JOPENS6.0地震定位新方法在上海及周邊地區(qū)地震適用性應(yīng)用探討

賈思超，孫冬軍，畢 波

(上海市地震局，上海 200062)

0 引言

地震定位是地震學最基本的問題，它在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、區(qū)域地震活動性、地震構(gòu)造研究中都具有不可替代的作用，對震后的減災(zāi)、救災(zāi)工作至關(guān)重要。所以，如何快速精準地對區(qū)域地震進行定位，已經(jīng)成為現(xiàn)代地震監(jiān)測臺網(wǎng)工作的重中之重。在地震臺網(wǎng)的日常工作中，選用“十五”中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目開發(fā)的JOPENS系統(tǒng)模塊， 其中地震地位功能屬于該系統(tǒng)中的人機交互快速處理與速報(MSDP)。在JOPENS軟件4.3、5.2版本中，一般只運用單純型法、HypoSAT、Hypo2000這3種方法對地震進行定位。而最新推出的JOPENS6.0版本，開發(fā)人員為地震定位提供了多種新定位方法，如自適應(yīng)演化算法、ISCloc、ISCloc2、LOC3dSB(川滇3D)等。JOPENS6.0不僅有新的定位方法，還集成了新的全國一維速度模型。新方法、新模型的推廣應(yīng)用為地震監(jiān)測技術(shù)人員在地震定位工作方面提供更多途徑的同時，也拓展了地震定位準確性提升的空間。本文應(yīng)用JOPENS6.0系統(tǒng)中新型定位方法，選取上海及周邊地區(qū)不同類型的地震進行定位，進而對地震定位新方法在該區(qū)域的適用性進行初步探討。

1 幾種定位方法簡介

最新推出的JOPENS6.0版本中，研究人員開發(fā)了多種新的定位方法，其中LOC3dSB(川滇3D)只適用于川滇地區(qū)的近震定位，故不在本文探討之列。因此，本文擬采用單純型法、自適應(yīng)演化算法、ISCloc、ISCloc2、Hyposat、LocSAT、Hypo2000等7種定位方法對地震事件進行重新定位。另外，文章主要探討上海及周邊地區(qū)的地震定位，地震事件沒有選取遠震。下面針對以上幾種定位方法進行簡單介紹：

(1)單純型法

用于地方震、近震和遠震的定位方法。利用數(shù)學的單純型搜索極值的方法，搜索殘差最小的位置即震中。該方法的優(yōu)點是計算速度快，適用范圍廣，缺點是定位結(jié)果中沒有有關(guān)定位精度的誤差估計。

(2)自適應(yīng)演化算法

該方法是用遺傳算法搜索殘差最小的震中位置，每次結(jié)果有一些小的差別，是一種用于地方震、近震和遠震的定位方法。

(3)ISCloc和ISCloc2

ISCloc是國際地震中心(ISC)當前編目采用的定位算法，用于地方震、近震和遠震的定位，可使用J-B全球走時表，更適合于遠震定位。

ISCloc2為國際地震中心(ISC)最新推出的定位方法，相對于 ISCloc，它的主要改變在于采用了鄰域算法估計震源的初始參數(shù)，對遠震采用了 ak135 全球走時表，更適合于遠震定位。

(4)Hyposat和Hypo2000

Hyposat是一個為震源定位而開發(fā)的程序包，它利用了走時數(shù)據(jù)、反方位角值和射線參數(shù)值等參數(shù)對地震進行定位，用于處理地方震、近震和遠震。

Hypo2000是一個適用于地方震和近震的地震定位和定震級的程序。該方法可為每個地震臺站指定不同的速度模型, 定位起始位置均采用近臺初值，從而得到某次地震的震中位置、震源深度和震級大小。

