地震定位方法適用性分析

王承偉，李恩來，王 帥，安祥宇，趙 倩，楊振鵬

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

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地震定位方法適用性分析

王承偉，李恩來，王 帥，安祥宇，趙 倩，楊振鵬

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

摘要：選取遼寧區(qū)域三種不同類型的六次地震事件，運(yùn)用單純型、Hyposat、HYP2000三種定位方法對(duì)其進(jìn)行重新定位，產(chǎn)出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，Hyposat方法在定位這三種類型的地震時(shí)，殘差范圍最小最為穩(wěn)定，定位網(wǎng)內(nèi)地震時(shí)震中差也相對(duì)比較小，較適用于內(nèi)陸地震和礦震的地震定位。

關(guān)鍵詞：不同類型地震；定位方法；定位殘差；震中差

0　引言

通過遼寧地區(qū)不同類型的地震事件，采用Hyposat、單純型法、HYP2000三種不同的定位程序，研究定位不同類型事件的最佳定位方法。為此，筆者試圖對(duì)定位方法的適用性的進(jìn)行一些探討。使用目前全國通用的MSDP系統(tǒng)地震定位軟件，采用MSDP系統(tǒng)單純型、HYPOSAT、HYP2000 定位方法對(duì)內(nèi)陸地震、礦震、海域地震進(jìn)行重新定位，使用軟件自帶的速度模型，產(chǎn)出定位殘差及震中位置差，將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

遼寧測(cè)震臺(tái)網(wǎng)是由5個(gè)國家數(shù)字測(cè)震臺(tái)、30個(gè)區(qū)域數(shù)字測(cè)震臺(tái)及2個(gè)背景場(chǎng)項(xiàng)目新建臺(tái)組成的數(shù)字地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)。測(cè)震臺(tái)均勻分布在全省各地，平均臺(tái)站間距70km，中部地區(qū)臺(tái)站分布密集一些。通過中國地震臺(tái)網(wǎng)中心實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)流服務(wù)器接入鄰省14個(gè)臺(tái)站。遼寧臺(tái)網(wǎng)實(shí)際的監(jiān)測(cè)能力在大部分地區(qū)能控制在ML1.5級(jí)，邊緣及鄰近海域能控制在ML2.0級(jí)。同一范圍內(nèi)速報(bào)能力大約比監(jiān)控能力低0.2級(jí)。

1　定位方法介紹

1.1單純型法

Nelder和Mead（1965）提出了單純型法。該方法是在n維空間中，用n+1個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)多面體。依據(jù)單純型運(yùn)算規(guī)則，計(jì)算各頂點(diǎn)的函數(shù)值，然后進(jìn)行比較，確定頂點(diǎn)的優(yōu)劣后接著計(jì)算新點(diǎn)，用好的頂點(diǎn)代替壞的頂點(diǎn)，這樣不斷地改變頂點(diǎn)，使單純型朝著目標(biāo)函數(shù)最小方向移動(dòng)，最終獲得準(zhǔn)確解。下面以二維為例說明單純型尋優(yōu)算法。

單純型改變頂點(diǎn)計(jì)算方法有4種，它們分別是反射、擴(kuò)展、收縮和壓縮，圖1為二維空間單純型算法圖。為了提高計(jì)算效率，使單純型在空間迅速尋優(yōu)，Walmsley對(duì)Nedlder和Mead的單純型算法在兩個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)：（1）求擴(kuò)展點(diǎn)；Nedlder和Mead方法求擴(kuò)展點(diǎn)只求一次，而Walmsley的方法是只要在擴(kuò)展點(diǎn)有改進(jìn)，就可繼續(xù)擴(kuò)展；（2）新點(diǎn)確定。Nedlder和Mead方法是與重心點(diǎn)的函數(shù)值比較，而Walmsley的方法是與極大點(diǎn)的函數(shù)值比較，這樣可避免尋優(yōu)過程中的振動(dòng)現(xiàn)象，從而提高尋優(yōu)速度[1]。

