MSDP软件定位方法应用对比

金春华，田小惠，蔡新华，何秋菊

（宁夏地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

宁夏及邻区处在一个特殊的大地构造的位置上，根据不同的新构造特征可划分为青藏和华北两大块体[1]，华北块体由阿拉善和鄂尔多斯两个次级相对稳定的地块以及夹持其间的银川地堑组成，该区历史上曾发生过1739年银平罗8.0级地震。牛首山以南的弧形挤压—走滑构造区则为青藏块体东北缘的一部分，该区曾发生1920年海原8.5级地震。宁夏数字台网于2003年1月正式投入使用[2]，经过不断改进和完善，目前已建成拥有29个台站的区域数字地震观测台网。2003年1月至今宁夏及邻区共记录到ML2.0级以上地震800余条，为开展地震定位工作打下良好的基础。宁夏是一个多爆破的地区，截至目前共收集到爆破资料200余次，其中已落实有确切震中爆破52次，这些资料为验证地震定位方法，尤其是定位深度起到重要作用。

MSDP软件是目前全国地震系统普遍采用的地震定位软件，当前全国大多数省局台网均应用该软件完成日常地震速报、地震编目等工作。该软件目前常用的定位方法有：单纯型、HYP2000和Hyposat及LocSAT等定位方法[3]。本文将利用地震和爆破资料，从震中位置、深度及定位残差3个方面全面评估单纯型、HYP2000和Hyposat三种定位方法，最终得出结论。

1 宁夏及邻区活动断裂及地壳速度结构

宁夏及邻区的活动断裂十分发育[4]，且类型多样，按走向和性质分组可分为北北东、北南向断裂和北西西—北北西向弧形断裂和东西向断裂。北北东、北南向断裂主要有：巴音乌固原断裂带，烟筒山断裂带，窑洞水—五佛寺断裂带，中卫—同心断裂带及海原断裂带。东西向断裂主要有正谊关断裂带。其中海原、牛首山—罗山—固原和银川—平罗断裂为主要发震断裂带。因构造环境及地质演化历史不同，宁夏及邻近地区各地地壳结构特点存在较大差异[2]。拉山东麓断裂、桌子山断裂带、狼山山前断裂、贺兰山东麓断裂带、黄河断裂带、阿拉善左旗断裂、银川—平罗断裂及芦花台断层。北西西—北北西向弧形断裂主要有：牛首山—罗山—银川地堑和六盘山断裂带位于构造活动强烈的南北地震带上，在其形成的历史过程中，受3个动力性质不同的地质块体—青藏地块、鄂尔多斯地块和阿拉善地块的交互作用，地壳结构较为复杂。具有结构层变异强烈，地壳层厚度突变显著的特点。地壳总厚度总体趋势是南部大于北部。由于南部处于青藏高原北东边缘向地台区的过渡地带，其地壳厚度介于青藏高原（厚度约60km）与地台区（约42km）之间；北部银川地区地壳总厚度小于40km。在银川地堑和六盘山断裂带下方存在低速异常体。在银川地堑下方地壳中存在一长度近80km的低速异常透镜体，厚度约为10—15km；在六盘山断裂带下方，上地壳存在一厚度约11km的低速透镜体。陶乐—固原一线以东的鄂尔多斯地台区和贺兰山以西的阿拉善地台，壳幔结构相对简单，地壳分层比较平坦，莫霍面起伏不大，是整体相对稳定的构造单元。

图1 宁夏及邻区活动断层及地壳厚度分布图Fig.1 Distribution map of earthcrust’s thickness and the active faults in Ningxia and its nearby area

