于俊誼,馬起楊
(浙江省地震局,杭州 310013)
利用波速擾動定量分析Hyposat方法的定位誤差
于俊誼,馬起楊
(浙江省地震局,杭州 310013)
以浙江省數(shù)字地震臺網(wǎng)的臺站布局為基礎(chǔ),在浙江省內(nèi)以0.1°×0.1°網(wǎng)格點作為虛擬地震震中,利用浙江2015地殼速度模型計算了各臺站Pn、Sn、Pg、Sg震相到時,對速度模型及各震相走時增加適量擾動,進而使用Hyposat進行地震定位。定位結(jié)果與虛擬震源位置對比顯示:①對于震中位置,當速度模型中速度偏差小于0.1 km/s時,所得震中偏差基本在3 km以內(nèi),但在某些區(qū)域會出現(xiàn)無法有效定位的情況;②對于震源深度,與僅使用Pg、Sg(或Pb、Sb)震相定位的結(jié)果相比,當Pn、Sn震相參與定位時,震源深度的計算結(jié)果更接近實際震源深度,且計算結(jié)果的一致性更好。
Hyposat;定位偏差;震源深度偏差
地震定位研究是地震學研究的基礎(chǔ)內(nèi)容。隨著地震學家對震相走時理論研究的不斷深入、臺站到時提取精度的提高以及計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用,地震定位的精度得到了不斷的提高?;诓煌牡卣鹫鹣嗉白邥r方程,研究人員開發(fā)了不同的地震定位方法,目前使用較為普遍的定位方法主要有Hypo81[1]、單純型法[2]、Hypo2000[3]、Hyposat、網(wǎng)格搜索法[4]、遺傳算法[5]等地震定位算法。
測震臺網(wǎng)軟件JOPENS是我國地震臺網(wǎng)地震資料處理的基礎(chǔ)軟件。Hyposat定位方法外掛于該軟件的人機交互模塊MSDP中,已成為各區(qū)域臺網(wǎng)進行地震定位時使用最多的定位方法之一。Hyposat是一個用于地震定位的軟件包,開發(fā)者開發(fā)該軟件包的初衷是為了最大限度地使用觀測到的震相信息進行地震定位。在地震定位過程中使用了震相到時、反方位角及震相的射線參數(shù)等信息。Hyposat可以使用IASP91標準震相列表中的所有震相進行地震定位,也可以使用單臺記錄到不同震相的到時差作為獨立參數(shù)參與定位計算[6]。
在使用過程中,一些學者發(fā)現(xiàn)Hyposat方法可以較好地確定震中位置,卻不能穩(wěn)定地確定震源深度。特別是在使用直達波震相進行定位時,介質(zhì)波速的小幅改變都會帶來震源深度較大的偏差,甚至出現(xiàn)無法確定震源深度的情況。一些學者認為這種現(xiàn)象是由于定位時使用了與實際情況偏差較大的速度模型所造成的。本研究基于浙江省區(qū)域地震波速度模型,通過對速度模型添加擾動,評估本區(qū)域內(nèi)地殼一維速度模型對Hyposat方法定位誤差的影響。
影響地震定位精度的主要因素包括速度模型、臺站布局、震相的數(shù)量及震相識別精確度。為了評估Hyposat定位方法在浙江省定位誤差的分布情況,本研究在浙江省數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站布局(圖1)的基礎(chǔ)上,以給定的速度模型計算幾種常見震相的到時(即理論走時)。由此得到虛擬地震發(fā)震時刻、震中位置、震源深度及各臺站的震相到時。為了模擬人工讀數(shù)誤差,向震相到時中加入了一定的時間擾動,然后用Hyposat方法進行定位。定位過程中適當改變定位速度模型中Pg、Pn震相的波速值(Sg、Sn震相的波速按波速比系數(shù)調(diào)整),最后用定位結(jié)果與理論震源位置的偏差來評估速度模型變化對定位誤差的影響。
真實的地下結(jié)構(gòu)是不均勻的,各種定位方法用來定位的速度模型均為近似的真實速度結(jié)構(gòu)。本研究使用浙江2015地殼模型[7]作為理論速度模型計算各種震相的走時。浙江2015地殼速度模型如表1。
表1 浙江2015地殼速度模型
在浙江省區(qū)域范圍內(nèi),以經(jīng)緯度0.1°間隔的網(wǎng)格點作為虛擬地震震中,以5、10、15、20 km作為虛擬地震的震源深度,根據(jù)表1給出的速度模型按照式(1)、式(2)分別計算Pg、Sg、Pn、Sn震相的走時,由式(3)可計算得到首波盲區(qū)范圍。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
當震源深度為25 km時,震源處于下地殼,不再出現(xiàn)Pg、Sg震相。這時使用Pb、Sb震相替代Pg、Sg震相進行計算,下地殼地震Pb、Sb震相走時通過解方程組(4)獲得,Pn、Sn震相走時按照式(5)計算,由式(6)可計算得到首波盲區(qū)范圍。其中:Δ為震中距;h為震源深度;h1、h2分別為速度模型中第一層、第二層的厚度;v1、v2、v3為速度模型中第一層、第二層及第三層頂端對應(yīng)的波速;e1、e2為地震波由下地殼經(jīng)過康拉德界面上行至地面時的出射角和入射角。由于人工識別震相時會有一定的讀數(shù)誤差,在理論到時上添加均勻分布的-0.05~0.05 s隨機誤差以模擬讀數(shù)誤差,從而得到用于測試Hyposat方法的到時數(shù)據(jù)。本文后續(xù)所有定位測試均在該到時數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成。
