臺站選擇對蘆山M7.0地震余震定位結果的影響

魏婭玲，顏利君，唐 濤，蔣 波，管 勇

(四川省地震局，四川 成都 610041)

地震定位是地震學中最經典、最基本的問題之一，準確的定位結果對于地震活動構造、地球內部結構、震源的幾何構造等地震學問題的研究有著重要意義。近年來，隨著數字地震學的快速發展，人們對地震內部結構及震源破裂過程的研究越來越深入，對地震定位結果的準確度也提出了更高要求。地震學家們一直都在不斷嘗試、改進或提出新的方法(趙仲和,1983；朱元清，1997；孔韓東，2017)。

影響地震定位結果精度的因素有很多，如臺站布局、震相到時測量誤差、不同定位方法的不同算法、速度模型等等，其中速度模型影響因素是現階段還不可能完全解決的，震相到時測量誤差也具有一定的隨機性。實際情況表明，定位臺站選取是否合理是影響定位結果可靠性的一個十分重要的因素，也是一個可以改善的因素。臺站分布主要取決于四個要素：①臺站分布均勻度；②最近臺站的震中距；③可記錄到波形的最遠臺站震中距；④臺站分布相對于震中的最大空隙角(最大空隙角是指震中位置到臺站的連線中，兩相鄰臺站之間的最大夾角)。本文采用廣東省地震局研發的MSDP軟件對四川蘆山地震余震中ML≥3.0的80個余震波形事件重新拾取震相，通過選用不同臺站(或不同最大空隙角)對同一地震進行多次重定位，初步討論定位臺站選擇對蘆山地震余震定位基本參數(包括發震時刻、震中位置和震源深度)結果的影響程度，找出蘆山余震定位的最佳臺站分布規則。此項工作可以提高地震定位結果的可靠性，減小研究區域余震分布的離散度，無論是從科研究角度還是日常工作都是一件有意義的基礎性工作。

1 資料選取及處理方法

1.1 臺站和研究數據的選取

四川蘆山“4·20”M7.0主震發生后,地震應急流動監測隊伍于當天就開始在震源區周圍架設流動臺站，至4月25日共架設了15個流動臺站，這些流動臺較為均勻地分布在震區及其附近50 km范圍，對震區形成了較好的方位覆蓋。之后，中國地震局蘆山“4·20”M7.0地震科學考察小組為了查明蘆山地震的發震構造及其特征、構建蘆山地震的發震構造模型，采用人工地震剖面和科考臺陣記錄資料來揭示震源區的地殼精細結構和深淺構造關系，科學考察小組將該區域原有流動臺站進行了適當調整，另外還加密增設了20個臺站，總計由35個臺站組成蘆山科考臺陣(參見圖1)，臺站分布最大空隙角可達15°，形成迄今為止四川省內監測臺站分布密度相對較高的一個局部區域。所有臺站于2013年6月24日全部匯入四川省地震監測臺網中心進行實時分析處理，運行狀況一直良好，記錄到了高信噪比的蘆山震區余震序列波形數據，為準確測定蘆山地震余震震源參數提供了寶貴的監測資料。

▲表示四川及鄰區固定臺站，△表示蘆山科考臺陣，●表示蘆山地震余震圖1 重定位的臺站分布

本研究選用2013年4月26日～2014年6月24日、3.0≤ML≤6.0的86個余震數字地震波進一步仔細分析，其中，ML3.0～3.5余震76個，ML4.0～4.9余震10個。經過波形篩選，剔除蘆山地震余震中波形疊加、干擾較大的余震，最終挑選出了80個波形記錄清晰的余震波形事件，重新進行震相拾取。

1.2 定位速度模型的選取

本文采用廣東省地震局研發的MSDP軟件對四川蘆山M7.0地震余震中ML≥3.0地震波形事件重新拾取震相，使用地震行業科技專項“川滇地區地震走時表編制”研發的定位軟件Loc3D及川滇三維速度模型對這些地震進行重新定位。川滇三維速度模型是基于三維速度間斷面和三維速度擾動變化，考慮了地球扁率、地形起伏和臺站高程等因素的影響(吳建平，2009；房立華，2013)，是目前四川測震臺網地震定位中所采用的最主要、精準度相對較高的速度模型。

