MSDP軟件定位方法應用對比

金春華，田小惠，蔡新華，何秋菊

（寧夏地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

寧夏及鄰區處在一個特殊的大地構造的位置上，根據不同的新構造特征可劃分為青藏和華北兩大塊體[1]，華北塊體由阿拉善和鄂爾多斯兩個次級相對穩定的地塊以及夾持其間的銀川地塹組成，該區歷史上曾發生過1739年銀平羅8.0級地震。牛首山以南的弧形擠壓—走滑構造區則為青藏塊體東北緣的一部分，該區曾發生1920年海原8.5級地震。寧夏數字臺網于2003年1月正式投入使用[2]，經過不斷改進和完善，目前已建成擁有29個臺站的區域數字地震觀測臺網。2003年1月至今寧夏及鄰區共記錄到ML2.0級以上地震800余條，為開展地震定位工作打下良好的基礎。寧夏是一個多爆破的地區，截至目前共收集到爆破資料200余次，其中已落實有確切震中爆破52次，這些資料為驗證地震定位方法，尤其是定位深度起到重要作用。

MSDP軟件是目前全國地震系統普遍采用的地震定位軟件，當前全國大多數省局臺網均應用該軟件完成日常地震速報、地震編目等工作。該軟件目前常用的定位方法有：單純型、HYP2000和Hyposat及LocSAT等定位方法[3]。本文將利用地震和爆破資料，從震中位置、深度及定位殘差3個方面全面評估單純型、HYP2000和Hyposat三種定位方法，最終得出結論。

1 寧夏及鄰區活動斷裂及地殼速度結構

寧夏及鄰區的活動斷裂十分發育[4]，且類型多樣，按走向和性質分組可分為北北東、北南向斷裂和北西西—北北西向弧形斷裂和東西向斷裂。北北東、北南向斷裂主要有：巴音烏固原斷裂帶，煙筒山斷裂帶，窯洞水—五佛寺斷裂帶，中衛—同心斷裂帶及海原斷裂帶。東西向斷裂主要有正誼關斷裂帶。其中海原、牛首山—羅山—固原和銀川—平羅斷裂為主要發震斷裂帶。因構造環境及地質演化歷史不同，寧夏及鄰近地區各地地殼結構特點存在較大差異[2]。拉山東麓斷裂、桌子山斷裂帶、狼山山前斷裂、賀蘭山東麓斷裂帶、黃河斷裂帶、阿拉善左旗斷裂、銀川—平羅斷裂及蘆花臺斷層。北西西—北北西向弧形斷裂主要有：牛首山—羅山—銀川地塹和六盤山斷裂帶位于構造活動強烈的南北地震帶上，在其形成的歷史過程中，受3個動力性質不同的地質塊體—青藏地塊、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊的交互作用，地殼結構較為復雜。具有結構層變異強烈，地殼層厚度突變顯著的特點。地殼總厚度總體趨勢是南部大于北部。由于南部處于青藏高原北東邊緣向地臺區的過渡地帶，其地殼厚度介于青藏高原（厚度約60km）與地臺區（約42km）之間；北部銀川地區地殼總厚度小于40km。在銀川地塹和六盤山斷裂帶下方存在低速異常體。在銀川地塹下方地殼中存在一長度近80km的低速異常透鏡體，厚度約為10—15km；在六盤山斷裂帶下方，上地殼存在一厚度約11km的低速透鏡體。陶樂—固原一線以東的鄂爾多斯地臺區和賀蘭山以西的阿拉善地臺，殼幔結構相對簡單，地殼分層比較平坦，莫霍面起伏不大，是整體相對穩定的構造單元。

圖1 寧夏及鄰區活動斷層及地殼厚度分布圖Fig.1 Distribution map of earthcrust’s thickness and the active faults in Ningxia and its nearby area

