利用人工爆破檢驗四川蘆山及鄰區(qū)地震定位精度

魏婭玲,蔡一川,唐 濤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

地震定位是地震監(jiān)測工作的一項主要內(nèi)容，其定位結果不僅是地震學研究的重要基礎，也是地震預測、地震應急以及地震災害評估等工作所必需的基礎資料。利用地震臺觀測震相到時測定震源位置和發(fā)震時間，已成為現(xiàn)代地震臺網(wǎng)的常規(guī)任務，但地震定位精度仍然有待提高，隨著數(shù)字地震學的快速發(fā)展，人們對地震定位結果的準確度也提出了更高要求。雖然地震觀測報告中給出了地震定位誤差估計值，但是目前常用地震定位方法均按照基本統(tǒng)計假設(誤差遵循高斯分布、零均值和不相關)來給出定位誤差，其實質(zhì)低估了真實的定位誤差(Myer et al.，2000；Bondár et al.，2004，2009)，因此地震目錄中給出的定位誤差是不能真實反映地震定位精度的。地震定位精度除了受定位臺站分布、震相到時測量誤差及不同定位方法等因素影響之外，地殼速度模型也是影響地震定位結果的關鍵因素之一。在本研究中，為了測試三維速度模型和一維速度模型對地震定位結果的影響，我們采用MSDP地震分析軟件Loc3D(川滇三維速度模型)和HYPOSAT(區(qū)域一維分層速度模型)兩種定位方法對蘆山科考的8次人工爆破事件進行絕對定位，并將定位結果與已知爆破參數(shù)進行對比分析，以此來檢驗不同速度模型在蘆山及鄰區(qū)的地震定位精度，為今后大震速報和地震編目等工作提供參考。

1 資料選取與方法

1.1 臺站和研究數(shù)據(jù)的選取

為了查明蘆山地震的發(fā)震構造及其特征，構建蘆山地震的發(fā)震構造模型，中國地震局蘆山“4·20”7.0級地震科學考察小組采用人工地震剖面和科考臺陣記錄資料來揭示震區(qū)的地殼精細結構和深淺構造關系，實施了8次以炸藥為源的人工爆破，各爆破點參數(shù)信息見表1。根據(jù)炸藥當量直接估算出各爆破事件的里氏震級，當量折合成里氏震級估算公式為：ML=1.84+0.7logT(T:噸)，估算出的最大人工爆破地震是阿壩州金川縣太陽河鄉(xiāng)sp8炮點。人工地震各爆破點分布見圖1，它們橫穿龍門山斷裂帶南段，長約300 km，并分別于9月28日和10月21、22、23日成功完成爆破。蘆山科考臺陣總計35個臺站，于2013年6月24日全部匯入四川地震臺網(wǎng)中心進行實時分析處理，臺站總數(shù)達95個(見圖1)，很好地記錄了這8次人工爆破波形。利用爆破記錄波形資料，采用MSDP地震分析軟件進行精確分析，拾取到清晰的Pg、Sg震相，使用Loc3D和HYPOSAT兩種定位方法對各次人工爆破事件進行絕對定位，并將定位結果與已知爆破參數(shù)進行對比分析。

圖1 爆破點及臺站分布

表1 “4·20”7.0級地震科考人工爆破點參數(shù)

1.2 定位方法和速度模型

MSDP地震分析軟件中的Loc3D和HYPOSAT定位程序均采用傳統(tǒng)的Geiger法的基本思路，兩者又具有各自的特點。Loc3D是采用阻尼最小二乘法將觀測方程組化成正規(guī)方程組，然后用主元素法求解，給出反演深度。HYPOSAT是先將觀測方程組降維，再直接用奇異值分解最小二乘法求解，給出反演深度或固定深度反演(張宇等，2014)。許多研究(Wu et al.,2003；Chen et al.，2006)表明應用三維速度模型能夠有效提高地震定位精度，但是基于一維速度模型的地震定位，在精度允許的情況下具有成本低、效率高的優(yōu)勢，且大多數(shù)常用地震定位程序都使用一維速度模型。目前四川臺網(wǎng)常規(guī)地震定位中采用的速度模型主要有兩種：一種是地震行業(yè)科技專項“川滇地區(qū)地震走時表編制”研發(fā)的川滇三維速度模型，該模型是基于三維速度間斷面和三維速度擾動變化，同時考慮了地球扁率、地形起伏和臺站高程等因素的影響(吳建平等，2009；房立華等，2013)；另一種是區(qū)域分層一維速度模型，該模型是地震行業(yè)科技專項“全國區(qū)域一維速度模型建設及推廣使用”研發(fā)的四川區(qū)域一維速度模型，Vp1=6.0 km/s,Vp2=6.7 km/s,Vpn=8.1 km/s,H1=33 km,H2=21 km。Loc3D地震定位程序中配置使用的是川滇三維速度模型，HYPOSAT地震定位程序中配置使用的是區(qū)域分層一維速度模型。

