地震速報(bào)工作中S震相對(duì)震中位置影響分析①

曹昌軍， 李艷永， 任 林， 唐明帥

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震速報(bào)是地震監(jiān)測(cè)工作的首要任務(wù)和防震減災(zāi)工作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[1]，基于快速準(zhǔn)確定位地震的地震速報(bào)，對(duì)于震后的減災(zāi)、救災(zāi)工作至關(guān)重要[2]。對(duì)人工速報(bào)工作來(lái)講，從地震發(fā)生到地震參數(shù)上傳到國(guó)家臺(tái)網(wǎng)中心，只有短短的10 min左右的時(shí)間，由于時(shí)間短，參與定位的數(shù)據(jù)有限，使得初步測(cè)定的參數(shù)與最終的正式結(jié)果可能存在一定的偏差。準(zhǔn)確的地震速報(bào)信息受到臺(tái)站臺(tái)址勘選[3]、臺(tái)站布局合理性、區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、定位方法[4-6]等影響。朱元清等[7]對(duì)地震定位精度的可能誤差進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，定位精度受到臺(tái)網(wǎng)布局、震相判讀可靠性、震相到時(shí)讀取精度、地殼速度模型[8]等諸多因素的影響。盡管地震定位精度受以上諸多因素的影響，但研究結(jié)果表明，在一定的介質(zhì)結(jié)構(gòu)速度模型下，同等定位方法定位結(jié)果的可靠性主要與選取的臺(tái)站分布是否合理有關(guān)，是現(xiàn)實(shí)可改進(jìn)的因素[9]。許多學(xué)者針對(duì)地震定位中臺(tái)站選取對(duì)定位結(jié)果的影響進(jìn)行分析研究。衛(wèi)愛(ài)民等[10]認(rèn)為在合適的定位方法下應(yīng)盡量使臺(tái)站的張角足夠大，且確保初至震相P和S的準(zhǔn)確性。王斌[11]分析對(duì)于臺(tái)站包圍比較好的網(wǎng)內(nèi)地震，即使不使用后續(xù)震相定位偏差一般不超過(guò)4 km。網(wǎng)緣與網(wǎng)外地震最好盡可能多地使用各種震相數(shù)據(jù)。季愛(ài)東等[9]認(rèn)為速報(bào)定位時(shí)選擇4～9個(gè)分布相對(duì)合理的定位子臺(tái)網(wǎng)參與定位，結(jié)果較穩(wěn)定且滿足速報(bào)要求。但以上研究對(duì)定位偏差的分析都是參考正式編目或速報(bào)的結(jié)果，把正式編目或速報(bào)的結(jié)果作為真實(shí)的震源來(lái)對(duì)比，與真實(shí)震源有一定的偏差，特別是對(duì)于網(wǎng)外或者網(wǎng)緣的地震，偏差會(huì)較大。因此本研究主要通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)分析定位子臺(tái)網(wǎng)和S震相選取對(duì)定位結(jié)果的影響。

1 資料設(shè)置和處理

圖1 虛擬臺(tái)站和震中分布Fig.1 Virtual station and epicenter distribution

現(xiàn)實(shí)中測(cè)震臺(tái)站的布局受諸多因素的影響而呈不規(guī)則的分布，為便于分析和討論，本文中主要通過(guò)模擬的、規(guī)則分布的臺(tái)站分析和S震相的選取對(duì)定位結(jié)果的影響，再結(jié)合實(shí)際震例去驗(yàn)證通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果是否可靠。設(shè)置的虛擬臺(tái)站共40個(gè)，編號(hào)為1～40，地震震中位于臺(tái)站分布的幾何中心(圖1)。設(shè)定地震的基本參數(shù)：發(fā)震時(shí)刻2020年1月1日01時(shí)01分01秒，震中經(jīng)緯度(83.50°E，43.50°N)，震源深度16 km，MS5.0。

目前中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)主要使用人機(jī)交互處理軟件MSDP中的單純形法、Hyposat、Locsat等3種方法進(jìn)行定位[12-15]，本研究使用單純形法的源程序進(jìn)行定位。假設(shè)40個(gè)臺(tái)站都能記錄到該地震事件，計(jì)算各臺(tái)站的震中距；固定震源深度，根據(jù)速度模型和震中距計(jì)算各臺(tái)站的理論到時(shí)；理論到時(shí)中加入呈正態(tài)分布的隨機(jī)誤差來(lái)模擬觀測(cè)到時(shí)，依據(jù)觀測(cè)到時(shí)使用單純形定位方法選取臺(tái)站進(jìn)行定位。其中，采用的速度模型如表1所示，計(jì)算的各臺(tái)站的震中距、走時(shí)和震相類型等參數(shù)如表2所示。

