fk 用法笔记

fk 是 Prof. Lupei Zhu 写的一个用于计算 水平分层模型 下的理论格林函数并合成 理论地震图的代码包。代码是开源的,可以直接编译使用。

代码中包含了如下几个重要的命令/脚本:

  • fk :用于计算格林函数的主程序;
  • st_fk :用于计算静态格林函数的主程序;
  • trav :用于计算 P、S 初至到时的辅助程序;
  • sachd :用于修改 SAC 头段的辅助程序;
  • fk.pl :对 fkst_fktravsachd 的封装,一般情况下直接使用 fk.pl 脚本即可;
  • syn :用于将格林函数合成为理论地震图三分量的程序;

因而,实际操作的时候,只需要调用 fk.pl 生成格林函数,再调用 syn 将格林函数合成为三分量地震图即可。

相关文献

  1. Haskell (1964), BSSA
  2. Wang and Herrmann (1980), BSSA
  3. Takeuchi and Saito (1972), Methods in Computational Physics
  4. Zhu and Rivera (2002), GJI

建议的阅读方式:

  • 若想了解 fk.pl 中每个选项的含义,阅读 Zhu and Rivera (2002) 以及本文就差不多了;
  • 若想理解代码的实现细节,则需要在 Zhu and Rivera(2002) 的基础上,阅读其余三篇文章,至少要阅读 Haskell (1964)。

需要注意的一点是,这几篇文献虽然说的都是同一种方法,但在很多东西的定义上是有区别的,所以在推导代码中的公式时应以 Zhu and Rivera (2002) 为准。Zhu and Rivera (2002) 区别于前面其他文献的地方主要在于,重新定义了传播矩阵,并将静态解与动态解统一到同一个公式中。

基础原理

这里不涉及算法的细节,只介绍一些基础的东西。

根据 Zhu and Rivera (2002),在定义了柱坐标系之后,位移可以表示为:

公式中涉及到了一个求和与两个积分:

  • 对频率的积分,本质上就是一个反傅里叶变换,技术上很成熟了,可以不管
  • 对 m 的求和,其实是对方位角模数的求和,理论上是要从零求和到无穷的。但是由于震源的简单性,只需要对几项做求和即可,具体的求和数目由震源类型决定:
    • 爆炸源:m=0
    • 单力源:m=0, 1
    • 双力偶:m=0, 1, 2
  • 对 k 的积分是一个难点,只能进行数值积分,由于积分核 \(U_z R_m^k + U_r S_m^k + U_{\theta} T_m^k\) 比较复杂,在做数值积分的时候就需要更多的考虑。

积分核 \(U_z R_m^k + U_r S_m^k + U_{\theta} T_m^k\) 中 R、S、T 是柱坐标下的基矢量,由一堆 Bessel 函数组成,已知。该算法中的一大堆数学推导以及细节都是为了求出 Uz、Ur 和 Ut。具体 Uz、Ur 和 Ut 怎么求,不是本文的重点,需要了解的只能自己推公式。

使用说明

先把用法贴在这里作为参考:

fk.pl -Mmodel/depth[/f_or_k] [-D] [-Hf1/f2] [-Nnt/dt/smth/dk/taper]
    [-Ppmin/pmax[/kmax]] [-Rrdep] [-SsrcType] [-Uupdn] [-Xcmd] distances

速度模型

-Mmodel/depth/k_or_f 中的 model 为模型文件名, kf 的作用在下面会解释。

格式

fk 的输入速度模型是一维水平分层速度模型,其格式为:

thickness vs vp/vs [rho Qs Qp]

或:

thickness vs vp [rho Qs Qp]

其中

  • 列 1:该层的厚度(km)
  • 列 2:S 波速度(km/s)
  • 列 3:波速比或 P 波速度
  • 列 4:密度( \(g/cm^3\)
  • 列 5:S 波的 Q 值
  • 列 6:P 波的 Q 值

