近震定位技術(shù)及其在桂東北寬頻帶地震流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中的應(yīng)用

何曉玲，王有學(xué)，張　琪，曾　成，王心宇

(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006)

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近震定位技術(shù)及其在桂東北寬頻帶地震流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中的應(yīng)用

何曉玲，王有學(xué)，張琪，曾成，王心宇

(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006)

通過(guò)對(duì)近震定位技術(shù)的研究，利用根據(jù)P波到時(shí)對(duì)近震震源進(jìn)行定位，并且應(yīng)用于桂東北地區(qū)的寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)采集到的近震資料，應(yīng)用結(jié)果表明：近震定位技術(shù)不僅可以得到近震的震中位置、震源深度以及發(fā)震時(shí)刻，而且可以得到地震波在震源以上部分地殼中傳播的平均P波速度。

近震震源定位；P波到時(shí)；桂東北寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)

1　引　言

地震定位是地震學(xué)中最經(jīng)典、最基本的問(wèn)題之一[1-5]。早期的地震定位法主要以幾何作圖法為主，作圖法測(cè)定基本參數(shù)簡(jiǎn)便直觀、易掌握，但臺(tái)站數(shù)較多時(shí)，作圖法較麻煩，精度也會(huì)降低。地震線性定位方法大多源于1912年Geiger提出的經(jīng)典方法[6]，自20世紀(jì)70年代始，基于科學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助定位方法得到了迅速發(fā)展，相繼提出一系列基于Geiger思想的方法和技術(shù)：Lee等人陸續(xù)做出了HYPO71,HYPO78～81系列方法[7]，現(xiàn)在依然被普遍使用；自Backus和Gilbert提出新的反演理論后，Klein提出了HYPOinverse算法[8]；Lienert等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，推出HYPOcenter算法[9]；隨后Vidale和Nelson在進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上，提出了三維速度模型下的Quake3D方法[10]。

針對(duì)多事件定位，1967年Douglas最先提出JED理論[11]，后來(lái)Dewey將其擴(kuò)展為包括深度定位的震源位置與臺(tái)站校正的聯(lián)合反演方法(JHD)[12]，使定位精度得到較大提高。1976年，Crosson提出震源位置與速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演方法(SSH)[13]，與JHD方法相比，無(wú)需引入臺(tái)站校正，同時(shí)反演出速度結(jié)構(gòu)和震源參數(shù)，解決了人為構(gòu)造的速度模型引起的誤差問(wèn)題。此外，在JHD方法的基礎(chǔ)上，Spence提出了相對(duì)定位法(ATD)[14]，這也是一個(gè)經(jīng)典的、應(yīng)用廣泛的方法。

另外，1999年Engdahl等人提出用于全球定位的EHB方法[15]，運(yùn)用多種震相定位，精度明顯得到提高。2000年，Waldauser和Ellsworth提出雙重殘差定位法(DDA)[16]，其優(yōu)點(diǎn)在于可以利用譜域中的互相關(guān)分析來(lái)讀取事件的到時(shí)差，大大提高了到時(shí)數(shù)據(jù)的精確度。較相對(duì)定位法而言，事件對(duì)距離不受限制，適用性強(qiáng)，且若使用多種相位到時(shí)差，定位效果更佳。

本文針對(duì)桂東北寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)所采集到的近震數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)輔助定位法，利用P波到時(shí)對(duì)近震的震源進(jìn)行定位，確定近震的震源參數(shù)。該方法不僅可以得到近震的震源參數(shù)(震中位置、震源深度以及發(fā)震時(shí)刻)，而且可以得到地震波在震源以上部分地殼中傳播的平均P波速度，計(jì)算精度較高。

2　近震震源定位

對(duì)于近震來(lái)說(shuō)，一般可以將地球表面的曲率忽略不計(jì)；同時(shí)，由于桂東北地區(qū)的近震都是淺震，震源主要位于上地殼。因此，可以將上地殼看作為均勻介質(zhì)，從而可以利用P波到時(shí)對(duì)近震事件進(jìn)行定位。

假設(shè)震源位于O(x0，y0，h)，第i個(gè)臺(tái)站位于P(xi，yi，0)，則震中為O*(x0，y0，0)。由圖1可以看出，地震波的傳播路徑為OP，其走時(shí)方程為

(1)

圖1　近震震相及其射線路徑示意圖Fig.1　Near earthquake phases and their ray path

其中h為震源深度，單位為km；v為地震波在上地殼內(nèi)部傳播的速度，單位為km/s；ti是地震波的旅行時(shí)間，單位為s。

然而，并不知道地震波的旅行時(shí)間ti，只知道地震的發(fā)震時(shí)刻T0；如果知道地震波傳播到第i個(gè)臺(tái)站P的到時(shí)為Ti，那么地震波自震源到臺(tái)站P的旅行時(shí)間就可以寫為

ti=Ti-T0=

(i=1,2,…,n)

