臺站分布對不同方法定位結(jié)果的影響程度
——以蘆山余震為例

管 勇，吳 朋，范 軍，傅 鶯，唐 淋,馬付紅

(四川省地震局，四川 成都 610041)

臺站分布對不同方法定位結(jié)果的影響程度
——以蘆山余震為例

管 勇，吳 朋，范 軍，傅 鶯，唐 淋,馬付紅

(四川省地震局，四川 成都 610041)

選取四川測震臺網(wǎng)記錄的蘆山Ms7.0地震余震資料，在保證相同地震臺站及相同震相到時的前提下，臺站空隙角在25°～320°范圍內(nèi)任意變化，分別采用MSDP中常用的Hyposat、HYP2000、locSAT和單純形等定位軟件，在相同速度模型下進(jìn)行多次定位，并對定位震中位移誤差進(jìn)行分析，結(jié)果表明：震中位移誤差隨著空隙角的增大而逐步變大，震中位移范圍Hyposat為0.2～11.6 km、HYP2000為0.1～9.9 km、locSAT為0.4～11.4 km、單純形為0.2～14.1 km；LocSAT的震中位移誤差整體變化相對平穩(wěn)，起伏不大，該方法適用于本研究中的所有定位地震；在臺站空隙角大于240°時，單純形的震中位移誤差會出現(xiàn)隨機(jī)突跳現(xiàn)象，該方法不適用于臺站空隙角較大的地震定位。

測震臺網(wǎng)；臺站空隙角； 地震定位； 震中誤差

地震定位是地震學(xué)中最經(jīng)典、最基本的研究課題，在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、區(qū)域地震活動性、地震構(gòu)造研究中具有不可替代的作用。陳貴美等對廣東數(shù)字地震臺網(wǎng)“十五”系統(tǒng)的幾種地震定位方法進(jìn)行了定位效果比較，結(jié)果表明：對于網(wǎng)內(nèi)地震，單純形及HYPO2000的定位法結(jié)果稍優(yōu)于HypoSat定位法；對于網(wǎng)緣地震，3種定位程序得到的結(jié)果相差不大[1]。在日常工作中，四川測震臺網(wǎng)速報和編目人員經(jīng)常使用MSDP軟件中提供的Hyposat、HYP2000、locSAT、單純形四種定位方法。為提高四川測震臺網(wǎng)地震編目和大震速報的工作質(zhì)量，這里選取四川測震臺網(wǎng)記錄的蘆山Ms7.0地震余震資料，將每個地震的臺站空隙角在25°～320°范圍內(nèi)任意變化，采用上述4種定位方法進(jìn)行重新定位，對定位震中位置誤差進(jìn)行分析，進(jìn)而探索在四川西部臺站分布稀少地區(qū)，選取何種定位方法得到的震中位置精度更高。

1 資料和方法

1.1 資料選取

本文選取蘆山余震主要是考慮到四川測震臺網(wǎng)已有60個固定臺站和新架設(shè)的35個科考臺并網(wǎng)觀測，構(gòu)成的地震觀測網(wǎng)對余震區(qū)形成了較好的方位覆蓋，保證了地震定位結(jié)果的可靠性。楊智嫻等在汶川MW7.9地震的震源位置與發(fā)震時刻的研究中指出[2]，必須克服或盡量減少遠(yuǎn)臺觀測對在地震精確定位的局限性，所選臺站要能夠較好地包圍震中，且臺站震中距控制在150 km范圍內(nèi)為最佳，才能獲得高精度的定位結(jié)果。故研究中僅選用了震中距小于150 km的39個臺站(見圖1)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定位。同時，考慮到所選臺站要能夠較好地包圍震中，并位于震中不同方位，便于本課題任意空隙角變化的研究。由于蘆山科考臺站從2013年6月25日才開始正式觀測，故這里把地震事件選取時間設(shè)為：2013年6月25日至2014年12月31日。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一編目的結(jié)果，研究范圍在(30.0°N～30.5°N，102.8°E～103.3°E)內(nèi)M≥2.5的余震共有26個，最終選取了儀器運(yùn)行正常、數(shù)據(jù)可靠、震相記錄清晰的20個余震進(jìn)行研究。對于其中個別定位殘差較大的地震，重新進(jìn)行了地震震相的拾取，保證了地震觀測數(shù)據(jù)的可靠性，從而確保了重定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，空隙角(gap)定義是指參加定位的各對相鄰臺站相對于震中的張角當(dāng)中的最大者。