其中前三列是必须的,若未指定密度,则使用经验公式 rho=0.77+0.32*vp;若未指定 Qs,则取 Qs=500;若未指定 Qp,则取 Qp=2*Qs。

关于 k 和 f

  • 若命令行中使用 -Mmodel/depth ,则表示输入模型为第二种格式;
  • 若命令行中使用 -Mmodel/depth/k,则表示输入模型使用第一种格式,即第三列是波速比;
  • 若命令行中使用 -Mmodel/depth/f,则表示需要对速度模型做展平变换,当震中距较大时需要这样做;

备注

  • fk.pl 的输入模型是先 Vs 再 Vp,而 fk.pl 在调用 fk 时使用的模型是先 Vp 后 Vs,注意不要搞混;
  • 若第一层的厚度为零,则该行指定了上半空间的参数;
  • 若第一层的厚度不为零,则上半空间为真空,该层给出了地表下方第一层的参数;
  • 最后一层会被自动当做下半无限半空间,并修改其厚度为 0;
  • 对于液态层(如海水和外核):
    • S 波速度可以用零表示,程序中用自动用 0.0001 替换零值;
    • Qs 值不可以取为零,应取某小值;

震源

震源深度

震源深度由 -Mmodel/depth/[f_or_k] 中的 depth 指定,单位为 km。

需要注意,震源深度不能位于速度模型的分界面上,即震源的深度必须位于模型某层的内部。

大多数计算理论地震图的方法都会有这样的限制,因为在计算过程中会用到震源所在层的速度或密度,若震源位于速度模型的分界面上,则会出现参数的间断。

震源类型

fk 中用 -SsrcType 指定震源类型,其中 srcType 可以取如下三个值:

  • 0:爆炸源;
  • 1:单力源;
  • 2:双力偶源;

台站

台站深度

-Rrdeprdep 用于设置 receiver 的深度(单位为 km),默认值为零,即台站位于地表。

需要注意,fk 中要求震源和台站不能位于同一深度。代码中,会计算震源和台站之间的深度差 hs,并将其作为分母。但这一限制的本质原因尚不清楚。

台站震中距

fk.pl 命令行中可以指定多个震中距,震中距的默认单位为 km。

当震中距较大时,以 km 做单位很不方便,此时可以使用 -D 选项,表明震中距的单位为度。同时,由于震中距比较大,此时可能还需要对速度模型做展平变换。

时间序列

说说 -Nnt/dt/smth/dk/taper 中的 nt、dt 和 smth。

采样间隔

dt 即生成的格林函数的采样间隔。与此同时,dt 决定了 fk 要计算的最高频率,其公式为

\[f_{max} = \frac{1}{2 dt}\]

即 fk 生成的格林函数的最高频率是由 dt 决定的 Nyquist 采样率。

因而,一般来说,要首先根据自己的实际需求,确定所需要的最高频率,进而决定 dt

数据点数

nt 即数据点数,nt 的选择有一些需要注意的地方:

  • nt 必须为 2 的 n 次方,即可以取 1、2、256、512、1024 等。程序中限制了 nt*smth 不得超过 8192。若想要突破数据点数的限制,可以增大源码 model.hnt=8192 的值。
    • nt=1,则调用 st_fk 直接计算静态位移解;
    • nt=2,则调用 fk 计算零频位移,等效于静态位移解;
    • nt 必须为 2 的 n 次方是因为在 FFT 时数据点为 2 的 n 次方时有快速算法;
  • \(T=nt*dt\) 确定了最终数据的总长度

smooth 因子

由于 dt 决定了 fk 计算的最高频率,所以 dt 是不能随便取的。比如需要最高频率为 2.5Hz,则 dt 应取 0.2s,但是若希望最终生成的数据的采样间隔为 0.05s,则需要 smth 这个参数。

在程序中,smth 做了两件事情:

  1. 将 dt 除以 smth;
  2. 将总数据点数乘以 smth;

总的效果应该相当于对计算结果做了一个插值,这也可以通过 SAC 的插值命令来完成。在程序实现时,实际上就是在反傅里叶变换之前,给数据的高频部分补上更多的零值。

同样由于快速傅里叶算法的限制, smth 也必须取 2 的 n 次方。

频率

最高频率

前面已经说到,fk 所计算的最高频率由 dt 决定:

\[f_{max} = \frac{1}{2 dt}\]

