四種地震定位方法的定位效果淺析

尹戰(zhàn)軍，郝美仙，王　鑫，張　帆，劉　穎

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010010)

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四種地震定位方法的定位效果淺析

尹戰(zhàn)軍，郝美仙，王鑫，張帆，劉穎

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古呼和浩特010010)

選取2008年以來內(nèi)蒙古自治區(qū)、內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)速報范圍內(nèi)的所有地震事件，分別采用單純型、LocSAT、Hyposat、HYP2000地震定位方法進行重新定位。以定位結(jié)果中的發(fā)震時刻、震中位置、震源深度、震級殘差為主要分析對比指標，與國家臺網(wǎng)中心發(fā)布的正式速報結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)單純型定位方法為區(qū)內(nèi)速報地震的優(yōu)選方法。

地震定位；單純型；LocSAT；HYP2000；Hyposat

0　引言

地震定位是地震學中最經(jīng)典、最基本的問題之一[1]，地震定位方法是產(chǎn)生精確地震資料的基礎(chǔ)，只有選擇適當?shù)牡卣鸲ㄎ环椒?，才能獲取定位后的準確參數(shù)及可靠的地震資料，更好地為相關(guān)各領(lǐng)域的研究及應用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。在發(fā)生破壞性地震時，快速、準確的地震定位結(jié)果對政府部門以及其他社會保障部門快速做出科學決策、從而進行有效的地震應急、救援、救災等工作有著至關(guān)重要的意義。研究地震定位方法和提高地震定位精度，一直是地震科學中的一個重要課題，地震學家不斷改進或提出新的定位方法以期得到更高的地震定位精度。為全面分析各種地震定位方法在內(nèi)蒙古地區(qū)地震速報中的優(yōu)劣，本文選取單純型、LocSAT、HYP2000和Hyposat四種地震定位方法，對自治區(qū)境內(nèi)57次速報地震分別進行定位，并與國家地震臺網(wǎng)中心的正式速報結(jié)果進行對比，分析各種地震定位方法的適用性，找出適合該區(qū)地震速報的地震定位方法。

1　臺網(wǎng)簡介

內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)的主要功能是負責內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)數(shù)字測震臺站的波形數(shù)據(jù)匯集、分析、在線存儲及責任區(qū)內(nèi)的地震速報、地震編目工作。內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)由11個國家測震臺站和28個區(qū)域臺站組成，同時也可運用由國家臺網(wǎng)下載的42個鄰省地震臺站的數(shù)據(jù)，共81個臺站的數(shù)據(jù)可用于地震分析研究(見第43頁圖1)。

2　地震定位方法簡介

MSDP軟件是由廣東省地震局開發(fā)，目前全國各省區(qū)地震臺網(wǎng)普遍采用的地震定位軟件，主要功能是完成日常地震速報、地震編目等工作。該軟件目前包含常用的定位方法有單純型、LocSAT、HYP2000和Hyposat等[2]。

(1) 單純型法。

Nelder和Mead[3]提出一種尋優(yōu)方法即單純型法。單純型法是一種直接搜索法，是在n維空間中，用n+1個頂點構(gòu)成一個多面體，依據(jù)單純型運算規(guī)則，計算各頂點的函數(shù)值，對其進行比較，進而確定各頂點的優(yōu)劣。不斷地找出壞的頂點后，用新頂點代替，使單純型朝著目標函數(shù)最小方向移動，最終獲得準確解。該方法適用于地方震、近震和遠震的地震定位程序。

(2) LocSAT法。

LocSAT依據(jù)傳統(tǒng)Geiger法的基本思路，采用阻尼最小二乘法，即將觀測方程組化成正規(guī)方程組，用主元素消去法求解。LocSAT沒有加權(quán)，LocSAT為計算初值。LocSAT采用水平分層速度模型，但所有臺站均采用同一模型[4]，適用于地方震、近震及遠震的地震定位程序。

(3) HYP2000和Hyposat法。

HYP2000和Hyposat定位程序都采用傳統(tǒng)Geiger法的基本思路，把走時T在初值(x,y,z)附近作泰勒展開，取一級近似為：

圖1　內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)用于地震監(jiān)測的全部區(qū)內(nèi)外臺站Fig.1　All stations used for earthquake monitoring in and outside of the region in Inner Mongolia seismic network

