Siberia_a和俄罗斯联邦总统的赠款，根据研究项目编号14- 45-04157_Siberia_a和俄罗斯联邦总统的赠款。MK1171.2014.5。引用[1] KnopoffL， Hudson JA. 在垂直 不连续处Love 波的传 输《地 球物理研究杂志》，1964年;71：3969-84。[2] 阿基·K近震尾波的散射波分析。JGeophys Res1969;74：615-31.[3] 作者声明：J. SEISAN：地震分析软件Windows，Solaris和Linux，版本8.0.挪威：卑尔根大学固体地球物理研究所;2003年。[4] 阿卜杜勒瓦希德MF。SGRAPH（SeismoGRAPHer）：地震波形分析SIS 和 地 震 学 综 合 工 具 。 ComputGeosci2012;40 ： 153-65.http://dx.doi.org/10.1016/j.cageo.2011.06.019网站。[5] 曾耀时域多次散射波能量的紧致解 Bull Seismol Soc Am1991;81：1022-9.[6] 阿基·K岩石圈中频率从0.05到25 Hz。Phys Earth Planet Inter 1980;21：50[7] Beyreuther M，Barsch R，Krischer L，Megies T，Behr Y，Wassermann J.ObsPy ： 地 震 学 的 Python 工 具 箱 。 Seismol Res Lett 2010;81 （ 3 ） ： 530-3.http://dx.doi.org/10.1785/gssrl.81.3.530网站。[8] RautianTG ， Khalturin VI. 尾 波 在 确 定 震 源 谱 中 的 应 用 。 Bull Seism SocAm1978;68（4）：923-48.[9] 桑科夫弗吉尼亚州，卢赫涅夫AV，米罗什尼琴科人工智能，阿舒尔科夫SV，由-张文龙.贝加尔裂谷中的伸展作用：被动裂谷作用的现代动力学.中国地质大学学报，2000，24（1）：117 - 119. Dokl Earth Sci 2009;425（1）：205-9.http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X09020056网站。[10] 米 切 尔 湾 美 国 地 壳 中 Qb 的 区 域 变 化 和 频 率 依 赖 性 。 Bull Seismol SocAm1981;71：1531-8.[11] AkiK，Chouet B. 尾波的起源：源、衰减和散射效果 《地球物理研究杂志》，1975年;80：3322[12] 多布雷尼纳AA.尾波衰减在的贝加尔Rift岩石圈系统PhysEarthPlanetInter2011;188：121-6.http://dx.doi.org/10.1016/j.pepi.2011.05.008网站。
