王光沖， 毛國良， 李小軍， 劉 新， 常 亮， 朱音杰

(河北省地震局， 石家莊 050021)

基于強震動觀測數(shù)據(jù)的地震定位分析

王光沖， 毛國良， 李小軍， 劉 新， 常 亮， 朱音杰

(河北省地震局， 石家莊 050021)

采用MSDP軟件定位方法，對河北強震動臺網(wǎng)記錄的ML≧3.0的32次地震事件進行定位。從震中位置、發(fā)震時刻及震源深度等方面與地震編目結果進行對比分析得出，基于強震動觀測數(shù)據(jù)的地震定位結果滿足地震定位的相關要求，其結果與編目結果有較好的一致性，可進一步探討利用強震動觀測數(shù)據(jù)參與地震速報及預警工作，對地震速報及預警定位結果精度的提高有積極意義。

強震動；觀測數(shù)據(jù)；地震定位；地震編目

0 引言

地震定位是地震學研究中的基本問題，主要包括經緯度、深度及發(fā)震時刻等參數(shù)的確定[1]。目前，地震定位主要是基于測震臺網(wǎng)數(shù)字地震儀觀測系統(tǒng)產出的速度記錄，而強震動觀測系統(tǒng)的加速度記錄應用于地震定位的研究較少。隨著數(shù)字強震動儀器的廣泛應用和強震動觀測臺網(wǎng)規(guī)模與密度的顯著增大，強震動觀測數(shù)據(jù)應用范圍進一步拓寬，尤其地震烈度速報、地震預警等領域的快速發(fā)展為強震動觀測參與地震速報定位等地震學的基礎工作提供了平臺。地震定位結果精度受多方面影響，如臺站數(shù)量及布局是否合理、時間服務系統(tǒng)是否一致、震相識別是否正確等，而強震動臺站規(guī)模遠大于測震臺站，強震動觀測數(shù)據(jù)如果可以應用于地震定位工作，必然會增大臺站數(shù)量、優(yōu)化臺站布局、縮小臺間距，對地震定位結果精度的提高具有積極意義。

“河北地震背景場探測”項目期間，在河北省中北部地區(qū)新建了48個實時傳輸?shù)膹娬饎优_站，構建了河北強震動觀測臺網(wǎng)。本文擬利用強震動臺網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)對河北區(qū)域的速報地震進行定位分析，探討基于強震動觀測數(shù)據(jù)地震定位結果與地震編目結果的一致性，以期為強震動記錄參與地震速報及預警工作提供幫助。

1 定位方法及數(shù)據(jù)資料的選取

1.1 定位方法的選取

MSDP軟件是目前全國地震系統(tǒng)應用較廣的地震定位處理軟件，全國大多數(shù)省份臺網(wǎng)基于MSDP軟件完成日常地震速報、編目等工作[2]。MSDP軟件中常規(guī)定位方法主要有單純型定位法、Hyposat定位法及HYPO2000定位法等。本文選擇適宜于地方震及近震定位的HYPO2000定位法對強震動觀測數(shù)據(jù)資料進行分析處理。

HYPO2000定位法是將目前國外較先進的HYPO2000程序掛接到JOPENS系統(tǒng)下的定位方法[3]。該方法采用了傳統(tǒng)的Geiger法的基本思路：把走時T在初值(x,y,z)附近做泰勒展開，取一級近似為：

(1)

其中T為實際走時，T′是相應于(x,y,z)附近一點(x′,y′,z′)的走時。在此基礎上建立觀測方程組，然后求解。算法上主要是先將觀測方程組降維，不化成正規(guī)方程組，直接用奇異值分解最小二乘法方程組，在實際計算中還采用了多種數(shù)據(jù)加權。HYPO2000定位法可采用分區(qū)水平分層速度模型，采用近臺初值，為每個臺站指定不同的速度模型，有效地補償了地殼橫向不均勻性對走時的影響[4]。

