JOPENS6.0地震定位新方法在上海及周边地区地震适用性应用探讨

贾思超，孙冬军，毕 波

(上海市地震局，上海 200062)

0 引言

地震定位是地震学最基本的问题，它在地球内部结构、区域地震活动性、地震构造研究中都具有不可替代的作用，对震后的减灾、救灾工作至关重要。所以，如何快速精准地对区域地震进行定位，已经成为现代地震监测台网工作的重中之重。在地震台网的日常工作中，选用“十五”中国数字地震观测网络项目开发的JOPENS系统模块， 其中地震地位功能属于该系统中的人机交互快速处理与速报(MSDP)。在JOPENS软件4.3、5.2版本中，一般只运用单纯型法、HypoSAT、Hypo2000这3种方法对地震进行定位。而最新推出的JOPENS6.0版本，开发人员为地震定位提供了多种新定位方法，如自适应演化算法、ISCloc、ISCloc2、LOC3dSB(川滇3D)等。JOPENS6.0不仅有新的定位方法，还集成了新的全国一维速度模型。新方法、新模型的推广应用为地震监测技术人员在地震定位工作方面提供更多途径的同时，也拓展了地震定位准确性提升的空间。本文应用JOPENS6.0系统中新型定位方法，选取上海及周边地区不同类型的地震进行定位，进而对地震定位新方法在该区域的适用性进行初步探讨。

1 几种定位方法简介

最新推出的JOPENS6.0版本中，研究人员开发了多种新的定位方法，其中LOC3dSB(川滇3D)只适用于川滇地区的近震定位，故不在本文探讨之列。因此，本文拟采用单纯型法、自适应演化算法、ISCloc、ISCloc2、Hyposat、LocSAT、Hypo2000等7种定位方法对地震事件进行重新定位。另外，文章主要探讨上海及周边地区的地震定位，地震事件没有选取远震。下面针对以上几种定位方法进行简单介绍：

(1)单纯型法

用于地方震、近震和远震的定位方法。利用数学的单纯型搜索极值的方法，搜索残差最小的位置即震中。该方法的优点是计算速度快，适用范围广，缺点是定位结果中没有有关定位精度的误差估计。

(2)自适应演化算法

该方法是用遗传算法搜索残差最小的震中位置，每次结果有一些小的差别，是一种用于地方震、近震和远震的定位方法。

(3)ISCloc和ISCloc2

ISCloc是国际地震中心(ISC)当前编目采用的定位算法，用于地方震、近震和远震的定位，可使用J-B全球走时表，更适合于远震定位。

ISCloc2为国际地震中心(ISC)最新推出的定位方法，相对于 ISCloc，它的主要改变在于采用了邻域算法估计震源的初始参数，对远震采用了 ak135 全球走时表，更适合于远震定位。

(4)Hyposat和Hypo2000

Hyposat是一个为震源定位而开发的程序包，它利用了走时数据、反方位角值和射线参数值等参数对地震进行定位，用于处理地方震、近震和远震。

Hypo2000是一个适用于地方震和近震的地震定位和定震级的程序。该方法可为每个地震台站指定不同的速度模型, 定位起始位置均采用近台初值，从而得到某次地震的震中位置、震源深度和震级大小。

(5)LocSAT

一种集成定位程序，现已改写为java程序，被集成到JOPENS6.0系统的MSDP中，用于地方震、近震和远震的定位。

2 资料选取及定位结果分析

2.1 资料的选取与对比

上海地处江苏与浙江两省之间，东临黄海和东海，其特殊的地理位置有利于上海地震台网监测到不同震中距、不同类型的地震。上海数字地震台网于本世纪初正式投入使用，由17个测震台站和1个台网部组成，其中地表地震台站9个、井下地震台站6个、综合深井地震台站2个。经过十几年的台站改造和设备升级，特别是“十五”期间的建设，台站在数量和仪器性能上都有了大幅的提高。至今上海市行政区域的测震台网监控能力达到M≥0.5，上海行政区外50km范围内测震监控能力达到M≥1.5，定位精度小于5km。本文选取上海数字地震台网2016年4月至2017年9月(2016年4月以前的地震事件没有储存震相文件，无法进行控制变量的对比)期间记录的37次地震事件，其中网内地震12次、网缘地震4次、网外地震10次、爆破事件10次、核爆1次。利用JOPENS6.0软件对以上地震事件进行重新定位，分析几种定位方法的不同特点。上海数字地震台网台站及地震震中位置分布见图 1。

图1 数字地震台网台站及地震震中位置分布Fig.1 Distribution of digital seismic stations and location of epicenters

