臺站選擇對蘆山M7.0地震余震定位結(jié)果的影響

魏婭玲，顏利君，唐 濤，蔣 波，管 勇

(四川省地震局，四川 成都 610041)

地震定位是地震學(xué)中最經(jīng)典、最基本的問題之一，準(zhǔn)確的定位結(jié)果對于地震活動構(gòu)造、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、震源的幾何構(gòu)造等地震學(xué)問題的研究有著重要意義。近年來，隨著數(shù)字地震學(xué)的快速發(fā)展，人們對地震內(nèi)部結(jié)構(gòu)及震源破裂過程的研究越來越深入，對地震定位結(jié)果的準(zhǔn)確度也提出了更高要求。地震學(xué)家們一直都在不斷嘗試、改進(jìn)或提出新的方法(趙仲和,1983；朱元清，1997；孔韓東，2017)。

影響地震定位結(jié)果精度的因素有很多，如臺站布局、震相到時測量誤差、不同定位方法的不同算法、速度模型等等，其中速度模型影響因素是現(xiàn)階段還不可能完全解決的，震相到時測量誤差也具有一定的隨機性。實際情況表明，定位臺站選取是否合理是影響定位結(jié)果可靠性的一個十分重要的因素，也是一個可以改善的因素。臺站分布主要取決于四個要素：①臺站分布均勻度；②最近臺站的震中距；③可記錄到波形的最遠(yuǎn)臺站震中距；④臺站分布相對于震中的最大空隙角(最大空隙角是指震中位置到臺站的連線中，兩相鄰臺站之間的最大夾角)。本文采用廣東省地震局研發(fā)的MSDP軟件對四川蘆山地震余震中ML≥3.0的80個余震波形事件重新拾取震相，通過選用不同臺站(或不同最大空隙角)對同一地震進(jìn)行多次重定位，初步討論定位臺站選擇對蘆山地震余震定位基本參數(shù)(包括發(fā)震時刻、震中位置和震源深度)結(jié)果的影響程度，找出蘆山余震定位的最佳臺站分布規(guī)則。此項工作可以提高地震定位結(jié)果的可靠性，減小研究區(qū)域余震分布的離散度，無論是從科研究角度還是日常工作都是一件有意義的基礎(chǔ)性工作。

1 資料選取及處理方法

1.1 臺站和研究數(shù)據(jù)的選取

四川蘆山“4·20”M7.0主震發(fā)生后,地震應(yīng)急流動監(jiān)測隊伍于當(dāng)天就開始在震源區(qū)周圍架設(shè)流動臺站，至4月25日共架設(shè)了15個流動臺站，這些流動臺較為均勻地分布在震區(qū)及其附近50 km范圍，對震區(qū)形成了較好的方位覆蓋。之后，中國地震局蘆山“4·20”M7.0地震科學(xué)考察小組為了查明蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造及其特征、構(gòu)建蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造模型，采用人工地震剖面和科考臺陣記錄資料來揭示震源區(qū)的地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)和深淺構(gòu)造關(guān)系，科學(xué)考察小組將該區(qū)域原有流動臺站進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，另外還加密增設(shè)了20個臺站，總計由35個臺站組成蘆山科考臺陣(參見圖1)，臺站分布最大空隙角可達(dá)15°，形成迄今為止四川省內(nèi)監(jiān)測臺站分布密度相對較高的一個局部區(qū)域。所有臺站于2013年6月24日全部匯入四川省地震監(jiān)測臺網(wǎng)中心進(jìn)行實時分析處理，運行狀況一直良好，記錄到了高信噪比的蘆山震區(qū)余震序列波形數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確測定蘆山地震余震震源參數(shù)提供了寶貴的監(jiān)測資料。

▲表示四川及鄰區(qū)固定臺站，△表示蘆山科考臺陣，●表示蘆山地震余震圖1 重定位的臺站分布

本研究選用2013年4月26日～2014年6月24日、3.0≤ML≤6.0的86個余震數(shù)字地震波進(jìn)一步仔細(xì)分析，其中，ML3.0～3.5余震76個，ML4.0～4.9余震10個。經(jīng)過波形篩選，剔除蘆山地震余震中波形疊加、干擾較大的余震，最終挑選出了80個波形記錄清晰的余震波形事件，重新進(jìn)行震相拾取。