(5)LocSAT

一種集成定位程序，現(xiàn)已改寫為java程序，被集成到JOPENS6.0系統(tǒng)的MSDP中，用于地方震、近震和遠震的定位。

2 資料選取及定位結(jié)果分析

2.1 資料的選取與對比

上海地處江蘇與浙江兩省之間，東臨黃海和東海，其特殊的地理位置有利于上海地震臺網(wǎng)監(jiān)測到不同震中距、不同類型的地震。上海數(shù)字地震臺網(wǎng)于本世紀初正式投入使用，由17個測震臺站和1個臺網(wǎng)部組成，其中地表地震臺站9個、井下地震臺站6個、綜合深井地震臺站2個。經(jīng)過十幾年的臺站改造和設(shè)備升級，特別是“十五”期間的建設(shè)，臺站在數(shù)量和儀器性能上都有了大幅的提高。至今上海市行政區(qū)域的測震臺網(wǎng)監(jiān)控能力達到M≥0.5，上海行政區(qū)外50km范圍內(nèi)測震監(jiān)控能力達到M≥1.5，定位精度小于5km。本文選取上海數(shù)字地震臺網(wǎng)2016年4月至2017年9月(2016年4月以前的地震事件沒有儲存震相文件，無法進行控制變量的對比)期間記錄的37次地震事件，其中網(wǎng)內(nèi)地震12次、網(wǎng)緣地震4次、網(wǎng)外地震10次、爆破事件10次、核爆1次。利用JOPENS6.0軟件對以上地震事件進行重新定位，分析幾種定位方法的不同特點。上海數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站及地震震中位置分布見圖 1。

圖1 數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站及地震震中位置分布Fig.1 Distribution of digital seismic stations and location of epicenters

2.2 震中位置對比

JOPENS6.0系統(tǒng)7種定位方法測定的震中結(jié)果與編目結(jié)果對比見表1。

7種方法定位的震中位置與編目震中位置之間的誤差為：

Δ=111.199{(φ1-φ2)2+(λ1-λ2)2

cos[(φ1+φ2)]/2}1/2

式中：Δ為兩點間的震中誤差，單位為km；(φ1、λ1)、(φ2、λ2)分別為兩者震中位置的緯度和經(jīng)度。通過計算得出了7種定位結(jié)果與編目數(shù)據(jù)定位結(jié)果的誤差，結(jié)果分別見圖2、3、4、5。

由表1和圖2、3、4、5可見，對于網(wǎng)緣地震事件，7種定位方法中用單純型、自適應(yīng)演化法和Hypo2000定位得到的震中位置差較小，定位較為精準。其中，單純型擬合曲線最好而ISCloc2最差；在處理爆破事件時，ISCloc2多次無法準確定位且其定位效果不理想，而Hyposat的震中位置差曲線相對平緩，優(yōu)于其他6種定位方法；在定位網(wǎng)外地震時，單純型和自適應(yīng)演化法的穩(wěn)定性比較突出，ISCloc和LocSAT的定位結(jié)果也相對較好，同時可以發(fā)現(xiàn)Hypo2000并不適合網(wǎng)外地震的定位；7種定位方法在定位網(wǎng)內(nèi)地震時，定位結(jié)果誤差都不大，均取得了較好的效果，從而可以判斷7種定位方法均可用于網(wǎng)內(nèi)地震的定位。