式中：T為實際走時；T′是(x,y,z)附近一點(x′,y′,z′)的走時。以此為基礎(chǔ)建立觀測方程組并求解。二者在具體計算方法上相同，即先將觀測方程組降維，不化為正規(guī)方程組，直接用奇異值分解最小二乘法方程組。

在實際計算中，還采用了多種數(shù)據(jù)加權(quán)。HYP2000可采用分區(qū)水平分層速度模型，為每個臺站指定不同的速度模型，定位起始位置均采用近臺初值。不同之處在于：HYP2000只適用于網(wǎng)內(nèi)近震及地方震，而Hyposat不僅適用于近震，對遠震甚至極遠震定位也有較好的效果。

3　資料選取

研究資料來源于內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)2008年至2014年自治區(qū)范圍內(nèi)達到速報要求且至少有7個以上臺站清晰記錄的57條地震事件(見第44頁圖2)。這些地震事件包含M2.0～2.9地震17次、M3.0～3.9地震37次、M4.0～4.9地震3次。

4　地震定位結(jié)果分析

(1) 發(fā)震時刻分析。

對四種地震定位方法得出的每一個地震的發(fā)震時刻與國家臺網(wǎng)中心發(fā)布的正式速報結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，均符合《地震速報評比標準》中關(guān)于地震時刻的規(guī)定，因此，認為地震發(fā)震時刻一致。

(2) 震中位置分析。

研究中，對每一個地震事件定位時，所用的震相都經(jīng)過重新識別、標注。將四種地震定位方法得出每一個地震的震中位置與國家臺網(wǎng)中心發(fā)布的正式編目結(jié)果相比較，均符合《地震速報評比標準》關(guān)于震中位置的規(guī)定，震中位置在規(guī)定的范圍內(nèi)有小幅變動，但未超出規(guī)定中關(guān)于一類地震的要求，認為地震震中位置結(jié)果一致。

(3) 震級分析。

對地震事件的振幅重新識別、量取，因此，每一地震的震級都是可靠的。圖3是四種地震定位方法所給出的定位震級與國家臺網(wǎng)中心正式編目結(jié)果的對比圖，可以看出，每種定位方法給出的震級，整體小于國家臺網(wǎng)中心定出的震級。原因可能是在速報時，使用的定位臺站太少，而且大部分使用的是近臺，量取遠臺的震級較少，從而導致地震速報震級偏小。從震級來講，每種地震定位方法給出的地震速報震級是穩(wěn)定的。因此，在今后的地震速報中必須量取一些遠臺震級，以彌補震級偏小的缺陷。

圖2　選取區(qū)內(nèi)速報地震震中分布圖Fig.2　Epicenter distribution of earthquakes in the region

圖3　四種定位方法定出震級結(jié)果與國家臺網(wǎng)中心發(fā)布的正式結(jié)果對比圖Fig.3　Comparison of magnitudes by four Kinds of locating methods with the results released by National Networks Center

(4) 深度分析。

關(guān)于地震深度，一直以來都沒有一種穩(wěn)定可靠的計算方法來確定。就本次研究來說，參照第45頁圖4為四種定位方法測定深度與國家臺網(wǎng)中心發(fā)布的正式編目結(jié)果中的震源深度對比圖，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，單純型定位方法的地震定位深度有7次地震定位深度超過20 km，大部分定位地震的震源深度都集中在20 km以下，且與國家臺網(wǎng)中心的震源深度曲線高度吻合。其他三種定位方法得出的地震震源深度變化幅度很大，且集中在零公里的深度占比重很大，有待于做深入的研究。

(5) 殘差分析。

第45頁圖5為四種定位方法所得結(jié)果之殘差分布對比圖，由此可以看出，單純型法每一地震的定位殘差全部優(yōu)勢分布于0到1之間的區(qū)域且穩(wěn)定；HYP2000方法每一地震的定位殘差分布極不規(guī)律，從0到8之間都有分布；HYPOSAT方法，大部分地震的定位殘差分布在0到1之間的區(qū)域，其余4次地震的定位殘差分布于1到4之間的區(qū)域；LOCSAT方法每一地震的定位殘差，其中1次地震的分布在2到3之間的區(qū)域外，其余全部集中分布于0.5到2之間的區(qū)域。通過上述分析判斷，單純型定位方法的地震定位殘差整體最優(yōu)，因此其定位結(jié)果精度也整體最高。

