不同一維速度模型的地震定位效果比較
——以小江斷裂帶為例

呂作勇，葉春明，房立華

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國地震局地球物理研究所，北京100081）

不同一維速度模型的地震定位效果比較
——以小江斷裂帶為例

呂作勇1，葉春明1，房立華2

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國地震局地球物理研究所，北京100081）

利用小江斷裂帶流動地震臺陣的觀測數(shù)據(jù)，使用三維速度模型對59個地震參考事件進行絕對定位。使用Hyposat和Hypoinverse兩種地震定位方法以及三種一維速度模型進行了地震定位試驗。試驗結(jié)果表明：對于速度結(jié)構(gòu)橫向變化較小的區(qū)域，當一維速度模型基本合理時，兩種定位方法都能得到比較準確的震中位置。與震中位置相比，震源深度對速度模型的依賴更大?；谝痪S速度模型的地震定位，應(yīng)優(yōu)先選擇人工地震測深的速度模型。對于地震資料豐富的區(qū)域，使用“最小一維速度模型”方法確定的速度模型也可以提高地震定位的精度。

地震參考事件；地震精定位；一維速度模型；小江斷裂帶

0 引言

地震定位是地震學(xué)中的基本問題之一，科學(xué)家們也一直致力于提高地震定位精度的研究工作中。速度模型是影響地震定位結(jié)果的關(guān)鍵因素之一[1]。雖然許多研究[2，3]表明應(yīng)用三維速度模型能夠有效提高地震定位精度，但是基于一維速度模型的地震定位，在精度允許的情況下具有低成本、高效率等優(yōu)勢，且目前大多數(shù)常用地震定位程序都采用一維速度模型。一維速度模型是區(qū)域地震構(gòu)造研究的重要基礎(chǔ)。因此，在地震精定位等研究工作中，建立較為準確的一維速度模型是地震定位的重要步驟之一。

通常收集先驗的速度模型作為研究所需的一維速度模型，該一維速度模型可以從人工地震探測結(jié)果、全球地殼模型和其他方面的研究結(jié)果中獲得。不同方法確定速度模型都有各自的優(yōu)缺點，其中人工地震測深結(jié)果準確，但分布稀疏，地震層析成像的結(jié)果深度分辨率較低，而接收函數(shù)給出的是S波速度，存在界面和速度的折衷等。Kissling等人[4]在研究震源位置和速度模型耦合問題中提出了一種確定最佳一維速度模型的方法，該方法廣泛地應(yīng)用于地震精定位和地震走時層析成像等初始速度模型的確定。

考慮到速度模型在地震定位等工作中的重要性，為了測試不同一維速度模型對定位結(jié)果的影響，本文挑選了小江斷裂帶區(qū)域定位精度較高的地震作為參考事件，采用不同的一維速度模型和定位方法來進行地震定位試驗，將重定位后的震源位置和參考事件的位置進行對比，從而評估不同速度模型和定位方法的定位效果，并進一步探討了地震定位中一維速度模型的選取策略，為今后地震精定位等工作提供參考。

1 資料與方法

2008年12月至2010年12月，我們在小江斷裂帶布設(shè)了50個流動地震臺站[5]。臺站平均間距約30 km，臺站分布如圖1所示。觀測期間共記錄到1 600多個近震。在對震相進行精確拾取后，使用川滇走時表三維定位軟件[6-8]，對這些地震進行了定位。為了評估速度模型對地震定位的影響，我們選取定位精度較高的地震作為地震參考事件。參考Bondár等人[9]以及呂作勇等人[10]研究給出的近震臺網(wǎng)定位精度的“Ground Truth”準則，按以下條件來選取地震參考事件：①震級ML≥1.5，記錄臺站數(shù)至少7個，震中距10km以內(nèi)至少有1個臺站；②定位空隙角小于110°；③水平定位誤差小于2 km，深度誤差小于3 km。最后共挑選出59個地震作為參考事件，其分布如圖1。

根據(jù)已有地下結(jié)構(gòu)信息，一維速度模型通?？梢詮娜斯さ卣鹛綔y結(jié)果、全球地殼模型CRUST2.0[11]和Kissling提出的方法來獲得。Kissling方法是利用地震觀測走時數(shù)據(jù)，聯(lián)合反演震源位置和一維速度模型來獲取研究區(qū)“最小一維速度模型”，該模型的各層速度是以射線長度為權(quán)重的三維速度模型的加權(quán)均值，能使地震重地位后走時殘差最小。根據(jù)上述一維速度模型的不同來源，分別開展地震定位試驗，探討一維速度模型和定位方法對定位結(jié)果的影響。

