曹昌军， 李艳永， 任 林， 唐明帅

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震速报是地震监测工作的首要任务和防震减灾工作的基础环节[1]，基于快速准确定位地震的地震速报，对于震后的减灾、救灾工作至关重要[2]。对人工速报工作来讲，从地震发生到地震参数上传到国家台网中心，只有短短的10 min左右的时间，由于时间短，参与定位的数据有限，使得初步测定的参数与最终的正式结果可能存在一定的偏差。准确的地震速报信息受到台站台址勘选[3]、台站布局合理性、区域地质结构构造、定位方法[4-6]等影响。朱元清等[7]对地震定位精度的可能误差进行了较详细的分析，定位精度受到台网布局、震相判读可靠性、震相到时读取精度、地壳速度模型[8]等诸多因素的影响。尽管地震定位精度受以上诸多因素的影响，但研究结果表明，在一定的介质结构速度模型下，同等定位方法定位结果的可靠性主要与选取的台站分布是否合理有关，是现实可改进的因素[9]。许多学者针对地震定位中台站选取对定位结果的影响进行分析研究。卫爱民等[10]认为在合适的定位方法下应尽量使台站的张角足够大，且确保初至震相P和S的准确性。王斌[11]分析对于台站包围比较好的网内地震，即使不使用后续震相定位偏差一般不超过4 km。网缘与网外地震最好尽可能多地使用各种震相数据。季爱东等[9]认为速报定位时选择4～9个分布相对合理的定位子台网参与定位，结果较稳定且满足速报要求。但以上研究对定位偏差的分析都是参考正式编目或速报的结果，把正式编目或速报的结果作为真实的震源来对比，与真实震源有一定的偏差，特别是对于网外或者网缘的地震，偏差会较大。因此本研究主要通过数值模拟实验分析定位子台网和S震相选取对定位结果的影响。

1 资料设置和处理

图1 虚拟台站和震中分布Fig.1 Virtual station and epicenter distribution

现实中测震台站的布局受诸多因素的影响而呈不规则的分布，为便于分析和讨论，本文中主要通过模拟的、规则分布的台站分析和S震相的选取对定位结果的影响，再结合实际震例去验证通过数值模拟实验分析的结果是否可靠。设置的虚拟台站共40个，编号为1～40，地震震中位于台站分布的几何中心(图1)。设定地震的基本参数：发震时刻2020年1月1日01时01分01秒，震中经纬度(83.50°E，43.50°N)，震源深度16 km，MS5.0。

目前中国测震台网主要使用人机交互处理软件MSDP中的单纯形法、Hyposat、Locsat等3种方法进行定位[12-15]，本研究使用单纯形法的源程序进行定位。假设40个台站都能记录到该地震事件，计算各台站的震中距；固定震源深度，根据速度模型和震中距计算各台站的理论到时；理论到时中加入呈正态分布的随机误差来模拟观测到时，依据观测到时使用单纯形定位方法选取台站进行定位。其中，采用的速度模型如表1所示，计算的各台站的震中距、走时和震相类型等参数如表2所示。

表1 本文中采用的速度模型

为了验证单纯形定位方法源程序的可靠性，使用40个台站所有的P和S震相定位，定位时不加入随机误差，固定震源深度，直接用理论到时。定位结果为发震时刻2020年1月1日01时01分01秒，震中位置(83.499 8°E，43.500 5°N)，定位残差0.32，可见震中位置几乎回到了初始位置，证明了单纯形定位方法源程序的可靠性。本文中主要从2个方面分析定位台站和S震相的选取对定位结果的影响。一方面，震中位于台站包围较好的网内；另一方面，震中位于台站包围较差的网缘或网外。

2 定位结果分析

2.1 震中位于台站包围较好的网内

选取震中周围的15、16、21、22、37、38、39和40等8个台站(图2)，分4种情况分析震中包围较好时定位台站的选取对定位结果的影响，每种情况各定位50次。

选择8个台站的P震相定位(图3a)。震中最小偏差1.4 km，最大偏差3.1 km，平均偏差2.4 km，平均发震时刻0.8 s，平均残差0.85。在选取8个台站P震相基础上，增加39和40台站的S震相定位(图3b)。震中最小偏差0.4 km，最大偏差2.5 km，平均偏差1.6 km，平均发震时刻0.6 s，平均残差0.84。在选取以上台站的P和S震相基础上，增加37和38台站的S震相参与定位(图3c)。震中最小偏差0.1 km，最大偏差2.3 km，平均偏差1.1 km，平均发震时刻0.5 s，平均残差0.79。选取8个台站的所有的P和S震相参与定位(图3d)，震中最小偏差0.1 km，最大偏差1.1 km，平均偏差0.5 km，平均发震时刻0.6 s，平均残差0.71。

