利用NLLoc方法对新疆精河地震的定位研究

张丽娜，巫立华，段 刚，戴丽金

（福建省地震局，福州 350003）

0 引言

地震定位是地震学中最经典、最基础的问题之一，定位结果对于活动构造和地壳应力场分析、震源几何构造的研究等具有重要的意义[1]。同时，准确快速的地震定位产出及地震速报，应用于地震应急救援、震后减灾和救灾及震后地震趋势预测等方面显得至关重要[2]。地震定位实质上是根据台站的观测资料确定震源的空间坐标和发震时刻，并对定位结果作出适当的评价。然而，定位结果受到台网布局、可用定位震相，到时震相读取的精度、地壳速度模型等诸多方面的影响[3-4]。因此，研究学者们不断发展新的定位方法，改进地震定位方法，进而提高地震定位精度[5]。

地震定位方法早期主要是几何作图法，现如今已形成多种经典的定位方法。1912年德国物理学家Geiger提出计算定位，其实质是将非线性方程组线性化，并通过最小二乘原理求解[6]。随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，许多定位方法得到发展，如：Powell法[7]、联合定位法JHD[8]、双差定位法DDA[9]等，随着多学科的相互交流与渗透，其它学科的最优化方法也应用于地震定位，如遗传算法和模拟退火法[10]等，特别是近年来基于现代数字地震观测技术和科学计算以及计算机技术的智能化数值自动定位方法得到了迅速发展，并业已成为当前地震定位的主流方法。随着全球及区域速度结构三维层析成像的研究，在此基础上应用三维结构的地震定位已经被人们所关注，如美国哈佛大学一直将提高定位精度列为主要的研究方向[11]。目前，三维地震定位也被应用于日常地震定位。

研究学者Lomax开发的三维非线性定位方法NLLoc（http：//alomax.free.fr/nlloc/）使用系统网格搜索或Metropolis-Gibbs随机采样方法或八叉树法，生成一个关于震源空间位置（x，y，z）的“欠拟合”方程、“优化”震源位置和后验概率密度方程（PDF）。NLLoc[12]中的定位算法遵循了Tarantola等[13]的反演方法以及Tarantola等[13]、T.J.Moser等[14]和Wittlinger等[15]的地震定位方法。到时观测误差（震相拾取误差）和理论走时均假定符合高斯分布。这一假设能够在已知观测台站和空间网格点之间的观测到时和理论走时的情况下计算发震时刻的最大概率。从而，4D的地震定位转化为3D的网格搜索问题[16]。

张丽娜等[17]利用三维非线性NLLoc定位方法对福建地区22次人工爆破事件和福建仙游震群序列M≥1.5级共88个天然地震重新定位，并与Hyposat、HYP2000、LocSAT和单纯型等四种常用定位算法进行对比，结果表明，NLLoc算法无论是人工爆破还是天然地震，其定位结果在发震时刻误差、震中误差和震源深度误差等方面都优于福建地区现有定位方法结果，尤其是在震源深度确定方面NLLoc算法优势明显。由于福建地区速度模型差异性不大，故将NLLoc定位方法应用于地壳速度结构变化大、分布复杂的新疆地区，讨论该方法在地壳复杂地区的定位效果。

本文利用NLLoc定位方法，其搜索法选取八叉树法对新疆精河地区2017年8月9日至9月30日期间M≥3.0级的22个地震进行重新定位，并对其定位结果作分析。

1 资料选取

选取新疆台网2017年8月9日至9月30日期间M≥3.0级的精河地震作为样本，以中国地震台网中心正式目录结果为标准。震相到时文件均从中国地震台网中心正式报中下载。由于新疆台网台站分布稀疏[18]，200 km以后的台站出现部分震相不清晰，无法确定到时，故台站布局在包围震中且间隙角较小的情况下，统一选用200 km以内的台站参与定位。NLLoc定位方法所采用的速度模型[19]3400走时表，如表1。

