MSDP軟件定位方法應(yīng)用對(duì)比

金春華，田小惠，蔡新華，何秋菊

（寧夏地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

寧夏及鄰區(qū)處在一個(gè)特殊的大地構(gòu)造的位置上，根據(jù)不同的新構(gòu)造特征可劃分為青藏和華北兩大塊體[1]，華北塊體由阿拉善和鄂爾多斯兩個(gè)次級(jí)相對(duì)穩(wěn)定的地塊以及夾持其間的銀川地塹組成，該區(qū)歷史上曾發(fā)生過(guò)1739年銀平羅8.0級(jí)地震。牛首山以南的弧形擠壓—走滑構(gòu)造區(qū)則為青藏塊體東北緣的一部分，該區(qū)曾發(fā)生1920年海原8.5級(jí)地震。寧夏數(shù)字臺(tái)網(wǎng)于2003年1月正式投入使用[2]，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和完善，目前已建成擁有29個(gè)臺(tái)站的區(qū)域數(shù)字地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)。2003年1月至今寧夏及鄰區(qū)共記錄到ML2.0級(jí)以上地震800余條，為開(kāi)展地震定位工作打下良好的基礎(chǔ)。寧夏是一個(gè)多爆破的地區(qū)，截至目前共收集到爆破資料200余次，其中已落實(shí)有確切震中爆破52次，這些資料為驗(yàn)證地震定位方法，尤其是定位深度起到重要作用。

MSDP軟件是目前全國(guó)地震系統(tǒng)普遍采用的地震定位軟件，當(dāng)前全國(guó)大多數(shù)省局臺(tái)網(wǎng)均應(yīng)用該軟件完成日常地震速報(bào)、地震編目等工作。該軟件目前常用的定位方法有：?jiǎn)渭冃?、HYP2000和Hyposat及LocSAT等定位方法[3]。本文將利用地震和爆破資料，從震中位置、深度及定位殘差3個(gè)方面全面評(píng)估單純型、HYP2000和Hyposat三種定位方法，最終得出結(jié)論。

1 寧夏及鄰區(qū)活動(dòng)斷裂及地殼速度結(jié)構(gòu)

寧夏及鄰區(qū)的活動(dòng)斷裂十分發(fā)育[4]，且類型多樣，按走向和性質(zhì)分組可分為北北東、北南向斷裂和北西西—北北西向弧形斷裂和東西向斷裂。北北東、北南向斷裂主要有：巴音烏固原斷裂帶，煙筒山斷裂帶，窯洞水—五佛寺斷裂帶，中衛(wèi)—同心斷裂帶及海原斷裂帶。東西向斷裂主要有正誼關(guān)斷裂帶。其中海原、牛首山—羅山—固原和銀川—平羅斷裂為主要發(fā)震斷裂帶。因構(gòu)造環(huán)境及地質(zhì)演化歷史不同，寧夏及鄰近地區(qū)各地地殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在較大差異[2]。拉山東麓斷裂、桌子山斷裂帶、狼山山前斷裂、賀蘭山東麓斷裂帶、黃河斷裂帶、阿拉善左旗斷裂、銀川—平羅斷裂及蘆花臺(tái)斷層。北西西—北北西向弧形斷裂主要有：牛首山—羅山—銀川地塹和六盤山斷裂帶位于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的南北地震帶上，在其形成的歷史過(guò)程中，受3個(gè)動(dòng)力性質(zhì)不同的地質(zhì)塊體—青藏地塊、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊的交互作用，地殼結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。具有結(jié)構(gòu)層變異強(qiáng)烈，地殼層厚度突變顯著的特點(diǎn)。地殼總厚度總體趨勢(shì)是南部大于北部。由于南部處于青藏高原北東邊緣向地臺(tái)區(qū)的過(guò)渡地帶，其地殼厚度介于青藏高原（厚度約60km）與地臺(tái)區(qū)（約42km）之間；北部銀川地區(qū)地殼總厚度小于40km。在銀川地塹和六盤山斷裂帶下方存在低速異常體。在銀川地塹下方地殼中存在一長(zhǎng)度近80km的低速異常透鏡體，厚度約為10—15km；在六盤山斷裂帶下方，上地殼存在一厚度約11km的低速透鏡體。陶樂(lè)—固原一線以東的鄂爾多斯地臺(tái)區(qū)和賀蘭山以西的阿拉善地臺(tái)，殼幔結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，地殼分層比較平坦，莫霍面起伏不大，是整體相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造單元。