表1 7種定位方法測定的震中結(jié)果與編目結(jié)果

續(xù)表1

日期時間地點震級編目經(jīng)緯度(單位°)單純型自適應(yīng)演化法ISClocISCloc2HyposatLocSAT Hypo20002016-08-0221∶00∶24.4江蘇連云港市贛榆區(qū)海域2.934.82 120.07 34.48120.0634.47120.0834.34120.1834.73119.7734.59119.7334.17120.2034.15119.522016-08-1800∶21∶50.2江蘇鹽城市大豐市2.333.17 120.70 33.14120.6833.14120.6933.01120.6833.12120.7033.14120.6733.00120.7033.67120.882016-09-0910∶12∶41.5上海崇明縣近海0.831.28 122.23 31.27122.2331.28122.2331.26122.1931.27122.2131.35122.2431.25122.1831.26122.212016-10-2004∶51∶10.9江蘇鹽城市射陽縣4.433.70 120.30 33.62120.3733.60120.3933.77120.4433.85120.3034.15120.2833.40120.4834.05120.402016-10-2919∶32∶10.0上海崇明區(qū)近海1.031.27 122.22 31.27122.2231.25122.2231.24122.1731.25122.1931.27122.2631.24122.1731.26122.202016-11-0318∶58∶16.9黃海海域2.234.42 120.87 34.39120.8334.41120.9134.17120.8635.54121.0035.96120.8834.19120.8934.03121.942016-11-0620∶37∶24.9黃海海域0.732.33 122.77 32.33122.7632.31122.7332.33122.5932.35122.58數(shù)據(jù)異常無法定位31.07121.822016-12-2206∶50∶33.4浙江湖州市長興縣1.130.92 199.88 30.88119.9330.89119.9030.89119.8830.88119.8030.89119.92無法定位30.88119.922016-12-2912∶54∶08.8江蘇蘇州市常熟市1.331.62 120.75 31.62120.7331.66120.7331.61120.7431.63120.7331.62120.7431.61120.7431.62120.722017-01-2219∶40∶26.3浙江常州市金壇市1.931.67 199.47 31.68119.4531.68119.4731.74119.3931.82119.3131.84119.2931.60119.5731.90119.232017-01-2619∶35∶17.0上海崇明區(qū)0.131.72 121.18 34.68121.1731.69121.1731.69121.1831.70121.1831.66121.1731.67121.1831.67121.172017-02-0500∶45∶24.9江蘇泰州市靖江市2.831.97 120.23 31.98120.2131.97120.2031.94120.2232.00120.2132.02120.0831.90120.3031.92120.252017-02-0917∶29∶05.8江蘇南通市通州區(qū)1.031.87 120.93 31.86120.9331.86120.943.1.84120.9531.86120.9431.89120.88無法定位31.85120.922017-03-0415∶49∶49.5上海崇明區(qū)近海1.531.20 122.22 31.20122.2231.20122.2131.20122.1731.20122.1931.20122.2031.19122.1731.20122.212017-03-3114∶24∶50.0上海崇明區(qū)近海1.231.32 122.50 31.34122.5731.34122.5831.32122.4831.34122.5131.32122.5231.31122.4531.40122.622017-04-0203∶15∶42.8上海崇明區(qū)近海0.331.23 122.33 31.24122.3631.22122.3431.22122.3131.29122.4931.22122.3431.22122.2931.23122.332017-04-1202∶25∶36.7浙江杭州市臨安市4.230.08 119.33 30.04119.3330.04119.3530.07119.3530.12119.4330.09119.3630.18119.4930.00119.252017-05-2511∶23∶53.5上海崇明區(qū)0.431.70 121.42 31.71121.4231.78121.4731.73121.4331.70121.4231.70121.4231.68121.4231.70121.422017-08-1104∶39∶00.7上海徐匯區(qū)0.631.13 121.43 31.13121.4331.15121.4531.13121.4231.13121.4331.13121.4331.13121.4331.13121.432017-08-1214∶52∶55.7上海金山區(qū)近海1.130.58 121.47 30.58121.4730.57121.4530.57121.4730.62121.4730.58121.4730.58121.4730.58121.472017-09-0311∶30∶01.6朝鮮(疑爆)6.341.35 129.12 36.49125.2033.48123.5333.48123.5336.08124.9336.16125.05無法定位32.25122.41

圖2 網(wǎng)緣地震定位結(jié)果對比Fig.2 Comparison of location results of rim earthquakes

圖3 爆破地震定位結(jié)果對比Fig.3 Comparison of location results of blasting earthquakes

圖4 網(wǎng)外地震定位結(jié)果對比Fig.4 Comparison of location results of external earthquakes

圖5 網(wǎng)內(nèi)地震定位結(jié)果對比Fig.5 Comparison of location results of internal earthquakes

