楊 銳，王莉嬋，常 亮，王 寧，李冬圣

（河北省地震局，河北 石家莊 050021）

0 引言

為了進(jìn)一步提高地震速報及編目定位精度，建立更適合地震速報及編目的地殼一維速度模型，2016年全國地震系統(tǒng)開展了區(qū)域一維地殼速度模型建立和推廣應(yīng)用工作。河北局王莉嬋等收集了河北臺網(wǎng)2009年1月至2014年10月1161條地震，利用滑動窗擬合、折合走時等方法確定了一維速度模型中各參數(shù)的范圍，并利用批處理程序進(jìn)行了58902次組合計算，建立了河北地區(qū)地震速報及編目的新模型稱為2015速度模型［1］。本文將推廣應(yīng)用該模型與河北臺網(wǎng)原模型在臺網(wǎng)速報和編目中進(jìn)行對比研究，以此檢驗新模型的定位精度和適用性。

1 臺網(wǎng)布局

河北省數(shù)字測震臺網(wǎng)由1個測震臺網(wǎng)部、57個直接管理的數(shù)字地震臺站組成，野外臺站均為通過首都圈項目和“十五”項目新建和改造的數(shù)字化臺站，河北臺網(wǎng)實時接收直傳或匯集后傳回的所有臺站數(shù)據(jù)，并通過SDH行業(yè)網(wǎng)從國家測震臺網(wǎng)中心回傳周邊省市113個臺站的數(shù)據(jù)，這樣河北數(shù)字地震臺網(wǎng)接收實時波形的臺站數(shù)量最終為170個，如圖1所示。

圖1 河北臺網(wǎng)實際接收處理臺站分布圖Fig.1 Distribution map of actual reception and processing station in Hebei network

2 數(shù)據(jù)資料選取

收集河北省數(shù)字地震臺網(wǎng)2016年產(chǎn)出的速報地震14個及編目地震268個。編目地震中M1～2地震 43個， M2.1～3地震 9個， M3.1～4地震3個，占編目地震總數(shù)的20.5%，其余地震均在M1.0以下，這些地震不包括單臺定位的地震，但有包含使用鄰省臺站的情況。

3 河北臺網(wǎng)使用的定位軟件及速度模型介紹

3.1 速報ISDP軟件

河北臺網(wǎng)一直以來使用ISDP速報軟件完成河北區(qū)域責(zé)任范圍內(nèi)的地震速報任務(wù)。ISDP是一個適用于區(qū)域地震臺網(wǎng)的交互處理軟件包。其主要功能有波形數(shù)據(jù)顯示、自動與人機(jī)結(jié)合拾取震相到時和振幅、地震定位、計算震級、波譜分析、計算震源參數(shù)、震源機(jī)制、臺站場地響應(yīng)、生成“新參數(shù)地震目錄”等。該軟件包目前能夠接受的波形數(shù)據(jù)格式包括：“九五”區(qū)域數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)所普遍采用的EVT格式和首都圈數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)、“十五”建設(shè)的數(shù)字地震臺網(wǎng)所采用的SEED格式。

ISDP軟件包中地震定位采用蓋革法。蓋格（1912） 將高斯-牛頓法用于求解地震定位問題，最早蓋格提出的是測定震中經(jīng)緯度和發(fā)震時刻的方法，后被擴(kuò)展到同時測定震源深度。蓋革法目前仍然是最廣泛應(yīng)用于計算機(jī)求解地震定位問題的方法。該方法適用于地方震和近震。

3.2 編目MSDP軟件

JOPENS是專為“十五”中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目開發(fā)的測震軟件，專為區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)使用。JOPENS-MSDP為JOPENS系統(tǒng)下的地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件包，該軟件包嚴(yán)格遵循中國地震局2006年12月推出的“中國數(shù)字臺網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)范”，利用地震數(shù)據(jù)庫的技術(shù)對臺網(wǎng)日常處理的地震波形、定位結(jié)果、震相數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，具有完成測震臺網(wǎng)所承擔(dān)的地震速報、地震編目和數(shù)據(jù)服務(wù)功能，數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)產(chǎn)出統(tǒng)一、規(guī)范，快速實現(xiàn)地震速報和統(tǒng)一編目［2］。

