Sg、Sn震相对新疆及相邻地区速报地震定位的影响分析①

赵石柱， 张 勇， 闫新义

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震定位是地震学中最基础的问题之一[1]，而地震速报作为地震监测的一线工作，短时间内测定出准确的发震时刻、震中位置、震级，对减轻地震灾害起到积极作用[2]。准确的地震定位不仅是研究地震动态图像、构造与地震关系的基础，还能为大震应急、抗震救灾提供科学的判断依据[3-4]。随着数字台网的建设使用，台站的不断架设、地壳速度模型的改进以及选取合适的定位方法，大大提升了地震定位的精度。但对于网缘或网外地震，定位精度目前无法做到特别准确，有时甚至偏差几十公里，所以尽可能做到科学地建设台网布局，加强对外合作共享地震台站数据，以及提高地震波形的信噪比，准确标注地震震相，能够在未来的地震定位中取得更大突破。

新疆是中国地震活动较频繁的地区之一[5]，每年记录到的地震数达到2万多条，其震中位置主要分布在阿尔泰、北天山、南天山、阿尔金、西昆仑5个地震带上。而台址的勘选不仅要考虑整体台网布局与观测需要，同时还要兼顾通信、供电以及长期观测要求[6]。新疆地域辽阔、地震台站稀疏且布局不合理、地壳结构复杂[7]，总体上呈“三山加两盆”的地貌特征，所以偏远地区无法兼顾通信和供电。当新疆边界地区的地震台站发生断记时，由于地处偏远、工作条件有限、无法及时维护。若此时发生地震，由于台站间的空隙角大，定位结果存在偏差，给速报工作带来较大困扰。由于一个不同的震相、标注的地震台站个数以及台站间的空隙角不同，震中位置就可能定位到不同的国家或地区。当新疆境内(西昆仑、阿尔金山地区除外)发生地震时，由于台站密度相对较高且对地震震中包围较好，只用Pg、Pn震相进行定位就能较好地计算出地震参数结果。但新疆相邻地区发生地震时，由于不具备以上条件，只用Pg、Pn震相进行定位不仅结果不可靠，甚至会出现震中位置反向的结果，而加上Sg、Sn震相就可以避免震中反向的发生。图1为2015年7月14日吉尔吉斯斯坦MS4.8地震未使用续至震相Sg、Sn(红点)和使用续至震相Sg、Sn(蓝点)震中位置的对比图。

图1 吉尔吉斯斯坦MS4.8地震使用续至震相Sg、Sn前后的震中位置对比图Fig.1 Comparison of epicenter positions before and after seismic phases Sg and Snin Kyrgyzstan MS4.8 earthquake

1 数据资料和定位方法

1.1 数据选取

地震定位精度主要受台站密度和分布的影响[8]，2015年新疆测震台网接入了国际共享地震台站，提高了边境地区地震的定位精度，为研究震中反向的现象提供了条件。考虑地震事件波形数据的完整性，本文中选取2014年1月～2019年3月MS≥4.0的新疆地震台网速报地震257个。MS≥4.0的地震震相清楚，且被更多的地震台站所记录，震中位置精度较高。在选取的地震事件波形中，剔除了大地震发生后淹没在主震波形的MS≥4.0地震事件波形和中深源地震的地震事件波形，因为前者被主震波形干扰而无法正确拾取地震震相，后者地震震源发生在上地幔，记录到的是地幔折射波P、S震相，不是壳内Pg、Pn、Sg、Sn震相。本文中所用的原始地震波形资料来自新疆地震台网中心，地震震中参数来源于中国地震台网中心统一目录。选取了78个新疆测震台，共享了17个临省测震台及15个国际测震台的地震波形数据(图2)。

图2 新疆测震台站、临省共享台站、国际共享台站分布示意图Fig.2 Distribution of Xinjiang seismic stations,neighboring stations and international shared stations

1.2 定位方法选取

MSDP作为计算机技术发展的智能化产物，集成了单纯形、Locsat、Hyposat定位方法[9]。新疆测震台网通常用单纯形方法定位新疆及相邻地区的浅源地震，主要是因为单纯形方法定位残差小、软件操作简洁方便[10]，不会出现因震源深度为0而采用固定震源深度再对地震事件定位的操作，且台站稀疏、分布不理想时，单纯形方法是数值性能较好的最优化方法[11-13]，梁向军认为对于网缘或网外地震，单纯形方法是最理想的定位方法[14]。而中深源地震通常用Hyposat方法来定位，该方法定出的震源深度比较准确，且得出的定位残差较小。Locsat定位方法不适宜在新疆及相邻地区使用，因为定位出的结果不仅残差大，不符合定位要求，而且容易出现定位报错，从而无法得出参数结果。

