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(xué)中最基礎(chǔ)的問(wèn)題之一[1]，而地震速報(bào)作為地震監(jiān)測(cè)的一線工作，短時(shí)間內(nèi)測(cè)定出準(zhǔn)確的發(fā)震時(shí)刻、震中位置、震級(jí)，對(duì)減輕地震災(zāi)害起到積極作用[2]。準(zhǔn)確的地震定位不僅是研究地震動(dòng)態(tài)圖像、構(gòu)造與地震關(guān)系的基礎(chǔ)，還能為大震應(yīng)急、抗震救災(zāi)提供科學(xué)的判斷依據(jù)[3-4]。隨著數(shù)字臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)使用，臺(tái)站的不斷架設(shè)、地殼速度模型的改進(jìn)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(duì)于網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震，定位精度目前無(wú)法做到特別準(zhǔn)確，有時(shí)甚至偏差幾十公里，所以盡可能做到科學(xué)地建設(shè)臺(tái)網(wǎng)布局，加強(qiáng)對(duì)外合作共享地震臺(tái)站數(shù)據(jù)，以及提高地震波形的信噪比，準(zhǔn)確標(biāo)注地震震相，能夠在未來(lái)的地震定位中取得更大突破。

新疆是中國(guó)地震活動(dòng)較頻繁的地區(qū)之一[5]，每年記錄到的地震數(shù)達(dá)到2萬(wàn)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(gè)地震帶上。而臺(tái)址的勘選不僅要考慮整體臺(tái)網(wǎng)布局與觀測(cè)需要，同時(shí)還要兼顧通信、供電以及長(zhǎng)期觀測(cè)要求[6]。新疆地域遼闊、地震臺(tái)站稀疏且布局不合理、地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]，總體上呈“三山加兩盆”的地貌特征，所以偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)法兼顧通信和供電。當(dāng)新疆邊界地區(qū)的地震臺(tái)站發(fā)生斷記時(shí)，由于地處偏遠(yuǎn)、工作條件有限、無(wú)法及時(shí)維護(hù)。若此時(shí)發(fā)生地震，由于臺(tái)站間的空隙角大，定位結(jié)果存在偏差，給速報(bào)工作帶來(lái)較大困擾。由于一個(gè)不同的震相、標(biāo)注的地震臺(tái)站個(gè)數(shù)以及臺(tái)站間的空隙角不同，震中位置就可能定位到不同的國(guó)家或地區(qū)。當(dāng)新疆境內(nèi)(西昆侖、阿爾金山地區(qū)除外)發(fā)生地震時(shí)，由于臺(tái)站密度相對(duì)較高且對(duì)地震震中包圍較好，只用Pg、Pn震相進(jìn)行定位就能較好地計(jì)算出地震參數(shù)結(jié)果。但新疆相鄰地區(qū)發(fā)生地震時(shí)，由于不具備以上條件，只用Pg、Pn震相進(jìn)行定位不僅結(jié)果不可靠，甚至?xí)霈F(xiàn)震中位置反向的結(jié)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(diǎn))和使用續(xù)至震相Sg、Sn(藍(lán)點(diǎn))震中位置的對(duì)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(duì)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(tái)站密度和分布的影響[8]，2015年新疆測(cè)震臺(tái)網(wǎng)接入了國(guó)際共享地震臺(tái)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(tái)網(wǎng)速報(bào)地震257個(gè)。MS≥4.0的地震震相清楚，且被更多的地震臺(tái)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(méi)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?yàn)榍罢弑恢髡鸩ㄐ胃蓴_而無(wú)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(lái)自新疆地震臺(tái)網(wǎng)中心，地震震中參數(shù)來(lái)源于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄。選取了78個(gè)新疆測(cè)震臺(tái)，共享了17個(gè)臨省測(cè)震臺(tái)及15個(gè)國(guó)際測(cè)震臺(tái)的地震波形數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 新疆測(cè)震臺(tái)站、臨省共享臺(tái)站、國(guó)際共享臺(tái)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(jì)算機(jī)技術(shù)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(cè)震臺(tái)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?yàn)閱渭冃畏椒ǘㄎ粴埐钚　④浖僮骱?jiǎn)潔方便[10]，不會(huì)出現(xiàn)因震源深度為0而采用固定震源深度再對(duì)地震事件定位的操作，且臺(tái)站稀疏、分布不理想時(shí)，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(rèn)為對(duì)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(lái)定位，該方法定出的震源深度比較準(zhǔn)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?yàn)槎ㄎ怀龅慕Y(jié)果不僅殘差大，不符合定位要求，而且容易出現(xiàn)定位報(bào)錯(cuò)，從而無(wú)法得出參數(shù)結(jié)果。

1.3 速度模型選取

新疆測(cè)震臺(tái)網(wǎng)通常用“3400走時(shí)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(shí)表，震中距越大，符合越好[15]，適用于新疆，它的測(cè)線是從帕米爾經(jīng)過(guò)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(cè)線附近。