表2 各台站的震中距、走时和震相类型

图2 模拟震中位于网内时定位台站的选择Fig.2 Selection of positioning stations in the in-network

2.2 震中位于台站包围较差的网缘或网外

选取震中一侧的19个台站(图4)分5种情况来分析震中位于网缘或网外时定位台站的选取对定位结果的影响，每种情况各定位50次。

选择距离震中最近1列的4、10、16、22、28、34和39等7个台站的P震相定位(图5a)。震中最小偏差9.2 km，最大偏差71.5 km，平均偏差13.4 km，平均发震时刻1.59 s，平均残差0.37。只使用第1列的P震相参与定位时，震中偏差较大，有个别定位结果甚至把网外的地震定位到了网内。在使用第1列的7个台站P震相的基础上，增加第2列的5、11、17、23、29和35等6个台站的P震相参与定位(图5b)。震中最小偏差1.0 km，最大偏差8.9 km，平均偏差3.8 km，平均发震时刻1.1 s，平均残差0.49。 随着第2列台站的P震相参与定位，定位的震中偏差在减小，而且定位的震中呈现明显水平带状分布，即沿纬线分布。在使用以上13个台站的P震相定位基础上，增加第3列的6、12、18、24、30和36等6个台站的P震相参与定位(图5c)。震中最小偏差1.76 km，最大偏差5.5 km，平均偏差3.3 km，平均发震时刻1.3 s，平均残差0.52，可以看出定位的震中偏差仍在减小，震中分布仍然呈现明显的水平带状分布，即震中纬度较为稳定，经度呈现较大的振荡，但震中的分布较图5(b)的定位结果更集中。使用第1列7个台站的P震相和第2列6个台站的S震相定位(图5d)。震中最小偏差0.1 km，最大偏差3.7 km，平均偏差1.6 km，平均发震时刻0.9 s，平均残差0.54。可以看出，使用第2列台站的S震相参与定位后，震中分布仍然呈现明显的水平带状分布，即震中纬度较为稳定，经度呈现较大的振荡，但震中的分布较图5(a)、(b)和(c)的结果更集中，更靠近震中。使用第1列7个台站的P震相和第2列以及第3列12个台站的S震相定位(图5e)。震中最小偏差0.2 km，最大偏差2.0 km，平均偏差1.0 km，平均发震时刻0.9 s，平均残差0.73。随着第3列台站的S震相参与定位，震中偏差更小，从空间分布上看，震中分布仍然呈现明显的水平带状分布。

图3 震中位于网内时定位的震中分布Fig.3 Epicenter distribution

图4 模拟震中位于网外时定位台站的选择Fig.4 Selection of positioning stations in the out-network

图5 震中位于网外时定位的震中分布Fig.5 Epicenter distribution

3 实际震例对比分析

3.1 震中位于台站包围较好的网内

在模拟实验分析的基础上，以2021年1月20日21时42分29秒发生的新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县MS3.0地震为实例进行对比分析，该地震的正式编目结果为83.144 5°E，44.305 8°N，震源深度6.9 km。各台站的震中距、走时和震相类型等参数如表3所示，使用MSDP中的单纯型定位方法分3种情况定位分析：① 选择能较好包围震中的JHE、XNY、JLT、ALS、WSU、DSZ、LSG、YUM、XGX、CBC、KMY、WNQ、XYD、SCH、BKQ、MSW、TAC、HTB、HEF、LTA、ZSU、KUC、LHG、BLT、BAC、XQG等台站的P震相进行定位(图6)，定位结果为83.141 2°E，44.301 4°N，震源深度6.4 km，震中位置与正式结果相差0.372 km。② 在选择以上P震相基础上，增加JHE、XNY、JLT等3个台站的S震相进行定位，定位结果为83.146 2°E，44.302 8°N，震源深度6.7 km，震中位置与正式结果相差0.291 km。③ 在选择之前台站的P震相和S震相的基础上，增加ALS、WSU、LSG等3个台站的S震相进行定位，定位结果为83.141 7°E，44.304 9°N，震源深度6.5 km，震中位置与正式结果相差0.112 km。

