利用防灾台网的单台波形数据确定地震位置的方法及实践

许 鑫，万永革,2，郗增来

(1.防灾科技学院，河北 三河 065201；2.河北省地震动力学重点实验室，河北 三河 065201)

0 引言

地震定位是地震领域研究的最基础和经典的问题之一。这是研究地质构造、板块运动的基础，同时在震后应急救援，风险评估等方面具有重要价值[1-3]。防灾科技学院测震台网自组建小台阵以来，不仅监测台网内地震，还监测京津唐地区地震活动，在防震减灾方面发挥着重要作用。

防灾台网孔径较小，大部分需要定位的地震发生在网外，确定地震位置较为困难。为了满足周围地震活动监测和地球物理学生的监测实践，基于防灾台网所记录到的地震数据，本文探索仅使用防灾小孔径地震台网记录的近震进行定位。虽然震后也可以得到周围其它台站的地震观测数据，但一方面为了在未得到其他观测数据情况下，能够在第一时间对记录的地震事件进行分析，达到对台网内和台网外近震的快速精准定位。另一方面探索使用少数台提高对地震参数的求取精度，本文采用防灾台网的数据进行快速定位的P波初动定位方法。

本文在使用与防灾台网常规定位相同地震资料的前提下，以中国台网正式目录定位结果为参照，比较P波初动定位与防灾台网常规盖革定位方法对于不同地震定位结果的差异性，找到P波初动定位在防灾台网的适用范围，从而增加防灾台网的定位手段。

1 防灾台网介绍

防灾科技学院测震台网由学院台、凌家吴台、安头屯台、大朗台、大罗村台和台网监测中心组成。其中学院台和凌家吴台为综合观测台，配有井下宽频带地震计(TBG-60B)、井下短周期地震计(TBG-33S)。安头屯台、大罗村台和大朗台为测震台，配有井下短周期地震计(TBG-33S)。各个台站的井孔深度均在200m～300m。

防灾科技学院测震台网采用盖革方法进行定位，这种方法利用各个地震台站的P波和S波观测到时，根据震源位置模型的预测台站到时和观测到时的拟合差对震源参数的偏导数组成雅克比矩阵，求解修订震源位置和初始震源位置的偏差，进而得到更加接近实际的震源位置的结果。这种过程反复迭代，直至震源位置相对于预测走时和观测走时的拟合差的改善可以忽略，就可以得到地震的震源参数。地壳模型采用Crust1.0模型进行计算，采用这种方法的定位目录称为防灾台网目录。

2 P波初动定位原理和资料处理

2.1 P波初动定位原理

将震中位置和台站所在的球面投影到水平面中进行近震研究。P波初动定位基本原理[4-6]如下:

(1)根据P波初动确定方位角

假定P波在东西向、北南向、垂直向半周期的初动位移分别为Uew、Uns、Uud，则表示震源相对于台站的方位α。

(1)

根据垂直向的初动记录，若Uud初动方向向上，则震中“背离”台站；若Uud初动方向向下，则震中“面向”台站[7-8]，见表1。

表1 方位角与初动关系

(2)根据到时求取震源点与台站距离

根据P波与S波的到时差(Ts-Tp)与走时差相等，可以得到：

(2)

D=k(Ts-Tp)

(3)

(3)根据三分向位移求入射角

首先将水平方向波形进行合成，可以得到合成矢量Um。

(4)

视入射角可表示为：

(5)

根据视入射角与真入射角的关系，可以得到：

(6)

(4)求取震中距和震源深度

Δ=Dsini真

(7)

h=Dcosi真

(8)

利用以上原理，可以得到各个台站对单个地震的震源深度、震中距和方位角，各个台站对单个地震定位结果取平均值后得到P波初动定位的地震参数。

2.2 资料选取

考虑到防灾台站记录数据均为地动速度(图1a)，本文在计算方位角和入射角时需要转化为位移数据，因此将地动速度进行积分得到位移(图1b)。部分积分后的位移数据存在信噪比较小的情况，对位移数据进行滤波[9]，滤波频段取0.1～1.8Hz。滤波后(图1c)大部分数据能找到较为清晰的初动，特别是东西向和北南向的初动明显比滤波前更为清晰。

图1 地震速度记录转化为位移记录的一个例子Fig.1 An example of transformation from velocity recorder to displacement recorder

自防灾台网监测中心2018年1月～2019年12月记录的地震中，筛选ML>2，Δ<500km的近震共20次(除去2018年8月16日天津蓟州地震和2019年4月14日北京怀柔地震因网络故障未记录)，见表2。P波初动定位要求P波初动位移在三分向均有明显的记录，在防灾台网记录20次地震中，能够读取P波初动的地震事件有17次，识别比例达到85%，震中分布如图2所示。

图2 震中位置分布(P波初动定位结果)Fig.2 Distribution of epicenter location in this study(the locating result of P-wave initial motion)

3 定位结果对比

为了避免使用不同的定位资料引起定位结果差异，在使用P波初动定位方法时，选用与防灾台网采用相同台站得到的定位结果。为比较方法的优劣，采用全国地震资料中国地震台网给出的正式目录中的位置作为标准进行分析。

3.1 震中经纬度分析

表3中数据差表示P波初动定位和防灾台网定位震中经纬度分别与中国台网中心定位结果的差距。P波初动定位震中差距在25km之内有9次地震，除去2019年1月15日河北元氏、2019年5月19日河北宣化、2019年10月27日河北怀安三次地震，其它6次(占17次地震比例35.29%)为网缘或周边90km内的近震。防灾台网定位震中差距在25km内有6次地震，除去2019年4月21日河北临漳地震，其它5次(占17次地震比例29.41%)为网缘或周边90km近震。由此可见P波初动定位对于网缘和周边90km近震定位精度要优于防灾台网定位精度，说明P波初动定位方法适用于防灾小孔径网缘或周边90km的近震。