1.2 定位速度模型的選取

本文采用廣東省地震局研發(fā)的MSDP軟件對四川蘆山M7.0地震余震中ML≥3.0地震波形事件重新拾取震相，使用地震行業(yè)科技專項“川滇地區(qū)地震走時表編制”研發(fā)的定位軟件Loc3D及川滇三維速度模型對這些地震進(jìn)行重新定位。川滇三維速度模型是基于三維速度間斷面和三維速度擾動變化，考慮了地球扁率、地形起伏和臺站高程等因素的影響(吳建平，2009；房立華，2013)，是目前四川測震臺網(wǎng)地震定位中所采用的最主要、精準(zhǔn)度相對較高的速度模型。

1.3 最佳震中區(qū)的規(guī)定

震中是震源位置在地表水平面上的垂直投影(可用經(jīng)、緯度表示)。在實際工作中，即使采用同一定位方法和速度模型，選擇不同的臺站進(jìn)行定位，其結(jié)果往往也不會完全相同。根據(jù)地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震編目規(guī)范》中規(guī)定的1類精度地震的條件，我們在本研究中規(guī)定：參加定位的臺站同時滿足四個條件時(定位臺站四方位均勻分布、△最近臺站≤5 km、△定位臺站≤300 km且0°≤定位臺站最大空隙角≤45°)，得到的震中位置為最佳震中位置，將所有滿足條件的最佳震中位置分布范圍作為最佳震中區(qū)，最佳震中區(qū)內(nèi)的所有震中位置均視為真實震中位置。分別計算出各次重定位震中位置與多個真實震中位置的偏差，并把其最小偏差值作為最終的重定位震中位置偏差。震中位置偏差(ΔΕ)的計算公式如下：

(1)

式中φ1、λ1分別為真實震中位置的經(jīng)度、緯度，φ2、λ2分別為重新定位得到的震中位置的經(jīng)度、緯度。

表1是2013年7月6日5時ML4.0余震在不同震中距范圍所對應(yīng)的臺站數(shù)、震相數(shù)和臺站分布的最大空隙角。該余震的最近臺站震中距為3 km，震中距10 km范圍內(nèi)有3個臺站，震中距20 km范圍內(nèi)有5個臺站，能清晰識別震相的最遠(yuǎn)臺震中距為550 km。從表1可知，當(dāng)參加定位的遠(yuǎn)臺震中距在120～300 km范圍(表1中的黑體部分)時，可以得到該余震的多個最佳震中位置。

表1 不同震中距范圍所對應(yīng)的臺站數(shù)和最大空隙角

2 臺站選擇對定位結(jié)果的影響性分析

2.1 定位臺站距離的影響性分析

在進(jìn)行近臺距離影響性分析的定位過程中，我們先對80個余震的所有能夠拾取到清晰震相的臺站進(jìn)行初次定位，然后按照由近及遠(yuǎn)的方式不斷地減少震中區(qū)附近的近臺(可按5～10km窗長進(jìn)行減少)，從而計算出各地震的多次重定位結(jié)果。圖2(a)～(h)是重定位震中位置隨近臺距離的變化情況，從震中分布趨勢可知，重定位震中位置隨著近臺距離的增大而逐漸偏離最佳震中區(qū)域, 比如：圖2(a)中的實心五角星表示最佳震中位置，多個最佳震中分布范圍組成最佳震中區(qū)域(見圖中的不規(guī)則多邊形區(qū)域)；圖2(b)中，當(dāng)最近臺站震中距約為10 km時，有75%的空心五角星位于最佳震中區(qū)域；圖2(c)中，當(dāng)最近臺站震中距約為22 km時，有62%的空心五角星位于最佳震中區(qū)域；圖2(d)中，當(dāng)最近臺站震中距約為36 km時，有30%的空心五角星位于最佳震中區(qū)域；圖2(e)中，當(dāng)最近臺站震中距約為53 km時，有25%的空心五角星位于最佳震中區(qū)域；圖2(f)中，當(dāng)最近臺站震中距約為65 km時，僅有20%的空心五角星位于最佳震中區(qū)域；當(dāng)最近臺站震中距大于80 km后(見圖2(g)～(h))，雖然臺站最大空隙角可以小于45°，但是所有重定位的震中位置全都偏離了最佳震中區(qū)域，震中位置分布離散，說明近臺對保證地震定位的準(zhǔn)確性是非常重要的，是關(guān)鍵因素。

