利用人工爆破检验四川芦山及邻区地震定位精度

魏娅玲,蔡一川,唐 涛

(四川省地震局，四川 成都 610041)

地震定位是地震监测工作的一项主要内容，其定位结果不仅是地震学研究的重要基础，也是地震预测、地震应急以及地震灾害评估等工作所必需的基础资料。利用地震台观测震相到时测定震源位置和发震时间，已成为现代地震台网的常规任务，但地震定位精度仍然有待提高，随着数字地震学的快速发展，人们对地震定位结果的准确度也提出了更高要求。虽然地震观测报告中给出了地震定位误差估计值，但是目前常用地震定位方法均按照基本统计假设(误差遵循高斯分布、零均值和不相关)来给出定位误差，其实质低估了真实的定位误差(Myer et al.，2000；Bondár et al.，2004，2009)，因此地震目录中给出的定位误差是不能真实反映地震定位精度的。地震定位精度除了受定位台站分布、震相到时测量误差及不同定位方法等因素影响之外，地壳速度模型也是影响地震定位结果的关键因素之一。在本研究中，为了测试三维速度模型和一维速度模型对地震定位结果的影响，我们采用MSDP地震分析软件Loc3D(川滇三维速度模型)和HYPOSAT(区域一维分层速度模型)两种定位方法对芦山科考的8次人工爆破事件进行绝对定位，并将定位结果与已知爆破参数进行对比分析，以此来检验不同速度模型在芦山及邻区的地震定位精度，为今后大震速报和地震编目等工作提供参考。

1 资料选取与方法

1.1 台站和研究数据的选取

为了查明芦山地震的发震构造及其特征，构建芦山地震的发震构造模型，中国地震局芦山“4·20”7.0级地震科学考察小组采用人工地震剖面和科考台阵记录资料来揭示震区的地壳精细结构和深浅构造关系，实施了8次以炸药为源的人工爆破，各爆破点参数信息见表1。根据炸药当量直接估算出各爆破事件的里氏震级，当量折合成里氏震级估算公式为：ML=1.84+0.7logT(T:吨)，估算出的最大人工爆破地震是阿坝州金川县太阳河乡sp8炮点。人工地震各爆破点分布见图1，它们横穿龙门山断裂带南段，长约300 km，并分别于9月28日和10月21、22、23日成功完成爆破。芦山科考台阵总计35个台站，于2013年6月24日全部汇入四川地震台网中心进行实时分析处理，台站总数达95个(见图1)，很好地记录了这8次人工爆破波形。利用爆破记录波形资料，采用MSDP地震分析软件进行精确分析，拾取到清晰的Pg、Sg震相，使用Loc3D和HYPOSAT两种定位方法对各次人工爆破事件进行绝对定位，并将定位结果与已知爆破参数进行对比分析。

图1 爆破点及台站分布

表1 “4·20”7.0级地震科考人工爆破点参数

1.2 定位方法和速度模型

MSDP地震分析软件中的Loc3D和HYPOSAT定位程序均采用传统的Geiger法的基本思路，两者又具有各自的特点。Loc3D是采用阻尼最小二乘法将观测方程组化成正规方程组，然后用主元素法求解，给出反演深度。HYPOSAT是先将观测方程组降维，再直接用奇异值分解最小二乘法求解，给出反演深度或固定深度反演(张宇等，2014)。许多研究(Wu et al.,2003；Chen et al.，2006)表明应用三维速度模型能够有效提高地震定位精度，但是基于一维速度模型的地震定位，在精度允许的情况下具有成本低、效率高的优势，且大多数常用地震定位程序都使用一维速度模型。目前四川台网常规地震定位中采用的速度模型主要有两种：一种是地震行业科技专项“川滇地区地震走时表编制”研发的川滇三维速度模型，该模型是基于三维速度间断面和三维速度扰动变化，同时考虑了地球扁率、地形起伏和台站高程等因素的影响(吴建平等，2009；房立华等，2013)；另一种是区域分层一维速度模型，该模型是地震行业科技专项“全国区域一维速度模型建设及推广使用”研发的四川区域一维速度模型，Vp1=6.0 km/s,Vp2=6.7 km/s,Vpn=8.1 km/s,H1=33 km,H2=21 km。Loc3D地震定位程序中配置使用的是川滇三维速度模型，HYPOSAT地震定位程序中配置使用的是区域分层一维速度模型。