即

(xi-x0)2+(yi-y0)2+h2=v2(Ti-T0)2

(i=1,2,…,n)(2)

其中，v為地震波在上地殼中的平均傳播速度，單位為km/s。

通過(guò)求解(2)式的走時(shí)方程來(lái)確定震源參數(shù)(x0，y0，h，T0)及地震波在上地殼中的平均傳播速度。

設(shè)n個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)到時(shí)依次為t1、t2、…、tn，求震源參數(shù)(x0，y0，h，T0)以及地震波在上地殼中的平均傳播速度v，使得目標(biāo)函數(shù)

(3)

其中，ri=Ti-T0-ti(x0,y0,h,v)為地震波旅行時(shí)間的殘差,單位為s。

要使目標(biāo)函數(shù)(3)式 取極小值，則

(4)

其中

θ=(x0,y0,h,T0,v)T,

為了方便，記

(5)

則對(duì)于(5)式，在真解附近任意試探解θ以及校正矢量δθ滿足

即

(6)

由式(3)、式(6)兩式即有

(7)

3　桂東北寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)中的近震定位

自2013年起，為了更好地了解桂東北地區(qū)的深部地球物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究桂東北地區(qū)的深部地質(zhì)構(gòu)造，桂林理工大學(xué)在桂東北地區(qū)布置了一個(gè)0.5°×0.5°的寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)(圖3)，對(duì)桂東北地區(qū)的深部構(gòu)造進(jìn)行研究。

圖2　桂東北寬頻帶地震臺(tái)陣周邊地區(qū)近震事件記錄(自上而下依次為2013/10/23、2013/12/6及2014/10/23發(fā)生的地震；縱坐標(biāo)為臺(tái)站名稱，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為秒)Fig.2　The records of local earthquake events around seismic array in northeastern Guangxi(records of local earthquakes occurred on 2013/10/23, 2013/12/6及2014/10/23 from upper to bottom, respectively; vertical axis is the station order, and horizontal is the traveltime, unit is second)

表1　近震震源位置結(jié)果

圖3　桂北地區(qū)地形、寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)及近震震源分布(三角形為寬頻帶地震臺(tái)站，白色星號(hào)為近震事件)Fig.3　The topography, broadband seismic array and local earthquakes in northeastern Guangxi(triangular-broadband seismic station, white star-local event)

在桂東北地區(qū)的寬頻帶地震臺(tái)陣采集到的地震數(shù)據(jù)庫(kù)中，挑選出臺(tái)陣周邊地區(qū)的三次近震事件，它們分別發(fā)生在2013年10月23日、2013年12月6日及2014年10月23日，其地震記錄及P波到時(shí)拾取如圖2所示。通過(guò)近震震源定位，得到三個(gè)近震震中分別位于廣西壯族自治區(qū)平果縣和巴馬瑤族自治縣的交界、廣東省茂名市高州市以及廣東省肇慶市懷集縣，其定位結(jié)果如表1及圖3所示，與中國(guó)臺(tái)網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)有很好的一致性。

4　結(jié)　論

本文通過(guò)對(duì)近震定位技術(shù)的研究，采用計(jì)算輔助定位法，利用根據(jù)P波到時(shí)對(duì)近震震源進(jìn)行定位，并且應(yīng)用于桂東北地區(qū)的寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)采集到的近震資料，應(yīng)用結(jié)果表明近震定位技術(shù)不僅可以得到近震的震中位置、震源深度以及發(fā)震時(shí)刻，而且可以得到地震波在震源以上部分地殼中傳播的平均P波速度，其結(jié)果與中國(guó)臺(tái)網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)十分吻合。

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The Application of Near Earthquake Location Technique to Temporal Seismic Network in Northeastern Guangxi

He Xiaoling，Wang Youxue，Zhang Qi，Zeng Cheng，Wang Xinyu

(School of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541006, China)

Bydeterminationtechniqueforthelocalearthquakes,thispaperusestheP-wavearrivalstodeterminetheparametersofthelocalearthquakesoccurredinsoutheasternChina,andtheresultsshowthatthistechniquecannotonlyobtainthelocationoftheepicenter,depthandtriggertime,butalsotheaveragevelocityofP-waveabovethehypocenter.

localearthquakedetermination;P-wavearrival;broadbandseismicarray

1672—7940(2016)03—0345—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.017

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41574039)

何曉玲(1990-)，女，碩士研究生，主要從事應(yīng)用地球物理研究。E-mail:hexiaoling_gut@sina.com

P631

A

2016-01-26