表1 本文中采用的速度模型

為了驗(yàn)證單純形定位方法源程序的可靠性，使用40個(gè)臺(tái)站所有的P和S震相定位，定位時(shí)不加入隨機(jī)誤差，固定震源深度，直接用理論到時(shí)。定位結(jié)果為發(fā)震時(shí)刻2020年1月1日01時(shí)01分01秒，震中位置(83.499 8°E，43.500 5°N)，定位殘差0.32，可見(jiàn)震中位置幾乎回到了初始位置，證明了單純形定位方法源程序的可靠性。本文中主要從2個(gè)方面分析定位臺(tái)站和S震相的選取對(duì)定位結(jié)果的影響。一方面，震中位于臺(tái)站包圍較好的網(wǎng)內(nèi)；另一方面，震中位于臺(tái)站包圍較差的網(wǎng)緣或網(wǎng)外。

2 定位結(jié)果分析

2.1 震中位于臺(tái)站包圍較好的網(wǎng)內(nèi)

選取震中周圍的15、16、21、22、37、38、39和40等8個(gè)臺(tái)站(圖2)，分4種情況分析震中包圍較好時(shí)定位臺(tái)站的選取對(duì)定位結(jié)果的影響，每種情況各定位50次。

選擇8個(gè)臺(tái)站的P震相定位(圖3a)。震中最小偏差1.4 km，最大偏差3.1 km，平均偏差2.4 km，平均發(fā)震時(shí)刻0.8 s，平均殘差0.85。在選取8個(gè)臺(tái)站P震相基礎(chǔ)上，增加39和40臺(tái)站的S震相定位(圖3b)。震中最小偏差0.4 km，最大偏差2.5 km，平均偏差1.6 km，平均發(fā)震時(shí)刻0.6 s，平均殘差0.84。在選取以上臺(tái)站的P和S震相基礎(chǔ)上，增加37和38臺(tái)站的S震相參與定位(圖3c)。震中最小偏差0.1 km，最大偏差2.3 km，平均偏差1.1 km，平均發(fā)震時(shí)刻0.5 s，平均殘差0.79。選取8個(gè)臺(tái)站的所有的P和S震相參與定位(圖3d)，震中最小偏差0.1 km，最大偏差1.1 km，平均偏差0.5 km，平均發(fā)震時(shí)刻0.6 s，平均殘差0.71。

表2 各臺(tái)站的震中距、走時(shí)和震相類型

圖2 模擬震中位于網(wǎng)內(nèi)時(shí)定位臺(tái)站的選擇Fig.2 Selection of positioning stations in the in-network

2.2 震中位于臺(tái)站包圍較差的網(wǎng)緣或網(wǎng)外

選取震中一側(cè)的19個(gè)臺(tái)站(圖4)分5種情況來(lái)分析震中位于網(wǎng)緣或網(wǎng)外時(shí)定位臺(tái)站的選取對(duì)定位結(jié)果的影響，每種情況各定位50次。

選擇距離震中最近1列的4、10、16、22、28、34和39等7個(gè)臺(tái)站的P震相定位(圖5a)。震中最小偏差9.2 km，最大偏差71.5 km，平均偏差13.4 km，平均發(fā)震時(shí)刻1.59 s，平均殘差0.37。只使用第1列的P震相參與定位時(shí)，震中偏差較大，有個(gè)別定位結(jié)果甚至把網(wǎng)外的地震定位到了網(wǎng)內(nèi)。在使用第1列的7個(gè)臺(tái)站P震相的基礎(chǔ)上，增加第2列的5、11、17、23、29和35等6個(gè)臺(tái)站的P震相參與定位(圖5b)。震中最小偏差1.0 km，最大偏差8.9 km，平均偏差3.8 km，平均發(fā)震時(shí)刻1.1 s，平均殘差0.49。 隨著第2列臺(tái)站的P震相參與定位，定位的震中偏差在減小，而且定位的震中呈現(xiàn)明顯水平帶狀分布，即沿緯線分布。在使用以上13個(gè)臺(tái)站的P震相定位基礎(chǔ)上，增加第3列的6、12、18、24、30和36等6個(gè)臺(tái)站的P震相參與定位(圖5c)。震中最小偏差1.76 km，最大偏差5.5 km，平均偏差3.3 km，平均發(fā)震時(shí)刻1.3 s，平均殘差0.52，可以看出定位的震中偏差仍在減小，震中分布仍然呈現(xiàn)明顯的水平帶狀分布，即震中緯度較為穩(wěn)定，經(jīng)度呈現(xiàn)較大的振蕩，但震中的分布較圖5(b)的定位結(jié)果更集中。使用第1列7個(gè)臺(tái)站的P震相和第2列6個(gè)臺(tái)站的S震相定位(圖5d)。震中最小偏差0.1 km，最大偏差3.7 km，平均偏差1.6 km，平均發(fā)震時(shí)刻0.9 s，平均殘差0.54?？梢钥闯觯褂玫?列臺(tái)站的S震相參與定位后，震中分布仍然呈現(xiàn)明顯的水平帶狀分布，即震中緯度較為穩(wěn)定，經(jīng)度呈現(xiàn)較大的振蕩，但震中的分布較圖5(a)、(b)和(c)的結(jié)果更集中，更靠近震中。使用第1列7個(gè)臺(tái)站的P震相和第2列以及第3列12個(gè)臺(tái)站的S震相定位(圖5e)。震中最小偏差0.2 km，最大偏差2.0 km，平均偏差1.0 km，平均發(fā)震時(shí)刻0.9 s，平均殘差0.73。隨著第3列臺(tái)站的S震相參與定位，震中偏差更小，從空間分布上看，震中分布仍然呈現(xiàn)明顯的水平帶狀分布。

