河北台网2015速度模型与原模型应用并运行对比研究

杨 锐，王莉婵，常 亮，王 宁，李冬圣

（河北省地震局，河北 石家庄 050021）

0 引言

为了进一步提高地震速报及编目定位精度，建立更适合地震速报及编目的地壳一维速度模型，2016年全国地震系统开展了区域一维地壳速度模型建立和推广应用工作。河北局王莉婵等收集了河北台网2009年1月至2014年10月1161条地震，利用滑动窗拟合、折合走时等方法确定了一维速度模型中各参数的范围，并利用批处理程序进行了58902次组合计算，建立了河北地区地震速报及编目的新模型称为2015速度模型［1］。本文将推广应用该模型与河北台网原模型在台网速报和编目中进行对比研究，以此检验新模型的定位精度和适用性。

1 台网布局

河北省数字测震台网由1个测震台网部、57个直接管理的数字地震台站组成，野外台站均为通过首都圈项目和“十五”项目新建和改造的数字化台站，河北台网实时接收直传或汇集后传回的所有台站数据，并通过SDH行业网从国家测震台网中心回传周边省市113个台站的数据，这样河北数字地震台网接收实时波形的台站数量最终为170个，如图1所示。

图1 河北台网实际接收处理台站分布图Fig.1 Distribution map of actual reception and processing station in Hebei network

2 数据资料选取

收集河北省数字地震台网2016年产出的速报地震14个及编目地震268个。编目地震中M1～2地震 43个， M2.1～3地震 9个， M3.1～4地震3个，占编目地震总数的20.5%，其余地震均在M1.0以下，这些地震不包括单台定位的地震，但有包含使用邻省台站的情况。

3 河北台网使用的定位软件及速度模型介绍

3.1 速报ISDP软件

河北台网一直以来使用ISDP速报软件完成河北区域责任范围内的地震速报任务。ISDP是一个适用于区域地震台网的交互处理软件包。其主要功能有波形数据显示、自动与人机结合拾取震相到时和振幅、地震定位、计算震级、波谱分析、计算震源参数、震源机制、台站场地响应、生成“新参数地震目录”等。该软件包目前能够接受的波形数据格式包括：“九五”区域数字遥测地震台网所普遍采用的EVT格式和首都圈数字遥测地震台网、“十五”建设的数字地震台网所采用的SEED格式。

ISDP软件包中地震定位采用盖革法。盖格（1912） 将高斯-牛顿法用于求解地震定位问题，最早盖格提出的是测定震中经纬度和发震时刻的方法，后被扩展到同时测定震源深度。盖革法目前仍然是最广泛应用于计算机求解地震定位问题的方法。该方法适用于地方震和近震。

3.2 编目MSDP软件

JOPENS是专为“十五”中国数字地震观测网络项目开发的测震软件，专为区域数字地震台网使用。JOPENS-MSDP为JOPENS系统下的地震台网数据处理软件包，该软件包严格遵循中国地震局2006年12月推出的“中国数字台网数据规范”，利用地震数据库的技术对台网日常处理的地震波形、定位结果、震相数据进行统一管理，具有完成测震台网所承担的地震速报、地震编目和数据服务功能，数据格式、数据产出统一、规范，快速实现地震速报和统一编目［2］。

集成开发多种定位方法，有单纯型法、自适应演化算法、ISCloc、ISCloc2、HypoSAT、LocSAT、 Hypo2000、 Hyposat3D、 Loc3dSB、单台定位等多种定位方法［3］。

3.3 本区域现用速度模型

河北台网目前使用的地壳速度模型有华南速度模型与华北速度模型，如表1中前者主要用于河北台网地震编目工作的速度模型，后者用于河北省台网地震速报工作的速度模型。

表1 华南速度模型与华北速度模型表

3.4 本区域2015新模型

河北台网对华南模型进行调整，建立了河北区域初始模型：将V1由6.01km/s增加至6.15 km/s，V2由6.88 km/s降低至6.72 km/s， Vn由7.98 km/s增加至8.03 km/s。康氏界面与莫霍界面的深度暂未做调整［4］，具体可见表2，在建立的初始模型基础之上，利用折合走时计算方法对初始模型进行调整，使得理论折合走时与实际折合走时相符，求取不同参数的取值范围，并据此结合河北地区的实际地质情况，对选定的地震数据进行Hyposat批处理，最后根据参数取值范围、Hyposat处理结果残差大小以及以符合河北实际地质情况的准则确立河北区域最终的速度模型，如表3所示。