频率间隔

频率域的采样间隔(分辨率)为 \(df=\frac{1}{T}=\frac{1}{nt*dt}\)

高通滤波

fk 会从零频开始,以 df 为频率间隔,一直到最高频率 fmax,计算每个离散频率处的值。

比如,给定参数 dt=0.1,npts=1024,则 fk 计算的最高频率为 5 Hz,频率间隔 df 约等于 0.01Hz。因而 fk 会计算 0 Hz、0.01 Hz、0.02 Hz 一直到 5 Hz 的值,共计循环 512 次。

有些情况下,比较低频的信息是没有用的,所以可以不必计算,这样循环可以进一步减小,以加速计算。

-Hf1/f2 中, f1 限定了循环过程中频率的下限,即对频率的循环会从 f1 开始计算到 fmax 而不是从零开始,这本质上是一个高通滤波器。

这样一来,fk 会计算频率在 f1 和 fmax 之间的值,对于小于 f1 以及大于 fmax 的频率段,其值直接设为零。这实际上是在频率域直接截断,似乎会出现一些问题,所以一般都会对频率的两端做尖灭处理,即 f2 和 taper。程序会在 f1 和 f2 之间以及 (1-taper)*fmax 和 fmax 之间分别加上余弦窗。

taper 的默认值为 0.3,所以当 dt=0.1s 时,fmax=5Hz,则在 3.5Hz 到 5Hz 之间会加上余弦窗,此时数据的频段上限是 5Hz 还是 3.5Hz 呢?这是个疑问。

k 积分

k 是什么

这里的 k 不是波数,而是水平波数:

\[k = k_x = \vec{k}\cdot \vec{x} = \frac{\omega}{v} \sin \theta = \omega p\]

其中, \(\theta\) 是射线与垂直方向的夹角, \(p=\frac{\sin \theta}{v}\) 是水平慢度,也就是射线参数。

下限和上限

-Ppmin/pmax[/kmax] 可以限定 k 积分的上下限。其中 pmin 确定了 k 积分的下限:

\[k_{min} = \omega pmin\]

pmaxkmax 决定了 k 积分的上限:

\[k_{max} = \sqrt{kmax^2+\omega pmax}\]

说明:

  1. pmin 和 pmax 的取值范围是 0 到 1,代码中会将 pmin 和 pmax 都除以震源处的 S 波速度。
  2. 程序中 kmax=kmax/hs,其中 hs 是震源与台站的深度差;由于积分核在零频处以 exp(-k*hs) 的速度随着 k 衰减,因而要求 kmax>10,以保证求和足够多。
  3. 指定了 pmin 和 pmax,就相当于指定了射线参数的范围,或射线出射角度的范围,似乎可以用于筛选中特定射线参数范围的射线;
  4. 为什么 pmin 和 pmax 在程序中都要除以 S 波速度呢?这样当给定 \(pmin=\sin 30=0.5\) 时,以 30 度角出射的 S 波会被计算,而以 30 度角出射的 P 波则不会被计算?这样对吗?
  5. pmin 和 pmax 的取值为 0 到 1,为什么不是 - 1 到 1?也许正负号是由 updn 决定的。

上行和下行

-Uupdn 选项可以指定是计算全波场还是只计算上行波或下行波。 updn 可以取值如下:

  • 0:计算全波场;也是默认值;
  • 1:仅计算下传波场;
  • -1:仅计算上传波场;

该参数取不同的值,会影响到程序内部的一些公式。具体的原理可能需要推公式才能理解。

dk

dk 用于控制 k 积分的积分间隔。程序中 \(dk=dk*PI/max(x,hs)\),其中 hs 为震源与台站的深度差, x 为震中距,因而 k 积分间隔实际上是与要计算的最大震中距有关的。

由于积分核中 J(kx) 在大震中距时按 2pi/x 的周期震荡,因而要求 dk 小于 0.5,以保证每个周期内至少有四个采样点。官方建议取值为 0.1 到 0.4。dk 理论上越小越好,当然 dk 越小计算就会越慢。

振幅压制

这个参数在 fk.pl 脚本内部可以修改,但是在命令行里没法修改。

对于实序列 \(f(t)\) ,其傅里叶变换为:

\[F(\omega) = \int f(t) e^{-i\omega t} dt\]

