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  地震地磁观测与研究  2019, Vol. 40 Issue (6): 35-39  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.06.006
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引用本文  

王宇玺, 宫悦, 赵昱. 大岗山水库地震台网水库诱发地震常规定位方法对比[J]. 地震地磁观测与研究, 2019, 40(6): 35-39. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.06.006.
Wang Yuxi, Gong Yue, Zhao Yu. Comparison of conventional location methods for reservoir-induced earthquakes in Dagangshan Reservoir Seismic Network[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2019, 40(6): 35-39. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.06.006.

基金项目

四川省地震局地震科技专项(项目编号:LY1611)

作者简介

王宇玺(1985—), 男, 广元人, 硕士, 工程师, 主要从事水库地震研究分析、台网建设运维等工作。E-mail:3505010@163.com

文章历史

本文收到日期:2019-09-29
大岗山水库地震台网水库诱发地震常规定位方法对比
王宇玺 , 宫悦 , 赵昱     
中国成都 610041 四川省地震局
摘要:采用MSDP软件中的单纯型、HypoSat和LocSat定位方法,从震源深度及残差等方面,对比分析2014年大岗山水库区域内123次ML ≥ 2.0地震的定位结果,选择适用于水库诱发地震的最佳定位方法,并以库区17次定点爆破事件为例,验证最佳定位方法的可靠性。结果认为,LocSat定位方法更适用于水库诱发地震。
关键词水库诱发地震    爆破事件    定位方法    
Comparison of conventional location methods for reservoir-induced earthquakes in Dagangshan Reservoir Seismic Network
Wang Yuxi , Gong Yue , Zhao Yu     
Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China
Abstract: By using the simplex, HypoSat and LocSat positioning methods in MSDP software, the focal depth and residual error are discussed. Comparing and analyzing the location results of 123 ML ≥ 2.0 earthquakes in the Dagangshan reservoir area in 2014, to choose the best location method suitable for reservoir-induced earthquakes. Taking 17 fixed-point blasting incidents in reservoir area as an example, than verify the reliability of the best positioning method. The results show that LocSat location method is more suitable for reservoir induced earthquakes.
Key words: reservoir-induced earthquake    blasting event    location method    
0 引言

随着我国水库建设日益增多,水库与地震活动之间的关系越来越受到重视,对水库诱发地震的监测与研究,可以为社会和政府提供重要的防震减灾决策依据,对提高国家防震减灾能力具有重要意义,可以带来巨大的经济效益和社会效益。

四川省诱发地震台网中心使用MSDP软件,对地震波形、地震定位结果、震相数据进行统一管理。该软件为JOPENS系统下地震台网数据处理软件包,具有地震速报、地震编目和数据服务功能,数据格式及产出统一、规范,可快速实现地震速报及统一编目。地震定位是地震学中经典的基本问题之一,是各地震学科研究的基础(田玥,2002)。常用地震定位方法有单纯型、HypoSat和LocSat定位方法,有必要选择一种适合水库诱发地震的定位方法。本文对同一地震使用不同的定位方法,从震源地点、深度及残差等方面判定最佳定位方法,并以爆破事件为例,验证适合水库诱发地震的定位方法。

1 定位方法 1.1 单纯型定位法

单纯型法曾被认为是一种数值性能较好的最优化方法(郝永梅等,2014)。该方法由Nelder等(1965)提出,是一种直接搜索法,属于非线性最优化理论中的全局搜索算法。定位的初始水平位置通过单台tS - tP(横纵波倒时差)和三分极化分析来确定,或以触发台站位置的平均值来确定,初始深度在全局设置中设定。利用数学的单纯型搜索极值方法,搜索残差最小的位置,即可确定震中(谢石文,2018)。该方法在远震和近震定位中均可使用,计算速度快,适用范围广,但无有关定位精度的误差估计。

1.2 HypoSat、LocSat定位法

HypoSat和LocSat定位程序采用传统Geiger法的基本思路,把走时T在初值(xyz)附近作泰勒展开,取一级近似,为

$ T' = T + \frac{{\partial T}}{{\partial x}}\left({x' - x} \right) + \frac{{\partial T}}{{\partial y}}\left({y' - y} \right) + \frac{{\partial T}}{{\partial z}}\left({z' - z} \right) $

式中,T为实际走时,T ′为相应于(xyz)附近一点(x′y′z′)的走时。在此基础上建立方程组,然后求解。

HypoSat为外挂定位程序,将观测方程组降维,直接用奇异值分解最小二乘法求解;LocSat为集成定位程序,由Steve Bratt & Walter Nagy开发,已改写为JAVA程序,集成到MSDP软件中,采用阻尼最小二乘法,即将观测方程组化为正规方程组,用主元素消去法求解,文中利用该方法进行地震定位时,使用川滇地区三维地壳速度结构模型(陈贵美,2009张宇,2014)。

2 数据选取

大岗山水电站位于大岗山水库,是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一。大岗山水库是典型的高山峡谷型高坝大库容水库,坝区位于川滇SN向构造带北端,地处由金坪断裂和磨西断裂所围限的黄草山断块的西侧边缘,主要分布大渡河、磨西、大发、安宁河等断裂,并发育部分规模较小的断层。

选取大岗山水库周边(29.3°N—29.9°N,101.9°E—102.5°E)范围内8个地震台站记录的2014年发生的123次ML≥2.0地震数据(每个地震保证8个台站均有清晰记录),及库区范围内棱子坝料场2014年5月17次定点(GPS实测点位为29.459 1°N,102.201 1°E)爆破事件记录(爆破点位置几乎相同,仅高层不同,表 1为水库地震台网测定的爆破目录),采取单纯型、HypoSat和LocSat定位方法,对比分析各方法的定位精度。研究区域水库地震震中、地震台站及爆破点分布见图 1