集成開發(fā)多種定位方法，有單純型法、自適應(yīng)演化算法、ISCloc、ISCloc2、HypoSAT、LocSAT、 Hypo2000、 Hyposat3D、 Loc3dSB、單臺定位等多種定位方法［3］。

3.3 本區(qū)域現(xiàn)用速度模型

河北臺網(wǎng)目前使用的地殼速度模型有華南速度模型與華北速度模型，如表1中前者主要用于河北臺網(wǎng)地震編目工作的速度模型，后者用于河北省臺網(wǎng)地震速報工作的速度模型。

表1 華南速度模型與華北速度模型表

3.4 本區(qū)域2015新模型

河北臺網(wǎng)對華南模型進(jìn)行調(diào)整，建立了河北區(qū)域初始模型：將V1由6.01km/s增加至6.15 km/s，V2由6.88 km/s降低至6.72 km/s， Vn由7.98 km/s增加至8.03 km/s。康氏界面與莫霍界面的深度暫未做調(diào)整［4］，具體可見表2，在建立的初始模型基礎(chǔ)之上，利用折合走時計算方法對初始模型進(jìn)行調(diào)整，使得理論折合走時與實際折合走時相符，求取不同參數(shù)的取值范圍，并據(jù)此結(jié)合河北地區(qū)的實際地質(zhì)情況，對選定的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行Hyposat批處理，最后根據(jù)參數(shù)取值范圍、Hyposat處理結(jié)果殘差大小以及以符合河北實際地質(zhì)情況的準(zhǔn)則確立河北區(qū)域最終的速度模型，如表3所示。

表2 河北初始模型表

表3 河北臺網(wǎng)2015速度模型

4 不同速度模型地震定位結(jié)果分析

4.1 并運行速報地震結(jié)果分析

利用14個河北臺網(wǎng)2016年1—8月期間速報的地震，使用河北臺網(wǎng)專用的ISDP地震速報軟件進(jìn)行分析。從震中分布圖2中可見，在河北省北部有河北尚義ML4.5地震，南部有河北贊皇ML2.8地震，西部有河北阜平ML3.1、贊皇ML2.8地震，東部比較集中在河北唐山附近，包括河北豐南、玉田、灤縣及曹妃甸海域附近的速報地震，河北中部主要有河北徐水ML2.9和河北深州ML2.5地震。震級如表4所示，分布在ML2.0～3.0地震9個，ML3.0～4.0地震4個，ML4.0～5.0地震1個，ISDP速報軟件使用的速度模型是華北速度模型，14個典型地震的速報結(jié)果平均殘差為0.202。為了實際工作需要，今后河北臺網(wǎng)速報工作仍舊繼續(xù)使用ISDP軟件，通過河北臺網(wǎng)并運行結(jié)果比較，利用2015模型得出的速報結(jié)果平均殘差為0.152，相比華北模型殘差相對更小些，個別單個地震殘差比舊的華北速度模型稍微偏大一些，但總的來說，2015模型定位結(jié)果殘差更小。并運行速報地震2015模型結(jié)果與華北模型速報結(jié)果震中位置平均差為0.191473 km。河北阜平ML3.1地震新舊模型震中差較大，為0.599 km，應(yīng)該與記錄到此次地震東北、西南向無臺站，臺站分布不均勻有關(guān)，所以速報的時間也稍長為4分鐘。河北曹妃甸海域ML2.6地震新、舊模型定出的震中差較大為0.315 km，原因可能由于是海域地震，記錄到海里地震的臺站比較偏，同時該地震震級較小，能記錄到地震的臺站也不太多。2016年8月27日河北唐山ML3.6地震速報用時7分鐘，殘差相對其它地震來說有些大，新、舊模型定位殘差都為0.3幾，因為該地震是典型的雙震，兩個地震發(fā)震時刻相差13 S，地震波形疊加給速報帶來了難度和挑戰(zhàn)，新舊模型定出的震中差為0.315 km，也相比較其他速報地震較大，但都在合理范圍內(nèi)。其它地震新舊模型定位殘差、震中差基本變化不大。相比較速報的地震新舊模型定出的發(fā)震時刻個別最多差1 S，多數(shù)基本沒有變化；深度基本不一致，但相差在10 km以內(nèi)，多數(shù)在5 km左右，只是個別地震存在舊模型使用的震相在新模型下定出的深度為0 km的現(xiàn)象，需要重新調(diào)整震相位置才能有新的合理的深度。震級沒有變化。速報使用時間也基本一致。綜上所述，河北臺網(wǎng)一直使用的ISDP軟件正式使用2015模型進(jìn)行河北臺網(wǎng)地震速報應(yīng)該可行。為保證工作不出任何問題，目前仍在并運行試驗階段，爭取用更多的實際震例來檢驗2015模型的可行性。