對于同一個地震，不同定位方法給出的定位結(jié)果可能會存在差異。Hyposat[12]和Hypoinverse[13]是國內(nèi)外常用的基于一維速度模型的定位方法。Hyposat能對近震和遠震定位，其特點是能使用震相走時、震相到時差以及方位角數(shù)據(jù)來進行定位。Hypoinverse只能對近震定位，其特點是能使用多個速度模型來進行定位。為了更加全面分析速度模型對定位結(jié)果的影響，我們采用Hyposat和Hypoinverse兩種方法對參考事件進行重新定位，將重定位后的震源位置和地震參考事件的位置進行比較，從而評估不同速度模型和定位方法的定位效果。

圖1 小江斷裂帶流動地震臺陣與參考事件分布圖Fig.1 Distribution of Xiaojiang fault zone temporary seismic array and reference events

2 模型

參考小江斷裂帶及其周邊已有的P波速度結(jié)構(gòu)模型，分別用三種一維速度模型來進行試驗：①模型1：全球地殼模型CRUST2.0；②模型2：穿過研究區(qū)的孟連-馬龍寬角反射剖面解釋結(jié)果[14]；③模型3：Kissling方法獲取的“最小一維速度模型”。這三種一維P波速度模型如圖2所示，S波速度根據(jù)P波與S波的波速比確定。根據(jù)小江斷裂帶附近的接收函數(shù)研究結(jié)果，該區(qū)域的波速比平均值為1.75[15]。

圖2 三種一維P波速度模型Fig.2 Three kinds of one dimensional P velocity model

圖3 Pg震相走時曲線Fig.3 Travel time curve of Pg phase

“最小一維速度模型”方法是Kissling在1994年提出的，該方法被廣泛應(yīng)用于地震精定位和地震走時層析成像等初始速度模型的確定。我們在模型2的基礎(chǔ)上，利用59個參考地震的走時資料，采用“最小一維速度模型”方法得到了模型3。研究所用地震及臺站分布如圖1，Pg震相觀測走時曲線如圖3。在反演中，根據(jù)Kissling的做法設(shè)置了震源位置的阻尼系數(shù)為0.01，速度參數(shù)的阻尼系數(shù)為0.1，經(jīng)過5次迭代反演后獲得了穩(wěn)定的結(jié)果，且與研究區(qū)已知的地下結(jié)構(gòu)信息一致，最終獲得了最優(yōu)一維P波速度模型。參考Kissling方法的做法，為了檢驗結(jié)果的穩(wěn)定性，在Kissling方法獲得的最優(yōu)模型的基礎(chǔ)上，分別增加和減小10%的速度值作為兩種不同的初始速度模型，利用上述相同的數(shù)據(jù)和方法來進行反演，最后對結(jié)果進行比較，從而檢驗結(jié)果的穩(wěn)定性。圖4給出了最小一維P波速度模型的檢驗結(jié)果，藍色和黑色實線分別表示增加和減小10%的兩種不同的速度模型，而對應(yīng)的藍色和黑色虛線分別表示反演后獲得的速度模型。檢驗結(jié)果中兩種不同初始速度模型的反演結(jié)果都接近于上述獲得的最優(yōu)模型3（圖2或圖4中的紅色實線），表明反演獲得的最優(yōu)模型3是穩(wěn)定的。

圖4 一維P波速度模型穩(wěn)定性檢驗Fig.4 Stability test for one dimensional P velocity model

3 結(jié)果

利用Hyposat和Hypoinverse兩種常用地震定位方法以及上文給出的三種定位速度模型，分別進行了兩組地震定位試驗。第一組是觀測條件較好的情況，用59個地震參考事件的所有數(shù)據(jù)來進行地震定位試驗；第二組是模擬觀測條件較差的情況，即對地震參考事件刪除了震中距＜40 km的數(shù)據(jù)以及刪除了一些臺站的數(shù)據(jù)使地震的空隙角＞110°，并保證每個地震至少有4個臺站的數(shù)據(jù)。刪除臺站數(shù)據(jù)使地震空隙角＞110°的方法是，首先計算地震的次空隙角，如果它＞110°，則刪除次空隙角所夾的臺站并結(jié)束，反之則循環(huán)刪除次空隙角所夾的臺站，直到該地震的空隙角＞110°。

圖5給出了第一組試驗的對比結(jié)果。在觀測條件較好的情況下，圖中顯示兩種定位方法與三種速度模型的組合定位試驗，都能較為準確的確定參考事件的震中位置，而確定參考事件的深度時卻有一些差別，更高精度的一維速度模型（模型3）能夠提高地震定位精度。圖6給出了第二組試驗的對比結(jié)果，在觀測條件較差的情況下，即地震的空隙角＞110°且無近臺資料（震中距≤40 km）的情況下，定位結(jié)果與參考位置相差較大，說明在觀測條件不佳時，地震定位具有較大的不確定性。