1.3 速度模型选取

新疆测震台网通常用“3400走时表”作为单纯形方法的速度模型(表1)，该模型属于大范围的平均走时表，震中距越大，符合越好[15]，适用于新疆，它的测线是从帕米尔经过中亚、阿勒泰萨彦到贝加尔沿岸分布的，新疆西部和北部边境地区的地震震中恰好都落在此测线附近。

表1 3400地壳速度模型

2 地震定位

标注地震震相通常是搜索出最先到达地震台站的初至震相Pg(或Pn)波，然后按台间距排序依次标注15～20个Pg、Pn震相。采用该方法的原因是震相标注少了易出现震级偏小或台站间的最大空隙角偏大而定出的震中偏差大等情况，而震相标注多了易出现速报地震报出时间超时或定位残差大等情况。

(1) 网内地震

只标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后，定出震中结果，分析与中国地震台网统一目录的关系。标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后，再标注Sg、Sn震相，以Sg、Sn震相个数不同而分别定出震中结果,Sg、Sn震相个数分别标注1、3、5、7个定出震中结果，分析震中位置的变化规律以及与中国地震台网统一目录的关系。

(2) 网缘或网外地震

只标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后，判断是否出现震中反向的定位结果。如果出现震中反向定位结果，分析最大空隙角达到多大时会出现震中反向，再通过标注Sg、Sn震相，分析标注几个Sg、Sn震相才能避免震中反向的发生。再以Sg、Sn震相个数不同而分别定出震中结果，Sg、Sn震相个数分别标注1、3、5、7个定出定位结果，分析震中位置的变化规律以及与中国地震台网统一目录的关系。如果不出现震中反向定位结果，不仅定位出只标注Pg、Pn震相定出震中结果，还要以Sg、Sn震相个数不同而分别定出震中结果，Sg、Sn震相个数分别标注1、3、5、7个定出震中结果，分析震中位置的变化规律以及与中国地震台网统一目录的关系。

3 地震定位结果分析

对网内和网缘、网外地震定位出的震中结果与中国地震台网中心统一目录的震中结果进行对比，研究Sg、Sn震相对地震震中位置的影响规律。

3.1 网内地震

只标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后定出的163个网内地震中，有139个定出的地震震中位置与中国地震台网中心统一目录震中偏差在10 km以内，占85.28%，定出的地震震中位置与中国地震台网中心统一目录震中偏差在10 km以上的24个地震中，有6个地震发生在地震速报范围内的省外(一般以震中位置所在地的省级地震台网或中国地震台网中心的结果为准)、有1个地震发生在地震速报范围内的国外、有17个地震发生在地震台站密度低或地震台站分布不均匀的的新疆西昆仑及阿尔金山地区。通过163个网内地震分析发现，除了发生在台站密度低或地震台站分布不均匀的西昆仑、阿尔金山地区和速报范围内的省外、国外24个地震之外，其余139个地震均可以只标注Pg、Pn震相定出震中结果，不仅与中国地震台网中心统一目录的震中偏差在10 km以内，还可以有效地提高地震速报时效。

标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后，分别标注1、3、5、7个Sg、Sn震相定出震中结果显示，除了地震台站密度低或地震台站分布不均匀的地区外(包括省外、国外)，Sg、Sn震相不会对震中位置有较大的影响，经度和纬度只会小幅度震荡，震中偏差不会偏差10 km(图3)。在地震台站密度低或地震分布不均匀的地区，Sg、Sn震相个数对震中影响比较大，而且随着Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位偏移。如2014年2月12日新疆于田MS7.3地震及其余震序列最大空隙角朝南，随着Sg、Sn震相个数的增多，震中纬度向南偏移，经度小幅震荡；2015年2月15日新疆乌恰MS4.7地震最大空隙角朝西，随着Sg、Sn震相个数的增多，震中经度向西偏移，经度小幅震荡。通过震中位置对比，在地震台站密度低或地震台站分布不均匀的地区，Sg、Sn震相标注3～7个时，地震震中位置比较接近中国地震台网中心统一目录的结果，而Sg、Sn震相标注的越多，定位残差越大，容易超过设定的残差值，干扰速报人员的判断，且Sg、Sn震相标注5个和7个时震中位置变化不大，因此标注Sg、Sn震相3～5个最佳。

