許 鑫，萬永革,2，郗增來

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.河北省地震動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201)

0 引言

地震定位是地震領(lǐng)域研究的最基礎(chǔ)和經(jīng)典的問題之一。這是研究地質(zhì)構(gòu)造、板塊運(yùn)動的基礎(chǔ)，同時在震后應(yīng)急救援，風(fēng)險評估等方面具有重要價值[1-3]。防災(zāi)科技學(xué)院測震臺網(wǎng)自組建小臺陣以來，不僅監(jiān)測臺網(wǎng)內(nèi)地震，還監(jiān)測京津唐地區(qū)地震活動，在防震減災(zāi)方面發(fā)揮著重要作用。

防災(zāi)臺網(wǎng)孔徑較小，大部分需要定位的地震發(fā)生在網(wǎng)外，確定地震位置較為困難。為了滿足周圍地震活動監(jiān)測和地球物理學(xué)生的監(jiān)測實(shí)踐，基于防災(zāi)臺網(wǎng)所記錄到的地震數(shù)據(jù)，本文探索僅使用防災(zāi)小孔徑地震臺網(wǎng)記錄的近震進(jìn)行定位。雖然震后也可以得到周圍其它臺站的地震觀測數(shù)據(jù)，但一方面為了在未得到其他觀測數(shù)據(jù)情況下，能夠在第一時間對記錄的地震事件進(jìn)行分析，達(dá)到對臺網(wǎng)內(nèi)和臺網(wǎng)外近震的快速精準(zhǔn)定位。另一方面探索使用少數(shù)臺提高對地震參數(shù)的求取精度，本文采用防災(zāi)臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速定位的P波初動定位方法。

本文在使用與防災(zāi)臺網(wǎng)常規(guī)定位相同地震資料的前提下，以中國臺網(wǎng)正式目錄定位結(jié)果為參照，比較P波初動定位與防災(zāi)臺網(wǎng)常規(guī)蓋革定位方法對于不同地震定位結(jié)果的差異性，找到P波初動定位在防災(zāi)臺網(wǎng)的適用范圍，從而增加防災(zāi)臺網(wǎng)的定位手段。

1 防災(zāi)臺網(wǎng)介紹

防災(zāi)科技學(xué)院測震臺網(wǎng)由學(xué)院臺、凌家吳臺、安頭屯臺、大朗臺、大羅村臺和臺網(wǎng)監(jiān)測中心組成。其中學(xué)院臺和凌家吳臺為綜合觀測臺，配有井下寬頻帶地震計(jì)(TBG-60B)、井下短周期地震計(jì)(TBG-33S)。安頭屯臺、大羅村臺和大朗臺為測震臺，配有井下短周期地震計(jì)(TBG-33S)。各個臺站的井孔深度均在200m～300m。

防災(zāi)科技學(xué)院測震臺網(wǎng)采用蓋革方法進(jìn)行定位，這種方法利用各個地震臺站的P波和S波觀測到時，根據(jù)震源位置模型的預(yù)測臺站到時和觀測到時的擬合差對震源參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)組成雅克比矩陣，求解修訂震源位置和初始震源位置的偏差，進(jìn)而得到更加接近實(shí)際的震源位置的結(jié)果。這種過程反復(fù)迭代，直至震源位置相對于預(yù)測走時和觀測走時的擬合差的改善可以忽略，就可以得到地震的震源參數(shù)。地殼模型采用Crust1.0模型進(jìn)行計(jì)算，采用這種方法的定位目錄稱為防災(zāi)臺網(wǎng)目錄。

2 P波初動定位原理和資料處理

2.1 P波初動定位原理

將震中位置和臺站所在的球面投影到水平面中進(jìn)行近震研究。P波初動定位基本原理[4-6]如下:

(1)根據(jù)P波初動確定方位角

假定P波在東西向、北南向、垂直向半周期的初動位移分別為Uew、Uns、Uud，則表示震源相對于臺站的方位α。

(1)

根據(jù)垂直向的初動記錄，若Uud初動方向向上，則震中“背離”臺站；若Uud初動方向向下，則震中“面向”臺站[7-8]，見表1。

表1 方位角與初動關(guān)系

(2)根據(jù)到時求取震源點(diǎn)與臺站距離

根據(jù)P波與S波的到時差(Ts-Tp)與走時差相等，可以得到：

(2)

D=k(Ts-Tp)

(3)

(3)根據(jù)三分向位移求入射角

首先將水平方向波形進(jìn)行合成，可以得到合成矢量Um。

(4)

視入射角可表示為：

(5)

根據(jù)視入射角與真入射角的關(guān)系，可以得到：

(6)

(4)求取震中距和震源深度

Δ=Dsini真

(7)

h=Dcosi真

(8)

