基于地表真实位置的不同地震目录的精度分析：以中国西南地区若干个5级左右地震为例

[摘要] " "准确的震中位置对于评估地震灾害及风险、研究地震活动性和地球内部结构等问题具有重要意义。目前，国内外多家机构例行发布地震目录，提供了震中位置等关键信息。然而在地震定位过程中使用不同的台站数据、壳幔速度结构模型和地震定位方法等，地震目录报告的震中位置会出现一定差异。而InSAR资料具有较高的空间分辨率，对浅源地震的位置约束较好，可以提供地表真实位置（ground truth，GT），为评估地震目录定位精度提供关键的依据。本文在我国西南地区选取了一系列同时被地震波和InSAR资料记录到的5级左右的地震事件，比较地震目录与InSAR确定的震中差异，评估CENC、USGS/NEIC地震目录在该区域报告的震中位置准确性。分析结果显示：CENC地震目录与InSAR震中的最大差异为12 km，经向差异为−0.04°～0.13°，纬向差异略小，为−0.05°～0.06°；USGS的差异为20 km，经向纬向差异分别为−0.21°～0.13°和−0.10°～0.08°。对于多数地震事件，CENC目录报告的震中位置更为准确，但是对于个别地震事件，CENC给出的位置偏离InSAR结果较大，可能与台站分布等因素有关。

[关键词] 震中位置; 地震目录; InSAR; 西南地区

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-181

基金项目： 科技部重点研发计划项目（2021YFA0715100）资助。

0 "引言

精确的震中位置不仅对于判断地震事件的时空分布特征及地震的发震构造[1-7]、分析地震与断层活动的关系[8-10]等研究具有重要意义，还在地震应急、震后救灾减灾及震后地震趋势预测等工作中发挥着关键作用。国内外多家地震机构以目录的形式报告震中位置等震源参数，如GCMT（Global Centroid Moment Tensor ）、USGS（United States Geological Survey）、CENC（China Earthquake Networks Center）等来自全球或区域台网的地震目录，为地震研究提供了重要参考。不同目录采用了各自的台站数据、反演方法及速度模型得到事件的震中位置，受多种误差和不确定性因素的影响[11-13]，这些机构公布的地震参数存在一定差异，对目录震中位置的准确度进行评估具有重要意义。

目前评估地震台网定位的准确度有多种方法，如地表真实事件检验法、对比法和“重复地震”法、基于概率的完整性震级方法等。郭飚等[14]收集了一定数量的地表真实位置事件（如核试验和人工爆破等），利用这些事件检验台网的定位精度，结果表明首都圈数字地震台网的定位误差在2 km左右。黄文辉等[15]根据广东地震台网记录的多次人工爆破资料，利用地震分析软件中常用的3种方法进行定位，将定位结果与已知爆破位置进行比较，认为广东地区的地震定位精度优于3 km。汪素云等[16]分析了1990—2007年中国地震年报与中国地震详目记录的同一地震事件的震源参数差异，发现在台站覆盖较好的区域两个目录报告的震中位置差异较小，地震定位精度相对较高；台站覆盖较差的区域震中定位差异较大。蒋长胜等[17]利用波形互相关识别出首都圈2002—2006年发生的重复地震[18]，通过比较目录报告对应事件的震中位置差异，认为首都圈数字地震台网东北部地区定位精度约为5 km，西南地区约为13 km。孟真和宋晓东[19]设定至少3个台站记录的垂直分量波形的互相关系数大于0.8的地震事件为一对重复地震事件，假定重复地震的水平位置差异小于1 km，给出龙门山断裂带周缘地震台网的定位精度约为2.8 km。其中，地表真实事件检验法在评估地震台网定位精度中发挥了重要的作用，Bondár 和 McLaughlin[20]、Bergman等[21]收集了全球分布的人工地震或经过校准减少未知地球结构偏差的天然地震事件，构建了地表真实事件目录用于地震台网定位精度的检验。近年来，InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）数据凭借其具有高空间分辨率，能够有效地探测地震造成的地表位移，进而求解较为精确的震中位置的特点[22-23]，在地震学领域得到了广泛应用，成为构建地表真实位置事件目录的重要手段之一。