2 定位結果對比分析

利用HYPOSAT應用程序和四川區(qū)域一維速度模型對蘆山科考8次人工爆破事件進行絕對定位，其定位結果見表2。比較表1、表2中各項參數(shù)可知，定位程序給出的各發(fā)震時刻與各爆破時刻誤差小于2 s；定位臺站的最大空隙角為223.6°，震中位置與爆破點位置偏差最大的爆破點是sp4，偏差值為2.18 km；當最近臺站震中距小于10 km時，定位程序給出的反演震源深度均為0 km，當最近臺站震中距為10～20 km范圍時，反演震源深度誤差均小于1.5 km，當最近臺站震中距大于50 km時，反演震源深度誤差約達20 km；根據(jù)爆破波形測定的里氏震級均小于由炸藥當量估算的里氏震級，這主要是因為地震波在傳播路徑上介質(zhì)對能量的吸收，震級誤差最小的爆破點是sp1，震級偏小0.15，爆破點sp2～sp8的震級誤差偏小范圍為0.44～0.6，結合各爆破點位置分布(見圖1)，可驗證四川盆地屬于介質(zhì)低衰減區(qū)，川西高原屬于介質(zhì)高衰減區(qū)，用盆地臺站計算出的地震震級比用高原臺站計算出的地震震級平均約偏大0.3。利用Loc3D應用程序和川滇三維速度模型對蘆山科考8次人工爆破事件進行絕對定位，其定位結果見表3。比較表1、表3中各項參數(shù)可知，定位程序給出的各發(fā)震時刻與各爆破時刻誤差小于2 s；定位臺站的最大空隙角為222.8°，定位震中位置與爆破點位置偏差最大的爆破點是sp7，偏差值為2.1 km；當最近臺站震中距小于10 km時，反演震源深度誤差均小于2.5 km，當最近臺站震中距為10～20 km范圍時，反演震源深度誤差均小于11 km，當最近臺站震中距大于50 km時，反演震源深度誤差約達28 km。

在觀測條件相同的情況下，兩種定位方法與兩種速度模型都能較為準確的確定爆破事件的震中位置，震中定位精度可均優(yōu)于2.5 km。而確定爆破事件的深度時卻有一些差別，震源深度誤差受最近臺站震中距的影響較大，當最近臺站震中距小于10 km時，震源深度誤差可優(yōu)于2.5 km；當最近臺站震中距大于50 km時，震源深度誤差比較大，Loc3D和川滇三維速度模型組合反演的震源深度誤差約達30 km，HYPOSAT和區(qū)域一維速度模型反演的震源深度誤差約達20 km。

表2 根據(jù)爆破記錄波形測定的爆破點位置參數(shù)(HYPOSAT-四川區(qū)域一維速度模型)

表3 根據(jù)爆破記錄波形測定的爆破點位置參數(shù)(Loc3D-川滇三維速度模型)

3 結論

采用MSDP地震分析軟件中的Loc3D和HYPOSAT兩種定位程序，分別對蘆山科考的8次人工爆破波形事件進行絕對定位，將定位結果與已知爆破參數(shù)進行對比，分析得到以下幾點認識：兩種方法和兩種速度模型都能夠較為準確地測定各爆破事件的震中位置，震中定位精度均可優(yōu)于2.5 km；將根據(jù)爆破點位置、炸藥當量估算的震級和模型反演的位置、震級進行對比分析，可驗證四川盆地屬于介質(zhì)低衰減區(qū)，川西高原屬于介質(zhì)高衰減區(qū)，兩個區(qū)域地震震級平均偏差約為0.3；震源深度誤差受最近臺站震中距的影響比較大，當最近臺站震中距小于10 km時，兩種定位方法反演的震源深度誤差可優(yōu)于3 km，當最近臺站震中距大于50 km時，震源深度誤差比較大，Loc3D和川滇三維速度模型組合反演的震源深度誤差達30 km，HYPOSAT和區(qū)域一維速度模型組合反演的震源深度誤差達20 km。