在進(jìn)行遠(yuǎn)臺震中距影響性分析的定位過程中，我們先采用最近三個臺站進(jìn)行初次定位，然后按照由近及遠(yuǎn)的方式不斷地增加震中區(qū)外圍稍遠(yuǎn)的臺站(可按5～10 km窗長進(jìn)行增加)，當(dāng)定位遠(yuǎn)臺站震中距增加至120 km后，臺站分布的最大空隙角就會小于45°(參見表1)。重定位震中位置隨遠(yuǎn)臺震中距的變化情況見圖2(a)，從該圖可以看出，實心圓結(jié)果的分布范圍較空心圓結(jié)果的分布范圍更加離散，雖然空心圓結(jié)果在一定程度偏離了最佳震中區(qū),最大偏離值也僅約為2 km，且發(fā)震時刻的偏差值范圍一般在0.1～1.0 s之間，說明遠(yuǎn)臺震中距離的增加并不是影響定位結(jié)果的主要因素。

2.2 定位臺站分布最大空隙角的影響性分析

由于影響地震定位結(jié)果精度的各臺站因素之間是相輔依成的，故在進(jìn)行定位臺站分布最大空隙角的影響性分析時，我們同時也考慮了臺站距離遠(yuǎn)、近的影響，將定位臺站震中距范圍劃分為三種情況進(jìn)行討論(見圖3(a)～(c))。定位過程中，我們先對滿足震中距范圍的所有臺站進(jìn)行初次定位，以最近臺站方位角為起始點(保留最近臺站)，然后按照順時針方向不斷地減少臺站(按5°窗長進(jìn)行減少)來不斷地增加最大空隙角，從而得到多個重定位結(jié)果。

不規(guī)則多邊形區(qū)域表示最佳震中區(qū)，空心五角星☆表示最大空隙角小于45°的重定位震中位置，實心五角星表示最佳震中位置，實心圓●表示最大空隙角大于等于45°的重定位震中位置，空心圓○表示遠(yuǎn)臺距離大于300 km且最大空隙角小于45°的重定位震中位置。圖2 震中位置隨定位臺站震中距離遠(yuǎn)、近的變化情況

圖3 震中位置偏差隨臺站分布最大空隙角的變化情況

重定位震中位置偏差隨臺站最大空隙角的變化情況見圖3，總體來看，無論定位臺站震中距范圍如何，都會呈現(xiàn)出震中偏差隨著最大空隙角的增大而逐漸增大的現(xiàn)象。由圖3(a)可知：當(dāng)臺站震中距在3～300 km內(nèi)，偏差值范圍約為0～11 km；最大空隙角小于120°時，定位結(jié)果分布比較穩(wěn)定，偏差均值約為0.4 km。由圖3(b)可知：當(dāng)臺站震中距在3～500 km范圍內(nèi)，震中偏差值范圍約為1～12.5 km，最大空隙角小于120°時，定位結(jié)果分布也比較穩(wěn)定，偏差均值約為1.0 km，較圖3(a)略有增加。由圖3(c)可知：當(dāng)臺站震中距在80～500 km范圍內(nèi)，震中偏差值出現(xiàn)分段現(xiàn)象，最大空隙角小于120°時，偏差均值約為3 km；最大空隙角在120°～160°之間時，偏差均值約為2.5 km；最大空隙角在160°～250°之間時，偏差均值約為4.6 km；在最大空隙角大于250°后，偏差值的結(jié)果極不穩(wěn)定，在2.0～18 km之間跳躍。總體來說，臺站分布最大空隙角的大小對定位結(jié)果的影響很大,在臺站分布不變的情況下，為了保證定位臺站分布的最大空隙角足夠小, 可以適當(dāng)增加遠(yuǎn)臺來進(jìn)行定位是很有必需的。