利用以上原理，可以得到各個臺站對單個地震的震源深度、震中距和方位角，各個臺站對單個地震定位結(jié)果取平均值后得到P波初動定位的地震參數(shù)。

2.2 資料選取

考慮到防災(zāi)臺站記錄數(shù)據(jù)均為地動速度(圖1a)，本文在計(jì)算方位角和入射角時需要轉(zhuǎn)化為位移數(shù)據(jù)，因此將地動速度進(jìn)行積分得到位移(圖1b)。部分積分后的位移數(shù)據(jù)存在信噪比較小的情況，對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波[9]，濾波頻段取0.1～1.8Hz。濾波后(圖1c)大部分?jǐn)?shù)據(jù)能找到較為清晰的初動，特別是東西向和北南向的初動明顯比濾波前更為清晰。

圖1 地震速度記錄轉(zhuǎn)化為位移記錄的一個例子Fig.1 An example of transformation from velocity recorder to displacement recorder

自防災(zāi)臺網(wǎng)監(jiān)測中心2018年1月～2019年12月記錄的地震中，篩選ML>2，Δ<500km的近震共20次(除去2018年8月16日天津薊州地震和2019年4月14日北京懷柔地震因網(wǎng)絡(luò)故障未記錄)，見表2。P波初動定位要求P波初動位移在三分向均有明顯的記錄，在防災(zāi)臺網(wǎng)記錄20次地震中，能夠讀取P波初動的地震事件有17次，識別比例達(dá)到85%，震中分布如圖2所示。

圖2 震中位置分布(P波初動定位結(jié)果)Fig.2 Distribution of epicenter location in this study(the locating result of P-wave initial motion)

3 定位結(jié)果對比

為了避免使用不同的定位資料引起定位結(jié)果差異，在使用P波初動定位方法時，選用與防災(zāi)臺網(wǎng)采用相同臺站得到的定位結(jié)果。為比較方法的優(yōu)劣，采用全國地震資料中國地震臺網(wǎng)給出的正式目錄中的位置作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

3.1 震中經(jīng)緯度分析

表3中數(shù)據(jù)差表示P波初動定位和防災(zāi)臺網(wǎng)定位震中經(jīng)緯度分別與中國臺網(wǎng)中心定位結(jié)果的差距。P波初動定位震中差距在25km之內(nèi)有9次地震，除去2019年1月15日河北元氏、2019年5月19日河北宣化、2019年10月27日河北懷安三次地震，其它6次(占17次地震比例35.29%)為網(wǎng)緣或周邊90km內(nèi)的近震。防災(zāi)臺網(wǎng)定位震中差距在25km內(nèi)有6次地震，除去2019年4月21日河北臨漳地震，其它5次(占17次地震比例29.41%)為網(wǎng)緣或周邊90km近震。由此可見P波初動定位對于網(wǎng)緣和周邊90km近震定位精度要優(yōu)于防災(zāi)臺網(wǎng)定位精度，說明P波初動定位方法適用于防災(zāi)小孔徑網(wǎng)緣或周邊90km的近震。

P波初動定位震中差距大于25km的地震有8次，所占比例為47.06%。防災(zāi)臺網(wǎng)定位震中差距大于25km的地震有11次，所占比例為64.71%。其中絕大多數(shù)為網(wǎng)外90～500km的地震，兩種方法定位精度均不高，但P波初動定位偏差稍小于防災(zāi)臺網(wǎng)定位方法。

P波初動定位經(jīng)緯度平均差距控制在20km之內(nèi)，震中差距比防災(zāi)臺網(wǎng)常規(guī)定位小19.65km，P波初動定位經(jīng)緯度平均差距均優(yōu)于防災(zāi)臺網(wǎng)常規(guī)定位結(jié)果。從17次地震的標(biāo)準(zhǔn)差分析，標(biāo)準(zhǔn)差越小，說明定位結(jié)果越接近于中國臺網(wǎng)定位結(jié)果，P波初動定位的經(jīng)緯度和震中差距的標(biāo)準(zhǔn)差均要優(yōu)于防災(zāi)臺網(wǎng)定位結(jié)果。

將P波初動定位得到的震中經(jīng)緯度與中國臺網(wǎng)經(jīng)緯度比較，如圖3所示。P波初動定位大部分地震經(jīng)緯度偏差大部分能控制在-20～20km，大致圍繞(0，0)位置呈現(xiàn)聚合分布的狀態(tài)，這說明本文的P波初動定位結(jié)果比較穩(wěn)定。

表2 近震事件定位結(jié)果

2019年4月24日河北灤州、2019年7月20日涿鹿、2019年9月28日河北蔚縣三次地震震中水平差距達(dá)到40km以上，原因可能為網(wǎng)外地震，真實(shí)震中位置偏離臺站較遠(yuǎn)，導(dǎo)致P波初動較弱，從而影響震中經(jīng)緯度。由此可見，與防災(zāi)臺網(wǎng)常規(guī)定位方法相比，P波初動定位需要清晰的初動位移，因此對初動較弱的地震定位不具有優(yōu)勢。

3.2 震源深度比較

對于研究震源深度而言，無論使用單臺定位或多臺定位方法都不容易控制。地震發(fā)生在幾千米到幾百千米的地下，但我們的井下地震計(jì)安放在幾百米到幾千米的位置，不能實(shí)現(xiàn)對震源的全方位監(jiān)控。加上傳播層介質(zhì)的變化，或多或少都會對真實(shí)的震源深度產(chǎn)生影響[10-12]。為了驗(yàn)證P波初動方法能否作為防災(zāi)臺網(wǎng)的輔助定位方法，統(tǒng)計(jì)P波初動定位、防災(zāi)臺網(wǎng)定位分別與中國臺網(wǎng)中心定位的震源深度差距，見表4。

