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基于不同方法、地壳速度模型的地震定位研究及其在安徽地区的应用

更新时间:2009-03-28

0 引言

安徽位于中国东南部,地处长江下游,东连江苏,南邻浙江、江西,西靠湖北、河南,北接山东,居华东腹地,是我国东部地区南北之间和东西之间过渡地带[1]。安徽省地处华北断块区、下扬子断块区和秦岭-大别山断褶带三个大地构造单元的接壤地带,是古中国大陆重要结合地带,地质构造复杂,区域性深、大断裂对全省的构造格架有着明显的制作用[2]。在安徽境内,华北陆块东以郯庐断裂带、南以六安深断裂为界与大别造山带相接,扬子陆块西以郯庐断裂带为界与大别造山带相接,而秦岭-大别造山带则夹持于华北陆块、扬子陆块之间,经历了多期离合形成了复杂的复合型大陆造山带[3-5]

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全省地壳结构具有明显的层状特征,新构造运动比较活跃,主要表现在大面积的块体升降运动、断裂活动以及相伴的岩浆喷溢、温泉出露和地震活动,这就决定了安徽的地震活动在全国居于中等水平。

  

图1 安徽省测震台站分布图Fig.1 The distribution map of seismic stations in Anhui province

对于安徽地区的地震定位,采用的是华南模型(表1),华南模型利用华南地区天然地震和人工爆破资料研究获得的两层平均速度模型[6],对华南大部分地区得到比较好的地震测定效果,由于区域特殊性,安徽地区的其实际地壳速度模型显然与华南模型存在一定差距。因此,2015年在中国地震局监测预报司的 “全国区域一维速度模型研究”的项目中,建立了适用于安徽地区的地壳一维速度模型:AH2015模型[7],AH2015模型参数见表2。

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表1 华南模型参数表Table 1 Parameter table of South China model

  

层号 层厚/k m P 波速度/(k m·s-1) S波速度/(k m·s-1)1 2 1 6.0 1 3.5 5 2 1 2 6.8 8 3.9 3 3 7.9 8 4.5 8

 

表2 AH2015模型参数表Table 2 Parameter table of the AH2015 model

  

层号 层厚/k m P 波速度/(k m·s-1) S波速度/(k m·s-1)1 1 9 6.1 4 3.5 7 2 1 5 6.6 0 3.8 4 3 8.0 0 4.6 5

AH2015模型是在华南模型的基础上,对地壳各层速度和厚度进行微调,得到一系列新模型,再使用Hyposat定位法配置这些模型对地震进行批量定位,将定位残差和震中差最小的一组模型确定为适用于安徽区域地壳的一维速度模型即AH2015模型。虽然,AH2015模型对于Hyposat定位法有良好的适用性,而对于常用另外两种方法(单纯型、Locsat)的适用性如何,还需进一步验证。作者选取了2016年上半年发生于安徽区域及邻省的M1.0以上地震23个进行重定位,目的是了解三种不同定位法分别采用不同速度模型对相同地震的定位结果的不同。

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其实对于语义网的研究由来已久,早在2002年美国大学地理信息科学联盟(UCGIS)就将地理空间本体列为地理信息科学十大长期研究挑战之首,其中的地理空间语义网又是优先发展研究的项目之一,当前在地理空间本体和空间语义网方面有代表性的研究项目包括亚历山大地理数字图书馆(ADL)、BUSTER、美国地理空间情报局(NGA)的GeoNames、SPIRIT和OASIS(Ontologically—Augmented Spatial Information System)等[8]。

1 三种地震定位方法简介

1.1 单纯型定位法

单纯型法是一种直接搜索法,属于非线性最优化理论中的全局搜索算法。单纯型法通过在模型空间中构造单纯形来逼近目标函数的极小点,每构造一个单纯形,计算各定点的目标函数,并确定其目标函数的最大和最小点,然后通过扩展、压缩、反射等算法来构造新的单纯形,以使目标函数的极小点能包含在单纯形内,当它们的均方根小于预设的精度值时则停止迭代。