2 資料選取及MSDP幾種定位方法定位對比分析

2.1 資料選取

本文選取2008—2012年寧夏及鄰區地震和爆破資料進行對比分析, 研究區域為寧夏及鄰區（35～40.5oN，103.5～107.5oE）范圍。觀測資料來源于寧夏數字地震臺網（其中2003—2005年6個臺站，2006—2007年7個臺站，2008年以來18個臺站）的地震和爆破記錄及爆破測線記錄。從寧夏地震觀測報告中選出有4個以上臺站記錄的地震、爆破記錄，其中地震記錄260條，爆破記錄119條。在這些地震事件中，ML1.0～1.9級地震24次，ML2.0～2.9級地震197次，ML3.0～3.9級地震33次, ML4.0～4.9級地震4次。爆破中有確切爆破位置的52次,最大為2007年12月20日寧夏石嘴山大峰礦ML4.5級爆破。

2.2 MSDP幾種定位方法定位對比分析

為了全面分析各定位方法的優略，本文選取260次地震和119次爆破資料對3種方法進行定位對比分析。本文從地震震中與地表斷層關系、地震震群分布、地震深度在地殼結構的合理性、定點爆破定位震中與落實實際位置的差、爆破深度是否更接近0及殘差大小等幾個方面進行了全面對比分析。

2.2.1 震中定位對比及其與斷層關系分析

圖2 3種方法定位地震震中分布圖Fig.2 Epicenter distribution of 3 location methods

我們首先從地震震中分布來分析MSDP定位軟件中3種定位方法與斷層的關系。可以看出3種方法的震中除外圍部分地震定位結果差距較大外，震源的總體分布格局變化不大（圖2）。HYP2000定位較其他兩種方法集中，且局部地區的地震有向構造斷裂帶趨近的變化。對于網內地震，3種定位方法的定位結果偏差不大，但HYP2000震源距斷裂帶更近，小震群震中也更為集中；對網緣、網外地震3種定位方法定位結果差距較大，尤其是寧夏北部及寧蒙交界地區。因該區地震和斷層看不出明確的關系，僅憑地震震中圖很難判斷哪種方法定位結果更為合理。綜上分析，對于網內地震HYP2000定位網內地震稍優于單純型定位，Hyposat定位近震震中顯不如其他兩種方法。

爆破是檢驗定位位置是否準確的重要資料，定點爆破定位的精確度是驗證地震定位方法好壞與否的重要手段。為了取得可靠資料，課題組成員對寧夏境內及內蒙古阿拉善左旗幾個時常有定點爆破的采煤礦、采石礦及水泥廠礦點進行實地考察，收集可靠的爆破時間、地點及炸藥噸位等，為該研究提供最可靠的一手資料。我們提取了平羅大峰礦、銀川套門溝、中衛干柳樹爆破和固原三關口做進一步分析。抽取平羅大峰礦爆破15個，銀川套門溝爆破10個，中衛干柳樹爆破9個，固原三關口爆破6個進行定位對比分析，得到各種定位方法平均距離如表1所示。可以看出在此4個礦區單純型定位平均值4.1—6.3km，HYP2000平均2.3—2.7km，Hyposat平均4.1—8.3km。總結以上4個礦區可以得出：HYP2000定位最大值及平均值明顯均小于其它兩種方法，單純型其次，Hyposat最差。

表1為物探中心定點爆破定位對比，相對于落實爆破，物探中心勘探爆破給定的爆破源參數更為精確。從表中可以看出：單純型和Hyposat定位方法可以定位所有爆破。但HYP2000對2004年10月31日內蒙古阿拉善左旗爆破及2004年11月5日寧夏鹽池爆破均無法定位，究其原因，這幾次爆破均為只有4個臺記錄的網緣或網外地震。對比其定位結果，我們發現：對于網內爆破3種定位方法定位震中位置差別均不大，最大不超過6km。對于網緣及網外爆破單純型和Hyposat基本可定位，結果差距單純型和Hyposat均不超過10km。

表1 不同定位方法定位爆破結果對比

圖3 3種方法定位深度分布圖（a）單純型（b）HYP2000（c）HyposatFig.3 Focal depth distribution of 3 location methods