2.3 地震的震級對比

將選用的37次地震事件用JOPENS6.0系統(tǒng)搭載的7種測震方法逐一進行定位，得出的震級與地震編目震級進行對比，結(jié)果見圖6。

圖6 7種定位方法的震級誤差分布圖Fig.6 Distribution of magnitude error by 7 location methods

由圖6可見，7種定位方法所定位的地震震級差有90%在-0.2～0.3，這說明7種定位方法對所選地震定位的震級結(jié)果與編目震級結(jié)果是均較為一致的，其中LocSAT所定位的震級結(jié)果與編目震級擬合的更好。而對37次地震事件的重新定位結(jié)果中大多數(shù)震級結(jié)果比編目震級要大0.1～0.2，這也從側(cè)面反映出JOPENS6.0系統(tǒng)在一定程度上改善了在定位網(wǎng)內(nèi)地震和近震時震級偏小的問題。

2.4 震源深度

在地震定位中，震源深度的測定是最為困難的，主要原因是地震發(fā)生在地下幾千米到幾百千米的位置，而目前大多數(shù)地震儀上的地震拾震器只能布設(shè)在地表基巖或幾百米深的綜合深井中，致使拾震器不能有效地包圍震源，造成在后期地震定位中不能很好地約束震源深度。因此只能根據(jù)其計算的深度誤差和通常對某一地區(qū)震源分布的認識來認定某個地震的定位深度可能更合理一些，這對定位方法的適用性比較意義不大，故在本項目中并未對震源深度做更多的研究。

2.5 殘差分布

由圖7所示，7種定位方法的殘差分布情況，其殘差平均值分別為單純型0.311；自適應(yīng)演化法0.281；ISCloc法0.658；ISCloc2法1.096；Hyposat法0.586；LocSAT法0.467；Hypo2000法0.997，其中，單純型與自適應(yīng)演化法的殘差平均值最小，兩條殘差曲線的形態(tài)基本一致，其擬合度最好，殘差集中在1.0之下; 而Hypo2000法與ISCloc2法的定位殘差略高于其他5種定位方法，這種現(xiàn)象在定位網(wǎng)外地震時更為明顯。

圖7 7種定位方法的殘差分布圖Fig.7 Residual distribution of 7 location methods

3 討論與結(jié)論

利用JOPENS6.0中7種不同的地震定位方法，對上海數(shù)字地震臺網(wǎng)2016年4月至2017年9月期間記錄到的37次地震事件進行重新定位，將其計算結(jié)果與編目結(jié)果進行比較，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)地震震中距及類型的不同，可以合理選擇不同的定位方法對地震進行處理，如：在處理網(wǎng)緣地震時，可以使用Hypo2000和自適應(yīng)演化法定位；在處理爆破地震時，可選取HypoSAT及ISCloc方法；對于網(wǎng)外地震的處理，建議使用自適應(yīng)演化法和LocSAT進行定位；而處理網(wǎng)內(nèi)近震時單純型法為最合適的選擇。

(2)研究發(fā)現(xiàn)，通過對比震中位置、震級和殘差等因素，ISCloc2并不適合上海及周邊臨近地區(qū)地震的定位，很可能與ISCloc2使用了 ak135全球走時表有關(guān)，該方法可能更適合于遠震定位；而Hypo2000在定位網(wǎng)外地震時表現(xiàn)很不理想，建議避免使用其處理位置較遠的地震。

(3)通過震級對比發(fā)現(xiàn)，37次地震事件的重新定位結(jié)果中，大多數(shù)震級結(jié)果比編目震級要大0.1～0.2，這說明新的JOPENS6.0系統(tǒng)可能在一定程度上改善了過去定位地震，尤其是網(wǎng)內(nèi)地震和近震時震級偏小的問題。

本文研究所采用的網(wǎng)外地震震例較少，故未能很好地反映網(wǎng)外及遠震的定位情況，這有待在以后繼續(xù)深入研究。由于本文研究選用的樣本資料有限,同時地震數(shù)據(jù)處理可能存在一定的誤差,導致最終結(jié)論可能存在一些錯誤,敬請各位專家同行批評指正。