Sg、Sn震相對新疆及相鄰地區(qū)速報地震定位的影響分析①

趙石柱， 張 勇， 閆新義

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震定位是地震學中最基礎的問題之一[1]，而地震速報作為地震監(jiān)測的一線工作，短時間內(nèi)測定出準確的發(fā)震時刻、震中位置、震級，對減輕地震災害起到積極作用[2]。準確的地震定位不僅是研究地震動態(tài)圖像、構造與地震關系的基礎，還能為大震應急、抗震救災提供科學的判斷依據(jù)[3-4]。隨著數(shù)字臺網(wǎng)的建設使用，臺站的不斷架設、地殼速度模型的改進以及選取合適的定位方法，大大提升了地震定位的精度。但對于網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震，定位精度目前無法做到特別準確，有時甚至偏差幾十公里，所以盡可能做到科學地建設臺網(wǎng)布局，加強對外合作共享地震臺站數(shù)據(jù)，以及提高地震波形的信噪比，準確標注地震震相，能夠在未來的地震定位中取得更大突破。

新疆是中國地震活動較頻繁的地區(qū)之一[5]，每年記錄到的地震數(shù)達到2萬多條，其震中位置主要分布在阿爾泰、北天山、南天山、阿爾金、西昆侖5個地震帶上。而臺址的勘選不僅要考慮整體臺網(wǎng)布局與觀測需要，同時還要兼顧通信、供電以及長期觀測要求[6]。新疆地域遼闊、地震臺站稀疏且布局不合理、地殼結構復雜[7]，總體上呈“三山加兩盆”的地貌特征，所以偏遠地區(qū)無法兼顧通信和供電。當新疆邊界地區(qū)的地震臺站發(fā)生斷記時，由于地處偏遠、工作條件有限、無法及時維護。若此時發(fā)生地震，由于臺站間的空隙角大，定位結果存在偏差，給速報工作帶來較大困擾。由于一個不同的震相、標注的地震臺站個數(shù)以及臺站間的空隙角不同，震中位置就可能定位到不同的國家或地區(qū)。當新疆境內(nèi)(西昆侖、阿爾金山地區(qū)除外)發(fā)生地震時，由于臺站密度相對較高且對地震震中包圍較好，只用Pg、Pn震相進行定位就能較好地計算出地震參數(shù)結果。但新疆相鄰地區(qū)發(fā)生地震時，由于不具備以上條件，只用Pg、Pn震相進行定位不僅結果不可靠，甚至會出現(xiàn)震中位置反向的結果，而加上Sg、Sn震相就可以避免震中反向的發(fā)生。圖1為2015年7月14日吉爾吉斯斯坦MS4.8地震未使用續(xù)至震相Sg、Sn(紅點)和使用續(xù)至震相Sg、Sn(藍點)震中位置的對比圖。

圖1 吉爾吉斯斯坦MS4.8地震使用續(xù)至震相Sg、Sn前后的震中位置對比圖Fig.1 Comparison of epicenter positions before and after seismic phases Sg and Snin Kyrgyzstan MS4.8 earthquake

1 數(shù)據(jù)資料和定位方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

地震定位精度主要受臺站密度和分布的影響[8]，2015年新疆測震臺網(wǎng)接入了國際共享地震臺站，提高了邊境地區(qū)地震的定位精度，為研究震中反向的現(xiàn)象提供了條件。考慮地震事件波形數(shù)據(jù)的完整性，本文中選取2014年1月～2019年3月MS≥4.0的新疆地震臺網(wǎng)速報地震257個。MS≥4.0的地震震相清楚，且被更多的地震臺站所記錄，震中位置精度較高。在選取的地震事件波形中，剔除了大地震發(fā)生后淹沒在主震波形的MS≥4.0地震事件波形和中深源地震的地震事件波形，因為前者被主震波形干擾而無法正確拾取地震震相，后者地震震源發(fā)生在上地幔，記錄到的是地幔折射波P、S震相，不是殼內(nèi)Pg、Pn、Sg、Sn震相。本文中所用的原始地震波形資料來自新疆地震臺網(wǎng)中心，地震震中參數(shù)來源于中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄。選取了78個新疆測震臺，共享了17個臨省測震臺及15個國際測震臺的地震波形數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 新疆測震臺站、臨省共享臺站、國際共享臺站分布示意圖Fig.2 Distribution of Xinjiang seismic stations,neighboring stations and international shared stations

1.2 定位方法選取

MSDP作為計算機技術發(fā)展的智能化產(chǎn)物，集成了單純形、Locsat、Hyposat定位方法[9]。新疆測震臺網(wǎng)通常用單純形方法定位新疆及相鄰地區(qū)的淺源地震，主要是因為單純形方法定位殘差小、軟件操作簡潔方便[10]，不會出現(xiàn)因震源深度為0而采用固定震源深度再對地震事件定位的操作，且臺站稀疏、分布不理想時，單純形方法是數(shù)值性能較好的最優(yōu)化方法[11-13]，梁向軍認為對于網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震，單純形方法是最理想的定位方法[14]。而中深源地震通常用Hyposat方法來定位，該方法定出的震源深度比較準確，且得出的定位殘差較小。Locsat定位方法不適宜在新疆及相鄰地區(qū)使用，因為定位出的結果不僅殘差大，不符合定位要求，而且容易出現(xiàn)定位報錯，從而無法得出參數(shù)結果。