2.2.2 深度定位對比

因地震臺站均在地表、個別深井臺站井身也不超過數百米，對于深幾公里至數十公里的地震深度缺少縱向控制。故地震深度的確定是個難題，歷來各地震定位方法對地震深度定位均很難把握。本研究從地震深度與斷層及深部速度結構和爆破深度是否更接近表層出發，研究各方法定位的地震和爆破深度分布的合理性。研究表明：單純型定位的深度無論是地震還是爆破深度分別不大，大多集中分布在5—10km（圖3（a））。本研究選用的260個地震事件和119個爆破事件中深度在此范圍的有：地震249個占總數的95.8%，爆破107個占總數的89.9%。Hyposat定位得到的深度大多在15km左右（圖3（b）），其中10—20km的地震147個占總數的56.5%，爆破58個占48.3%。本研究給定Hyposat定位的初始深度為15km，如果給定初始深度為10km，則定位深度大多在10km附近。依此可以得出：Hyposat定位的深度很大程度上依賴給定的初始深度，并不能反映地震或爆破定位的實際深度。HYP2000定位地震深度在0—30km范圍均有分布而爆破深度無一超過5km（圖3（c））。據此我們可以得出，單純型和Hyposat不能從深度上區分地震或爆破，而HYP2000則不同，定位爆破深度不超過5km。

根據落實爆破及物探中心定點爆破深度定位表明（表1、表2）：單純型定位的深度在4—9km,平均6—7km。HYP2000定位深度為0—5km平均3km，Hyposat定位深度1—30km平均9—18km。該結果和119個爆破得到的結果基本一致。

綜合以上分析得出：單純型和Hyposat定位的對地震或是爆破深度沒有區別，單純型定位的深度均在5—10km，Hyposat定位深度與給定初始深度有關。HYP2000對地震和爆破深度有明顯的區分，定位所得爆破深度也更符合實際情況。

2.2.3 地震深度與地殼速度結構關系

為了進一步檢驗HYP2000定位方法，我們對其定位的地震深度與寧夏地區地殼速度結構做了進一步分析。寧夏地區地殼結構復雜，據研究表層0—5km層低速主要分布在銀川地塹、中衛清水河盆地，高速主要分布在銀川地塹西部的賀蘭山區[5]。在深層沿中衛—同心斷裂帶高速最為顯著，低速主要分布在銀川地塹深約為21—30km處及固原清水河斷裂帶深度約為8—22km。地震主要分布在速度變化劇烈的區域。鄂爾多斯塊體較為穩定，很少有地震發生。從HYP2000深度分布圖（圖4）可以看出，阿拉善塊體、中衛清水河盆地及海原斷裂帶中西部地震主要發生在深度0～20km；在20～30km深度地震只發生在銀川地塹及銀川地塹西北的賀蘭山區、中衛同心斷裂帶、及固原清水河斷裂帶。研究發現寧夏地區深度較深的地震主要分布在銀川地塹西部的賀蘭山區、中衛—同心斷裂帶、固原清水河斷裂帶。進一步分析，因固原清水河斷裂帶地區低速層深8—22km，地震深度均不超過25km。銀川地塹低速層深21-30km該區較深地震發生在21—33km處。中衛同心斷裂帶速度變化最劇烈處約為15—25km，較深地震發生在21—27km。賀蘭山高速層消失在深度約25km處，該區較深地震主要發生在20—33km.該結果表明地震發生在高速—低速轉換地區。

圖4 HYP2000定位地震深度分布圖Fig.4 Seismic depth distribution by HYP2000 location method

表2 不同定位方法定位固定炮點結果對比

2.2.4 殘差分析

殘差是評價地震定位好壞的一個重要參數。單純型和Hyposat的殘差整體高于HYP2000（圖5）。單純型殘差優勢分布在0.2—0.6，占總數的92.6%，平均殘差為0.37；Hyposat殘差優勢分布范圍為0.2—0.6，占總數76.5%，殘差大于0.6的占總數11.5%。而HYP2000定位殘差大多數小于0.4，占總數的90.4%。綜上分析：Hyposat定位殘差最大、單純型次之、HYP2000最小。