表2 河北初始模型表

表3 河北台网2015速度模型

4 不同速度模型地震定位结果分析

4.1 并运行速报地震结果分析

利用14个河北台网2016年1—8月期间速报的地震，使用河北台网专用的ISDP地震速报软件进行分析。从震中分布图2中可见，在河北省北部有河北尚义ML4.5地震，南部有河北赞皇ML2.8地震，西部有河北阜平ML3.1、赞皇ML2.8地震，东部比较集中在河北唐山附近，包括河北丰南、玉田、滦县及曹妃甸海域附近的速报地震，河北中部主要有河北徐水ML2.9和河北深州ML2.5地震。震级如表4所示，分布在ML2.0～3.0地震9个，ML3.0～4.0地震4个，ML4.0～5.0地震1个，ISDP速报软件使用的速度模型是华北速度模型，14个典型地震的速报结果平均残差为0.202。为了实际工作需要，今后河北台网速报工作仍旧继续使用ISDP软件，通过河北台网并运行结果比较，利用2015模型得出的速报结果平均残差为0.152，相比华北模型残差相对更小些，个别单个地震残差比旧的华北速度模型稍微偏大一些，但总的来说，2015模型定位结果残差更小。并运行速报地震2015模型结果与华北模型速报结果震中位置平均差为0.191473 km。河北阜平ML3.1地震新旧模型震中差较大，为0.599 km，应该与记录到此次地震东北、西南向无台站，台站分布不均匀有关，所以速报的时间也稍长为4分钟。河北曹妃甸海域ML2.6地震新、旧模型定出的震中差较大为0.315 km，原因可能由于是海域地震，记录到海里地震的台站比较偏，同时该地震震级较小，能记录到地震的台站也不太多。2016年8月27日河北唐山ML3.6地震速报用时7分钟，残差相对其它地震来说有些大，新、旧模型定位残差都为0.3几，因为该地震是典型的双震，两个地震发震时刻相差13 S，地震波形叠加给速报带来了难度和挑战，新旧模型定出的震中差为0.315 km，也相比较其他速报地震较大，但都在合理范围内。其它地震新旧模型定位残差、震中差基本变化不大。相比较速报的地震新旧模型定出的发震时刻个别最多差1 S，多数基本没有变化；深度基本不一致，但相差在10 km以内，多数在5 km左右，只是个别地震存在旧模型使用的震相在新模型下定出的深度为0 km的现象，需要重新调整震相位置才能有新的合理的深度。震级没有变化。速报使用时间也基本一致。综上所述，河北台网一直使用的ISDP软件正式使用2015模型进行河北台网地震速报应该可行。为保证工作不出任何问题，目前仍在并运行试验阶段，争取用更多的实际震例来检验2015模型的可行性。

图2 河北台网2016年部分速报地震震中分布图Fig.2 The earthquake epicenter distribution map of Hebei network in 2016

表4 河北台网2016年部分速报地震震级分布个数

4.2 并运行编目地震使用环境及结果分析

利用220个河北台网2016年的编目地震，使用全国通用的MSDP5.2地震编目软件。主要运用该软件中的单纯型定位方法进行定位，将这220个地震运用之前的华南速度模型和2015模型进行了并运行对比。根据以往河北台网编目工作实际出发，由于河北台网大多数地震编目定位均采用单纯型法进行编目，只有个别无法定出深度的地震才会采用其它定位方法，所以此次着重对比不同速度模型下的单纯型法定位的结果。从河北台网编目地震震中分布图3中可见，这些编目地震集中在河北省北部、东部和南部地区，集中的地震有西北部的怀来、涿鹿地区的地震，东部集中在河北唐山、滦县地区，南部集中在河北赞皇、磁县地区。从震级分布图4及列表5中可见ML3.0以上地震1个，ML2.0～3.0地震 7个，ML1.0～2.0地震 68个，ML0.0～1.0地震137个，ML0.0以下地震7个，从图4可见编目地震震级多数集中在ML0～1.0之间。运用之前的华南速度模型定位的编目地震结果平均残差为0.130，利用2015模型定位的编目地震结果平均残差为0.124，定位精度方面有了一定的改进，残差减小。通过河北台网编目地震并运行结果比较，并运行编目地震2015模型结果与编目结果震中位置平均差0.897 km，个别地震两个模型编目结果震中位置差较大，例如7月2日河北滦县ML0.8地震，两个模型震中差有9.34 km，应该与记录到地震的台站波形不是很清晰，尤其最近的台SG不清楚，记录到地震波形的台站台基噪声也比较大有关。例如7月7日河北昌黎海域ML0.8地震，两个模型震中差为6.08 km，一般与海域地震记录到地震波形的台站分布比较偏，比较少有关。220个编目地震两种模型定位震中差大于5 km的地震有5个，占所有编目地震2.27%，震中差在1～5 km之间的有68个，占所有编目地震30.9%，其余的震中差均在1 km之内。并运行编目地震2015模型结果与编目结果震源深度平均差1.2 km，震源深度相差最大的为12 km有一个，震源深度相差 1～5 km之间有56个地震，一致的有160个，占到73%。