1.2 數(shù)據(jù)資料的選取

選取河北強震動臺網(wǎng)自2014年6月試運行以來記錄的ML≧3.0的32次地震事件，其中網(wǎng)外地震5次。運用HYPO2000定位方法對強震動記錄地震事件進行定位，將其結果與臺網(wǎng)編目產出結果進行對比，分析基于強震動觀測數(shù)據(jù)的定位結果與編目產出結果的一致性。測震臺站、強震動臺站及震中分布圖如圖1所示。

圖1 測震臺站、強震動臺站及震中分布

河北遙測臺網(wǎng)有測震臺站57個，布設形式主要有山洞、地表及井下等，主要是用于微震觀測。而強震動臺站只有地表形式，主要用于強震動觀測。兩者所用觀測儀器亦不相同，河北區(qū)域主要測震儀器與強震動儀器性能指標如表1所示。

2 定位結果分析

2.1 震中位置對比分析

震中位置是地震學研究中的一項重要基礎數(shù)據(jù)，地震定位中也將震中位置偏差作為一項重要的精度考核指標?；趶娬饎佑^測數(shù)據(jù)的定位結果與地震編目結果產生的震中位置偏差計算公式如下：

(2)

式中，Δ是震中誤差，單位km;(φ1、λ1)、(φ2、λ2)分別為兩者震中位置。基于強震動觀測數(shù)據(jù)的定位結果產出的震中位置與臺網(wǎng)編目產出定位結果的震中位置如表2所示。

基于強震動觀測數(shù)據(jù)定位結果中滿足Ⅰ類精度(震中誤差≦5 km)地震定位次數(shù)為25次，占比為78.13%；達到Ⅱ類精度(5 km<震中誤差≦15 km)地震定位占比為12.5%；90%以上基于強震動觀測數(shù)據(jù)定位結果震中偏差在10 km以內，其余未達到Ⅱ類精度及以上要求的3次地震事件均為網(wǎng)外地震?？梢姡趶娬饎佑^測數(shù)據(jù)的定位結果震中誤差可基本滿足地震定位相關要求。

表1 河北區(qū)域主要測震儀器與強震動儀器性能指標

表2 基于強震觀測數(shù)據(jù)定位結果與編目產出定位結果震中位置對比

2.2 發(fā)震時刻對比分析

地震發(fā)震時刻是地震學中的重要基礎參數(shù)之一，通過擬合殘差可以間接對比分析其準確性。殘差雖不是震源參數(shù)，但卻是評價地震定位好壞的一個重要參考指標[5-6]。基于強震動觀測數(shù)據(jù)定位結果與編目結果的發(fā)震時刻對比分析如圖2所示。

a 編目定位擬合殘差圖圖 b 基于強震動數(shù)據(jù)定位擬合殘差 c 兩者發(fā)震時刻偏差圖2 強震動觀測數(shù)據(jù)定位結果與編目結果對比

基于強震動觀測數(shù)據(jù)定位結果的平均擬合殘差為0.33 s，編目定位結果的平均擬合殘差為0.35 s，兩者基本一致。比較發(fā)現(xiàn)，基于強震動觀測數(shù)據(jù)的定位結果與編目結果中發(fā)震時刻偏差均值為-0.18 s，除個別網(wǎng)外地震偏差大于1 s外，84.38%以上地震事件定位結果的發(fā)震時刻偏差較小，96.88%及以上地震事件定位結果的發(fā)震時刻偏差在±2 s之間，可滿足地震定位的發(fā)震時刻的相關要求。

2.3 震源深度對比分析

震源深度的測定是地震定位中比較棘手的問題。除去爆破、塌陷等非天然的地震外，地震多發(fā)生在幾到幾十甚至幾百公里的地下，地震觀測系統(tǒng)多布設在地表、山洞或是幾十到上百米的井中，不能有效包圍震源，對計算結果造成誤差，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定位深度的合理性[7]?；趶娬饎佑^測數(shù)據(jù)的定位結果深度與編目結果深度對比結果如圖3所示。

a 編目定位結果深度 b 基于強震動數(shù)據(jù)定位結果深度 c 兩者定位結果深度偏差圖3 兩者定位結果深度對比

編目定位結果震源深度分布在0～26 km范圍內，基于強震動觀測數(shù)據(jù)的定位結果震源深度分布在0～24 km范圍內，且兩者定位結果深度均主要集中于5～20 km，結果一致性較強，與華北地區(qū)震源深度下限基本確定為25 km的結論吻合[8]。編目結果深度均值為11.34 km,基于強震動觀測數(shù)據(jù)的定位結果深度均值為11.03 km，兩者深度偏差均值為-0.31 km，二者結果也相近。其中有85%以上的地震定位深度偏差在±10 km之間，95%及以上的地震在±20 km之間，可較好地滿足淺源地震定位深度偏差的相關要求。