為了分析縱波速度變化對Hyposat方法定位誤差的影響,本文對表1列出速度模型中的波速進行定步長調(diào)整,得到的速度模型如表2,使用調(diào)整后的速度模型進行定位。由于第二層(即康拉德界面與莫霍面之間的部分)的波速變化對Pg的走時不產(chǎn)生影響,對Pn的走時影響較小,為了突出重點及降低工作量,在對表1列出的速度模型進行變化時未對第二層的速度進行調(diào)整。
表2 用于定位的速度模型
使用表2列出的5種速度模型分別以Hyposat方法進行定位。通過對比定位結(jié)果與理論震源位置的偏差可對速度模型變化帶來的定位誤差進行定量評估。本研究選擇了震中距在200 km范圍內(nèi)的臺站參與定位,并分別使用了Pg、Sg震相組合及Pg、Sg、Pn、Sn震相組合(震源深度為25 km的情況下,使用Pb、Sb震相代替Pg、Sg震相)進行定位計算。
當震源位于上地殼時,以震源深度為10 km為例。如圖2所示,以理論速度模型進行定位時,定位震中與理論震中偏差均在1 km范圍內(nèi)。隨著定位所使用的速度模型與理論速度模型之間偏差增大,震中偏差也逐漸增大,當定位使用的Pg、Pn波速偏差達到±0.1 km/s時(速度模型1、5),定位震中偏差最大值可達3 km。
注:圖a~e為使用Pg、Sg震相組合定位震中偏差分布;圖f~j為使用Pn、Pg、Sn、Sg震相組合定位震中偏差分布;定位使用的均為表2所示的速度模型,其中:圖a、f使用了速度模型1,圖b、g使用了速度模型2,圖c、h使用了速度模型3,圖d、i使用了速度模型4,圖e、j使用了速度模型5。 圖2 945個理論深度為10 km地震的定位震中偏差
當定位使用的速度模型與理論速度模型相差不大時,使用兩種震相組合在網(wǎng)內(nèi)部分定位的震中偏差無明顯差別。在網(wǎng)緣部分,與使用Pg、Sg、Pn、Sn震相組合相比,使用Pg、Sg震相組合得到的震中位置與理論震中位置偏差略小。網(wǎng)緣部分出現(xiàn)的這種現(xiàn)象,作者分析后認為是由浙江臺網(wǎng)接入了周邊省市的共享臺站造成的。由于外省市共享臺站的存在,浙江省邊緣區(qū)域仍屬于網(wǎng)內(nèi)區(qū)域,但Pn、Sn震相需在首波盲區(qū)范圍外才會出現(xiàn),導致Pn、Sn震相記錄的臺站在省界邊緣區(qū)域缺失,從而因震相分布不均勻而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。當定位使用的速度模型偏差達到0.1 km/s時,使用Pg、Sg震相組合得到的震中位置偏差更小,但在某些臺站布局的情況下會出現(xiàn)無法定位的情況(圖3)。
震源深度為10 km時的定位深度如圖4。僅使用Pg、Sg震相計算得到的震源深度主要分布于3~15 km的范圍內(nèi),而使用Pn、Pg、Sn、Sg震相共同計算時得到的震源深度主要分布于8~11 km的范圍內(nèi)。當定位使用的Pg、Pn波速偏差達到+0.1 km/s時(模型5),在某些區(qū)域的地震使用Pg、Sg震相組合進行定位計算將無法得到有效的震源深度。使用表2所示的5種速度模型進行定位時,與使用Pg、Sg震相組合的定位深度相比,以Pn、Pg、Sn、Sg震相組合定位得到的震源深度偏差更小,且定位結(jié)果的一致性更好。
注:圖a為使用Pg、Sg震相組合的定位結(jié)果,圖中灰色部分表示未得到有效的定位結(jié)果;圖b為使用Pg、Pn、Sg、Sn震相組合的定位結(jié)果。圖3 使用表2所示速度模型5定位的震中偏差
注:圖a~e為使用Pg、Sg震相組合定位深度分布;圖f~j為使用Pn、Pg、Sn、Sg震相組合定位深度分布;使用的模型同圖2。圖4 945個理論深度為10 km地震的定位深度
注:理論震源深度為10 km;圖a為使用Pg、Sg震相組合的定位結(jié)果,圖中灰色部分表示未得到有效的定位結(jié)果;圖b為使用Pg、Pn、Sg、Sn震相組合的定位結(jié)果圖5 使用表2所示速度模型5定位得到的震源深度
當震源位于下地殼時,震中位置方面與震源深度10 km的情況基本相同(圖6)。震源深度分布見圖6~7。當僅使用Pb、Sb震相進行定位計算時得到的震源深度結(jié)果偏差較大,且結(jié)果分布較為離散(圖7a~7e);當Pn、Sn震相加入定位計算后,得到的震源深度計算結(jié)果偏差較小,且結(jié)果一致性較好(圖7f~7j)。
當震源位于上地殼的其它深度時(震源深度為5 km、15 km、20 km)定位結(jié)果對比得到的結(jié)論與震源深度為10 km的情況基本相同,本文不再詳細羅列。