1.3 最佳震中區的規定

震中是震源位置在地表水平面上的垂直投影(可用經、緯度表示)。在實際工作中，即使采用同一定位方法和速度模型，選擇不同的臺站進行定位，其結果往往也不會完全相同。根據地震行業標準《地震編目規范》中規定的1類精度地震的條件，我們在本研究中規定：參加定位的臺站同時滿足四個條件時(定位臺站四方位均勻分布、△最近臺站≤5 km、△定位臺站≤300 km且0°≤定位臺站最大空隙角≤45°)，得到的震中位置為最佳震中位置，將所有滿足條件的最佳震中位置分布范圍作為最佳震中區，最佳震中區內的所有震中位置均視為真實震中位置。分別計算出各次重定位震中位置與多個真實震中位置的偏差，并把其最小偏差值作為最終的重定位震中位置偏差。震中位置偏差(ΔΕ)的計算公式如下：

(1)

式中φ1、λ1分別為真實震中位置的經度、緯度，φ2、λ2分別為重新定位得到的震中位置的經度、緯度。

表1是2013年7月6日5時ML4.0余震在不同震中距范圍所對應的臺站數、震相數和臺站分布的最大空隙角。該余震的最近臺站震中距為3 km，震中距10 km范圍內有3個臺站，震中距20 km范圍內有5個臺站，能清晰識別震相的最遠臺震中距為550 km。從表1可知，當參加定位的遠臺震中距在120～300 km范圍(表1中的黑體部分)時，可以得到該余震的多個最佳震中位置。

表1 不同震中距范圍所對應的臺站數和最大空隙角

2 臺站選擇對定位結果的影響性分析

2.1 定位臺站距離的影響性分析

在進行近臺距離影響性分析的定位過程中，我們先對80個余震的所有能夠拾取到清晰震相的臺站進行初次定位，然后按照由近及遠的方式不斷地減少震中區附近的近臺(可按5～10km窗長進行減少)，從而計算出各地震的多次重定位結果。圖2(a)～(h)是重定位震中位置隨近臺距離的變化情況，從震中分布趨勢可知，重定位震中位置隨著近臺距離的增大而逐漸偏離最佳震中區域, 比如：圖2(a)中的實心五角星表示最佳震中位置，多個最佳震中分布范圍組成最佳震中區域(見圖中的不規則多邊形區域)；圖2(b)中，當最近臺站震中距約為10 km時，有75%的空心五角星位于最佳震中區域；圖2(c)中，當最近臺站震中距約為22 km時，有62%的空心五角星位于最佳震中區域；圖2(d)中，當最近臺站震中距約為36 km時，有30%的空心五角星位于最佳震中區域；圖2(e)中，當最近臺站震中距約為53 km時，有25%的空心五角星位于最佳震中區域；圖2(f)中，當最近臺站震中距約為65 km時，僅有20%的空心五角星位于最佳震中區域；當最近臺站震中距大于80 km后(見圖2(g)～(h))，雖然臺站最大空隙角可以小于45°，但是所有重定位的震中位置全都偏離了最佳震中區域，震中位置分布離散，說明近臺對保證地震定位的準確性是非常重要的，是關鍵因素。

在進行遠臺震中距影響性分析的定位過程中，我們先采用最近三個臺站進行初次定位，然后按照由近及遠的方式不斷地增加震中區外圍稍遠的臺站(可按5～10 km窗長進行增加)，當定位遠臺站震中距增加至120 km后，臺站分布的最大空隙角就會小于45°(參見表1)。重定位震中位置隨遠臺震中距的變化情況見圖2(a)，從該圖可以看出，實心圓結果的分布范圍較空心圓結果的分布范圍更加離散，雖然空心圓結果在一定程度偏離了最佳震中區,最大偏離值也僅約為2 km，且發震時刻的偏差值范圍一般在0.1～1.0 s之間，說明遠臺震中距離的增加并不是影響定位結果的主要因素。

2.2 定位臺站分布最大空隙角的影響性分析

由于影響地震定位結果精度的各臺站因素之間是相輔依成的，故在進行定位臺站分布最大空隙角的影響性分析時，我們同時也考慮了臺站距離遠、近的影響，將定位臺站震中距范圍劃分為三種情況進行討論(見圖3(a)～(c))。定位過程中，我們先對滿足震中距范圍的所有臺站進行初次定位，以最近臺站方位角為起始點(保留最近臺站)，然后按照順時針方向不斷地減少臺站(按5°窗長進行減少)來不斷地增加最大空隙角，從而得到多個重定位結果。

不規則多邊形區域表示最佳震中區，空心五角星☆表示最大空隙角小于45°的重定位震中位置，實心五角星表示最佳震中位置，實心圓●表示最大空隙角大于等于45°的重定位震中位置，空心圓○表示遠臺距離大于300 km且最大空隙角小于45°的重定位震中位置。圖2 震中位置隨定位臺站震中距離遠、近的變化情況