圖5 3種定位方法殘差分布圖Fig.5 Residual error distribution of 3 location methods

3 各方法與和達法定位地震深度對比分析

本文選用和達法對各方法定位的地震深度進行對比驗證。和達法是模擬時期計算深度較為普遍的一種算法，該方法有明確的理論依據。即對于有4個以上臺的到時差的近震，則可兩臺組成一組，求出三組獨立的震源軌跡，再用作圖法求出震源位置及震源深度[6]。其優點在于操作簡單且不依賴速度模型或走時表，只要已知分布合理的4個以上臺站震相便可用和達法求出震中位置及深度。其計算結果只與震相分析精度和臺站分布有關，故可以排除因速度模型或走時表不合理導致的深度不合理的因素。本研究定位震中位置和震源深度使用的和達法程序為本文作者用matlab語言自編。

本文選用2008—2011年以來寧夏及鄰區ML2.8級以上地震計算，能計算結果的有41個地震。分析這41次地震定位過程發現：震相精度和參與定位臺站分布對和達法影響較大，利用包圍不好的臺站無法得到結果，或定位震中和實際震中相差很大。利用震相不太清晰的震相數據則深度誤差很大。

可以看出，單純型、HYP2000、和達法定位的震中位置除2010年6月27日靈武ML2.8地震及2011年11月28日寧夏石嘴山ML3.1地震外均很接近，這兩次地震前者震相不太清晰，后者因參與定位的臺站分布不合理。為了做進一步分析，對比分析了3種方法定位的深度與和達法定位的深度差（圖6（b）），可以得出HYP2000定位深度與和達法定位深度差絕大多數都在10km范圍內，其中5km以內的占總數的一半以上，Hyposat次之，單純型最差。由此得出，HYP2000定位深度與和達法求得深度吻合最好。

圖6 各種方法定位震中分布Fig.6 Epicenter distribution of all kinds of location methods

4 結論與討論

定位方法是影響地震定位的關鍵因素，本文從地震震中與地表斷層關系、地震震群分布、地震深度在地殼結構的合理性、定點爆破定位震中與落實實際位置的差，爆破深度是否更接近0及殘差大小等幾個方面對MSDP軟件幾種定位方法進行了全面對比分析。結果表明：①3種定位方法震中經緯度略有差異，但HYP2000震源距斷裂帶更近。對于落實的定點爆破HY2000優于其它兩種方法，單純型其次，Hyposat最差。②單純型定位深度較為集中，無論地震或是爆破大多分布在5—10km。Hyposat定位深度與給定初始深度有關。HYP2000定位地震深度分布較為均勻，但爆破深度全部分布在0—5km。對HYP2000定位的地震深度與寧夏地區地殼速度結構做了進一步分析發現：HYP2000定位地震深度與速度結構明顯相關，地震發生在高速—低速轉換地區。③單純型和Hyposat的殘差整體高于HYP2000。④單純型、HYP2000、和達法定位的震中位置均很接近，對比分析了3種方法定位的深度與和達法定位的深度差，可以得出，HYP2000定位深度與和達法定位深度差絕大多數都在10km范圍內，Hyposat次之，單純型最差。綜合以上分析：對于網內地震在日后的地震速報及編目工作中可應用HYP2000定位方法。

眾所周知，臺站分布和震相精度對地震定位影響較大。寧夏地區位處南北地震帶北段，有較為豐富的地震和爆破資源。但寧夏地區臺站分布較為稀疏，平均臺間距34km,遠小于東部地區。從臺站分布看寧夏地區南北狹長，東西較短，盡管近2年加入15個外省臺，但對外圍地區寧蒙交界、石嘴山和內蒙古阿拉善左旗地區地震仍然很難掌控。震相分析精度亦對地震定位，尤其深度定位，有較大的影響。本研究主要目的是能指導今后的地震速報及編目工作，因此大多數地震或爆破均采用臺網報告震相數據，小部分做了調整。3種方法中受震相精度影響最小的是單純型法，因單純型對深度定位并不敏感，震相分析精確與否對單純型定位影響不大；hyposat定位深度與初始深度有關，震相精度對其影響也不是太大；HYP2000定位深度與震相精度關系密切，應用不準確的或錯誤的震相資料可能得不到正確的深度。在一般情況下，應用震相清楚的6個左右近臺定位的深度與落實爆破或和達法定位地震深度差不會超過5km。

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