圖1 寧夏及鄰區(qū)活動(dòng)斷層及地殼厚度分布圖Fig.1 Distribution map of earthcrust’s thickness and the active faults in Ningxia and its nearby area

2 資料選取及MSDP幾種定位方法定位對(duì)比分析

2.1 資料選取

本文選取2008—2012年寧夏及鄰區(qū)地震和爆破資料進(jìn)行對(duì)比分析, 研究區(qū)域?yàn)閷幭募班弲^(qū)（35～40.5oN，103.5～107.5oE）范圍。觀測(cè)資料來(lái)源于寧夏數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)（其中2003—2005年6個(gè)臺(tái)站，2006—2007年7個(gè)臺(tái)站，2008年以來(lái)18個(gè)臺(tái)站）的地震和爆破記錄及爆破測(cè)線記錄。從寧夏地震觀測(cè)報(bào)告中選出有4個(gè)以上臺(tái)站記錄的地震、爆破記錄，其中地震記錄260條，爆破記錄119條。在這些地震事件中，ML1.0～1.9級(jí)地震24次，ML2.0～2.9級(jí)地震197次，ML3.0～3.9級(jí)地震33次, ML4.0～4.9級(jí)地震4次。爆破中有確切爆破位置的52次,最大為2007年12月20日寧夏石嘴山大峰礦ML4.5級(jí)爆破。

2.2 MSDP幾種定位方法定位對(duì)比分析

為了全面分析各定位方法的優(yōu)略，本文選取260次地震和119次爆破資料對(duì)3種方法進(jìn)行定位對(duì)比分析。本文從地震震中與地表斷層關(guān)系、地震震群分布、地震深度在地殼結(jié)構(gòu)的合理性、定點(diǎn)爆破定位震中與落實(shí)實(shí)際位置的差、爆破深度是否更接近0及殘差大小等幾個(gè)方面進(jìn)行了全面對(duì)比分析。

2.2.1 震中定位對(duì)比及其與斷層關(guān)系分析

圖2 3種方法定位地震震中分布圖Fig.2 Epicenter distribution of 3 location methods

我們首先從地震震中分布來(lái)分析MSDP定位軟件中3種定位方法與斷層的關(guān)系。可以看出3種方法的震中除外圍部分地震定位結(jié)果差距較大外，震源的總體分布格局變化不大（圖2）。HYP2000定位較其他兩種方法集中，且局部地區(qū)的地震有向構(gòu)造斷裂帶趨近的變化。對(duì)于網(wǎng)內(nèi)地震，3種定位方法的定位結(jié)果偏差不大，但HYP2000震源距斷裂帶更近，小震群震中也更為集中；對(duì)網(wǎng)緣、網(wǎng)外地震3種定位方法定位結(jié)果差距較大，尤其是寧夏北部及寧蒙交界地區(qū)。因該區(qū)地震和斷層看不出明確的關(guān)系，僅憑地震震中圖很難判斷哪種方法定位結(jié)果更為合理。綜上分析，對(duì)于網(wǎng)內(nèi)地震HYP2000定位網(wǎng)內(nèi)地震稍優(yōu)于單純型定位，Hyposat定位近震震中顯不如其他兩種方法。

爆破是檢驗(yàn)定位位置是否準(zhǔn)確的重要資料，定點(diǎn)爆破定位的精確度是驗(yàn)證地震定位方法好壞與否的重要手段。為了取得可靠資料，課題組成員對(duì)寧夏境內(nèi)及內(nèi)蒙古阿拉善左旗幾個(gè)時(shí)常有定點(diǎn)爆破的采煤礦、采石礦及水泥廠礦點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地考察，收集可靠的爆破時(shí)間、地點(diǎn)及炸藥噸位等，為該研究提供最可靠的一手資料。我們提取了平羅大峰礦、銀川套門溝、中衛(wèi)干柳樹(shù)爆破和固原三關(guān)口做進(jìn)一步分析。抽取平羅大峰礦爆破15個(gè)，銀川套門溝爆破10個(gè)，中衛(wèi)干柳樹(shù)爆破9個(gè)，固原三關(guān)口爆破6個(gè)進(jìn)行定位對(duì)比分析，得到各種定位方法平均距離如表1所示。可以看出在此4個(gè)礦區(qū)單純型定位平均值4.1—6.3km，HYP2000平均2.3—2.7km，Hyposat平均4.1—8.3km?？偨Y(jié)以上4個(gè)礦區(qū)可以得出：HYP2000定位最大值及平均值明顯均小于其它兩種方法，單純型其次，Hyposat最差。