圖1 篩選后的臺站和重新定位震中分布

1.2 定位方法和速度模型

HYP2000、Hyposat和LocSAT以蓋革法為基礎(chǔ)，三個程序都是采用線性化觀測方程組和奇異值分解(SVD)最小二乘法(LS)原理。單純形法是一種直接搜索法，通過在模型空間構(gòu)造單純形來逼近目標(biāo)函數(shù)極小點，朝著目標(biāo)函數(shù)最小方向移動，最終獲得準(zhǔn)確解。采用盡可能接近于真實地球構(gòu)造的模型可以降低地震定位誤差[3]。本文使用Hyposat、HYP2000、locSAT和單純形四種方法定位時均采用了趙珠等的研究成果：龍門山斷裂帶P波和S波平均速度模型[4]，見表1。

表1 龍門山斷裂帶P波和S波平均速度模型

2 結(jié)果分析

在保證相同地震臺站、相同震相到時數(shù)據(jù)和相同速度模型的前提下，對上述選取整理好的資料分別采用MSDP中常用的Hyposat、HYP2000、locSAT和單純形4種定位方法進(jìn)行重新定位。定位過程中，將每個地震的臺站空隙角在25°～320°范圍內(nèi)任意變化，對同一地震設(shè)定5次空隙角變化，分別采用4種定位方法定位給出20個不同定位結(jié)果，20個所選地震共得到400個不同定位結(jié)果，見表2和表3。

2.1 震中參考位置

為了檢驗上述4種定位方法在進(jìn)行任意空隙角變化時測定震源參數(shù)的差異，首先要對所選地震事件進(jìn)行精確測定震源參數(shù)，將獲得高精度的定位結(jié)果視為震中真實參考位置。對上述整理好的資料采用MSDP中Loc3D(川滇)重新測定地震的基本參數(shù)如表2所示，震中分布如圖1所示。此定位方法中采用的模型是基于三維速度間斷面和三維速度模型，考慮了地球扁率、地形起伏和臺站高程等因素的影響[5，6]，此模型針對川滇地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，地下速度結(jié)構(gòu)，符合本區(qū)域的特點，是目前四川省地震監(jiān)測中心使用的主要定位方法。對定位后走時均方根殘差進(jìn)行簡單平均得到走時殘差為 0.22 s，由于僅選用了震中距小于150 km的臺站，保證了重定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文把此定位結(jié)果視為震中真實參考位置，以此來檢驗上述空隙角變化下采用MSDP中4種定位方法震中位移誤差。

表2 采用Loc3D(川滇)重新測定20個余震的基本參數(shù)

2.2 震中位置對比計算方法

按下式分別計算空隙角變化時采用4種定位方法得到的震中位移Di(km)，得到D1、D2、D3、D4見表3和表4，其中下角標(biāo)1、2、3和4分別表示HYP2000、Hyposat、LocSAT和單純形，下文同。地球上給定任意兩點經(jīng)緯度后，計算兩點間的距離采用以下計算公式。

式中Di為兩點間的震中距離，單位為km。(φ1，λ1)表示采用loc3D(川滇)測定的震中參考位置經(jīng)度和緯度見表2，(φ2，λ2)表示空隙角變化定位得到震中任一經(jīng)度和緯度見表3和表4。

表3 HYP2000、Hyposat在空隙角25°～320°不斷變化時測定參數(shù)和震中位移

表4 LocSAT、單純形空隙角在25°～320°不斷變化時測定參數(shù)和震中位移

表5 空隙角分5個區(qū)域震中平均位

圖2 空隙角分區(qū)域震中平均位移

2.3 定位結(jié)果分析

(1)空隙角分區(qū)震中平均位移

(2)震中位移特征

根據(jù)表3、表4繪制出空隙角在25°～320°區(qū)域變化時震中位移分布(參見圖3)。從圖3可看出，4種定位方法的整體趨勢是震中位移誤差隨著空隙角變大而逐步加大，有隨空隙角增大而增大的趨勢；Hyposat的震中位移范圍為0.2～11.6 km，HYP2000的震中位移范圍為0.1～9.9 km，locSAT的震中位移范圍為0.4～11.4 km，單純形的震中位移范圍為0.2～14.1 km；在臺站空隙角大于240°時，單純形的震中位移誤差會出現(xiàn)隨機(jī)突跳現(xiàn)象，最大震中位移可達(dá)14.1 km，該方法不適用于臺站空隙角較大的地震定位。

圖3 空隙角在25°～320°區(qū)域變化時震中位移

單純形法不斷尋找極小值，對方位角要求比較高，在臺站方位分布不均勻的情況下，在空隙角不斷增大的情況下，定位震中位置偏離程度比較大，其定位結(jié)果的好壞受臺站分布的影響。HYP2000、Hyposat和LocSAT以蓋革法為基礎(chǔ)，三個程序都是采用線性化觀測方程組和奇異值分解(SVD)最小二乘法(LS)，因而總體上有許多共性的方面，自身帶有方位角目標(biāo)函數(shù)，對方位角依賴程度不高，即在空隙角不斷加大的情況下，震中定位結(jié)果偏離程度不大。LocSAT將臺陣方位角和地震波到達(dá)臺陣的視速度也作為地震定位的輸入數(shù)據(jù)，與震相到時數(shù)據(jù)一起參與定位，適于大區(qū)域性的稀疏臺網(wǎng)地震定位。LocSAT是一個應(yīng)用廣泛的地震定位程序，這和本文所選取的20個地震采用LocSAT定位方法得出LocSAT的震中位移誤差整體變化相對平穩(wěn)，起伏不大的定位結(jié)果是一致的。