圖3 震中位于網(wǎng)內(nèi)時(shí)定位的震中分布Fig.3 Epicenter distribution

圖4 模擬震中位于網(wǎng)外時(shí)定位臺(tái)站的選擇Fig.4 Selection of positioning stations in the out-network

圖5 震中位于網(wǎng)外時(shí)定位的震中分布Fig.5 Epicenter distribution

3 實(shí)際震例對(duì)比分析

3.1 震中位于臺(tái)站包圍較好的網(wǎng)內(nèi)

在模擬實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，以2021年1月20日21時(shí)42分29秒發(fā)生的新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣MS3.0地震為實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析，該地震的正式編目結(jié)果為83.144 5°E，44.305 8°N，震源深度6.9 km。各臺(tái)站的震中距、走時(shí)和震相類型等參數(shù)如表3所示，使用MSDP中的單純型定位方法分3種情況定位分析：① 選擇能較好包圍震中的JHE、XNY、JLT、ALS、WSU、DSZ、LSG、YUM、XGX、CBC、KMY、WNQ、XYD、SCH、BKQ、MSW、TAC、HTB、HEF、LTA、ZSU、KUC、LHG、BLT、BAC、XQG等臺(tái)站的P震相進(jìn)行定位(圖6)，定位結(jié)果為83.141 2°E，44.301 4°N，震源深度6.4 km，震中位置與正式結(jié)果相差0.372 km。② 在選擇以上P震相基礎(chǔ)上，增加JHE、XNY、JLT等3個(gè)臺(tái)站的S震相進(jìn)行定位，定位結(jié)果為83.146 2°E，44.302 8°N，震源深度6.7 km，震中位置與正式結(jié)果相差0.291 km。③ 在選擇之前臺(tái)站的P震相和S震相的基礎(chǔ)上，增加ALS、WSU、LSG等3個(gè)臺(tái)站的S震相進(jìn)行定位，定位結(jié)果為83.141 7°E，44.304 9°N，震源深度6.5 km，震中位置與正式結(jié)果相差0.112 km。

圖6 震中位于網(wǎng)內(nèi)的震例Fig.6 Earthquake cases with epicenter in the in-network

在臺(tái)站包圍較好的情況下，盡管隨著參與定位的S震相的增加，震中的平均偏差越來(lái)越小，定位結(jié)果越來(lái)越準(zhǔn)確，但只使用P震相定位得到的結(jié)果也與實(shí)際的震中位置差別較小。即在震中被臺(tái)站包圍較好的前提下，S震相對(duì)定位結(jié)果的影響并不重要，一般情況下只需增加2～4個(gè)S震相參與定位即可。

表3 各臺(tái)站的震中距、走時(shí)和震相類型

3.2 震中位于臺(tái)站包圍較差的網(wǎng)緣或網(wǎng)外

為便于在實(shí)例中分析震中位于網(wǎng)緣或網(wǎng)外的情況，只使用精河縣MS3.0地震震中一側(cè)的部分臺(tái)站進(jìn)行定位(圖7)。各臺(tái)站的震中距、走時(shí)和震相類型等參數(shù)如表3所示。使用MSDP中的單純形定位方法分3種情況定位分析：① 選擇WSU、DSZ、XYD、SCH、MSW、HTB、LTA、LHG、BLT、XQG等臺(tái)站的P震相進(jìn)行定位，定位結(jié)果為82.593 9°E，44.393 2°N，震中位置與正式結(jié)果相差44.844 km。② 在以上震相的基礎(chǔ)上增加WSU臺(tái)站的S震相參與定位，定位結(jié)果為83.505 5°E，44.952 6°N，震中位置與正式結(jié)果相差30.304 km。③ 在以上震相的基礎(chǔ)上增加DSZ、XYD、SCH等3個(gè)臺(tái)站的S震相參與定位，定位結(jié)果為83.107 9°E，44.365 8°N，震中位置與正式結(jié)果相差7.278 km。可見(jiàn)隨著更多的S震相參與定位，反演的震中位置和正式結(jié)果的偏差呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)，明顯優(yōu)于只使用P震相定位的結(jié)果。