3 討論

用MSDP軟件HYPO2000定位方法對河北強震動臺網(wǎng)自2014年6月試運行以來記錄的ML≧3.0的32次地震事件進行定位，將其結果與臺網(wǎng)編目正式結果進行對比分析得出：

1)從震中位置、發(fā)震時刻及震源深度等方面綜合分析，基于強震動觀測數(shù)據(jù)的地震事件定位結果符合省級測震臺網(wǎng)地震速報評比標準要求，且大部分地震事件的定位結果滿足省級測震臺網(wǎng)地震編目評比標準的相關要求，因此，強震動觀測數(shù)據(jù)完全可以應用于地震事件的處理工作當中；

2)對于5次網(wǎng)外地震，基于強震動數(shù)據(jù)的定位結果較差，其中震中位置最大偏差為86 km，發(fā)震時刻最大偏差為8.4 s，殘差最大為2.2 s。這是因為強震動記錄受場地衰減影響明顯，對網(wǎng)外地震的有效記錄較少，無法滿足定位要求，同時也與HYPO2000定位方法適用于地方震和近震等網(wǎng)內臺站包圍震中較好的地震定位的特點相吻合[9]；

3)對于唐山、天津等沿海地區(qū)的地震事件，基于強震動觀測數(shù)據(jù)定位結果中最大震中位置偏差為7 km,最大發(fā)震時刻偏差1.42 s，最大殘差為0.5 s，較網(wǎng)內其他地區(qū)定位結果稍差，這與沿海地區(qū)軟土質臺基和海洋噪聲等影響其記錄數(shù)據(jù)質量相關，與測震臺站數(shù)據(jù)記錄定位分析的區(qū)域性偏差一致；

4)盡管強震動臺站受周圍環(huán)境、儀器自身噪聲、場地衰減影響較大，但本文基于強震動觀測數(shù)據(jù)的地震定位處理結果基本滿足地震速報及編目的相關要求，為開展測震與強震動數(shù)據(jù)聯(lián)合定位研究奠定了基礎。測震與強震動數(shù)據(jù)格式不同，可以探討將測震與強震動數(shù)據(jù)融合共同接入到特定處理系統(tǒng)下，依據(jù)臺站經緯度、臺站P波到時等信息，基于相關定位方法及軟件對地震事件進行聯(lián)合定位，對優(yōu)化臺站布局、縮小臺間距，提高地震速報、地震預警等工作的精度有積極意義。

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Earthquake Location Using Strong Motion Data

WANG Guang-chong, MAO Guo-liang, LI Xiao-jun, LIU Xin, CHANG Liang, ZHU Yin-jie

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

Based on strong motion observation data record by the Hebei strong motion network, 32ML≧3.0 seismic events are located using MSDP software localization method. The located epicenter parameters are contrastive analysis with the formal earthquake catalog results. The analysis shows that?the locating results using the strong motion observation data can meet the requirements of earthquake location has good consistency with the formal earthquake catalog. Using strong motion observation data as addition data for earthquake quick report and earthquake warning has positive significance to their accuracy.

strong motion; observation data; earthquake location; earthquake cataloging

2017-02-06

河北省地震科技星火計劃項目(DZ20170206005)

王光沖(1988—)，男，河北邯鄲人，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測及儀器維修工作．E-mail:1024463155@qq.com

P315.6

A

1003-1375(2017)03-0008-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.03.002

王光沖，毛國良，李小軍，等. 基于強震動觀測數(shù)據(jù)的地震定位分析[J]．華北地震科學，2017，35(3):8-12.