2 资料选取及MSDP几种定位方法定位对比分析

2.1 资料选取

本文选取2008—2012年宁夏及邻区地震和爆破资料进行对比分析, 研究区域为宁夏及邻区（35～40.5oN，103.5～107.5oE）范围。观测资料来源于宁夏数字地震台网（其中2003—2005年6个台站，2006—2007年7个台站，2008年以来18个台站）的地震和爆破记录及爆破测线记录。从宁夏地震观测报告中选出有4个以上台站记录的地震、爆破记录，其中地震记录260条，爆破记录119条。在这些地震事件中，ML1.0～1.9级地震24次，ML2.0～2.9级地震197次，ML3.0～3.9级地震33次, ML4.0～4.9级地震4次。爆破中有确切爆破位置的52次,最大为2007年12月20日宁夏石嘴山大峰矿ML4.5级爆破。

2.2 MSDP几种定位方法定位对比分析

为了全面分析各定位方法的优略，本文选取260次地震和119次爆破资料对3种方法进行定位对比分析。本文从地震震中与地表断层关系、地震震群分布、地震深度在地壳结构的合理性、定点爆破定位震中与落实实际位置的差、爆破深度是否更接近0及残差大小等几个方面进行了全面对比分析。

2.2.1 震中定位对比及其与断层关系分析

图2 3种方法定位地震震中分布图Fig.2 Epicenter distribution of 3 location methods

我们首先从地震震中分布来分析MSDP定位软件中3种定位方法与断层的关系。可以看出3种方法的震中除外围部分地震定位结果差距较大外，震源的总体分布格局变化不大（图2）。HYP2000定位较其他两种方法集中，且局部地区的地震有向构造断裂带趋近的变化。对于网内地震，3种定位方法的定位结果偏差不大，但HYP2000震源距断裂带更近，小震群震中也更为集中；对网缘、网外地震3种定位方法定位结果差距较大，尤其是宁夏北部及宁蒙交界地区。因该区地震和断层看不出明确的关系，仅凭地震震中图很难判断哪种方法定位结果更为合理。综上分析，对于网内地震HYP2000定位网内地震稍优于单纯型定位，Hyposat定位近震震中显不如其他两种方法。

爆破是检验定位位置是否准确的重要资料，定点爆破定位的精确度是验证地震定位方法好坏与否的重要手段。为了取得可靠资料，课题组成员对宁夏境内及内蒙古阿拉善左旗几个时常有定点爆破的采煤矿、采石矿及水泥厂矿点进行实地考察，收集可靠的爆破时间、地点及炸药吨位等，为该研究提供最可靠的一手资料。我们提取了平罗大峰矿、银川套门沟、中卫干柳树爆破和固原三关口做进一步分析。抽取平罗大峰矿爆破15个，银川套门沟爆破10个，中卫干柳树爆破9个，固原三关口爆破6个进行定位对比分析，得到各种定位方法平均距离如表1所示。可以看出在此4个矿区单纯型定位平均值4.1—6.3km，HYP2000平均2.3—2.7km，Hyposat平均4.1—8.3km。总结以上4个矿区可以得出：HYP2000定位最大值及平均值明显均小于其它两种方法，单纯型其次，Hyposat最差。

表1为物探中心定点爆破定位对比，相对于落实爆破，物探中心勘探爆破给定的爆破源参数更为精确。从表中可以看出：单纯型和Hyposat定位方法可以定位所有爆破。但HYP2000对2004年10月31日内蒙古阿拉善左旗爆破及2004年11月5日宁夏盐池爆破均无法定位，究其原因，这几次爆破均为只有4个台记录的网缘或网外地震。对比其定位结果，我们发现：对于网内爆破3种定位方法定位震中位置差别均不大，最大不超过6km。对于网缘及网外爆破单纯型和Hyposat基本可定位，结果差距单纯型和Hyposat均不超过10km。

表1 不同定位方法定位爆破结果对比

图3 3种方法定位深度分布图（a）单纯型（b）HYP2000（c）HyposatFig.3 Focal depth distribution of 3 location methods