1.2Hyposat

Hyposat 是一個(gè)為震源定位而開發(fā)的程序包。它利用了走時(shí)數(shù)據(jù)、反方位角（即臺(tái)站到事件的方位角）值和射線參數(shù)值。所考慮的震相是那些包含于IASP91震相類型表中的震相，如果使用地方模型，還包括從康拉德和莫霍不連續(xù)界面反射的震相。程序遵循IASPEI標(biāo)準(zhǔn)震相命名工作組所推薦的震相名稱。

1.3Hyp2000方法

HYP2000適用于地方震和近震的地震定位和定震級(jí)的Fortran程序。該程序是處理一個(gè)地震的地震臺(tái)數(shù)據(jù)文件（如P波到時(shí)和地震圖上的振幅和持續(xù)時(shí)間），得到地震位置和震級(jí)。在利用水平分層模型時(shí)，采取措施補(bǔ)償?shù)貧M向不均勻性對(duì)走時(shí)的影響。

HYP2000定準(zhǔn)程序采用傳統(tǒng)的Geiger法的基本思路：把走時(shí)T在初值(x,y,z)附近作泰勒展開，取一級(jí)近似，為：

其中T為實(shí)際走時(shí)，是相應(yīng)于（x，y，z）附近一點(diǎn)（x'，y'，z'）的走時(shí)。在此基礎(chǔ)上建立觀測(cè)方程組，然后求解觀測(cè)方程組。算法上，即先將觀測(cè)方程組降維，不化成正規(guī)方程組，直接用奇異值分解最小二乘法方程組，在實(shí)際計(jì)算中采用多種數(shù)據(jù)加權(quán)。HYP2000可采用分區(qū)水平分層速度模型，為每個(gè)臺(tái)站指定不同的速度模型，該方法采用近臺(tái)初值，并只適用于網(wǎng)內(nèi)近震及地方震[1]。

2　資料選取及定位結(jié)果分析

2.1資料選取

由于遼寧目前暫無本區(qū)域自己的速度模型，本文中三種定位方法均使用的是MSDP自帶的華南模型，速度模型的不適用也會(huì)影響到地震定位的質(zhì)量，特別是對(duì)震源深度有一定的影響，因此本文并未給出震源深度的對(duì)比。

表1　華南模型

選用的地震：天然地震包括內(nèi)陸地震、海域地震和礦震等，本次選用遼寧臺(tái)站記錄到的三種不同類型的六個(gè)典型事件，分別使用單純型法、Hyposat和HYP2000三種定位方法進(jìn)行定位，將其結(jié)果與編目產(chǎn)出結(jié)果進(jìn)行比較，分析這三種定位方法對(duì)不同類型地震的適用性。

表2　選用地震

通過用不同定位方法對(duì)以上地震進(jìn)行重新定位，得出各類型地震的最佳定位方法。三種定位震中位置與編目震中位置之間誤差計(jì)算公式：

式中，Δ為兩點(diǎn)單的震中誤差，單位為km。（1?、1λ）、（2?、2λ）分別為兩者的震中位置的經(jīng)度和緯度。經(jīng)過計(jì)算得出3種定位結(jié)果之間的誤差。

表3　單純型法定位結(jié)果

表4　Hyposat定位結(jié)果

表5　HYP2000定位結(jié)果

2.2參與定位臺(tái)站分布圖

2.3定位結(jié)果對(duì)比分析

2.3.1單純型法定位結(jié)果對(duì)比分析

通過MSDP系統(tǒng)中單純型法定位程序?qū)?個(gè)地震進(jìn)行重新定位。定位殘差方面，單純型法定位程序?qū)?nèi)陸地震和礦震定位效果相當(dāng)，殘差范圍為0.3至0.5，對(duì)海域地震定位效果較差，殘差大于0.7；與編目的震中差，單純型法在定位內(nèi)陸地震時(shí)震中差均在1km以內(nèi)，誤差最小。