表1為物探中心定點(diǎn)爆破定位對(duì)比，相對(duì)于落實(shí)爆破，物探中心勘探爆破給定的爆破源參數(shù)更為精確。從表中可以看出：?jiǎn)渭冃秃虷yposat定位方法可以定位所有爆破。但HYP2000對(duì)2004年10月31日內(nèi)蒙古阿拉善左旗爆破及2004年11月5日寧夏鹽池爆破均無(wú)法定位，究其原因，這幾次爆破均為只有4個(gè)臺(tái)記錄的網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震。對(duì)比其定位結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：對(duì)于網(wǎng)內(nèi)爆破3種定位方法定位震中位置差別均不大，最大不超過(guò)6km。對(duì)于網(wǎng)緣及網(wǎng)外爆破單純型和Hyposat基本可定位，結(jié)果差距單純型和Hyposat均不超過(guò)10km。

表1 不同定位方法定位爆破結(jié)果對(duì)比

圖3 3種方法定位深度分布圖（a）單純型（b）HYP2000（c）HyposatFig.3 Focal depth distribution of 3 location methods

2.2.2 深度定位對(duì)比

因地震臺(tái)站均在地表、個(gè)別深井臺(tái)站井身也不超過(guò)數(shù)百米，對(duì)于深幾公里至數(shù)十公里的地震深度缺少縱向控制。故地震深度的確定是個(gè)難題，歷來(lái)各地震定位方法對(duì)地震深度定位均很難把握。本研究從地震深度與斷層及深部速度結(jié)構(gòu)和爆破深度是否更接近表層出發(fā)，研究各方法定位的地震和爆破深度分布的合理性。研究表明：?jiǎn)渭冃投ㄎ坏纳疃葻o(wú)論是地震還是爆破深度分別不大，大多集中分布在5—10km（圖3（a））。本研究選用的260個(gè)地震事件和119個(gè)爆破事件中深度在此范圍的有：地震249個(gè)占總數(shù)的95.8%，爆破107個(gè)占總數(shù)的89.9%。Hyposat定位得到的深度大多在15km左右（圖3（b）），其中10—20km的地震147個(gè)占總數(shù)的56.5%，爆破58個(gè)占48.3%。本研究給定Hyposat定位的初始深度為15km，如果給定初始深度為10km，則定位深度大多在10km附近。依此可以得出：Hyposat定位的深度很大程度上依賴給定的初始深度，并不能反映地震或爆破定位的實(shí)際深度。HYP2000定位地震深度在0—30km范圍均有分布而爆破深度無(wú)一超過(guò)5km（圖3（c））。據(jù)此我們可以得出，單純型和Hyposat不能從深度上區(qū)分地震或爆破，而HYP2000則不同，定位爆破深度不超過(guò)5km。

根據(jù)落實(shí)爆破及物探中心定點(diǎn)爆破深度定位表明（表1、表2）：?jiǎn)渭冃投ㄎ坏纳疃仍?—9km,平均6—7km。HYP2000定位深度為0—5km平均3km，Hyposat定位深度1—30km平均9—18km。該結(jié)果和119個(gè)爆破得到的結(jié)果基本一致。

綜合以上分析得出：?jiǎn)渭冃秃虷yposat定位的對(duì)地震或是爆破深度沒(méi)有區(qū)別，單純型定位的深度均在5—10km，Hyposat定位深度與給定初始深度有關(guān)。HYP2000對(duì)地震和爆破深度有明顯的區(qū)分，定位所得爆破深度也更符合實(shí)際情況。