2.2 震中位置对比

JOPENS6.0系统7种定位方法测定的震中结果与编目结果对比见表1。

7种方法定位的震中位置与编目震中位置之间的误差为：

Δ=111.199{(φ1-φ2)2+(λ1-λ2)2

cos[(φ1+φ2)]/2}1/2

式中：Δ为两点间的震中误差，单位为km；(φ1、λ1)、(φ2、λ2)分别为两者震中位置的纬度和经度。通过计算得出了7种定位结果与编目数据定位结果的误差，结果分别见图2、3、4、5。

由表1和图2、3、4、5可见，对于网缘地震事件，7种定位方法中用单纯型、自适应演化法和Hypo2000定位得到的震中位置差较小，定位较为精准。其中，单纯型拟合曲线最好而ISCloc2最差；在处理爆破事件时，ISCloc2多次无法准确定位且其定位效果不理想，而Hyposat的震中位置差曲线相对平缓，优于其他6种定位方法；在定位网外地震时，单纯型和自适应演化法的稳定性比较突出，ISCloc和LocSAT的定位结果也相对较好，同时可以发现Hypo2000并不适合网外地震的定位；7种定位方法在定位网内地震时，定位结果误差都不大，均取得了较好的效果，从而可以判断7种定位方法均可用于网内地震的定位。

表1 7种定位方法测定的震中结果与编目结果

续表1

日期时间地点震级编目经纬度(单位°)单纯型自适应演化法ISClocISCloc2HyposatLocSAT Hypo20002016-08-0221∶00∶24.4江苏连云港市赣榆区海域2.934.82 120.07 34.48120.0634.47120.0834.34120.1834.73119.7734.59119.7334.17120.2034.15119.522016-08-1800∶21∶50.2江苏盐城市大丰市2.333.17 120.70 33.14120.6833.14120.6933.01120.6833.12120.7033.14120.6733.00120.7033.67120.882016-09-0910∶12∶41.5上海崇明县近海0.831.28 122.23 31.27122.2331.28122.2331.26122.1931.27122.2131.35122.2431.25122.1831.26122.212016-10-2004∶51∶10.9江苏盐城市射阳县4.433.70 120.30 33.62120.3733.60120.3933.77120.4433.85120.3034.15120.2833.40120.4834.05120.402016-10-2919∶32∶10.0上海崇明区近海1.031.27 122.22 31.27122.2231.25122.2231.24122.1731.25122.1931.27122.2631.24122.1731.26122.202016-11-0318∶58∶16.9黄海海域2.234.42 120.87 34.39120.8334.41120.9134.17120.8635.54121.0035.96120.8834.19120.8934.03121.942016-11-0620∶37∶24.9黄海海域0.732.33 122.77 32.33122.7632.31122.7332.33122.5932.35122.58数据异常无法定位31.07121.822016-12-2206∶50∶33.4浙江湖州市长兴县1.130.92 199.88 30.88119.9330.89119.9030.89119.8830.88119.8030.89119.92无法定位30.88119.922016-12-2912∶54∶08.8江苏苏州市常熟市1.331.62 120.75 31.62120.7331.66120.7331.61120.7431.63120.7331.62120.7431.61120.7431.62120.722017-01-2219∶40∶26.3浙江常州市金坛市1.931.67 199.47 31.68119.4531.68119.4731.74119.3931.82119.3131.84119.2931.60119.5731.90119.232017-01-2619∶35∶17.0上海崇明区0.131.72 121.18 34.68121.1731.69121.1731.69121.1831.70121.1831.66121.1731.67121.1831.67121.172017-02-0500∶45∶24.9江苏泰州市靖江市2.831.97 120.23 31.98120.2131.97120.2031.94120.2232.00120.2132.02120.0831.90120.3031.92120.252017-02-0917∶29∶05.8江苏南通市通州区1.031.87 120.93 31.86120.9331.86120.943.1.84120.9531.86120.9431.89120.88无法定位31.85120.922017-03-0415∶49∶49.5上海崇明区近海1.531.20 122.22 31.20122.2231.20122.2131.20122.1731.20122.1931.20122.2031.19122.1731.20122.212017-03-3114∶24∶50.0上海崇明区近海1.231.32 122.50 31.34122.5731.34122.5831.32122.4831.34122.5131.32122.5231.31122.4531.40122.622017-04-0203∶15∶42.8上海崇明区近海0.331.23 122.33 31.24122.3631.22122.3431.22122.3131.29122.4931.22122.3431.22122.2931.23122.332017-04-1202∶25∶36.7浙江杭州市临安市4.230.08 119.33 30.04119.3330.04119.3530.07119.3530.12119.4330.09119.3630.18119.4930.00119.252017-05-2511∶23∶53.5上海崇明区0.431.70 121.42 31.71121.4231.78121.4731.73121.4331.70121.4231.70121.4231.68121.4231.70121.422017-08-1104∶39∶00.7上海徐汇区0.631.13 121.43 31.13121.4331.15121.4531.13121.4231.13121.4331.13121.4331.13121.4331.13121.432017-08-1214∶52∶55.7上海金山区近海1.130.58 121.47 30.58121.4730.57121.4530.57121.4730.62121.4730.58121.4730.58121.4730.58121.472017-09-0311∶30∶01.6朝鲜(疑爆)6.341.35 129.12 36.49125.2033.48123.5333.48123.5336.08124.9336.16125.05无法定位32.25122.41