(3)定位走時殘差

Hyposat、HYP2000、locSAT和單純形4種定位方法的平均殘差分別是0.19 s、0.25 s、0.37 s、0.39 s。 未呈現(xiàn)出任何統(tǒng)計規(guī)律，和空隙角變化沒有太直接的聯(lián)系。

3 結(jié)論

通過前述4種定位方法對蘆山余震的研究表明：震中位移誤差隨著空隙角變大而逐步加大，Hyposat的震中位移范圍為0.2～11.6 km，HYP2000的震中位移范圍為0.1～9.9 km，locSAT的震中位移范圍為0.4～11.4 km，單純形的震中位移范圍為0.2～14.1 km；在臺站空隙角小于120°時，HYP2000和單純形的定位震中位移誤差小于2 km，優(yōu)于locSAT和Hyposat的定位震中位移誤差；在臺站空隙角大于240°時，單純形的震中位移誤差會出現(xiàn)隨機(jī)突跳現(xiàn)象，最大震中位移可達(dá)14.1 km，該方法不適用于臺站空隙角較大的定位地震；LocSAT的震中位移誤差整體變化相對平穩(wěn)，起伏不大，該方法適用于本研究中的所有定位地震。

[1] 陳貴美, 楊選, 劉錦,等. 廣東數(shù)字地震臺網(wǎng)'十五'系統(tǒng)的幾種地震定位方法的定位效果分析[J]. 華南地震, 2009, 29(1):69-78.

[2] 楊智嫻, 陳運(yùn)泰, 蘇金蓉,等. 2008年5月12日汶川MW7.9地震的震源位置與發(fā)震時刻[J]. 地震學(xué)報, 2012, 34(2):127-136.

[3] 測震學(xué)原理[M].北京：地震出版社,2015.

[4] 趙珠, 范軍, 鄭斯華,等. 龍門山斷裂帶地殼速度結(jié)構(gòu)和震源位置的精確修定[J]. 地震學(xué)報, 1997(6):615-622.

[5] 吳建平, 黃媛, 張?zhí)熘?等. 汶川Ms8.0級地震余震分布及周邊區(qū)域P波三維速度結(jié)構(gòu)研究[J]. 地球物理學(xué)報, 2009, 52(2):320-328.

[6] 房立華, 吳建平, 王未來,等. 四川蘆山Ms7.0級地震及其余震序列重定位[J]. 科學(xué)通報, 2013(20):1901-1909.

Stations Distribution Influence on Locating Results Calculated by Different Methods——a Case Study of Lushan After-shocks

GUAN Yong, WU Peng, FAN Jun, FU Ying, TANG Lin, MA Fuhong

(Earthquake Administration of Sichuan Province，Sichuan Chengdu 610041, China)

We first collect the data of theM7.0 Lushan After-shocks from Sichuan Seismic Network and then use different location software to test the influence on locating results in the condition of triangle between 25 to 320 degree formed by two seismic stations and the epicenter. The location software we use is HypoSat, Hypo 2000, LocSat and HypoInverse 2000. For the earthquakes occurred in the inner of seismic network, the location results calculated by HypoInverse 2000 and Hypo 2000 are better than that of HypoSat. For the earthquake occurred at the edge of seismic network, three software give out almost same results. 4 software packages use some velocity model. Our results show that the location error increases with the gap angle gradually increasing. The error calculated by HypoSat is from 0.2 to 11.6 km. The error calculated by Hypo 2000 is from 0.1 to 9.9 km. The error calculated by LocSat is from 0.4 to 11.4 km. The error calculated by HypoInverse2000 is from 0.2 to 14.1 km. The overall changes of epicenter location calculated by LocSat are relatively smooth and undulating. All the earthquake location methods are suitable for this study.

seismic network; gap angle; earthquake location; epicenter error; comparative analysis

2016-12-27；

2017-01-13

中國地震局“三結(jié)合”課題(162302)和四川省地震局地震科技專項(LY1607)資助

管勇(1972-)，男，四川省滎經(jīng)縣人，工程師，四川省地震局監(jiān)測中心測震臺網(wǎng)部工作，1994 年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等?？茖W(xué)校應(yīng)用地球物理專業(yè)，主要研究方向：地震定位，E-mail：1143200213@qq.com.

P315.63

B

1001-8115(2017)01-0029-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.007