图3 网内速报地震随着Sg、Sn震相个数不同而震中位置的变化图Fig.3 Variation diagram of epicenter position in quick report network with different numberof Sg and Sn seismic phases

3.2 网缘或网外地震

只标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后，对地震事件定位后发现，94个网缘或网外地震中，有11个地震出现震中反向现象，占11.7%，少数地震出现震中反向时定位残差也小(图1)，容易干扰速报人员对地震震中位置的判断。在出现震中反向的11个地震中，通过最大空隙角分析，只要最大空隙角超过180°，就有可能出现震中反向的现象，所以当最大空隙角超过180°时必须要标注Sg、Sn震相来避免震中反向的发生，在11个有震中反向的地震中，标注1个Sg、Sn震相，虽然9个地震避免了震中反向的发生，但还有2个地震依然出现震中反向。标注3个Sg、Sn震相时，11个地震不再出现震中反向的现象，因此要避免震中反向的出现，必须标注Sg、Sn震相≥3个。Sg、Sn震相分别标注1、3、5、7个定出震中结果分析发现，总体上随着Sg、Sn震相的增多震中位置往最大空隙角的方位移动。通过分析震中偏差，标注Sg、Sn震相3～7个时，与中国地震台网中心统一目录的震中偏差最小(图4)。不出现震中反向的网缘或网外83个地震中，大多数地震随着Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位移动。标注Sg、Sn震相1、3、5、7个定出震中结果，分析表明，当Sg、Sn震相标注3～7时与中国地震台网中心统一目录结果最为接近。

图4 网缘或网外地震随着Sg、Sn震相个数不同而震中位置的变化图Fig.4 Variation of epicenter position in network edge or off with different number of Sg and Sn seismic phases

4 结论与讨论

选取2014年1月～2019年3月MS≥4.0的速报地震257个，通过标注Sg、Sn震相分析Sg、Sn震相对新疆及相邻地区速报地震定位的影响，得出以下结论：

(1) 只标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后定出的163个网内地震中，除了疆内台站密度低或地震台站分布不均匀的西昆仑及阿尔金山地区、速报范围内的省外国外24个地震外，其余139个定出的地震震中位置与中国地震台网中心统一目录震中偏差小于10 km。因此，笔者认为除了西昆仑及阿尔金山地区的地震、速报范围内的省外国外地震，新疆所有地区均可以只标注Pg、Pn震相定出定位结果，以大幅缩短速报时间。

(2) 网内地震标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后，分别标注1、3、5、7个Sg、Sn震相定出震中结果分析发现，除了地震台站密度低或地震台站分布不均匀的地区外，Sg、Sn震相不会对震中位置有较大的影响，经度和纬度只会小幅度震荡，震中偏差小于10 km。在地震台站密度低或地震分布不均匀的地区(包括省外、国外)，随着Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位移动，且Sg、Sn震相标注3～5个时，地震震中位置接近中国地震台网中心统一目录的结果。

(3) 只标注Pg、Pn震相，对震中位置达到最大包围后，对地震事件定位后发现，94个网缘或网外地震中，有11个地震出现震中反向现象。通过最大空隙角分析，在最大空隙角超过180°时有可能发生震中反向，且当Sg、Sn震相标注大于3时，可完全避免出现震中反向的发生。通过94个网缘或网外地震标注Sg、Sn震相定位分析，随着Sg、Sn震相的增多震中位置向最大空隙角的方位移动。用Sg、Sn震相个数分别标注1、3、5、7个定出震中结果，当Sg、Sn震相标注3～7时，与中国地震台网中心统一目录结果接近。

通过标注Sg、Sn震相，分析新疆及相邻地区MS≥4.0的速报地震257个，分析Sg、Sn震相对震中位置的影响规律，可以缩短速报时间并提高定位精度，但速报地震最先要考虑的因素是要正确判断地震类型—天然地震和非天然地震。尽管天然地震有浅源地震、中深源地震、深源地震之分，但非天然地震均属于浅源地震，且一般情况下天然地震的震源深度比非天然地震的震源深度要深，所以震源深度对地震类型的判断有明显的约束作用。需结合地震波形垂直向的初动方向和尖锐程度、振幅周期、振幅比、尾波的持续时间、地震发生的时间、地点等因素综合判断速报地震的地震类型。目前为止，快速准确速报地震最科学的方法还是要均匀分布地震台站、增加地震台站密度、改进速度模型、选用适合的定位方法、加强国内外合作共享地震波形数据以及提高实时传输数据能力等。