2.2.2 深度定位对比

因地震台站均在地表、个别深井台站井身也不超过数百米，对于深几公里至数十公里的地震深度缺少纵向控制。故地震深度的确定是个难题，历来各地震定位方法对地震深度定位均很难把握。本研究从地震深度与断层及深部速度结构和爆破深度是否更接近表层出发，研究各方法定位的地震和爆破深度分布的合理性。研究表明：单纯型定位的深度无论是地震还是爆破深度分别不大，大多集中分布在5—10km（图3（a））。本研究选用的260个地震事件和119个爆破事件中深度在此范围的有：地震249个占总数的95.8%，爆破107个占总数的89.9%。Hyposat定位得到的深度大多在15km左右（图3（b）），其中10—20km的地震147个占总数的56.5%，爆破58个占48.3%。本研究给定Hyposat定位的初始深度为15km，如果给定初始深度为10km，则定位深度大多在10km附近。依此可以得出：Hyposat定位的深度很大程度上依赖给定的初始深度，并不能反映地震或爆破定位的实际深度。HYP2000定位地震深度在0—30km范围均有分布而爆破深度无一超过5km（图3（c））。据此我们可以得出，单纯型和Hyposat不能从深度上区分地震或爆破，而HYP2000则不同，定位爆破深度不超过5km。

根据落实爆破及物探中心定点爆破深度定位表明（表1、表2）：单纯型定位的深度在4—9km,平均6—7km。HYP2000定位深度为0—5km平均3km，Hyposat定位深度1—30km平均9—18km。该结果和119个爆破得到的结果基本一致。

综合以上分析得出：单纯型和Hyposat定位的对地震或是爆破深度没有区别，单纯型定位的深度均在5—10km，Hyposat定位深度与给定初始深度有关。HYP2000对地震和爆破深度有明显的区分，定位所得爆破深度也更符合实际情况。

2.2.3 地震深度与地壳速度结构关系

为了进一步检验HYP2000定位方法，我们对其定位的地震深度与宁夏地区地壳速度结构做了进一步分析。宁夏地区地壳结构复杂，据研究表层0—5km层低速主要分布在银川地堑、中卫清水河盆地，高速主要分布在银川地堑西部的贺兰山区[5]。在深层沿中卫—同心断裂带高速最为显著，低速主要分布在银川地堑深约为21—30km处及固原清水河断裂带深度约为8—22km。地震主要分布在速度变化剧烈的区域。鄂尔多斯块体较为稳定，很少有地震发生。从HYP2000深度分布图（图4）可以看出，阿拉善块体、中卫清水河盆地及海原断裂带中西部地震主要发生在深度0～20km；在20～30km深度地震只发生在银川地堑及银川地堑西北的贺兰山区、中卫同心断裂带、及固原清水河断裂带。研究发现宁夏地区深度较深的地震主要分布在银川地堑西部的贺兰山区、中卫—同心断裂带、固原清水河断裂带。进一步分析，因固原清水河断裂带地区低速层深8—22km，地震深度均不超过25km。银川地堑低速层深21-30km该区较深地震发生在21—33km处。中卫同心断裂带速度变化最剧烈处约为15—25km，较深地震发生在21—27km。贺兰山高速层消失在深度约25km处，该区较深地震主要发生在20—33km.该结果表明地震发生在高速—低速转换地区。

图4 HYP2000定位地震深度分布图Fig.4 Seismic depth distribution by HYP2000 location method

表2 不同定位方法定位固定炮点结果对比

2.2.4 残差分析

残差是评价地震定位好坏的一个重要参数。单纯型和Hyposat的残差整体高于HYP2000（图5）。单纯型残差优势分布在0.2—0.6，占总数的92.6%，平均残差为0.37；Hyposat残差优势分布范围为0.2—0.6，占总数76.5%，残差大于0.6的占总数11.5%。而HYP2000定位残差大多数小于0.4，占总数的90.4%。综上分析：Hyposat定位残差最大、单纯型次之、HYP2000最小。