Weston等[24]收集了一系列同时被区域及全球地震目录（GCMT、ISC（International Seismological Centre））记录和InSAR资料研究过的地震事件，对比不同结果之间的水平位置差异，认为区域地震目录与InSAR确定震中的差异中值更小，更接近地表真实位置。Zhu等[25]收集了大量地震事件的InSAR数据，对其采用一致的采样、计算方法和处理流程反演震中位置，并比较反演结果与GCMT、ISC和EHB（Engdahl-Hilst-Buland）地震目录报告对应事件的震中位置差异，对比发现GCMT报告的震中位置准确度相对较低。Ghayournajarkar和 Fukushima[26]将InSAR获得的震源参数分别与台站分布较密集的日本地震台网（JMA，Japan Meteorological Agency）和较稀疏的伊朗地震台网（IRSC，Iranian Seismological Center）提供的区域地震目录和全球地震目录GCMT公布参数进行对比，结果显示在一定研究范围内区域地震台网给出的结果比GCMT的位置更为准确。Luo等[27]选取了发生在中国西部地区的大量地震事件，比较了InSAR与地震目录（CENC、USGS和GCMT）中震中位置等参数的差异，发现在选取的地震事件中CENC报告的震中位置更接近于InSAR确定的结果，但是尚未对经向纬向的差异进行分析。

西南地区主要包括四川、云南两省，是中国大陆显著的地震活动区[28]。本文在该地区选择（17.34°N～37.34°N，93.72°E～113.72°E）为研究区域，结合InSAR资料评估该区域CENC、USGS地震目录报告震中位置的准确性。首先收集研究区域内2016年1月—2022年9月CENC报告的发生在中国西南地区的M3.0以上的地震事件资料。考虑到震级较大的地震事件破裂尺度较大，质心震中和起始震中存在较大差异；而震级较小的地震事件地表变形相对较小，InSAR可能观测不到地表形变，故本文选取了10个M4.0～5.5的地震事件，以减弱地震事件的破裂尺度及破裂方向性对定位准确度分析带来的影响。通过比较CENC、USGS地震目录与InSAR反演震中的经向纬向差异，评估地震目录报告震中位置的准确性。研究过程中发现，西藏丁青地震事件中CENC目录与InSAR确定震中的水平位置差异较大。对此，本文收集了震中距在0°～5°范围内的台站数据，利用Nonlinloc定位程序对该事件进行重定位，探究CENC地震目录报告该地震事件震中位置与InSAR结果差异较大的原因。

1 "水平位置差异分析

InSAR可以为近场地表变形观测提供亚厘米级精度和米级空间分辨率[24-29]，在观测中强震的地表形变领域得到了广泛应用[30-31]。Luo等[27]利用Sentinel-1 SAR图像叠加获取了中国西南地区30余个地震事件的同震形变场，并在贝叶斯理论框架下利用均匀弹性半空间模型反演了对应事件的震中位置，为评估本文选取的研究区域内地震目录报告震中位置的准确性提供了参考。本文在此基础上，选取10个位于本文研究范围内的地震事件进行分析。将这些事件按照震级大小进行降序排列，其中震级较大的3个地震事件分布在青藏高原地区，其余7个地震事件分布在四川盆地和云贵高原地区（图1）。