圖7 震中位于網(wǎng)外的震例Fig.7 Earthquake cases with epicenter in the out-network

對(duì)于網(wǎng)外或者網(wǎng)緣地震而言，S震相顯得尤為重要，如果只使用P震相定位，得到的結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際的震中位置差別較大。但在現(xiàn)實(shí)情況中，地震波的能量會(huì)隨著震中距的增大而逐漸衰減，S震相受到臺(tái)站分布、速度模型、震源深度等諸多因素的影響，S震相的讀取精度比P震相低[16]。如果僅選擇震中附近較近臺(tái)站的S震相，定位結(jié)果偏差較大，但隨著遠(yuǎn)臺(tái)S震相參與到定位中，定位結(jié)果和正式結(jié)果的偏差會(huì)逐漸減小。

4 結(jié)論與討論

對(duì)于震源深度的測(cè)定而言，震源深度一直是地震學(xué)上難以準(zhǔn)確測(cè)得的參數(shù)之一。本文中主要討論了地震速報(bào)工作中定位臺(tái)站及S震相的選取對(duì)震中位置的影響，并沒(méi)有細(xì)分P和S震相的類型，實(shí)際上不同的P和S震相的選取對(duì)震源深度的影響是有差異的，張志斌等[14]分析了單純形定位方法在新疆地震臺(tái)網(wǎng)的定位精度，認(rèn)為清晰的Pn和Sn震相參與定位時(shí)將得出較為精確的震源深度，即折射波對(duì)震源深度有一定的控制能力，因此在實(shí)際速報(bào)工作中，可以適當(dāng)增加部分Pn和Sn震相來(lái)參與定位從而提高對(duì)震源深度的定位精度[17]。

在地震速報(bào)工作中，對(duì)于震中包圍較好的地震而言，S震相對(duì)定位結(jié)果的影響并不大，只使用能夠較好包圍震中的臺(tái)站P震相參與定位就可以得到較為理想的結(jié)果，一般情況下標(biāo)2～4個(gè)清楚的S波震相即可。對(duì)于網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震而言，S震相顯得尤為重要，參與定位的S震相的增加將明顯提高震中定位的精度。但S震相作為續(xù)至震相，往往不容易辨認(rèn)，測(cè)量精度較P震相低，也會(huì)影響地震定位的結(jié)果，因此要選擇較為清晰的S震相，識(shí)別誤差較大的S震相參與定位可能會(huì)得到相反的結(jié)果。對(duì)于臺(tái)站包圍較差的網(wǎng)外或網(wǎng)緣的地震而言，在保證臺(tái)站張角足夠大的前提下，要充分利用足夠數(shù)量且震相識(shí)別較為準(zhǔn)確的S波震相參與定位，才能得到較為可靠的定位結(jié)果。因?yàn)椴煌鹣嗟纳渚€路徑相對(duì)于震源而言有不同的離源角，特別是有向上和向下的射線時(shí)，相當(dāng)于不同方向上的臺(tái)站接收直達(dá)波數(shù)據(jù)。

對(duì)于定位結(jié)果的評(píng)價(jià)，殘差的大小并不是一個(gè)比較準(zhǔn)確的評(píng)判準(zhǔn)則。因?yàn)閷?duì)于網(wǎng)緣或網(wǎng)外的地震而言，不使用S震相定位時(shí)殘差也較小，但反演的震中位置卻可能和實(shí)際的位置有較大差距。這是由于走時(shí)和發(fā)震時(shí)刻的互補(bǔ)而產(chǎn)生虛假的“精確”結(jié)果。

網(wǎng)緣或網(wǎng)外的地震定位時(shí)，震中結(jié)果會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的分布。由于參與定位的臺(tái)站沿經(jīng)線分布，狹長(zhǎng)的誤差等值線沿與緯度大體一致的分向分布，定位的過(guò)程中震中結(jié)果可能收斂到狹長(zhǎng)的閉合空間中的任一點(diǎn)，使得定位結(jié)果沿緯線分布，因而震中緯度較穩(wěn)定，震中經(jīng)度出現(xiàn)振蕩。實(shí)際上，這是任何定位方法都很難解決的難題。如果能根據(jù)誤差等值線的現(xiàn)狀，對(duì)解加以其他的約束和限制，還可以對(duì)解的精度作進(jìn)一步的改善。