P波初动定位震中差距大于25km的地震有8次，所占比例为47.06%。防灾台网定位震中差距大于25km的地震有11次，所占比例为64.71%。其中绝大多数为网外90～500km的地震，两种方法定位精度均不高，但P波初动定位偏差稍小于防灾台网定位方法。

P波初动定位经纬度平均差距控制在20km之内，震中差距比防灾台网常规定位小19.65km，P波初动定位经纬度平均差距均优于防灾台网常规定位结果。从17次地震的标准差分析，标准差越小，说明定位结果越接近于中国台网定位结果，P波初动定位的经纬度和震中差距的标准差均要优于防灾台网定位结果。

将P波初动定位得到的震中经纬度与中国台网经纬度比较，如图3所示。P波初动定位大部分地震经纬度偏差大部分能控制在-20～20km，大致围绕(0，0)位置呈现聚合分布的状态，这说明本文的P波初动定位结果比较稳定。

表2 近震事件定位结果

2019年4月24日河北滦州、2019年7月20日涿鹿、2019年9月28日河北蔚县三次地震震中水平差距达到40km以上，原因可能为网外地震，真实震中位置偏离台站较远，导致P波初动较弱，从而影响震中经纬度。由此可见，与防灾台网常规定位方法相比，P波初动定位需要清晰的初动位移，因此对初动较弱的地震定位不具有优势。

3.2 震源深度比较

对于研究震源深度而言，无论使用单台定位或多台定位方法都不容易控制。地震发生在几千米到几百千米的地下，但我们的井下地震计安放在几百米到几千米的位置，不能实现对震源的全方位监控。加上传播层介质的变化，或多或少都会对真实的震源深度产生影响[10-12]。为了验证P波初动方法能否作为防灾台网的辅助定位方法，统计P波初动定位、防灾台网定位分别与中国台网中心定位的震源深度差距，见表4。

P波初动定位有15次震源深度与中国台网目录深度差距控制在±10km内，防灾台网定位有13次震源深度与中国台网目录深度差距控制在±10km之间，如图4所示，两种定位方法对于震源深度的定位精度大致相同。

表3 震中经纬度差距

图3 经纬度差距比较Fig.3 The longitude and latitude of epicenter obtained by P-wave initial motion location is compared with that of China Seismic Network

P波初动定位得到的震源深度平均值为18.72km，与中国地震台网定位的平均深度(14.71km)相差-4.02km，平均深度相比较于中国地震台网目录深度较深。防灾台网定位的震源深度平均值为9.84km，与中国地震台网定位的平均深度(14.71km)相差7.87km，平均深度相比较与中国地震台网目录深度较浅，总体上本文所用的P波初动定位方法得到的震源深度更接近于中国台网定位，说明该方法适用于防灾台网。

3.3 影响定位差距的因素

通过分析证实，可以使用P波初动定位方法对初动位移清晰的近震进行辅助定位。但P波初动定位对个别地震定位结果存在着较大偏差，可能的原因为：

表4 震源深度比较

图4 震源深度差距Fig.4 Differences of source depths

(1)初至波位移读取不准确。地震的初至波较弱，信噪比小，量取P波初动位移时会产生较大偏差，导致在计算方位角和入射角时造成偏差，影响了经纬度、震源深度的定位精度。说明对于初动较弱的微小震级，P波初动定位方法不能精准地拾取初动位移。

(2)不同定位方法和不同定位资料的影响。与使用较多地震数据的中国地震台网中心相比，本文进行P波初动定位时，选取资料均来自防灾台网的5个台站，资料有限。本次研究地震发生于网缘或网外，地震震中距较远，防灾小孔径台阵不能很好地约束地震位置。

4 结论

利用小孔径的防灾地震台网的记录资料，利用单台地震定位方法得到结果的平均作为最终结果。在使用与防灾台网定位相同地震数据的前提下，对防灾台网2018年1月—2019年12月记录到的Δ<500km，ML>2的17个近震进行定位，得出以下结论：

(1)对网缘和周边90 km内的近震，P波初动定位精度优于防灾台网，说明P波初动定位适用于网缘或周边90 km之内的近震定位。对网外90～500 km的地震，两种方法定位精度均不高，但P波初动定位偏差小于防灾台网定位，个别地震定位偏差较大，原因可能与防灾台阵的孔径较小，对网外地震监测能力较弱有关。

(2)相对于中国地震台网给出的定位结果，P波初动定位的经纬度偏差大都能控制在±20km内，呈现聚集分布。同时P波初动定位的震源深度总体优于防灾台网定位结果，说明P波初动定位结果相对稳定，可以作为防灾台网的辅助定位方法。

尽管P波初动定位方法使用范围有限，但目前防灾台网的常规定位方法要求3个台站以上，并且台站布局可靠。当台网的某一个台站或多个台站记录到地震以及防灾台网部分台站故障时，可以使用P波初动定位方法进行辅助定位，为地震速报等工作提供保障。

如果需要更为精确的地震定位结果，则需要在此定位基础上，采用多层介质模型，并采用多种震相进行地震位置的求解[13]，这样就可以得到更为准确的地震参数。这需要结合其它台站的数据，并且读取更多的震相，本文只是为应急或教学实践而进行的初步定位。