首先比较本文选取的地震事件中CENC、USGS地震目录与InSAR确定震中的经纬度差异。

CENC地震目录与InSAR震中的经度差异主要分布在−0.05°～0.05°之间（图2a）；除西藏丁青地震事件、四川石渠地震事件外，USGS地震目录与InSAR确定震中的经度差异均大于CENC地震目录（图2b），大致表现出随震级减小经度差异逐渐增大的趋势，可能是在本文选取地震事件的震级范围内，震级较小的地震事件远震波形信噪比相对较低，故USGS利用远震波形确定的震中位置准确度相对较低；而CENC与地表真实位置的经度差异表现出相反的趋势，可能是在该震级范围内近震台站均能记录到较为清晰的震相到时信息，定位准确度相差不大，但受地震破裂尺度的影响，震级较大的地震事件水平位置差异相对较大。

在纬度差异分布中，CENC地震目录与InSAR观测震中的纬度差异也主要分布在−0.05°～0.05°范围内，两个地震目录与InSAR确定震中位置的纬度差异分布均比较离散，没有表现出随震级变化的趋势（图3a）；与USGS地震目录相比，CENC与InSAR确定震中的纬度差异相对较小（图3b），猜测与经向差异出现的原因相同，与远震波形信噪比有关。同时与经向差异相比，地震目录与InSAR确定震中的纬向差异更小，可能与地震台网进行震源参数反演时使用的台站东西向和南北向分布数量存在一定的差异有关。

以InSAR确定的震中为地表真实位置，对比分析CENC、USGS地震目录的水平位置精度，比较结果如表1所示。CENC与InSAR确定震中的最大差异为12 km，平均差异为4 km，标准差为3 km，大部分地震事件的水平位置差在10 km以内，整体差异相对较小。而USGS与InSAR结果的差异相对较大，大部分地震事件的水平位置差主要分布在5～15 km之间，有2个地震事件的水平位置差异大于15 km，最大水平位置差可达20 km，平均差异为11 km，标准差为5 km。本文选取的10个地震事件中，除2016年西藏丁青地震事件中CENC相较于USGS地震目录偏离InSAR确定震中外，其余事件均为CENC地震目录报告的震中位置准确性相对较高。为此，本文重新测定丁青地震震中位置，分析CENC目录中该地震定位精度低的可能原因。

2 "丁青地震重定位

为探究CENC地震目录报告的西藏丁青地震事件震中位置与InSAR结果存在较大差异的原因，本文利用Nonlinloc绝对定位方法[32]，使用近震台站P波到时资料对西藏丁青地震事件进行重定位。Nonlinloc是一种概率地震定位算法，遵循Tarantola和Valette[33]的反演方法，并引入了一种有效的Metropolis-Gibbs非线性全局采样算法来进行地震重定位，用后验概率密度函数（PDF，probability density function）的最大似然点表示震源最优解，PDF 散点图的空间离散程度反映了定位不确定性的大小，该方法估计的空间误差比线性地震定位算法推导的空间误差，可靠性相对较高[34]。

本文收集震中距0°～5°范围内中国数字地震台网固定台站和区域台站的波形数据，该震中距范围内可以保证较好的方位角覆盖。首先对原始波形数据进行去均值、去线性趋势、去仪器响应等预处理，再旋转至大圆弧路径，手动拾取P波到时。为减少人工拾取震相到时误差，根据中国地震台网中心震相报告提供的100个台站的到时数据进行多项式拟合，得到走时曲线（图4a），剔除手动拾取的震相到时与走时曲线偏差大于5 s的震相数据（图4b）。最终得到了20个台站的P波到时数据，P波的拾取误差绝对值在0.1 s以内（图5b，图5c），台站分布及InSAR确定的西藏丁青地震事件的震中位置如图5a所示。