1.3 速度模型選取

新疆測震臺網(wǎng)通常用“3400走時表”作為單純形方法的速度模型(表1)，該模型屬于大范圍的平均走時表，震中距越大，符合越好[15]，適用于新疆，它的測線是從帕米爾經(jīng)過中亞、阿勒泰薩彥到貝加爾沿岸分布的，新疆西部和北部邊境地區(qū)的地震震中恰好都落在此測線附近。

表1 3400地殼速度模型

2 地震定位

標注地震震相通常是搜索出最先到達地震臺站的初至震相Pg(或Pn)波，然后按臺間距排序依次標注15～20個Pg、Pn震相。采用該方法的原因是震相標注少了易出現(xiàn)震級偏小或臺站間的最大空隙角偏大而定出的震中偏差大等情況，而震相標注多了易出現(xiàn)速報地震報出時間超時或定位殘差大等情況。

(1) 網(wǎng)內(nèi)地震

只標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后，定出震中結果，分析與中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關系。標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后，再標注Sg、Sn震相，以Sg、Sn震相個數(shù)不同而分別定出震中結果,Sg、Sn震相個數(shù)分別標注1、3、5、7個定出震中結果，分析震中位置的變化規(guī)律以及與中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關系。

(2) 網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震

只標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后，判斷是否出現(xiàn)震中反向的定位結果。如果出現(xiàn)震中反向定位結果，分析最大空隙角達到多大時會出現(xiàn)震中反向，再通過標注Sg、Sn震相，分析標注幾個Sg、Sn震相才能避免震中反向的發(fā)生。再以Sg、Sn震相個數(shù)不同而分別定出震中結果，Sg、Sn震相個數(shù)分別標注1、3、5、7個定出定位結果，分析震中位置的變化規(guī)律以及與中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關系。如果不出現(xiàn)震中反向定位結果，不僅定位出只標注Pg、Pn震相定出震中結果，還要以Sg、Sn震相個數(shù)不同而分別定出震中結果，Sg、Sn震相個數(shù)分別標注1、3、5、7個定出震中結果，分析震中位置的變化規(guī)律以及與中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關系。

3 地震定位結果分析

對網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)緣、網(wǎng)外地震定位出的震中結果與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的震中結果進行對比，研究Sg、Sn震相對地震震中位置的影響規(guī)律。

3.1 網(wǎng)內(nèi)地震

只標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后定出的163個網(wǎng)內(nèi)地震中，有139個定出的地震震中位置與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄震中偏差在10 km以內(nèi)，占85.28%，定出的地震震中位置與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄震中偏差在10 km以上的24個地震中，有6個地震發(fā)生在地震速報范圍內(nèi)的省外(一般以震中位置所在地的省級地震臺網(wǎng)或中國地震臺網(wǎng)中心的結果為準)、有1個地震發(fā)生在地震速報范圍內(nèi)的國外、有17個地震發(fā)生在地震臺站密度低或地震臺站分布不均勻的的新疆西昆侖及阿爾金山地區(qū)。通過163個網(wǎng)內(nèi)地震分析發(fā)現(xiàn)，除了發(fā)生在臺站密度低或地震臺站分布不均勻的西昆侖、阿爾金山地區(qū)和速報范圍內(nèi)的省外、國外24個地震之外，其余139個地震均可以只標注Pg、Pn震相定出震中結果，不僅與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的震中偏差在10 km以內(nèi)，還可以有效地提高地震速報時效。

標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后，分別標注1、3、5、7個Sg、Sn震相定出震中結果顯示，除了地震臺站密度低或地震臺站分布不均勻的地區(qū)外(包括省外、國外)，Sg、Sn震相不會對震中位置有較大的影響，經(jīng)度和緯度只會小幅度震蕩，震中偏差不會偏差10 km(圖3)。在地震臺站密度低或地震分布不均勻的地區(qū)，Sg、Sn震相個數(shù)對震中影響比較大，而且隨著Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位偏移。如2014年2月12日新疆于田MS7.3地震及其余震序列最大空隙角朝南，隨著Sg、Sn震相個數(shù)的增多，震中緯度向南偏移，經(jīng)度小幅震蕩；2015年2月15日新疆烏恰MS4.7地震最大空隙角朝西，隨著Sg、Sn震相個數(shù)的增多，震中經(jīng)度向西偏移，經(jīng)度小幅震蕩。通過震中位置對比，在地震臺站密度低或地震臺站分布不均勻的地區(qū)，Sg、Sn震相標注3～7個時，地震震中位置比較接近中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的結果，而Sg、Sn震相標注的越多，定位殘差越大，容易超過設定的殘差值，干擾速報人員的判斷，且Sg、Sn震相標注5個和7個時震中位置變化不大，因此標注Sg、Sn震相3～5個最佳。