若将该实序列 f(t) 乘以 \(e^{-\sigma t/T}\),即 \(g(t)=f(t)e^{-\sigma t/T}\) 的傅里叶变换为:

\[G(\omega) = \int g(t) e^{-i\omega t} dt = \int f(t) e^{-\sigma t/T} e^{-i\omega t} dt = \int f(t) e^{-i(\omega-i\sigma/T)} dt = F(\omega-i\sigma/T)\]

因而,在频率域将 \(\omega\) 减去 \(i\sigma/T\) ,相当于对实序列乘以 \(e^{-\sigma t/T}\)

其中 T 为实序列的总时间长度,sigma 称为压制因子,用于降低数据尾部的振幅值,而最终反傅里叶变换得到的实序列,会再次乘以 \(e^{+\sigma t/T}\),以消除压制因子对振幅的影响。所以,理论上看,sigma 没什么实际用途,这样处理的具体目的还不清楚,似乎是出于频率域的稳定性考虑的。

DEBUG

fk 提供了 -X 选项用于 debug,最常见的用法是 -Xcat ,此时 fk.pl 中 cmd 被替换成 cat 命令,即将所有的输入都传递给 cat 命令,这样可以很清楚地知道要传递的数据是否正确,方便 debug。

其他说明

  1. 对于 PREM 模型,震源深度取 15km,震中距为 5 度,做不做展平变换,震相的走时差大概在 0.8s 左右
  2. 将 PREM 模型离散成每层 20km 或 50km,计算出的结果差异不大
  3. 若台站深度大于震源深度,则会对模型做翻转,程序中的部分参数乘以 - 1;
  4. fk.f 中输入的 src_layer 表示震源位于第 src_layer 层的顶部, rcv_layer 同理;而 travsrc_layer 表示震源位于第 src_layer 的底部;

格林函数

fk 将生成的格林函数以 SAC 格式写到磁盘中。

爆炸源

生成三个分量,命名为 xxxx.grn.[a-c] ,分别是 Z、R、T 向的格林函数。其单位为 10^-20 cm/(dyne cm)

单力源

生成六个分量,其中:

  • xxxx.grn.[0-2]:m=0 对应的 ZRT 格林函数,等效于垂直单力产生的位移三分量;
  • xxxx.grn.[3-6]:m=1 对应的 ZRT 格林函数,等效于水平单力产生的位移三分量;

格林函数的单位为 10^-15 cm/dyne

双力偶

生成九个分量,其中

  • xxx.grn.[0-2]:m=0 阶源生成的 ZRT 格林函数,相当于 45-down-dip(DD) 双力偶源在 45 度方位角处产生的位移,并乘以(-2,-2,0)
  • xxx.grn.[3-5]:m=1 阶源生成的 ZRT 格林函数,相当于 vertical dip-slip(DS) 双力偶源在 45 度方位角处产生的位移,并乘以 \(-\sqrt 2\)
  • xxx.grn.[6-8]:m=2 阶源生成的 ZRT 格林函数,相当于 vertical strike-slip(SS) 双力偶源在 22.5 度方位角处产生的位移,并乘以 \(-\sqrt 2\)

格林函数的单位为 10^-20 cm/(dyne cm)

说明

在大多数教程以及文献中,任意一个双力偶源可以表示为三个基本断层的线性迭加。这三个基本断层分别为 DD、DS 和 SS。有些计算格林函数的代码会计算出三种基本断层的位移解,然后根据文献中给出的辐射花样系数进行合成。而 fk 计算出的是 m=0、1、2 时的位移解,虽然这三者分别与 DD、DS、SS 在某个特定方位角的位移解有关系。因而在对 fk 生成的格林函数进行合成时,有专门的辐射花样系数,参见 Zhu and Rivera(2002) 的附录 B10-B12。

syn 用法说明

fk.pl 只是算出了格林函数, syn 的作用在于将格林函数组合起来得到RTZ三个方向的理论地震图。

syn 的用法相对比较简单,此处作简单介绍:

  • -M 选项指定震源机制信息,有四种用法:

  • 对于爆炸源:-Mmag 其中 mag 的单位是 dyne-cm
  • 对于单力源:-Mmag/strike/dip 其中 mag 的单位是 dyne
  • 对于双力偶源: -Mmag/strike/dip/rake 其中 mag 是矩震级Mw,strike/dip/rake 的定义参照 Aki&Richards(1980)
  • 对于地震矩源: -Mmag/Mxx/Mxy/Mxz/Myy/Myz/Mzz 其中 mag 的单位是 dyne-cm。此处有大坑,见后面的详细说明。

  • -Aazimuth 选项指定台站方位角,定义为相对于北方向顺时针旋转的角度
  • -Ddura/rise 指定一个梯形作为震源时间函数。其中 dura 是梯形震源时间函数的总持续时间,rise 代表了梯形中上升段所占据的时间比例,取值范围为0到0.5,若取值为0.5,则梯形退化为三角形
  • -SsrcFunctionName 除了使用 -D 选项之外,也可以使用将一个SAC文件作为震源时间函数。-S 选项后直接跟SAC文件名。

用SAC文件作为震源时间函数时需要注意两点:

  1. SAC文件的采样间隔要与格林函数的采样间隔相等。如果不等也没关系,但要注意 syn 是直接把数据点卷积格林函数的,并没有考虑采样间隔的问题,因而若采样间隔不等可能会一些易忽略的错误;
  2. 严格的震源时间函数应该满足积分之后最大值等于1,只有这种情况下,震级或震源强度的定义才是准确的。当然,若无需考虑绝对振幅是否正确的问题,震源时间函数可以不满足这一要求。
  • -Ff1/f2/n 对理论地震图进行滤波
  • -GFirstCompOfGreen 该选项用于指定要组合的第一个格林函数的文件名
  • 其他选项都很简单,就不介绍了

关于地震矩源 -Mmag/Mxx/Mxy/Mxz/Myy/Myz/Mzz,需要注意:

  1. 此处x=North、y=East、z=Down,即地震矩张量使用的是NED坐标系
  2. GCMT网站上给出的地震矩张量是RTP坐标系,二者之间的转换公式见 Aki&Richards(1980)P117 Box4.4
  3. GCMT网站中地震矩张量的6个分量的顺序是 Mrr Mtt Mpp Mrt Mrp Mtp,而本程序中的顺序是 Mxx Mxy Mxz Myy Myz Mzz,因而若使用GCMT的震源机制解,则需要对6个分量进行坐标转换并修改其先后顺序

输出类型

fk 计算得到的格林函数究竟是什么物理量呢?是位移还是速度?

在 Zhu and Rivera(2002) 的文章中、代码中的注释以及说明文档等多个地方都提到 fk 计算出的是位移量,而实际上利用 fksyn 计算出来的合成地震图是速度场。

Zhu and Rivera(2002) 的附录 B 中给出了不同震源类型以及不同 m 值所对应的 source term,这里的 source term 代表了震源引起的位移-应力不连续。source term 是一个与频率无关的常数,所以 fk 中所使用的 source term 在时间域上的脉冲源。(时间域上的脉冲函数,在频率域是一个常数,所以 fk 中在频率域加了一个常数的 source term,实际上相当于在时间域上加上脉冲源。)

因而,fk 实际上计算的是脉冲源对应的位移场,其等效于阶跃函数所产生的速度场。(阶跃函数的偏导即脉冲函数。)

对于一个真实的小震级的简单地震而言,其震源时间函数可以认为是一个阶跃函数,震源时间函数的偏导就是脉冲函数。因而 fk 计算出的格林函数实际上是速度场,在使用 syn 合成真实数据时,如果使用 -D 选项指定了一个三角震源函数(近似的脉冲函数),得到的合成数据都是速度场。

疑问

  1. 在考虑衰减时,Aki and Richard(1980)的公式 (5.88) 中给出的公式中虚数前为负号,而 fk 代码中为正号。Why?
  2. 如何从数学或物理上详细解释 sigma 的含义?

修订历史

  • 2015-02-28:初稿;
  • 2017-01-09:增加了 syn 的使用说明;