圖7和圖8分別給出了在觀測條件較好和較差的情況下，定位試驗結(jié)果偏差的統(tǒng)計直方圖。在觀測條件較好時（圖7），定位試驗的震中結(jié)果與參考位置的偏差都小于5 km，震源深度的偏差個別較大，這表明觀測條件好時，與震源深度相比，震中位置幾乎不依賴速度模型。在觀測條件較差時（圖8），約90%的震中偏差小于5 km，而震源深度的不確定性更大，定位程序甚至不能給出震源深度而固定深度為初始值（比如，10 km）。

Lomnitz[16]提出的地震定位的三條原理中指出不需要走時表（速度模型）也可以測定出地震震中，即震中確定不依賴速度模型，這與本文的定位試驗結(jié)果一致。

4 討論

上述試驗結(jié)果及分析表明，在觀測條件較好時，利用Hyposat和Hypoinverse兩種常用的地震定位方法進行地震定位時，特別是在確定地震的震源深度方面，區(qū)域速度模型優(yōu)于全球速度模型，而在速度模型基本合理的情況下，Hyposat和Hypoinverse兩種定位方法定位效果相當，都能給出可靠的震中位置，但是使用全球地殼模型CRUST2.0時，Hypoinverse定位方法不能給出合理的震源深度；由于全球地殼模型CRUST2.0的速度模型主要來源于面波層析成像反演得到的S波速度，對體波走時不敏感，從而導(dǎo)致利用該模型不能較好的確定震源深度；通過利用Kissling提出的方法進一步獲取精確的一維速度模型（模型3）能夠提高地震定位的精度。在觀測條件較差時，地震定位具有較大的不確定性。因此在臺站分布不好時，應(yīng)該盡可能使用更加合理的速度模型，從而降低地震定位的誤差。

Lomnitz[16]指出地震定位的問題是一個病態(tài)問題，速度模型的不精確會加劇地震定位的不確定性。在進行地震精定位研究工作中，選取精確的速度模型是至關(guān)重要的一個步驟，因此在利用目前常用的基于一維速度模型的地震定位方法進行精定位工作時，一維速度模型應(yīng)盡可能選擇人工地震測深的結(jié)果，在研究區(qū)能夠收集足夠的地震走時資料時，利用Kissling提出的方法獲取研究區(qū)“最小一維速度模型”能夠進一步提高地震定位的精度。

圖5 第一組地震定位試驗對比結(jié)果Fig.5 The comparison of earthquake location test of the first set

圖6 第二組地震定位試驗對比結(jié)果Fig.6 The comparison of earthquake location test of the second set

圖7 第一組試驗定位偏差統(tǒng)計直方圖Fig.7 The histogram of location deviation of the first set

圖8 第二組試驗定位偏差統(tǒng)計直方圖Fig.8 The histogram of location deviation of the second set

5 結(jié)語

本文利用小江斷裂帶流動地震臺陣觀測到的59個地震參考事件，比較了不同方法和速度模型的定位效果，獲得了以下幾點認識：

（1）Hyposat和Hypoinverse兩種方法的定位效果相當，使用人工地震測深速度模型的定位效果優(yōu)于全球速度模型。因此，定位速度模型應(yīng)盡量選擇人工地震測深的結(jié)果。在研究區(qū)能夠收集足夠的地震走時資料時，利用Kissling提出的方法獲取研究區(qū)“最小一維速度模型”能夠進一步提高地震定位的精度。

（2）在速度結(jié)構(gòu)橫向變化較小以及觀測條件較好時，Hyposat和Hypoinverse定位方法確定震中位置對速度模型的依賴較少，而震源深度卻較為依賴速度模型。

（3）在觀測條件較差時，即定位空隙角大于110°且無近臺（震中距小于40 km）參與定位時，不同方法給出的定位結(jié)果誤差變大。因此，在使用這種定位結(jié)果時，應(yīng)根據(jù)研究需要對地震目錄進行必要的篩選。

[1]朱元清，趙仲和.提高地震定位精度新方法的研究[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（5）：59-67.

[2]Wu Y.M.,Chang C.H.,Hsiao N.C.,et al.Relocation of the 1998 Rueyli,Taiwan,earthquake sequence using three-dimensionsvelocitystructurewithstations corrections[J].Terre.Atmos.Oceanic Sci.，2003，14（4）：421-430.

[3]Chen H.，Chiu J.M.，Pujol J.，et al.A simple algorithm for local earthquake location using 3D Vp and Vs models: test example in the central United States and in central eastern Taiwan[J].Bull.Seism.Soc.Am.，2006，96（1)：288-305.