表1 3400地殼速度模型

2 地震定位

標(biāo)注地震震相通常是搜索出最先到達(dá)地震臺(tái)站的初至震相Pg(或Pn)波，然后按臺(tái)間距排序依次標(biāo)注15～20個(gè)Pg、Pn震相。采用該方法的原因是震相標(biāo)注少了易出現(xiàn)震級(jí)偏小或臺(tái)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(biāo)注多了易出現(xiàn)速報(bào)地震報(bào)出時(shí)間超時(shí)或定位殘差大等情況。

(1) 網(wǎng)內(nèi)地震

只標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后，定出震中結(jié)果，分析與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關(guān)系。標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后，再標(biāo)注Sg、Sn震相，以Sg、Sn震相個(gè)數(shù)不同而分別定出震中結(jié)果,Sg、Sn震相個(gè)數(shù)分別標(biāo)注1、3、5、7個(gè)定出震中結(jié)果，分析震中位置的變化規(guī)律以及與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關(guān)系。

(2) 網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震

只標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后，判斷是否出現(xiàn)震中反向的定位結(jié)果。如果出現(xiàn)震中反向定位結(jié)果，分析最大空隙角達(dá)到多大時(shí)會(huì)出現(xiàn)震中反向，再通過(guò)標(biāo)注Sg、Sn震相，分析標(biāo)注幾個(gè)Sg、Sn震相才能避免震中反向的發(fā)生。再以Sg、Sn震相個(gè)數(shù)不同而分別定出震中結(jié)果，Sg、Sn震相個(gè)數(shù)分別標(biāo)注1、3、5、7個(gè)定出定位結(jié)果，分析震中位置的變化規(guī)律以及與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關(guān)系。如果不出現(xiàn)震中反向定位結(jié)果，不僅定位出只標(biāo)注Pg、Pn震相定出震中結(jié)果，還要以Sg、Sn震相個(gè)數(shù)不同而分別定出震中結(jié)果，Sg、Sn震相個(gè)數(shù)分別標(biāo)注1、3、5、7個(gè)定出震中結(jié)果，分析震中位置的變化規(guī)律以及與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一目錄的關(guān)系。

3 地震定位結(jié)果分析

對(duì)網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)緣、網(wǎng)外地震定位出的震中結(jié)果與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的震中結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究Sg、Sn震相對(duì)地震震中位置的影響規(guī)律。

3.1 網(wǎng)內(nèi)地震

只標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后定出的163個(gè)網(wǎng)內(nèi)地震中，有139個(gè)定出的地震震中位置與中國(guó)地震臺(tái)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(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄震中偏差在10 km以上的24個(gè)地震中，有6個(gè)地震發(fā)生在地震速報(bào)范圍內(nèi)的省外(一般以震中位置所在地的省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)或中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的結(jié)果為準(zhǔn))、有1個(gè)地震發(fā)生在地震速報(bào)范圍內(nèi)的國(guó)外、有17個(gè)地震發(fā)生在地震臺(tái)站密度低或地震臺(tái)站分布不均勻的的新疆西昆侖及阿爾金山地區(qū)。通過(guò)163個(gè)網(wǎng)內(nèi)地震分析發(fā)現(xiàn)，除了發(fā)生在臺(tái)站密度低或地震臺(tái)站分布不均勻的西昆侖、阿爾金山地區(qū)和速報(bào)范圍內(nèi)的省外、國(guó)外24個(gè)地震之外，其余139個(gè)地震均可以只標(biāo)注Pg、Pn震相定出震中結(jié)果，不僅與中國(guó)地震臺(tái)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(bào)時(shí)效。

標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后，分別標(biāo)注1、3、5、7個(gè)Sg、Sn震相定出震中結(jié)果顯示，除了地震臺(tái)站密度低或地震臺(tái)站分布不均勻的地區(qū)外(包括省外、國(guó)外)，Sg、Sn震相不會(huì)對(duì)震中位置有較大的影響，經(jīng)度和緯度只會(huì)小幅度震蕩，震中偏差不會(huì)偏差10 km(圖3)。在地震臺(tái)站密度低或地震分布不均勻的地區(qū)，Sg、Sn震相個(gè)數(shù)對(duì)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(gè)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(gè)數(shù)的增多，震中經(jīng)度向西偏移，經(jīng)度小幅震蕩。通過(guò)震中位置對(duì)比，在地震臺(tái)站密度低或地震臺(tái)站分布不均勻的地區(qū)，Sg、Sn震相標(biāo)注3～7個(gè)時(shí)，地震震中位置比較接近中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的結(jié)果，而Sg、Sn震相標(biāo)注的越多，定位殘差越大，容易超過(guò)設(shè)定的殘差值，干擾速報(bào)人員的判斷，且Sg、Sn震相標(biāo)注5個(gè)和7個(gè)時(shí)震中位置變化不大，因此標(biāo)注Sg、Sn震相3～5個(gè)最佳。

