四种地震定位方法的定位效果浅析

尹战军，郝美仙，王　鑫，张　帆，刘　颖

(内蒙古自治区地震局，内蒙古　呼和浩特　010010)



四种地震定位方法的定位效果浅析

尹战军，郝美仙，王鑫，张帆，刘颖

(内蒙古自治区地震局，内蒙古呼和浩特010010)

选取2008年以来内蒙古自治区、内蒙古测震台网速报范围内的所有地震事件，分别采用单纯型、LocSAT、Hyposat、HYP2000地震定位方法进行重新定位。以定位结果中的发震时刻、震中位置、震源深度、震级残差为主要分析对比指标，与国家台网中心发布的正式速报结果进行对比，发现单纯型定位方法为区内速报地震的优选方法。

地震定位；单纯型；LocSAT；HYP2000；Hyposat

0　引言

地震定位是地震学中最经典、最基本的问题之一[1]，地震定位方法是产生精确地震资料的基础，只有选择适当的地震定位方法，才能获取定位后的准确参数及可靠的地震资料，更好地为相关各领域的研究及应用提供数据服务。在发生破坏性地震时，快速、准确的地震定位结果对政府部门以及其他社会保障部门快速做出科学决策、从而进行有效的地震应急、救援、救灾等工作有着至关重要的意义。研究地震定位方法和提高地震定位精度，一直是地震科学中的一个重要课题，地震学家不断改进或提出新的定位方法以期得到更高的地震定位精度。为全面分析各种地震定位方法在内蒙古地区地震速报中的优劣，本文选取单纯型、LocSAT、HYP2000和Hyposat四种地震定位方法，对自治区境内57次速报地震分别进行定位，并与国家地震台网中心的正式速报结果进行对比，分析各种地震定位方法的适用性，找出适合该区地震速报的地震定位方法。

1　台网简介

内蒙古测震台网的主要功能是负责内蒙古自治区内数字测震台站的波形数据汇集、分析、在线存储及责任区内的地震速报、地震编目工作。内蒙古测震台网由11个国家测震台站和28个区域台站组成，同时也可运用由国家台网下载的42个邻省地震台站的数据，共81个台站的数据可用于地震分析研究(见第43页图1)。

2　地震定位方法简介

MSDP软件是由广东省地震局开发，目前全国各省区地震台网普遍采用的地震定位软件，主要功能是完成日常地震速报、地震编目等工作。该软件目前包含常用的定位方法有单纯型、LocSAT、HYP2000和Hyposat等[2]。

(1) 单纯型法。

Nelder和Mead[3]提出一种寻优方法即单纯型法。单纯型法是一种直接搜索法，是在n维空间中，用n+1个顶点构成一个多面体，依据单纯型运算规则，计算各顶点的函数值，对其进行比较，进而确定各顶点的优劣。不断地找出坏的顶点后，用新顶点代替，使单纯型朝着目标函数最小方向移动，最终获得准确解。该方法适用于地方震、近震和远震的地震定位程序。

(2) LocSAT法。

LocSAT依据传统Geiger法的基本思路，采用阻尼最小二乘法，即将观测方程组化成正规方程组，用主元素消去法求解。LocSAT没有加权，LocSAT为计算初值。LocSAT采用水平分层速度模型，但所有台站均采用同一模型[4]，适用于地方震、近震及远震的地震定位程序。

(3) HYP2000和Hyposat法。

HYP2000和Hyposat定位程序都采用传统Geiger法的基本思路，把走时T在初值(x,y,z)附近作泰勒展开，取一级近似为：

图1　内蒙古测震台网用于地震监测的全部区内外台站Fig.1　All stations used for earthquake monitoring in and outside of the region in Inner Mongolia seismic network

式中：T为实际走时；T′是(x,y,z)附近一点(x′,y′,z′)的走时。以此为基础建立观测方程组并求解。二者在具体计算方法上相同，即先将观测方程组降维，不化为正规方程组，直接用奇异值分解最小二乘法方程组。

在实际计算中，还采用了多种数据加权。HYP2000可采用分区水平分层速度模型，为每个台站指定不同的速度模型，定位起始位置均采用近台初值。不同之处在于：HYP2000只适用于网内近震及地方震，而Hyposat不仅适用于近震，对远震甚至极远震定位也有较好的效果。

3　资料选取

研究资料来源于内蒙古测震台网2008年至2014年自治区范围内达到速报要求且至少有7个以上台站清晰记录的57条地震事件(见第44页图2)。这些地震事件包含M2.0～2.9地震17次、M3.0～3.9地震37次、M4.0～4.9地震3次。

4　地震定位结果分析

(1) 发震时刻分析。

对四种地震定位方法得出的每一个地震的发震时刻与国家台网中心发布的正式速报结果比较发现，均符合《地震速报评比标准》中关于地震时刻的规定，因此，认为地震发震时刻一致。

(2) 震中位置分析。

研究中，对每一个地震事件定位时，所用的震相都经过重新识别、标注。将四种地震定位方法得出每一个地震的震中位置与国家台网中心发布的正式编目结果相比较，均符合《地震速报评比标准》关于震中位置的规定，震中位置在规定的范围内有小幅变动，但未超出规定中关于一类地震的要求，认为地震震中位置结果一致。

(3) 震级分析。

对地震事件的振幅重新识别、量取，因此，每一地震的震级都是可靠的。图3是四种地震定位方法所给出的定位震级与国家台网中心正式编目结果的对比图，可以看出，每种定位方法给出的震级，整体小于国家台网中心定出的震级。原因可能是在速报时，使用的定位台站太少，而且大部分使用的是近台，量取远台的震级较少，从而导致地震速报震级偏小。从震级来讲，每种地震定位方法给出的地震速报震级是稳定的。因此，在今后的地震速报中必须量取一些远台震级，以弥补震级偏小的缺陷。