图2 网缘地震定位结果对比Fig.2 Comparison of location results of rim earthquakes

图3 爆破地震定位结果对比Fig.3 Comparison of location results of blasting earthquakes

图4 网外地震定位结果对比Fig.4 Comparison of location results of external earthquakes

图5 网内地震定位结果对比Fig.5 Comparison of location results of internal earthquakes

2.3 地震的震级对比

将选用的37次地震事件用JOPENS6.0系统搭载的7种测震方法逐一进行定位，得出的震级与地震编目震级进行对比，结果见图6。

图6 7种定位方法的震级误差分布图Fig.6 Distribution of magnitude error by 7 location methods

由图6可见，7种定位方法所定位的地震震级差有90%在-0.2～0.3，这说明7种定位方法对所选地震定位的震级结果与编目震级结果是均较为一致的，其中LocSAT所定位的震级结果与编目震级拟合的更好。而对37次地震事件的重新定位结果中大多数震级结果比编目震级要大0.1～0.2，这也从侧面反映出JOPENS6.0系统在一定程度上改善了在定位网内地震和近震时震级偏小的问题。

2.4 震源深度

在地震定位中，震源深度的测定是最为困难的，主要原因是地震发生在地下几千米到几百千米的位置，而目前大多数地震仪上的地震拾震器只能布设在地表基岩或几百米深的综合深井中，致使拾震器不能有效地包围震源，造成在后期地震定位中不能很好地约束震源深度。因此只能根据其计算的深度误差和通常对某一地区震源分布的认识来认定某个地震的定位深度可能更合理一些，这对定位方法的适用性比较意义不大，故在本项目中并未对震源深度做更多的研究。

2.5 残差分布

由图7所示，7种定位方法的残差分布情况，其残差平均值分别为单纯型0.311；自适应演化法0.281；ISCloc法0.658；ISCloc2法1.096；Hyposat法0.586；LocSAT法0.467；Hypo2000法0.997，其中，单纯型与自适应演化法的残差平均值最小，两条残差曲线的形态基本一致，其拟合度最好，残差集中在1.0之下; 而Hypo2000法与ISCloc2法的定位残差略高于其他5种定位方法，这种现象在定位网外地震时更为明显。

图7 7种定位方法的残差分布图Fig.7 Residual distribution of 7 location methods

3 讨论与结论

利用JOPENS6.0中7种不同的地震定位方法，对上海数字地震台网2016年4月至2017年9月期间记录到的37次地震事件进行重新定位，将其计算结果与编目结果进行比较，得出以下结论：

(1)根据地震震中距及类型的不同，可以合理选择不同的定位方法对地震进行处理，如：在处理网缘地震时，可以使用Hypo2000和自适应演化法定位；在处理爆破地震时，可选取HypoSAT及ISCloc方法；对于网外地震的处理，建议使用自适应演化法和LocSAT进行定位；而处理网内近震时单纯型法为最合适的选择。

(2)研究发现，通过对比震中位置、震级和残差等因素，ISCloc2并不适合上海及周边临近地区地震的定位，很可能与ISCloc2使用了 ak135全球走时表有关，该方法可能更适合于远震定位；而Hypo2000在定位网外地震时表现很不理想，建议避免使用其处理位置较远的地震。

(3)通过震级对比发现，37次地震事件的重新定位结果中，大多数震级结果比编目震级要大0.1～0.2，这说明新的JOPENS6.0系统可能在一定程度上改善了过去定位地震，尤其是网内地震和近震时震级偏小的问题。

本文研究所采用的网外地震震例较少，故未能很好地反映网外及远震的定位情况，这有待在以后继续深入研究。由于本文研究选用的样本资料有限,同时地震数据处理可能存在一定的误差,导致最终结论可能存在一些错误,敬请各位专家同行批评指正。