中国西南地区位于青藏高原东南缘，地震灾害严重，地震学资料丰富，是天然的地球物理实验场。近年来，地球物理学家针对不同的观测资料，采用不同的研究方法，对西南地区地壳和地幔的速度模型进行了各种研究[35-38]。本文重定位时参考了Xin等[37]利用体波走时成像获得的中国大陆岩石圈速度模型，得到的整个区域平均的地壳速度结构模型（图5d）。重定位结果显示，西藏丁青地震事件的震中位置为（31.97°N，95.07°E），走时残差为0.47 s，后验概率密度函数的最大似然点的分布如图6a所示，重定位结果位于最大似然点的95%置信椭圆区域内。重定位震中与InSAR确定震中的水平位置差异为1 km，小于CENC地震目录、USGS地震目录与InSAR确定震中的水平位置差异的12 km、6 km，其位置分布如图6b所示。虽然重定位震中相对于地震目录定位结果有一定的改善，但与地面真实位置之间仍存在一定的差异，除受地震破裂尺度的影响外，还可能与重定位使用的台站分布有关。本次重定位总共使用了20个台站的P波到时信息，其中震中距最小的台站为108 km，东西两侧台站分布的数量和震中距差异较大，可能对Nonlinloc程序的定位结果造成了一定影响。

3 "讨论

CENC、USGS地震目录报告的是起始震中，即地震发生刚开始时的破裂位置；而InSAR通过观测的地表形变数据反演得到的是质心震中，即地震矩释放的平均位置。在单侧破裂地震中，地震破裂是从起始震中向质心震中延展，两者之间的距离约为破裂长度的一半[39]。假设本文选取的10个地震事件的破裂方式均为单侧破裂，则地震破裂尺度应在10 km以内，质心震中和起始震中的水平位置差异在5 km以内。本文选取的10个地震事件中，CENC、USGS地震目录与InSAR确定震中的水平位置差异均达到了地震破裂尺度的量级；同时，图1展示了InSAR反演确定的断层在地面的投影及CENC、USGS和InSAR反演确定的震中位置，大部分地震事件中CENC与InSAR确定震中的水平位置差异大致表现为沿着破裂方向，而USGS公布的震中位置大于InSAR确定的断层长度，表明目录与InSAR反演震中的差异不仅来自地震破裂尺度，还受到台站分布、地球三维结构等因素的影响。GCMT与USGS地震目录一样使用全球波形数据进行地震定位，但GCMT报告的是质心震中，在与InSAR反演的震中比较时受断层破裂尺度的影响相对较小，可以为判断影响远震波形反演震源参数精度的因素提供参考。

GCMT在进行震源机制解反演时，会选择地震目录中报告的震级大于等于4.8级、能够产生可靠的 CMT 结果的地震事件进行初步分析[40]，所以GCMT目录中没有报告重庆垫江地震事件的相关震源参数。在其余9个地震事件中，USGS、GCMT地震目录与InSAR确定震中的水平位置差异主要集中在5～15 km （图7），除2020年四川成都地震事件外，GCMT与InSAR确定震中的水平位置差异和经向差异均表现出随震级减小差异逐渐增大的趋势，可能与远震波形信噪比有关。GCMT、USGS地震目录与InSAR确定的这9个地震事件震中位置的平均差异分别为13 km、11 km，说明在本文选取的地震事件中利用远震长周期波形进行地震定位时，受地震破裂尺度的影响相对较小，主要受台站分布及地球三维结构的影响。

InSAR技术通过获取地震前后两幅影像进行干涉处理，得到的形变场中主要包含了同震形变。以InSAR反演的震中为参考，能较好地评估不同目录报告的震中位置的准确度，但与地震持续时间相比InSAR数据的重访周期较长，时间分辨率相对较低，难以减弱震后形变对观测结果的影响。虽然本文采用了Luo等[27]通过叠加处理获取的高精度同震形变，该技术很好地减弱了大气造成及其他方面造成的形变误差，但仍会包含一部分震后形变，为震中位置的确定引入一定的误差。