圖3 網(wǎng)內(nèi)速報地震隨著Sg、Sn震相個數(shù)不同而震中位置的變化圖Fig.3 Variation diagram of epicenter position in quick report network with different numberof Sg and Sn seismic phases

3.2 網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震

只標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后，對地震事件定位后發(fā)現(xiàn)，94個網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震中，有11個地震出現(xiàn)震中反向現(xiàn)象，占11.7%，少數(shù)地震出現(xiàn)震中反向時定位殘差也小(圖1)，容易干擾速報人員對地震震中位置的判斷。在出現(xiàn)震中反向的11個地震中，通過最大空隙角分析，只要最大空隙角超過180°，就有可能出現(xiàn)震中反向的現(xiàn)象，所以當最大空隙角超過180°時必須要標注Sg、Sn震相來避免震中反向的發(fā)生，在11個有震中反向的地震中，標注1個Sg、Sn震相，雖然9個地震避免了震中反向的發(fā)生，但還有2個地震依然出現(xiàn)震中反向。標注3個Sg、Sn震相時，11個地震不再出現(xiàn)震中反向的現(xiàn)象，因此要避免震中反向的出現(xiàn)，必須標注Sg、Sn震相≥3個。Sg、Sn震相分別標注1、3、5、7個定出震中結果分析發(fā)現(xiàn)，總體上隨著Sg、Sn震相的增多震中位置往最大空隙角的方位移動。通過分析震中偏差，標注Sg、Sn震相3～7個時，與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的震中偏差最小(圖4)。不出現(xiàn)震中反向的網(wǎng)緣或網(wǎng)外83個地震中，大多數(shù)地震隨著Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位移動。標注Sg、Sn震相1、3、5、7個定出震中結果，分析表明，當Sg、Sn震相標注3～7時與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄結果最為接近。

圖4 網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震隨著Sg、Sn震相個數(shù)不同而震中位置的變化圖Fig.4 Variation of epicenter position in network edge or off with different number of Sg and Sn seismic phases

4 結論與討論

選取2014年1月～2019年3月MS≥4.0的速報地震257個，通過標注Sg、Sn震相分析Sg、Sn震相對新疆及相鄰地區(qū)速報地震定位的影響，得出以下結論：

(1) 只標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后定出的163個網(wǎng)內(nèi)地震中，除了疆內(nèi)臺站密度低或地震臺站分布不均勻的西昆侖及阿爾金山地區(qū)、速報范圍內(nèi)的省外國外24個地震外，其余139個定出的地震震中位置與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄震中偏差小于10 km。因此，筆者認為除了西昆侖及阿爾金山地區(qū)的地震、速報范圍內(nèi)的省外國外地震，新疆所有地區(qū)均可以只標注Pg、Pn震相定出定位結果，以大幅縮短速報時間。

(2) 網(wǎng)內(nèi)地震標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后，分別標注1、3、5、7個Sg、Sn震相定出震中結果分析發(fā)現(xiàn)，除了地震臺站密度低或地震臺站分布不均勻的地區(qū)外，Sg、Sn震相不會對震中位置有較大的影響，經(jīng)度和緯度只會小幅度震蕩，震中偏差小于10 km。在地震臺站密度低或地震分布不均勻的地區(qū)(包括省外、國外)，隨著Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位移動，且Sg、Sn震相標注3～5個時，地震震中位置接近中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的結果。

(3) 只標注Pg、Pn震相，對震中位置達到最大包圍后，對地震事件定位后發(fā)現(xiàn)，94個網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震中，有11個地震出現(xiàn)震中反向現(xiàn)象。通過最大空隙角分析，在最大空隙角超過180°時有可能發(fā)生震中反向，且當Sg、Sn震相標注大于3時，可完全避免出現(xiàn)震中反向的發(fā)生。通過94個網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震標注Sg、Sn震相定位分析，隨著Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位移動。用Sg、Sn震相個數(shù)分別標注1、3、5、7個定出震中結果，當Sg、Sn震相標注3～7時，與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄結果接近。

通過標注Sg、Sn震相，分析新疆及相鄰地區(qū)MS≥4.0的速報地震257個，分析Sg、Sn震相對震中位置的影響規(guī)律，可以縮短速報時間并提高定位精度，但速報地震最先要考慮的因素是要正確判斷地震類型—天然地震和非天然地震。盡管天然地震有淺源地震、中深源地震、深源地震之分，但非天然地震均屬于淺源地震，且一般情況下天然地震的震源深度比非天然地震的震源深度要深，所以震源深度對地震類型的判斷有明顯的約束作用。需結合地震波形垂直向的初動方向和尖銳程度、振幅周期、振幅比、尾波的持續(xù)時間、地震發(fā)生的時間、地點等因素綜合判斷速報地震的地震類型。目前為止，快速準確速報地震最科學的方法還是要均勻分布地震臺站、增加地震臺站密度、改進速度模型、選用適合的定位方法、加強國內(nèi)外合作共享地震波形數(shù)據(jù)以及提高實時傳輸數(shù)據(jù)能力等。