图5 3种定位方法残差分布图Fig.5 Residual error distribution of 3 location methods

3 各方法与和达法定位地震深度对比分析

本文选用和达法对各方法定位的地震深度进行对比验证。和达法是模拟时期计算深度较为普遍的一种算法，该方法有明确的理论依据。即对于有4个以上台的到时差的近震，则可两台组成一组，求出三组独立的震源轨迹，再用作图法求出震源位置及震源深度[6]。其优点在于操作简单且不依赖速度模型或走时表，只要已知分布合理的4个以上台站震相便可用和达法求出震中位置及深度。其计算结果只与震相分析精度和台站分布有关，故可以排除因速度模型或走时表不合理导致的深度不合理的因素。本研究定位震中位置和震源深度使用的和达法程序为本文作者用matlab语言自编。

本文选用2008—2011年以来宁夏及邻区ML2.8级以上地震计算，能计算结果的有41个地震。分析这41次地震定位过程发现：震相精度和参与定位台站分布对和达法影响较大，利用包围不好的台站无法得到结果，或定位震中和实际震中相差很大。利用震相不太清晰的震相数据则深度误差很大。

可以看出，单纯型、HYP2000、和达法定位的震中位置除2010年6月27日灵武ML2.8地震及2011年11月28日宁夏石嘴山ML3.1地震外均很接近，这两次地震前者震相不太清晰，后者因参与定位的台站分布不合理。为了做进一步分析，对比分析了3种方法定位的深度与和达法定位的深度差（图6（b）），可以得出HYP2000定位深度与和达法定位深度差绝大多数都在10km范围内，其中5km以内的占总数的一半以上，Hyposat次之，单纯型最差。由此得出，HYP2000定位深度与和达法求得深度吻合最好。

图6 各种方法定位震中分布Fig.6 Epicenter distribution of all kinds of location methods

4 结论与讨论

定位方法是影响地震定位的关键因素，本文从地震震中与地表断层关系、地震震群分布、地震深度在地壳结构的合理性、定点爆破定位震中与落实实际位置的差，爆破深度是否更接近0及残差大小等几个方面对MSDP软件几种定位方法进行了全面对比分析。结果表明：①3种定位方法震中经纬度略有差异，但HYP2000震源距断裂带更近。对于落实的定点爆破HY2000优于其它两种方法，单纯型其次，Hyposat最差。②单纯型定位深度较为集中，无论地震或是爆破大多分布在5—10km。Hyposat定位深度与给定初始深度有关。HYP2000定位地震深度分布较为均匀，但爆破深度全部分布在0—5km。对HYP2000定位的地震深度与宁夏地区地壳速度结构做了进一步分析发现：HYP2000定位地震深度与速度结构明显相关，地震发生在高速—低速转换地区。③单纯型和Hyposat的残差整体高于HYP2000。④单纯型、HYP2000、和达法定位的震中位置均很接近，对比分析了3种方法定位的深度与和达法定位的深度差，可以得出，HYP2000定位深度与和达法定位深度差绝大多数都在10km范围内，Hyposat次之，单纯型最差。综合以上分析：对于网内地震在日后的地震速报及编目工作中可应用HYP2000定位方法。

众所周知，台站分布和震相精度对地震定位影响较大。宁夏地区位处南北地震带北段，有较为丰富的地震和爆破资源。但宁夏地区台站分布较为稀疏，平均台间距34km,远小于东部地区。从台站分布看宁夏地区南北狭长，东西较短，尽管近2年加入15个外省台，但对外围地区宁蒙交界、石嘴山和内蒙古阿拉善左旗地区地震仍然很难掌控。震相分析精度亦对地震定位，尤其深度定位，有较大的影响。本研究主要目的是能指导今后的地震速报及编目工作，因此大多数地震或爆破均采用台网报告震相数据，小部分做了调整。3种方法中受震相精度影响最小的是单纯型法，因单纯型对深度定位并不敏感，震相分析精确与否对单纯型定位影响不大；hyposat定位深度与初始深度有关，震相精度对其影响也不是太大；HYP2000定位深度与震相精度关系密切，应用不准确的或错误的震相资料可能得不到正确的深度。在一般情况下，应用震相清楚的6个左右近台定位的深度与落实爆破或和达法定位地震深度差不会超过5km。

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