图3 河北台网2016年部分编目地震震中分布图Fig.3 The epicenter distribution map of part of the earthquake inventory of Hebei network in 2016

图4 河北台网2016年部分编目地震震级个数分布图Fig.4 The magnitude diagram of part of the earthquake inventory of Hebei network in 2016

图5 河北台网2016年部分编目地震震级分布图Fig.5 The seismological magnitude map of part of the earthquake inventory of Hebei network in 2016

表5 河北台网2016年部分编目地震震级个数分布表

表6 河北台网2016年部分编目地震震源深度差与个数分布表

5 结果及讨论

河北台网利用本台网专有的ISDP软件通过旧的华北速度模型和2015模型对14个速报地震进行了速报、对比、分析，得出不同速度模型速报结果：如表7所示，利用新的2015模型定位残差由原来的0.202减少到0.152，震中位置平均差为0.191 km，震源深度平均差在2.4 km，定位残差降低，定位水平有所提高，震中位置及震源深度基本符合实际，变化也均在合理范围内。

河北台网使用全国通用的地震编目软件MSDP5.2版本，主要运用该软件的单纯型定位方法，将220个编目地震运用之前的华南速度模型和2015模型进行了并运行对比，得出不同速度模型编目结果：如表7所示，编目地震的结果平均残差由原来的0.130减少到0.124，并运行编目地震2015模型结果与编目结果震中位置平均差0.897 km，并运行编目地震2015模型结果与编目结果震源深度平均差1.2 km，定位残差有所减小和改进，震中位置平均差和震源深度平均差均符合实际，变化在合理范围内。

综上可见，2015模型在速报中定位残差有所减小，和华北模型相比震中位置偏差基本不大，但有时在不改变震相的情况下，改变模型深度会为0 km，不符合科学依据，这时需要重新调整震相。在编目的并运行阶段，2015模型在定位残差上也有所进步，震中位置平均偏差也不大，基本合乎规定，深度的平均差也在合理范围内，涉及到定位台站分布较偏不均匀，比如海域地震，或是震级偏低，定位台站偏少，例如3或4个台站定位，同时定位台站噪声较大，会出现定位震中位置偏差较大的情况，编目并运行过程中深度的变化不是太大，但也有相同的震相不同速度模型定位后震源深度为0 km的情况出现，需要重新调整震相，所以是否考虑需要再进一步进行并运行测试。

表7 河北台网2015速度模型与原模型应用结果对比

6 结论

河北台网2015速度模型与原模型应用并运行对比发现：2015模型在速报中定位残差有所减小，和华北模型相比震中位置偏差基本不大，震源深度变化不大，均在合理范围内，所以河北台网一直使用的ISDP软件正式使用2015模型进行河北台网地震速报应该可行。为保证工作不出任何问题，目前仍在并运行试验阶段，争取用更多的实际震例来检验2015模型的可行性。

在编目的并运行阶段，2015模型在定位残差上也有所进步，震中位置平均偏差也不大，基本合乎规定，震源深度的平均差也在合理范围内，不过河北地形复杂，平原和坝上地区无法用一个模型很好的描述，再者此次在模型计算中未包含北京、天津地区，但在实际工作中河北台网也负责这些区域的地震速报和数据处理工作，所以建议利用更多数据和震例再进一步测试，暂定目前河北台网先采取模型选择性使用的模式。