本文通過設(shè)置虛擬震源,使用浙江省區(qū)域理論速度模型計算各震相走時。對速度模型添加速度擾動后,使用Hyposat方法以擾動后的速度模型進行定位計算。將定位結(jié)果與虛擬震源位置進行對比后發(fā)現(xiàn),在浙江省內(nèi)速度模型及震相組合的選取對定位結(jié)果具有較大影響。具體表現(xiàn)為:
震中位置方面,當定位使用的速度模型偏差不大時,使用不同震相組合計算得到的震中基本一致;當定位使用的速度模型與實際情況偏差較大時,使用Pg、Sg震相組合得到的震中位置較使用Pg、Sg、Pn、Sn震相組合得到的震中位置偏差略小,但在部分區(qū)域會出現(xiàn)無法得到有效定位的結(jié)果。
注:理論深度為25 km;圖a、b為震中位置偏差圖;圖c、d為計算得到的震源深度;圖a、c為使用Pg、Sg震相組合的定位結(jié)果;圖b、d為使用Pg、Pn、Sg、Sn震相組合的定位結(jié)果。圖6 使用表2所示速度模型5時的定位結(jié)果
注:圖a~e為使用Pb、Sb震相組合定位深度分布;圖f~j為使用Pn、Pb、Sn、Sb震相組合定位深度分布;使用的模型同圖2。圖7 945個理論深度為25 km地震的定位深度
震源深度方面,與使用Pg、Sg震相組合的定位深度相比,當Pn、Sn震相參與定位計算時得到的震源深度偏差會更小,且一致性更好。在浙江省區(qū)域范圍內(nèi),使用Hyposat方法進行定位時應(yīng)盡可能多地添加Pn、Sn震相參與定位,這樣可以使得到的震源位置更為準確、可靠。
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HypocenterLocationErrorAnalysisoftheHyposatMethodUsingSeismicVelocityPerturbation
YU Jun-yi,MA Qi-yang
(Zhejiang Eatrhquake Agency, Hangzhou 310013, China)
Based on the stations of Zhejiang digital seismic network and using 0.1°×0.1° grid points in Zhejiang as the virtual epicenters, we calculated the travel time of Pn, Sn, Pg and Sg seismic phases by 2015yr crust velocity model of Zhejiang province. After adding the random error on the travel time, we used Hyposat software to calculate the hypocenter location by velocity models with different range of disturbances. Comparing the virtual hypocenter with the calculation, we found that when the P-wave velocity deviation reaches within 0.1km/s, the deviation of epicenter is less than 3km. However, even in this case, there are also some improper location results in part of numerical simulations. Comparing with only making use of the Pg and Sg (Pb, Sb) phases, on the condition that Pn, Sn, Pg and Sg (Pb,Sb) phases are simultaneously used, the calculation of focal depth is closer to the virtual given value, and the calculation results are better in consistency.
Hyposat; location error; focal depth error
于俊誼,馬起楊.利用波速擾動定量分析Hyposat方法的定位誤差[J]. 華北地震科學,2017,35(4):29-33.
2017-05-25
中國地震局星火計劃攻關(guān)項目(XH18019);浙江省地震局局科技項目(2017ZJJ03)
于俊誼(1982—),男,山東煙臺人,工程師,主要從事地震監(jiān)測方面工作.E-mail:yqlyjy@163.com
P315.6
A
1003-1375(2017)04-0029-05
10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.005