從圖4(a)～(c)中可以看出，在最大空隙角小于270°時，三種情況下的重定位震源深度分布均比較穩(wěn)定，震源深度值平均約為21 km，在最大空隙角大于270°后，三種情況下的重定位震源深度分布就都變得比較離散，深度值浮動范圍比較大。由圖4(a)可知：當(dāng)大空隙角小于270°時，深度值上、下限的浮動范圍為3 km。由圖4(b)可知：當(dāng)大空隙角小于270°時，深度值上、下限的浮動范圍為1.5 km。由圖4(c)可知：當(dāng)大空隙角小于270°時，深度值上、下限的浮動范圍為1 km。由此說明通過適當(dāng)增加遠(yuǎn)臺，可以保證震源深度結(jié)果分布的穩(wěn)定性。由圖4(d)中可知，當(dāng)最近臺站震中距大于80 km后，重定位震源深度分布離散，深度值浮動范圍為8～32 km，失去了穩(wěn)定性，說明近臺是保證震源深度穩(wěn)定性的主要因素之一。

圖4 震源深度隨臺站最大空隙角的變化情況

2.3 蘆山余震定位臺站的選取原則

綜上所述可知，合理選擇臺站進(jìn)行定位，可以改善地震定位結(jié)果的精度，提高產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對地震觀測數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用及研究是很必要的。我們采用0～300 km的所有臺站，對四川蘆山地震余震中ML≥3.0的80個波形事件進(jìn)行重新定位，這樣既可以保證臺站分布的最大空隙角小于45°，盡可能多地使用近臺，又可以保證每個地震的定位深度值的穩(wěn)定性。80個重定位結(jié)果中，有73個地震的震中位置分布在最佳震中區(qū)范圍，占地震總數(shù)的90%，其他8個地震的震中偏差值都小于5 km，定位結(jié)果也是比較準(zhǔn)確的。圖5是本研究ML≥3.0余震重定位結(jié)果分布圖，由該圖可知，重定位結(jié)果的深度剖面圖呈現(xiàn)出一定的特征，震源深度的優(yōu)勢分布范圍在12～22 km之間。

圖5 余震重定位結(jié)果分布

3 結(jié)論

本研究對蘆山M7.0地震余震中ML≥3.0的80個波形事件重新拾取震相，并通過不斷增加遠(yuǎn)臺、不斷減少近臺、改變最大空隙角大小的方式對每個地震進(jìn)行多次重定位，分析討論臺站選擇對蘆山地震余震定位結(jié)果的影響性，找出研究區(qū)域地震定位的最佳臺站分布規(guī)則。綜上所述，得出以下幾點結(jié)論：(1)近臺是保證定位結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。當(dāng)最近臺距離小于10 km、且最大空隙角小于45°時，有90﹪的定位結(jié)果分布在最佳震中區(qū)內(nèi)；當(dāng)最近臺距離大于80 km時，定位結(jié)果分布離散、失去穩(wěn)定性，準(zhǔn)確度顯著降低。(2)最大空隙角大小是影響定位結(jié)果的主要因素之一，震中位置偏差通常會隨著最大空隙角的增大而逐漸增大。當(dāng)最大空隙角小于120°，且最近臺距離小于10 km時，定位結(jié)果分布比較穩(wěn)定，震中偏差均值小于5 km；當(dāng)最大空隙角大于200°，且最近臺距離大于80 km時，定位結(jié)果分布極不穩(wěn)定。(3)遠(yuǎn)臺不是影響定位結(jié)果的主要因素，適當(dāng)?shù)卦黾舆h(yuǎn)臺可以減小最大空隙角，從而保證震中位置和震源深度分布的穩(wěn)定性。(4)研究區(qū)域地震定位的最佳臺站分布規(guī)則為：最近臺站距離<10 km、0°≤最大空隙角≤45°且最遠(yuǎn)臺站距離為300 km。