圖4　四種定位方法測定深度與國家臺網(wǎng)中心發(fā)布的正式結(jié)果對比圖Fig.4　Comparison of depths by four Kinds of locating methods with the results released by National Networks Center

圖5　四種定位方法定位結(jié)果之殘差分布對比圖Fig.5　Comparison of residuals by four Kinds of locating methods

5　結(jié)論與討論

(1) 通過對上述5項指標的研究對比得出，單純型定位方法不論從震源深度，還是從殘差綜合各項指標都優(yōu)于其他定位方法。因此，單純型定位方法是區(qū)內(nèi)地震定位的首選方法，且地震速報時盡量量取一些遠臺震級，以提高地震速報震級的準確度。

(2) 從數(shù)學角度分析，地震定位問題的實質(zhì)在于求目標函數(shù)的極小值。各種定位方法產(chǎn)生于對目標函數(shù)的構(gòu)造、處理以及求極小值方法的不同。影響地震定位精度的主要因素有：臺網(wǎng)布局、震相識別、到時讀數(shù)、地殼結(jié)構(gòu)等。殘差雖不是震源參數(shù)，但在定位結(jié)果中的作用不容忽視[5]，是評價地震定位好壞的一個重要參考指標。定位時出現(xiàn)錯標震相或臺站波形數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題都可以通過殘差值反映[6]。

(3) 臺網(wǎng)快速定位方法的研究是否可提高地震速報的速度和速報數(shù)據(jù)的準確度，對于地震應急、震后減災和救災以及震后地震趨勢預測等至關(guān)重要[7]。臺站分布合理與否是制約定位方法定位結(jié)果的重要因素之一。從內(nèi)蒙古臺站分布看，由于該區(qū)南北距離短、東西跨度長，盡管已共享鄰省42個臺站的數(shù)據(jù)，但對內(nèi)蒙古西部額濟納旗、中部的蘇尼特左右旗以及中蒙交界等地區(qū)的地震仍難以掌控。在將來新建臺站的時候應考慮到這些地震監(jiān)控的盲區(qū)，爭取實現(xiàn)地震監(jiān)測臺站布局合理化，為地震定位精度再提高提供可靠保障。

由于該研究只是針對內(nèi)蒙古地區(qū)地震速報，而研究區(qū)域內(nèi)達到速報要求的地震樣本有限，其研究結(jié)果可能存在一定的誤差，有待于在今后做進一步的改進。

[1]中國地震局監(jiān)測預報司.實用數(shù)字地震分析近震分析[M].北京：地震出版社,2009.

[2]陳貴美，楊選，劉錦.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.

[3]Nelder J A,Mead R.A simplex method for function minimization[J].Comput,1965(7):308-313.

[4]張宇.采用LOCSAT和HYPOSAT方法對東北深源地震定位分析[J].地震地磁觀測與研究,2005,35(3/4):97.

[5]田玥，陳曉非.地震定位研究及應用綜述[J].地球物理學進展,2002,29(1):69-78.

[6]蘇莉華，趙暉，李源，等.MSDP軟件提高地震速報質(zhì)量[J].地震地磁觀測與研究，2012(5/6)：351-355.

[7]楊文東，金星，李山有，等.地震定位研究及應用綜述[J].地震工程與工程振動,2005,25(1):14-20.

Effect of Four Kinds of Earthquake Location Methods

YIN Zhan-jun, HAO Mei-xian, WANG Xin, ZHANG Fan, LIU Yin

(Seismological Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot, Inner Mongolia 010010)

All the earthquakes in the range of Inner Mongolia Autonomous Region and rapid reported within Inner Mongolia seismic network since 2008 are selected for relocating by the simple, LocSAT, Hyposat, HYP2000 method. The origin time, epicenter location, focal depth and magnitude residual in the locating results are as the main indexes to compare with the formal reporting results issued by National Networks Center. The results show that the simple locating method is the optimization method for earthquake rapid report in the region.

Earthquake location; Simple type; LocSAT; HYP2000; Hyposat

1000-6265(2016)03-0042-05

2015-09-25

測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(20150405)。

尹戰(zhàn)軍(1980—)，男，呼和浩特土左旗人。2001年畢業(yè)于防災科技學院，工程師。

P315.09

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