4 "结论与展望

本文在中国西南地区收集10个同时被InSAR资料和地震波资料记录到的M4.0～5.5范围内的地震事件，比较了CENC、USGS地震目录与InSAR确定震中的经向纬向差异及水平位置差异，并对CENC地震目录报告震中位置准确度相对较低的西藏丁青地震事件利用Nonlinloc定位程序进行重定位，探究该事件震中位置准确度相对较低的原因。结果表明，CENC、USGS地震目录与InSAR确定震中的经向纬向差异分别分布在−0.05°～0.13°和−0.21°～0.13°范围内，水平位置差异平均值分别为4 km和11 km，大部分地震事件中CENC地震目录报告的震中位置较接近于地表真实位置，只有2016年西藏丁青地震事件中CENC报告的震中位置精度相对较低。对于该事件，本文收集了中国地震台网震中距在0°～5°范围内台站的近震波形记录，利用Nonlinloc地震定位程序进行重定位，重定位后位置为（31.94°N，95.08°E），与InSAR确定震中的水平位置差异为5 km，与CENC、USGS报告的震中位置相比，较为接近地表真实位置。

综上，在本文选取的研究范围内，大部分地震事件CENC地震目录报告的震中位置精度更高，对于少数与InSAR观测结果水平位置差异较大的地震事件，可能反映了当地近震台站方位角覆盖不全或三维速度结构复杂程度较高。但与地震学资料相比InSAR的时间分辨率相对较低，在反演地震事件相关震源参数时，受到了大气延迟、地表不均匀性等因素影响，报告的质心位置也可能存在一定的偏差；同时本文在进行地震目录报告震中位置的准确性评估时，仅收集了10个地震事件，空间分布有限，还需要对更多地震事件进行深入系统地研究，从而更为全面地评估不同目录的震中位置准确性。

致谢

本文采用的地震波形数据由中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心提供，中国地震台网中心和USGS提供了地震目录数据，部分图件使用GMT绘制；本研究得到了科技部重点研发计划项目（2021YFA0715100）的资助，在此一并致谢。

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Accuracy analysis of various earthquake catalogs based on ground truth locations：Several M5 earthquakes in the southwest region of China

Yang Jie1， 2， Gu Wangwang1， 2， *， Zhang Han1， Ni Sidao1， 2， Chu Risheng1， 2， Sheng Minhan1， 2， Zhang Baolong1， 2

1. State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics， Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology， Chinese Academy of Sciences， Hubei Wuhan 430077， China

2. College of Earth and Planetary Sciences， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China

[Abstract] " " Accurate epicenter location is crucial for assessing seismic hazards and risks， investigating seismicity， and exploring the Earth’s internal structure. Numerous global institutions routinely release earthquake catalogs， providing the earthquake source parameters such as epicenter locations. Nonetheless， disparities in epicenter locations reported by these catalogs can arise due to the variation in seismic station data， crust-mantle velocity models， and earthquake localization methodologies employed. InSAR data， characterized by its high spatial resolution， provides reasonable positional constraints on shallow earthquakes， offering ground truth （GT） and serving as a key basis for evaluating the accuracy of earthquake epicenter locations. This study selected a series of earthquakes of approximately magnitude 5 in Southwestern China， recorded by seismological and InSAR data. The discrepancies between the epicenter determinations of earthquake catalogs and InSAR measurements were compared to assess the accuracy of the China Earthquake Network Center （CENC） and USGS/NEIC catalogs in this specific region. The results indicate that the most significant discrepancy between the CENC catalog and InSAR-derived epicenters was 12 km， with longitudinal differences ranging from −0.04° to 0.13° and a marginally smaller latitudinal variance of −0.05° to 0.06°. In comparison， the maximum difference between the USGS earthquake catalog and InSAR epicenters was 20 km， with a longitudinal and latitudinal difference of −0.21°～0.13° and −0.10°～0.08°， respectively. The CENC catalog provided more accurate epicenter locations for most of the earthquake events. However， for individual events， the epicenter locations given by CENC deviate from the InSAR results by a significant amount， which may be attributed to the distribution of seismic stations， among other factors.

[Keywords] epicenter; earthquake catalogs; InSAR; Southwest China