图2　选取区内速报地震震中分布图Fig.2　Epicenter distribution of earthquakes in the region

图3　四种定位方法定出震级结果与国家台网中心发布的正式结果对比图Fig.3　Comparison of magnitudes by four Kinds of locating methods with the results released by National Networks Center

(4) 深度分析。

关于地震深度，一直以来都没有一种稳定可靠的计算方法来确定。就本次研究来说，参照第45页图4为四种定位方法测定深度与国家台网中心发布的正式编目结果中的震源深度对比图，经分析发现，单纯型定位方法的地震定位深度有7次地震定位深度超过20 km，大部分定位地震的震源深度都集中在20 km以下，且与国家台网中心的震源深度曲线高度吻合。其他三种定位方法得出的地震震源深度变化幅度很大，且集中在零公里的深度占比重很大，有待于做深入的研究。

(5) 残差分析。

第45页图5为四种定位方法所得结果之残差分布对比图，由此可以看出，单纯型法每一地震的定位残差全部优势分布于0到1之间的区域且稳定；HYP2000方法每一地震的定位残差分布极不规律，从0到8之间都有分布；HYPOSAT方法，大部分地震的定位残差分布在0到1之间的区域，其余4次地震的定位残差分布于1到4之间的区域；LOCSAT方法每一地震的定位残差，其中1次地震的分布在2到3之间的区域外，其余全部集中分布于0.5到2之间的区域。通过上述分析判断，单纯型定位方法的地震定位残差整体最优，因此其定位结果精度也整体最高。

图4　四种定位方法测定深度与国家台网中心发布的正式结果对比图Fig.4　Comparison of depths by four Kinds of locating methods with the results released by National Networks Center

图5　四种定位方法定位结果之残差分布对比图Fig.5　Comparison of residuals by four Kinds of locating methods

5　结论与讨论

(1) 通过对上述5项指标的研究对比得出，单纯型定位方法不论从震源深度，还是从残差综合各项指标都优于其他定位方法。因此，单纯型定位方法是区内地震定位的首选方法，且地震速报时尽量量取一些远台震级，以提高地震速报震级的准确度。

(2) 从数学角度分析，地震定位问题的实质在于求目标函数的极小值。各种定位方法产生于对目标函数的构造、处理以及求极小值方法的不同。影响地震定位精度的主要因素有：台网布局、震相识别、到时读数、地壳结构等。残差虽不是震源参数，但在定位结果中的作用不容忽视[5]，是评价地震定位好坏的一个重要参考指标。定位时出现错标震相或台站波形数据出现问题都可以通过残差值反映[6]。

(3) 台网快速定位方法的研究是否可提高地震速报的速度和速报数据的准确度，对于地震应急、震后减灾和救灾以及震后地震趋势预测等至关重要[7]。台站分布合理与否是制约定位方法定位结果的重要因素之一。从内蒙古台站分布看，由于该区南北距离短、东西跨度长，尽管已共享邻省42个台站的数据，但对内蒙古西部额济纳旗、中部的苏尼特左右旗以及中蒙交界等地区的地震仍难以掌控。在将来新建台站的时候应考虑到这些地震监控的盲区，争取实现地震监测台站布局合理化，为地震定位精度再提高提供可靠保障。

由于该研究只是针对内蒙古地区地震速报，而研究区域内达到速报要求的地震样本有限，其研究结果可能存在一定的误差，有待于在今后做进一步的改进。

[1]中国地震局监测预报司.实用数字地震分析近震分析[M].北京：地震出版社,2009.

[2]陈贵美，杨选，刘锦.广东数字地震台网“十五”系统的几种地震定位方法的定位效果分析[J].华南地震，2009，29(1)：69-78.

[3]Nelder J A,Mead R.A simplex method for function minimization[J].Comput,1965(7):308-313.

[4]张宇.采用LOCSAT和HYPOSAT方法对东北深源地震定位分析[J].地震地磁观测与研究,2005,35(3/4):97.

[5]田玥，陈晓非.地震定位研究及应用综述[J].地球物理学进展,2002,29(1):69-78.

[6]苏莉华，赵晖，李源，等.MSDP软件提高地震速报质量[J].地震地磁观测与研究，2012(5/6)：351-355.

[7]杨文东，金星，李山有，等.地震定位研究及应用综述[J].地震工程与工程振动,2005,25(1):14-20.

Effect of Four Kinds of Earthquake Location Methods

YIN Zhan-jun, HAO Mei-xian, WANG Xin, ZHANG Fan, LIU Yin

(Seismological Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot, Inner Mongolia 010010)

All the earthquakes in the range of Inner Mongolia Autonomous Region and rapid reported within Inner Mongolia seismic network since 2008 are selected for relocating by the simple, LocSAT, Hyposat, HYP2000 method. The origin time, epicenter location, focal depth and magnitude residual in the locating results are as the main indexes to compare with the formal reporting results issued by National Networks Center. The results show that the simple locating method is the optimization method for earthquake rapid report in the region.

Earthquake location; Simple type; LocSAT; HYP2000; Hyposat

1000-6265(2016)03-0042-05

2015-09-25

测震台网青年骨干培养专项(20150405)。

尹战军(1980—)，男，呼和浩特土左旗人。2001年毕业于防灾科技学院，工程师。

P315.09

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