圖3 震中位置偏差隨臺站分布最大空隙角的變化情況

重定位震中位置偏差隨臺站最大空隙角的變化情況見圖3，總體來看，無論定位臺站震中距范圍如何，都會呈現出震中偏差隨著最大空隙角的增大而逐漸增大的現象。由圖3(a)可知：當臺站震中距在3～300 km內，偏差值范圍約為0～11 km；最大空隙角小于120°時，定位結果分布比較穩定，偏差均值約為0.4 km。由圖3(b)可知：當臺站震中距在3～500 km范圍內，震中偏差值范圍約為1～12.5 km，最大空隙角小于120°時，定位結果分布也比較穩定，偏差均值約為1.0 km，較圖3(a)略有增加。由圖3(c)可知：當臺站震中距在80～500 km范圍內，震中偏差值出現分段現象，最大空隙角小于120°時，偏差均值約為3 km；最大空隙角在120°～160°之間時，偏差均值約為2.5 km；最大空隙角在160°～250°之間時，偏差均值約為4.6 km；在最大空隙角大于250°后，偏差值的結果極不穩定，在2.0～18 km之間跳躍。總體來說，臺站分布最大空隙角的大小對定位結果的影響很大,在臺站分布不變的情況下，為了保證定位臺站分布的最大空隙角足夠小, 可以適當增加遠臺來進行定位是很有必需的。

從圖4(a)～(c)中可以看出，在最大空隙角小于270°時，三種情況下的重定位震源深度分布均比較穩定，震源深度值平均約為21 km，在最大空隙角大于270°后，三種情況下的重定位震源深度分布就都變得比較離散，深度值浮動范圍比較大。由圖4(a)可知：當大空隙角小于270°時，深度值上、下限的浮動范圍為3 km。由圖4(b)可知：當大空隙角小于270°時，深度值上、下限的浮動范圍為1.5 km。由圖4(c)可知：當大空隙角小于270°時，深度值上、下限的浮動范圍為1 km。由此說明通過適當增加遠臺，可以保證震源深度結果分布的穩定性。由圖4(d)中可知，當最近臺站震中距大于80 km后，重定位震源深度分布離散，深度值浮動范圍為8～32 km，失去了穩定性，說明近臺是保證震源深度穩定性的主要因素之一。

圖4 震源深度隨臺站最大空隙角的變化情況

2.3 蘆山余震定位臺站的選取原則

綜上所述可知，合理選擇臺站進行定位，可以改善地震定位結果的精度，提高產出數據的質量，對地震觀測數據的科學應用及研究是很必要的。我們采用0～300 km的所有臺站，對四川蘆山地震余震中ML≥3.0的80個波形事件進行重新定位，這樣既可以保證臺站分布的最大空隙角小于45°，盡可能多地使用近臺，又可以保證每個地震的定位深度值的穩定性。80個重定位結果中，有73個地震的震中位置分布在最佳震中區范圍，占地震總數的90%，其他8個地震的震中偏差值都小于5 km，定位結果也是比較準確的。圖5是本研究ML≥3.0余震重定位結果分布圖，由該圖可知，重定位結果的深度剖面圖呈現出一定的特征，震源深度的優勢分布范圍在12～22 km之間。

圖5 余震重定位結果分布

3 結論

本研究對蘆山M7.0地震余震中ML≥3.0的80個波形事件重新拾取震相，并通過不斷增加遠臺、不斷減少近臺、改變最大空隙角大小的方式對每個地震進行多次重定位，分析討論臺站選擇對蘆山地震余震定位結果的影響性，找出研究區域地震定位的最佳臺站分布規則。綜上所述，得出以下幾點結論：(1)近臺是保證定位結果準確性的關鍵因素。當最近臺距離小于10 km、且最大空隙角小于45°時，有90﹪的定位結果分布在最佳震中區內；當最近臺距離大于80 km時，定位結果分布離散、失去穩定性，準確度顯著降低。(2)最大空隙角大小是影響定位結果的主要因素之一，震中位置偏差通常會隨著最大空隙角的增大而逐漸增大。當最大空隙角小于120°，且最近臺距離小于10 km時，定位結果分布比較穩定，震中偏差均值小于5 km；當最大空隙角大于200°，且最近臺距離大于80 km時，定位結果分布極不穩定。(3)遠臺不是影響定位結果的主要因素，適當地增加遠臺可以減小最大空隙角，從而保證震中位置和震源深度分布的穩定性。(4)研究區域地震定位的最佳臺站分布規則為：最近臺站距離<10 km、0°≤最大空隙角≤45°且最遠臺站距離為300 km。