2 定位结果对比分析

利用HYPOSAT应用程序和四川区域一维速度模型对芦山科考8次人工爆破事件进行绝对定位，其定位结果见表2。比较表1、表2中各项参数可知，定位程序给出的各发震时刻与各爆破时刻误差小于2 s；定位台站的最大空隙角为223.6°，震中位置与爆破点位置偏差最大的爆破点是sp4，偏差值为2.18 km；当最近台站震中距小于10 km时，定位程序给出的反演震源深度均为0 km，当最近台站震中距为10～20 km范围时，反演震源深度误差均小于1.5 km，当最近台站震中距大于50 km时，反演震源深度误差约达20 km；根据爆破波形测定的里氏震级均小于由炸药当量估算的里氏震级，这主要是因为地震波在传播路径上介质对能量的吸收，震级误差最小的爆破点是sp1，震级偏小0.15，爆破点sp2～sp8的震级误差偏小范围为0.44～0.6，结合各爆破点位置分布(见图1)，可验证四川盆地属于介质低衰减区，川西高原属于介质高衰减区，用盆地台站计算出的地震震级比用高原台站计算出的地震震级平均约偏大0.3。利用Loc3D应用程序和川滇三维速度模型对芦山科考8次人工爆破事件进行绝对定位，其定位结果见表3。比较表1、表3中各项参数可知，定位程序给出的各发震时刻与各爆破时刻误差小于2 s；定位台站的最大空隙角为222.8°，定位震中位置与爆破点位置偏差最大的爆破点是sp7，偏差值为2.1 km；当最近台站震中距小于10 km时，反演震源深度误差均小于2.5 km，当最近台站震中距为10～20 km范围时，反演震源深度误差均小于11 km，当最近台站震中距大于50 km时，反演震源深度误差约达28 km。

在观测条件相同的情况下，两种定位方法与两种速度模型都能较为准确的确定爆破事件的震中位置，震中定位精度可均优于2.5 km。而确定爆破事件的深度时却有一些差别，震源深度误差受最近台站震中距的影响较大，当最近台站震中距小于10 km时，震源深度误差可优于2.5 km；当最近台站震中距大于50 km时，震源深度误差比较大，Loc3D和川滇三维速度模型组合反演的震源深度误差约达30 km，HYPOSAT和区域一维速度模型反演的震源深度误差约达20 km。

表2 根据爆破记录波形测定的爆破点位置参数(HYPOSAT-四川区域一维速度模型)

表3 根据爆破记录波形测定的爆破点位置参数(Loc3D-川滇三维速度模型)

3 结论

采用MSDP地震分析软件中的Loc3D和HYPOSAT两种定位程序，分别对芦山科考的8次人工爆破波形事件进行绝对定位，将定位结果与已知爆破参数进行对比，分析得到以下几点认识：两种方法和两种速度模型都能够较为准确地测定各爆破事件的震中位置，震中定位精度均可优于2.5 km；将根据爆破点位置、炸药当量估算的震级和模型反演的位置、震级进行对比分析，可验证四川盆地属于介质低衰减区，川西高原属于介质高衰减区，两个区域地震震级平均偏差约为0.3；震源深度误差受最近台站震中距的影响比较大，当最近台站震中距小于10 km时，两种定位方法反演的震源深度误差可优于3 km，当最近台站震中距大于50 km时，震源深度误差比较大，Loc3D和川滇三维速度模型组合反演的震源深度误差达30 km，HYPOSAT和区域一维速度模型组合反演的震源深度误差达20 km。