图6 震中位于网内的震例Fig.6 Earthquake cases with epicenter in the in-network

在台站包围较好的情况下，尽管随着参与定位的S震相的增加，震中的平均偏差越来越小，定位结果越来越准确，但只使用P震相定位得到的结果也与实际的震中位置差别较小。即在震中被台站包围较好的前提下，S震相对定位结果的影响并不重要，一般情况下只需增加2～4个S震相参与定位即可。

表3 各台站的震中距、走时和震相类型

3.2 震中位于台站包围较差的网缘或网外

为便于在实例中分析震中位于网缘或网外的情况，只使用精河县MS3.0地震震中一侧的部分台站进行定位(图7)。各台站的震中距、走时和震相类型等参数如表3所示。使用MSDP中的单纯形定位方法分3种情况定位分析：① 选择WSU、DSZ、XYD、SCH、MSW、HTB、LTA、LHG、BLT、XQG等台站的P震相进行定位，定位结果为82.593 9°E，44.393 2°N，震中位置与正式结果相差44.844 km。② 在以上震相的基础上增加WSU台站的S震相参与定位，定位结果为83.505 5°E，44.952 6°N，震中位置与正式结果相差30.304 km。③ 在以上震相的基础上增加DSZ、XYD、SCH等3个台站的S震相参与定位，定位结果为83.107 9°E，44.365 8°N，震中位置与正式结果相差7.278 km。可见随着更多的S震相参与定位，反演的震中位置和正式结果的偏差呈现明显减小的趋势，明显优于只使用P震相定位的结果。

图7 震中位于网外的震例Fig.7 Earthquake cases with epicenter in the out-network

对于网外或者网缘地震而言，S震相显得尤为重要，如果只使用P震相定位，得到的结果可能会与实际的震中位置差别较大。但在现实情况中，地震波的能量会随着震中距的增大而逐渐衰减，S震相受到台站分布、速度模型、震源深度等诸多因素的影响，S震相的读取精度比P震相低[16]。如果仅选择震中附近较近台站的S震相，定位结果偏差较大，但随着远台S震相参与到定位中，定位结果和正式结果的偏差会逐渐减小。

4 结论与讨论

对于震源深度的测定而言，震源深度一直是地震学上难以准确测得的参数之一。本文中主要讨论了地震速报工作中定位台站及S震相的选取对震中位置的影响，并没有细分P和S震相的类型，实际上不同的P和S震相的选取对震源深度的影响是有差异的，张志斌等[14]分析了单纯形定位方法在新疆地震台网的定位精度，认为清晰的Pn和Sn震相参与定位时将得出较为精确的震源深度，即折射波对震源深度有一定的控制能力，因此在实际速报工作中，可以适当增加部分Pn和Sn震相来参与定位从而提高对震源深度的定位精度[17]。

在地震速报工作中，对于震中包围较好的地震而言，S震相对定位结果的影响并不大，只使用能够较好包围震中的台站P震相参与定位就可以得到较为理想的结果，一般情况下标2～4个清楚的S波震相即可。对于网缘或网外地震而言，S震相显得尤为重要，参与定位的S震相的增加将明显提高震中定位的精度。但S震相作为续至震相，往往不容易辨认，测量精度较P震相低，也会影响地震定位的结果，因此要选择较为清晰的S震相，识别误差较大的S震相参与定位可能会得到相反的结果。对于台站包围较差的网外或网缘的地震而言，在保证台站张角足够大的前提下，要充分利用足够数量且震相识别较为准确的S波震相参与定位，才能得到较为可靠的定位结果。因为不同震相的射线路径相对于震源而言有不同的离源角，特别是有向上和向下的射线时，相当于不同方向上的台站接收直达波数据。

对于定位结果的评价，残差的大小并不是一个比较准确的评判准则。因为对于网缘或网外的地震而言，不使用S震相定位时残差也较小，但反演的震中位置却可能和实际的位置有较大差距。这是由于走时和发震时刻的互补而产生虚假的“精确”结果。

网缘或网外的地震定位时，震中结果会出现有规律的分布。由于参与定位的台站沿经线分布，狭长的误差等值线沿与纬度大体一致的分向分布，定位的过程中震中结果可能收敛到狭长的闭合空间中的任一点，使得定位结果沿纬线分布，因而震中纬度较稳定，震中经度出现振荡。实际上，这是任何定位方法都很难解决的难题。如果能根据误差等值线的现状，对解加以其他的约束和限制，还可以对解的精度作进一步的改善。