2.3.2Hyposat定位結(jié)果對(duì)比分析

通過MSDP系統(tǒng)中Hyposat定位程序?qū)?個(gè)地震進(jìn)行重新定位。定位殘差方面，Hyposat定位程序?qū)?nèi)陸地震、礦震及海域地震定位效果都差不多，殘差在0.2至0.7之間，平均殘差約為0.5，海域地震殘差稍大，但整體殘差變化幅度不大；與編目的震中差對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，Hyposat在定位內(nèi)陸地震時(shí)震中差均在在1km以內(nèi)，誤差最小，定位阜新礦震震中差也在1km以內(nèi)，但定位撫順礦震震中差稍大，海域地震震中差較大，定位效果不理想。

2.3.3HYP2000定位結(jié)果對(duì)比分析

通過MSDP系統(tǒng)中HYP2000定位程序?qū)?個(gè)地震進(jìn)行重新定位。定位殘差方面，HYP2000定位程序?qū)?nèi)陸地震殘差約為0.4，阜新礦震定位殘差最小約0.15左右，海域地震殘差稍大；與編目的震中差對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，HYP2000定位內(nèi)陸地震和礦震的震中差均在3km以內(nèi)，海域地震震中差較大，定位效果不理想。

3　結(jié)論

（1）在地震定位中，參與定位臺(tái)站的分布對(duì)定位質(zhì)量有一定的影響，本文選用內(nèi)陸地震（2015年8月4日遼寧蓋州M4.3級(jí)地震、2013 年1月23日遼寧燈塔M5.2級(jí)地震），位于遼寧中部，臺(tái)站分布合理且密集，三種定位方法對(duì)其重新定位后產(chǎn)出定位結(jié)果，定位殘差和震中差都比較好，Hyposat和單純型法最優(yōu)。

（2）2013年2月27日遼寧阜新M2.6級(jí)礦震震中位于遼寧西北部，2014年8月2日遼寧撫順M2.8級(jí)礦震震中位于遼寧中北部，這兩位置是省內(nèi)礦震多發(fā)區(qū)，三種定位方法中，HYP2000對(duì)阜新礦震定位殘差最小，震中差也較為理想；Hyposat對(duì)撫順礦震定位殘差和震中差都是最小。

（3）遼寧海域地震多發(fā)區(qū)為大連西偏南的渤海海域，本文選用近期發(fā)生在該區(qū)域的兩個(gè)震級(jí)較大的地震進(jìn)行定位分析，分別是2015年7月22日山東龍口海域M4.0級(jí)地震和2015年6月29日遼寧大連海域M3.8級(jí)地震，三種定位結(jié)果對(duì)于海域地震定位，HYPOSAT定位殘差最小，但三種定位方法的定位質(zhì)量都不太理想，定位殘差和震中差都比較大，主要是由于定位受到臺(tái)站分布不合理、臺(tái)站空隙角偏大等因素的影響所導(dǎo)致[2]。

因此認(rèn)為，Hyposat方法在定位這三種類型的地震時(shí)，殘差范圍最小最為穩(wěn)定，定位內(nèi)陸地震時(shí)震中差也相對(duì)比較小，適用于內(nèi)陸地震的地震定位。

參考文獻(xiàn)：

[1]張炳，汪貴章，戚浩，等.HYP02000與單純形定位方法對(duì)比及作為速報(bào)算法的可行性分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2012，33（5/6）：13-17.

[2]陳貴美，楊選，劉錦.廣東數(shù)字地震臺(tái)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.

APPLICALBILITY ANALYSIS OF SEISMIC LOCATING METHOD

WANG Cheng-wei，LI En-lai，WANG Shuai，AN Xiang-yu，ZHAO Qian，YANG Zheng-peng
（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

Abstract：Select three different types of six seismic events in Liaoning area,use of simple,Hyposat,HYP2000 three positioning method to relocate,,obtained the result to carry on the analysis.The results show,In the three types of earthquakes,the Hyposat method is the most stable,and the epicenter is relatively small,suitable for inland earthquakes.

Key words：different types of earthquakes;locating method;locating residuals;epicenter difference

作者簡介：王承偉（1983-），山東省龍口市人，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)方面的工作。E-mail:sea0929@163.com

收稿日期：2015-09-21

修訂日期：2015-10-11

中圖分類號(hào)：P315.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.012

文章編號(hào)：1674-8565（2016）01-0069-06