[4]Kissling E.，Ellsworth W.L.，et al.Initial reference models in local earthquake tomography[J].J.Geophys. Res.，1994（99）：19 635-19 646.

[5]吳建平，楊婷，王未來，等.小江斷裂帶周邊地區(qū)三維P波速度結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造意義[J].地球物理學(xué)報，2013，56（7）：2 257-2 267.

[6]吳建平，黃媛，張?zhí)熘校?汶川8.0級地震余震分布及周邊區(qū)域P波三維速度結(jié)構(gòu)研究[J].地球物理學(xué)報，2009，52（2）：320-328.

[7]Fang L.H.，Wu J.P.，Wang W.L.，et al.Relocation of the mainshock and aftershock sequences of MS7.0 Sichuan Lushan earthquake[J].Chin Sci Bull，2013，58：3 451-3 459.

[8]Fang L.H.，Wu J.P.，Liu J.，et al.Preliminary Report on the 22 November 2014 MW6.1/MS6.3 Kangding Earthquake,Western Sichuan，China.Seismol[J].Res. Lett.，2015，86（6）：1 603-1 613.

[9]Bondár I.，Myers S.C.，Engdahl E.R.，et al.Epicentre accuracy based on seismic network Criteria.Geophys[J].J. Int.，2004，156：483-496.

[10]呂作勇，楊傳成，房立華.廣東地震臺網(wǎng)近震定位精度的經(jīng)驗性GT準則[J].震災(zāi)防御技術(shù),2014，9（增刊）：149-158.

[11]Laske，G.，Masters.，G.，Ma，Z.et al.Update on CRUST2.0-A new global crustal model at 2x2 degrees [EB/OL].[2013-03-02].Http://igppweb.ucsd.edu/~ gabi/crust2.html.

[12]Schweitzer J.HYPOSAT-an enhanced routine to locate seismic events[J].Pure Appl.Geophys.，2001，158（1-2)：277-289.

[13]Klein F.W.User's Guide to HYPOINVERSE-2000,a Fortran Program to Solve for Earthquake Locations and Magnitudes[R].Reston，Virginia：U.S.GS，2002.

[14]張中杰，白志明，王椿庸，等.岡瓦納型和揚子型地塊地殼結(jié)構(gòu)：以滇西孟連-馬龍寬角反射剖面為例[J].中國科學(xué)D輯-地球科學(xué)，2005，34（5）：387-392.

[15]李永華，吳慶舉，田小波，等.用接收函數(shù)方法研究云南及其鄰區(qū)地殼上地幔結(jié)構(gòu)[J].地球物理學(xué)報，2009，52（1）：67-80.

[16]Lomnitz C.The theorems of earthquake location[J].Bull. Seism.Soc.Am.，2006，96（1）：306-312.

Comparison of Earthquake Location Effect of Different 1D Velocity Model:Application to Xiaojiang Fault Zone

LYU Zuoyong1，YE Chunming1，F(xiàn)ANG Lihua2
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China；2.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

By using data recorded by dense temporary earthquake stations installed in the Xiaojiang fault zone, 59 earthquake reference events were absolutely located by 3D velocity model.This paper used Hyposat and Hypoinverse earthquake location methods and three kinds of 1D velocity model to do earthquake location tests. Results reveal that:when the 1D velocity model is reasonable in the regions with smaller lateral variations of velocity structure,the two methods can obtain the exact epicenter.Compared with the epicenter，the depth of thesource is more dependent on the velocity model.The application of currently earthquake location methods based on 1D velocity model，we should try to choose the result of active source detection.By the Kissling method to obtain the“minimum 1D velocity model”in the region with rich seismic data，it can improve the accuracy of earthquake location.

Earthquake reference event；Accurate earthquake location；One dimensional velocity model；Xiaojiang fault Zone

P315.7

A

1001-8662（2016）03-0043-08

10.13512/j.hndz.2016.03.006

2015-07-29

地震行業(yè)科研專項“全國統(tǒng)一編目系統(tǒng)及其相關(guān)體系研制”（201308008）資助

呂作勇（1984-），男，碩士，工程師，主要從事地震監(jiān)測工作.

E-mail：lzy@gddsn.org.cn.

房立華（1981-），男，副研究員，主要從事地震定位和深部結(jié)構(gòu)研究

E-mail：flh@cea-igp.ac.cn.

呂作勇，葉春明，房立華.不同一維速度模型的地震定位效果比較——以小江斷裂帶為例[J].華南地震，2016，36（3）：43-50.[LYU Zuoyong，YE Chunming，F(xiàn)ANG Lihua.Comparison of Earthquake Location Effect of Different 1D Velocity Model:Application to Xiaojiang Fault Zone[J]. South china journal of seismology，2016，36（3）：43-50.]