2.2.3 地震深度與地殼速度結(jié)構(gòu)關(guān)系

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)HYP2000定位方法，我們對(duì)其定位的地震深度與寧夏地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步分析。寧夏地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，據(jù)研究表層0—5km層低速主要分布在銀川地塹、中衛(wèi)清水河盆地，高速主要分布在銀川地塹西部的賀蘭山區(qū)[5]。在深層沿中衛(wèi)—同心斷裂帶高速最為顯著，低速主要分布在銀川地塹深約為21—30km處及固原清水河斷裂帶深度約為8—22km。地震主要分布在速度變化劇烈的區(qū)域。鄂爾多斯塊體較為穩(wěn)定，很少有地震發(fā)生。從HYP2000深度分布圖（圖4）可以看出，阿拉善塊體、中衛(wèi)清水河盆地及海原斷裂帶中西部地震主要發(fā)生在深度0～20km；在20～30km深度地震只發(fā)生在銀川地塹及銀川地塹西北的賀蘭山區(qū)、中衛(wèi)同心斷裂帶、及固原清水河斷裂帶。研究發(fā)現(xiàn)寧夏地區(qū)深度較深的地震主要分布在銀川地塹西部的賀蘭山區(qū)、中衛(wèi)—同心斷裂帶、固原清水河斷裂帶。進(jìn)一步分析，因固原清水河斷裂帶地區(qū)低速層深8—22km，地震深度均不超過(guò)25km。銀川地塹低速層深21-30km該區(qū)較深地震發(fā)生在21—33km處。中衛(wèi)同心斷裂帶速度變化最劇烈處約為15—25km，較深地震發(fā)生在21—27km。賀蘭山高速層消失在深度約25km處，該區(qū)較深地震主要發(fā)生在20—33km.該結(jié)果表明地震發(fā)生在高速—低速轉(zhuǎn)換地區(qū)。

圖4 HYP2000定位地震深度分布圖Fig.4 Seismic depth distribution by HYP2000 location method

表2 不同定位方法定位固定炮點(diǎn)結(jié)果對(duì)比

2.2.4 殘差分析

殘差是評(píng)價(jià)地震定位好壞的一個(gè)重要參數(shù)。單純型和Hyposat的殘差整體高于HYP2000（圖5）。單純型殘差優(yōu)勢(shì)分布在0.2—0.6，占總數(shù)的92.6%，平均殘差為0.37；Hyposat殘差優(yōu)勢(shì)分布范圍為0.2—0.6，占總數(shù)76.5%，殘差大于0.6的占總數(shù)11.5%。而HYP2000定位殘差大多數(shù)小于0.4，占總數(shù)的90.4%。綜上分析：Hyposat定位殘差最大、單純型次之、HYP2000最小。

圖5 3種定位方法殘差分布圖Fig.5 Residual error distribution of 3 location methods

3 各方法與和達(dá)法定位地震深度對(duì)比分析

本文選用和達(dá)法對(duì)各方法定位的地震深度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。和達(dá)法是模擬時(shí)期計(jì)算深度較為普遍的一種算法，該方法有明確的理論依據(jù)。即對(duì)于有4個(gè)以上臺(tái)的到時(shí)差的近震，則可兩臺(tái)組成一組，求出三組獨(dú)立的震源軌跡，再用作圖法求出震源位置及震源深度[6]。其優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單且不依賴速度模型或走時(shí)表，只要已知分布合理的4個(gè)以上臺(tái)站震相便可用和達(dá)法求出震中位置及深度。其計(jì)算結(jié)果只與震相分析精度和臺(tái)站分布有關(guān)，故可以排除因速度模型或走時(shí)表不合理導(dǎo)致的深度不合理的因素。本研究定位震中位置和震源深度使用的和達(dá)法程序?yàn)楸疚淖髡哂胢atlab語(yǔ)言自編。

本文選用2008—2011年以來(lái)寧夏及鄰區(qū)ML2.8級(jí)以上地震計(jì)算，能計(jì)算結(jié)果的有41個(gè)地震。分析這41次地震定位過(guò)程發(fā)現(xiàn)：震相精度和參與定位臺(tái)站分布對(duì)和達(dá)法影響較大，利用包圍不好的臺(tái)站無(wú)法得到結(jié)果，或定位震中和實(shí)際震中相差很大。利用震相不太清晰的震相數(shù)據(jù)則深度誤差很大。