圖3 網(wǎng)內(nèi)速報(bào)地震隨著Sg、Sn震相個(gè)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(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后，對(duì)地震事件定位后發(fā)現(xiàn)，94個(gè)網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震中，有11個(gè)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(shí)定位殘差也小(圖1)，容易干擾速報(bào)人員對(duì)地震震中位置的判斷。在出現(xiàn)震中反向的11個(gè)地震中，通過(guò)最大空隙角分析，只要最大空隙角超過(guò)180°，就有可能出現(xiàn)震中反向的現(xiàn)象，所以當(dāng)最大空隙角超過(guò)180°時(shí)必須要標(biāo)注Sg、Sn震相來(lái)避免震中反向的發(fā)生，在11個(gè)有震中反向的地震中，標(biāo)注1個(gè)Sg、Sn震相，雖然9個(gè)地震避免了震中反向的發(fā)生，但還有2個(gè)地震依然出現(xiàn)震中反向。標(biāo)注3個(gè)Sg、Sn震相時(shí)，11個(gè)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(biāo)注Sg、Sn震相≥3個(gè)。Sg、Sn震相分別標(biāo)注1、3、5、7個(gè)定出震中結(jié)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(dòng)。通過(guò)分析震中偏差，標(biāo)注Sg、Sn震相3～7個(gè)時(shí)，與中國(guó)地震臺(tái)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(gè)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(dòng)。標(biāo)注Sg、Sn震相1、3、5、7個(gè)定出震中結(jié)果，分析表明，當(dāng)Sg、Sn震相標(biāo)注3～7時(shí)與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄結(jié)果最為接近。

圖4 網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震隨著Sg、Sn震相個(gè)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(jié)論與討論

選取2014年1月～2019年3月MS≥4.0的速報(bào)地震257個(gè)，通過(guò)標(biāo)注Sg、Sn震相分析Sg、Sn震相對(duì)新疆及相鄰地區(qū)速報(bào)地震定位的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 只標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后定出的163個(gè)網(wǎng)內(nèi)地震中，除了疆內(nèi)臺(tái)站密度低或地震臺(tái)站分布不均勻的西昆侖及阿爾金山地區(qū)、速報(bào)范圍內(nèi)的省外國(guó)外24個(gè)地震外，其余139個(gè)定出的地震震中位置與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄震中偏差小于10 km。因此，筆者認(rèn)為除了西昆侖及阿爾金山地區(qū)的地震、速報(bào)范圍內(nèi)的省外國(guó)外地震，新疆所有地區(qū)均可以只標(biāo)注Pg、Pn震相定出定位結(jié)果，以大幅縮短速報(bào)時(shí)間。

(2) 網(wǎng)內(nèi)地震標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后，分別標(biāo)注1、3、5、7個(gè)Sg、Sn震相定出震中結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，除了地震臺(tái)站密度低或地震臺(tái)站分布不均勻的地區(qū)外，Sg、Sn震相不會(huì)對(duì)震中位置有較大的影響，經(jīng)度和緯度只會(huì)小幅度震蕩，震中偏差小于10 km。在地震臺(tái)站密度低或地震分布不均勻的地區(qū)(包括省外、國(guó)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(dòng)，且Sg、Sn震相標(biāo)注3～5個(gè)時(shí)，地震震中位置接近中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄的結(jié)果。

(3) 只標(biāo)注Pg、Pn震相，對(duì)震中位置達(dá)到最大包圍后，對(duì)地震事件定位后發(fā)現(xiàn)，94個(gè)網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震中，有11個(gè)地震出現(xiàn)震中反向現(xiàn)象。通過(guò)最大空隙角分析，在最大空隙角超過(guò)180°時(shí)有可能發(fā)生震中反向，且當(dāng)Sg、Sn震相標(biāo)注大于3時(shí)，可完全避免出現(xiàn)震中反向的發(fā)生。通過(guò)94個(gè)網(wǎng)緣或網(wǎng)外地震標(biāo)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(dòng)。用Sg、Sn震相個(gè)數(shù)分別標(biāo)注1、3、5、7個(gè)定出震中結(jié)果，當(dāng)Sg、Sn震相標(biāo)注3～7時(shí)，與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一目錄結(jié)果接近。

通過(guò)標(biāo)注Sg、Sn震相，分析新疆及相鄰地區(qū)MS≥4.0的速報(bào)地震257個(gè)，分析Sg、Sn震相對(duì)震中位置的影響規(guī)律，可以縮短速報(bào)時(shí)間并提高定位精度，但速報(bào)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(duì)地震類型的判斷有明顯的約束作用。需結(jié)合地震波形垂直向的初動(dòng)方向和尖銳程度、振幅周期、振幅比、尾波的持續(xù)時(shí)間、地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等因素綜合判斷速報(bào)地震的地震類型。目前為止，快速準(zhǔn)確速報(bào)地震最科學(xué)的方法還是要均勻分布地震臺(tái)站、增加地震臺(tái)站密度、改進(jìn)速度模型、選用適合的定位方法、加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外合作共享地震波形數(shù)據(jù)以及提高實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)能力等。