表1 3400走时表Table 1 Travel time table of 3400

2 定位结果对比

本文采用的NLLoc定位结果与中国地震台网中心正式目录对比，如表2。与台网中心正式目录对比误差结果见图1，定位结果的偏差分析见表3，NLLoc定位结果与中国台网中心正式目录的地震分布图如图2。

表3 NLLoc定位结果震源偏差分析Table 3 Deviation analysis of the seismic source located by NLLoc method

图1 与台网中心正式目录对比误差图Fig.1 Error map of NLLoc positioning resultscompared with the official catalogof China Earthquake Network Center

（接表2）

3 结果分析

（1）NLLoc定位结果中的发震时刻误差在1 s附近波动，偏差小，满足定位精度要求。

（2）在确定震中经纬度方面，NLLoc定位的震中误差在5 km以内，且平均偏差2.2 km，标准偏差1.55 km（见表3），表明NLLoc定位震中结果稳定。如图2的地震目录分布图也表明了NLLoc定位震中结果较集中。

图2 地震目录分布图Fig.2 Distribution map of earthquake catalog

（3）在定位震源深度上，NLLoc定位震源深度误差最大为13.11 km，最小为0.723 km，其平均偏差为6.53 km，标准偏差为3.41（见表3）。

4 结果讨论

NLLoc定位震源深度与台网中心正式目录的深度上偏差分析，可能原因：

（1）中国地震台网中心正式目录中的深度均值为：12.41 km，标准差为3 km，NLLoc定位结果目录中的震源深度均值为：19.01 km，标准差为1.78 km。仅从数值上分析，台网中心正式目录偏离均值较大，而NLLoc定位结果中的深度相对较集中，如图3。

（2）地震定位精度是受到台站布局、到时震相读取误差、走时误差、震相类型及数量、定位算法等多种影响。中国地震台网中心正式目录中所使用的定位方法可能是单纯型、HypoSAT和LocSAT相结合，根据图3分析，中国地震台网中心正式目录中的深度分布10～15 km、5～8 km和15～20 km三个分段的深度，由于所用定位方法不同，受复杂速度模型等影响其定位结果有所不同，造成深度值较为离散。本文所采用的NLLoc方法对于定位新疆精河地震的深度值相对较为集中，主要分布于14～21 km，说明此方法对于同一地震序列更能得出较为一致的深度值。

图3 震源深度分布图Fig.3 Distribution map of focal depth

（3）李艳永，王成虎[20]反演新疆精河MS6.6地震序列震源机制解的探究结果表明：CAP反演的深度分布为12～21 km，平均深度17 km，深度大部分大于台网中心正式目录结果主震的震源深度21 km。本文NLLoc定位结果深度分布14～21 km与上述结果相符合，且与新疆地区的平均震源深度21±10 km和北天山地震带的平均震源深度19 km的结论相符[21]。

此外，还存在一些需要进一步讨论和研究的细节。首先，本文所用的数据有限，并且选取震中距200 km以内的台站作为定位事件的界限，仅仅是根据200 km震相清晰且震相识别较为准确的经验来确定，具有局限性。第二，对于速度结构复杂地区的网缘（网外）地震的定位问题尚未涉及。本文的22次事件均为陆上网内事件，震中包围相对较好，定位效果较好。今后将有针对性研究网外事件，进一步探讨该定位程序对该类事件的定位效果。

NLLoc定位方法提供了一种可行的定位方法，在地壳速度结构变化大、分布复杂的精河序列中，可以得出较为可靠的震源位置，如果结合较为精确的三维速度模型，可以得出更加可靠的深度值。在下一步的研究中，将此方法应用到更多的区域，同时将对比其他多种方法对比震源深度值，力求在解决震源深度计算这一难题上提供一种行之有效的方法。

致谢：震相到时观测报告、波形数据来自中国地震局，图件使用GMT软件包绘制，感谢新疆地震局张志斌的指导和帮助。