表 1 四川泸定棱子坝料场2014年5月爆破目录 Table 1 Blasting catalogue of Luding Lingziba Material Yard in Sichuan Province in May 2014
图 1 研究区域震中、台站及爆破点分布 Fig.1 Distribution of the epicenter, stations and blasting point in study area
3 地震定位分析

采用单纯型、HypoSat和LocSat定位方法,计算大岗山水库123次水库地震深度及残差,根据水库地震特点,判断最佳定位方法。并以发生在地表的17次爆破(表 1)为例,验证最佳定位方法。

3.1 最佳定位方法判定

(1)震源深度测定。地震发生在地下数千米深处,传统地震计只能布设在地表或接近于地表的摆坑中,不能有效包围震源,缺少适合的计算方法,计算中难以约束震源深度,使得深度的精确确定比较困难(陈贵美,2009)。文中对震源深度的判定,基于对水库诱发地震深度的常规认识。

采用3种不同定位方法,重新定位123次水库地震震源深度,结果见图 2。由图 2可见,单纯型定位法测定的震源深度主要分布在5—15 km范围内,多集中于5—10 km(占总定位结果的57%);HypoSat定位法测定的震源深度分布较广,主要分布在5—25 km范围内;LocSat定位法测定的震源深度主要分布在5—10 km,大多集中在0—5 km范围内(占总定位结果的67%)。根据水库地震震源深度大多分布在5 km以内的特点(常廷改,2018),认为LocSat定位法更适用于水库地震定位。

图 2 基于3种不同定位方法所得震源深度分布 (a)单纯型定位法所得定位深度;(b) HypoSat定位法所得定位深度;(c) LocSat定位法所得定位深度 Fig.2 Source depth distribution based on three different location methods

(2)残差分析。残差不是震源参数,但在定位结果中的作用不容忽视。地震定位时错标震相或台站波形数据出现问题,均可通过残差值反映出来(苏莉华,2012)。采用3种定位方法,计算123次水库地震的残差值,结果见图 3。由图 3可见,由3种定位法计算的残差值均集中在0—0.3,且单纯型与LocSat定位法的残差值低于HypoSat定位法。计算各方法残差平均值,其中单纯型定位法为0.108,HypoSat定位法为0.167,LocSat定位法为0.081,可见LocSat残差值最小。因此,LocSat定位法更适用于水库诱发地震定位。

图 3 3种方法定位的123次地震残差分布 Fig.3 Residual distribution of 123 earthquakes located by three methods
3.2 最佳定位方法验证

水库地震震源深度大多分布在5 km以内(常廷改,2018),选取大岗山水库地震台网测定的17次爆破事件(震源浅),采用单纯型、HypoSat和LocSat定位方法进行定位,与GPS实测结果进行对比,确定适用于震源深度较浅地震的最佳定位方法。

采用以下公式,逐一计算17次爆破事件的震中位置与GPS实测点位之间的误差。

$ \Delta = 111.199 \times \left[ {{{\left( {{\varphi _1} - {\varphi _2}} \right)}^2} + {{\left( {{\lambda _1} - {\lambda _2}} \right)}^2}{{\cos }^2}{{\left( {\frac{{{\varphi _1} + \varphi { _2}}}{2}} \right)}^{\frac{1}{2}}}} \right] $

式中,D为2个定位点间距,单位km;(φ1λ1)为数字地震台网所定位震中位置的纬度和经度,(φ2λ2)为GPS所定位震中位置的纬度和经度。通过计算,得到利用3种方法定位的震中位置与GPS实测结果之间的误差范围,见表 2

表 2 爆破点程序定位与GPS实测位置对比结果 Table 2 Comparisons between programmed positioning of blasting point and GPS measured position

表 2可知,单纯型定位结果与GPS实测震中差最小2.5 km,最大8.2 km,平均误差5.8 km;HypoSat定位结果与GPS实测震中差最小12.7 km,最大25.0 km,平均误差17.3 km;LocSat定位结果与GPS实测震中差最小1.6 km,最大6.0 km,平均误差3.9 km。由此可见,LocSat定位结果符合Ⅰ类地震定位精度(震中误差≤5 km)要求(中国国家标准化管理委员会,2015),适用于水库诱发地震定位。因此,选取LocSat定位方法,可以对2014年大岗山水库地震进行精确定位。

4 结论

使用MSDP提供的3种定位方法,对四川省诱发地震台网中心记录的2014年大岗山水库123次ML≥2.0地震事件分别进行定位,结果发现:使用LocSat定位法计算的震源深度结果更符合水库诱发地震特点,且其定位残差值最小。以库区17次定点爆破为例,采用3种定位方法进行爆破点定位,与GPS实测爆破点位结果进行比较,发现采用LocSat定位法,结果符合Ⅰ类地震定位精度要求。因此,对于水库诱发地震定位,LocSat定位法更为适合。

参考文献
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陈贵美, 杨选, 刘锦. 2009. 广东数字地震台网"十五"系统的几种地震定位方法的定位效果分析[J]. 华南地震, 29(1): 69-78. DOI:10.3969/j.issn.1001-8662.2009.01.009
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苏莉华, 赵晖, 李源, 等. 2012. MSDP软件提高地震速报质量[J]. 地震地磁观测与研究, 33(5/6): 351-355.
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