圖2 河北臺網(wǎng)2016年部分速報地震震中分布圖Fig.2 The earthquake epicenter distribution map of Hebei network in 2016

表4 河北臺網(wǎng)2016年部分速報地震震級分布個數(shù)

4.2 并運行編目地震使用環(huán)境及結(jié)果分析

利用220個河北臺網(wǎng)2016年的編目地震，使用全國通用的MSDP5.2地震編目軟件。主要運用該軟件中的單純型定位方法進(jìn)行定位，將這220個地震運用之前的華南速度模型和2015模型進(jìn)行了并運行對比。根據(jù)以往河北臺網(wǎng)編目工作實際出發(fā)，由于河北臺網(wǎng)大多數(shù)地震編目定位均采用單純型法進(jìn)行編目，只有個別無法定出深度的地震才會采用其它定位方法，所以此次著重對比不同速度模型下的單純型法定位的結(jié)果。從河北臺網(wǎng)編目地震震中分布圖3中可見，這些編目地震集中在河北省北部、東部和南部地區(qū)，集中的地震有西北部的懷來、涿鹿地區(qū)的地震，東部集中在河北唐山、灤縣地區(qū)，南部集中在河北贊皇、磁縣地區(qū)。從震級分布圖4及列表5中可見ML3.0以上地震1個，ML2.0～3.0地震 7個，ML1.0～2.0地震 68個，ML0.0～1.0地震137個，ML0.0以下地震7個，從圖4可見編目地震震級多數(shù)集中在ML0～1.0之間。運用之前的華南速度模型定位的編目地震結(jié)果平均殘差為0.130，利用2015模型定位的編目地震結(jié)果平均殘差為0.124，定位精度方面有了一定的改進(jìn)，殘差減小。通過河北臺網(wǎng)編目地震并運行結(jié)果比較，并運行編目地震2015模型結(jié)果與編目結(jié)果震中位置平均差0.897 km，個別地震兩個模型編目結(jié)果震中位置差較大，例如7月2日河北灤縣ML0.8地震，兩個模型震中差有9.34 km，應(yīng)該與記錄到地震的臺站波形不是很清晰，尤其最近的臺SG不清楚，記錄到地震波形的臺站臺基噪聲也比較大有關(guān)。例如7月7日河北昌黎海域ML0.8地震，兩個模型震中差為6.08 km，一般與海域地震記錄到地震波形的臺站分布比較偏，比較少有關(guān)。220個編目地震兩種模型定位震中差大于5 km的地震有5個，占所有編目地震2.27%，震中差在1～5 km之間的有68個，占所有編目地震30.9%，其余的震中差均在1 km之內(nèi)。并運行編目地震2015模型結(jié)果與編目結(jié)果震源深度平均差1.2 km，震源深度相差最大的為12 km有一個，震源深度相差 1～5 km之間有56個地震，一致的有160個，占到73%。

圖3 河北臺網(wǎng)2016年部分編目地震震中分布圖Fig.3 The epicenter distribution map of part of the earthquake inventory of Hebei network in 2016