可以看出，單純型、HYP2000、和達(dá)法定位的震中位置除2010年6月27日靈武ML2.8地震及2011年11月28日寧夏石嘴山ML3.1地震外均很接近，這兩次地震前者震相不太清晰，后者因參與定位的臺(tái)站分布不合理。為了做進(jìn)一步分析，對(duì)比分析了3種方法定位的深度與和達(dá)法定位的深度差（圖6（b）），可以得出HYP2000定位深度與和達(dá)法定位深度差絕大多數(shù)都在10km范圍內(nèi)，其中5km以內(nèi)的占總數(shù)的一半以上，Hyposat次之，單純型最差。由此得出，HYP2000定位深度與和達(dá)法求得深度吻合最好。

圖6 各種方法定位震中分布Fig.6 Epicenter distribution of all kinds of location methods

4 結(jié)論與討論

定位方法是影響地震定位的關(guān)鍵因素，本文從地震震中與地表斷層關(guān)系、地震震群分布、地震深度在地殼結(jié)構(gòu)的合理性、定點(diǎn)爆破定位震中與落實(shí)實(shí)際位置的差，爆破深度是否更接近0及殘差大小等幾個(gè)方面對(duì)MSDP軟件幾種定位方法進(jìn)行了全面對(duì)比分析。結(jié)果表明：①3種定位方法震中經(jīng)緯度略有差異，但HYP2000震源距斷裂帶更近。對(duì)于落實(shí)的定點(diǎn)爆破HY2000優(yōu)于其它兩種方法，單純型其次，Hyposat最差。②單純型定位深度較為集中，無(wú)論地震或是爆破大多分布在5—10km。Hyposat定位深度與給定初始深度有關(guān)。HYP2000定位地震深度分布較為均勻，但爆破深度全部分布在0—5km。對(duì)HYP2000定位的地震深度與寧夏地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：HYP2000定位地震深度與速度結(jié)構(gòu)明顯相關(guān)，地震發(fā)生在高速—低速轉(zhuǎn)換地區(qū)。③單純型和Hyposat的殘差整體高于HYP2000。④單純型、HYP2000、和達(dá)法定位的震中位置均很接近，對(duì)比分析了3種方法定位的深度與和達(dá)法定位的深度差，可以得出，HYP2000定位深度與和達(dá)法定位深度差絕大多數(shù)都在10km范圍內(nèi)，Hyposat次之，單純型最差。綜合以上分析：對(duì)于網(wǎng)內(nèi)地震在日后的地震速報(bào)及編目工作中可應(yīng)用HYP2000定位方法。

眾所周知，臺(tái)站分布和震相精度對(duì)地震定位影響較大。寧夏地區(qū)位處南北地震帶北段，有較為豐富的地震和爆破資源。但寧夏地區(qū)臺(tái)站分布較為稀疏，平均臺(tái)間距34km,遠(yuǎn)小于東部地區(qū)。從臺(tái)站分布看寧夏地區(qū)南北狹長(zhǎng)，東西較短，盡管近2年加入15個(gè)外省臺(tái)，但對(duì)外圍地區(qū)寧蒙交界、石嘴山和內(nèi)蒙古阿拉善左旗地區(qū)地震仍然很難掌控。震相分析精度亦對(duì)地震定位，尤其深度定位，有較大的影響。本研究主要目的是能指導(dǎo)今后的地震速報(bào)及編目工作，因此大多數(shù)地震或爆破均采用臺(tái)網(wǎng)報(bào)告震相數(shù)據(jù)，小部分做了調(diào)整。3種方法中受震相精度影響最小的是單純型法，因單純型對(duì)深度定位并不敏感，震相分析精確與否對(duì)單純型定位影響不大；hyposat定位深度與初始深度有關(guān)，震相精度對(duì)其影響也不是太大；HYP2000定位深度與震相精度關(guān)系密切，應(yīng)用不準(zhǔn)確的或錯(cuò)誤的震相資料可能得不到正確的深度。在一般情況下，應(yīng)用震相清楚的6個(gè)左右近臺(tái)定位的深度與落實(shí)爆破或和達(dá)法定位地震深度差不會(huì)超過(guò)5km。

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