P波初動定位有15次震源深度與中國臺網(wǎng)目錄深度差距控制在±10km內(nèi)，防災(zāi)臺網(wǎng)定位有13次震源深度與中國臺網(wǎng)目錄深度差距控制在±10km之間，如圖4所示，兩種定位方法對于震源深度的定位精度大致相同。

表3 震中經(jīng)緯度差距

圖3 經(jīng)緯度差距比較Fig.3 The longitude and latitude of epicenter obtained by P-wave initial motion location is compared with that of China Seismic Network

P波初動定位得到的震源深度平均值為18.72km，與中國地震臺網(wǎng)定位的平均深度(14.71km)相差-4.02km，平均深度相比較于中國地震臺網(wǎng)目錄深度較深。防災(zāi)臺網(wǎng)定位的震源深度平均值為9.84km，與中國地震臺網(wǎng)定位的平均深度(14.71km)相差7.87km，平均深度相比較與中國地震臺網(wǎng)目錄深度較淺，總體上本文所用的P波初動定位方法得到的震源深度更接近于中國臺網(wǎng)定位，說明該方法適用于防災(zāi)臺網(wǎng)。

3.3 影響定位差距的因素

通過分析證實(shí)，可以使用P波初動定位方法對初動位移清晰的近震進(jìn)行輔助定位。但P波初動定位對個別地震定位結(jié)果存在著較大偏差，可能的原因?yàn)椋?/p>

表4 震源深度比較

圖4 震源深度差距Fig.4 Differences of source depths

(1)初至波位移讀取不準(zhǔn)確。地震的初至波較弱，信噪比小，量取P波初動位移時會產(chǎn)生較大偏差，導(dǎo)致在計(jì)算方位角和入射角時造成偏差，影響了經(jīng)緯度、震源深度的定位精度。說明對于初動較弱的微小震級，P波初動定位方法不能精準(zhǔn)地拾取初動位移。

(2)不同定位方法和不同定位資料的影響。與使用較多地震數(shù)據(jù)的中國地震臺網(wǎng)中心相比，本文進(jìn)行P波初動定位時，選取資料均來自防災(zāi)臺網(wǎng)的5個臺站，資料有限。本次研究地震發(fā)生于網(wǎng)緣或網(wǎng)外，地震震中距較遠(yuǎn)，防災(zāi)小孔徑臺陣不能很好地約束地震位置。

4 結(jié)論

利用小孔徑的防災(zāi)地震臺網(wǎng)的記錄資料，利用單臺地震定位方法得到結(jié)果的平均作為最終結(jié)果。在使用與防災(zāi)臺網(wǎng)定位相同地震數(shù)據(jù)的前提下，對防災(zāi)臺網(wǎng)2018年1月—2019年12月記錄到的Δ<500km，ML>2的17個近震進(jìn)行定位，得出以下結(jié)論：

(1)對網(wǎng)緣和周邊90 km內(nèi)的近震，P波初動定位精度優(yōu)于防災(zāi)臺網(wǎng)，說明P波初動定位適用于網(wǎng)緣或周邊90 km之內(nèi)的近震定位。對網(wǎng)外90～500 km的地震，兩種方法定位精度均不高，但P波初動定位偏差小于防災(zāi)臺網(wǎng)定位，個別地震定位偏差較大，原因可能與防災(zāi)臺陣的孔徑較小，對網(wǎng)外地震監(jiān)測能力較弱有關(guān)。

(2)相對于中國地震臺網(wǎng)給出的定位結(jié)果，P波初動定位的經(jīng)緯度偏差大都能控制在±20km內(nèi)，呈現(xiàn)聚集分布。同時P波初動定位的震源深度總體優(yōu)于防災(zāi)臺網(wǎng)定位結(jié)果，說明P波初動定位結(jié)果相對穩(wěn)定，可以作為防災(zāi)臺網(wǎng)的輔助定位方法。

盡管P波初動定位方法使用范圍有限，但目前防災(zāi)臺網(wǎng)的常規(guī)定位方法要求3個臺站以上，并且臺站布局可靠。當(dāng)臺網(wǎng)的某一個臺站或多個臺站記錄到地震以及防災(zāi)臺網(wǎng)部分臺站故障時，可以使用P波初動定位方法進(jìn)行輔助定位，為地震速報(bào)等工作提供保障。

如果需要更為精確的地震定位結(jié)果，則需要在此定位基礎(chǔ)上，采用多層介質(zhì)模型，并采用多種震相進(jìn)行地震位置的求解[13]，這樣就可以得到更為準(zhǔn)確的地震參數(shù)。這需要結(jié)合其它臺站的數(shù)據(jù)，并且讀取更多的震相，本文只是為應(yīng)急或教學(xué)實(shí)踐而進(jìn)行的初步定位。