圖4 河北臺網(wǎng)2016年部分編目地震震級個數(shù)分布圖Fig.4 The magnitude diagram of part of the earthquake inventory of Hebei network in 2016

圖5 河北臺網(wǎng)2016年部分編目地震震級分布圖Fig.5 The seismological magnitude map of part of the earthquake inventory of Hebei network in 2016

表5 河北臺網(wǎng)2016年部分編目地震震級個數(shù)分布表

表6 河北臺網(wǎng)2016年部分編目地震震源深度差與個數(shù)分布表

5 結(jié)果及討論

河北臺網(wǎng)利用本臺網(wǎng)專有的ISDP軟件通過舊的華北速度模型和2015模型對14個速報地震進(jìn)行了速報、對比、分析，得出不同速度模型速報結(jié)果：如表7所示，利用新的2015模型定位殘差由原來的0.202減少到0.152，震中位置平均差為0.191 km，震源深度平均差在2.4 km，定位殘差降低，定位水平有所提高，震中位置及震源深度基本符合實際，變化也均在合理范圍內(nèi)。

河北臺網(wǎng)使用全國通用的地震編目軟件MSDP5.2版本，主要運用該軟件的單純型定位方法，將220個編目地震運用之前的華南速度模型和2015模型進(jìn)行了并運行對比，得出不同速度模型編目結(jié)果：如表7所示，編目地震的結(jié)果平均殘差由原來的0.130減少到0.124，并運行編目地震2015模型結(jié)果與編目結(jié)果震中位置平均差0.897 km，并運行編目地震2015模型結(jié)果與編目結(jié)果震源深度平均差1.2 km，定位殘差有所減小和改進(jìn)，震中位置平均差和震源深度平均差均符合實際，變化在合理范圍內(nèi)。

綜上可見，2015模型在速報中定位殘差有所減小，和華北模型相比震中位置偏差基本不大，但有時在不改變震相的情況下，改變模型深度會為0 km，不符合科學(xué)依據(jù)，這時需要重新調(diào)整震相。在編目的并運行階段，2015模型在定位殘差上也有所進(jìn)步，震中位置平均偏差也不大，基本合乎規(guī)定，深度的平均差也在合理范圍內(nèi)，涉及到定位臺站分布較偏不均勻，比如海域地震，或是震級偏低，定位臺站偏少，例如3或4個臺站定位，同時定位臺站噪聲較大，會出現(xiàn)定位震中位置偏差較大的情況，編目并運行過程中深度的變化不是太大，但也有相同的震相不同速度模型定位后震源深度為0 km的情況出現(xiàn)，需要重新調(diào)整震相，所以是否考慮需要再進(jìn)一步進(jìn)行并運行測試。

表7 河北臺網(wǎng)2015速度模型與原模型應(yīng)用結(jié)果對比

6 結(jié)論

河北臺網(wǎng)2015速度模型與原模型應(yīng)用并運行對比發(fā)現(xiàn)：2015模型在速報中定位殘差有所減小，和華北模型相比震中位置偏差基本不大，震源深度變化不大，均在合理范圍內(nèi)，所以河北臺網(wǎng)一直使用的ISDP軟件正式使用2015模型進(jìn)行河北臺網(wǎng)地震速報應(yīng)該可行。為保證工作不出任何問題，目前仍在并運行試驗階段，爭取用更多的實際震例來檢驗2015模型的可行性。

在編目的并運行階段，2015模型在定位殘差上也有所進(jìn)步，震中位置平均偏差也不大，基本合乎規(guī)定，震源深度的平均差也在合理范圍內(nèi)，不過河北地形復(fù)雜，平原和壩上地區(qū)無法用一個模型很好的描述，再者此次在模型計算中未包含北京、天津地區(qū)，但在實際工作中河北臺網(wǎng)也負(fù)責(zé)這些區(qū)域的地震速報和數(shù)據(jù)處理工作，所以建議利用更多數(shù)據(jù)和震例再進(jìn)一步測試，暫定目前河北臺網(wǎng)先采取模型選擇性使用的模式。