Ti为震源到第i个台站的计算走时。

1.2 Hyposat和Locsat定位法

据统计数据,使用单纯型定位法分别配置华南模型和AH2015模型的定位震中差主要分布在0~4 km之间,平均值分别为2.961 km和2.312 km。使用Hyposat定位法分别配置华南模型和AH2015模型的定位震中差主要分布在0~8 km,平均值分别为5.774 km和3.765 km。使用Locsat定位法分别配置华南模型和AH2015模型的定位残差主要分布在0~15 km,平均值分别为5.630 km和5.183 km。这说明,对于三种定位方法,配置AH2015模型的定位震中差比配置华南模型小。从图4的定位震中差分布曲线可以看出,单纯型和Hyposat定位法不管是配置华南模型还是AH2015模型,其定位震中差分布都均匀且集中,而Locsat定位法不管配置什么模型,定位震中差都大于其他两种方法。且震中差分布跨度较大,部分已经超出10 km。这说明Locsat对地壳模型的依赖性较差。对于台站包围不好的地震在使用Locsat定位法时定位效果较差。

 

最小,其中ri为到时残差

 

单纯形法本身不能给出定位结果的水平误差和垂直误差估计。初始单纯形的选取对单纯形法定位结果有一定影响。当对初始单纯形的顶点坐标引入小的随机变化量时,使用同样到时数据重复定位时,每次的结果稍有不同。此外该方法对网外地震定位误差偏大。

使目标函数取极小值也即

 

其中

 

结合φ定义,可以知道,若θ*偏离真解θ不大,则ri(θ*)和较小,可忽略二阶导数项,简化为线性最小二乘解的矩阵形式为:

 

也即

 

则由(3)式,在真解θ附近任意试探解θ*及其校正矢量δθ满足

 

其中

 

求解(7)式可得到一组 δθ, 令 θ=θ*+δθ作为下一次迭代的初值,直到满足一定的截至误差为止。

MSDP系统中的Hyposat、Locsat定位法求解方法是奇异值分解最小二乘法。Hyposat先将观测方程组降维,不化成正规方程组,直接用奇异值分解最小二乘法求解,实际计算中还采用多种数据加权,可以采用分区水平分层速度模型,为每个台站指定不同速度模型,初值采用近台初值。Locsat则采用阻尼最小二乘法,将观测方程组化为正规方程组,然后用主元素消去法求解,没有加权,采用水平分层速度模型,所有台站采用同一模型,初值采用计算初值。

想到那个肇事者胳膊上纹的那个虎头,我隐隐有些担心。那个家伙不会明着报复,但是他要是暗中下手,你老陈死都不知道自己是怎么死的。老陈却无所畏惧,走之前还对我说,光天化日,朗朗乾坤,有什么好怕的。话虽这样说,我还是有些不安,害怕到时他把我说出来。

2 地震资料处理

2.1 地震的选取

由安徽省数字地震台网自2016年1月至2016年5月产出的速报地震及CC地震目录。M 1.0级以上地震总数23个;其中10个台以上有记录地震22个。按震级大小划分,M 1.0~2.0地震17个,M2.0~2.9地震5个,M≥3地震1个。震中分布图如图2所示。对这些地震按照震级的不同,分别对Pg,Pn,Sg,Sn进行震相数目统计,统计结果见表3。

由图2看出,选择的23个地震震中分布均匀,基本覆盖了安徽大部分区域,覆盖面积占比约为70%,达到了研究要求。由于皖南地区属于少震区域,所以该区域中没有地震参与研究。

  

图2 所选23个地震震中分布图Fig.2 The epicenter distribution of the 23 earthquakes

 

表3 按震级划分的地震震相统计Table 3 The statistics of the earthquake phase according to the earthquake magnitude

  

震级/M 震相数/P g 震相数/P n 震相数/S g 震相数/S n 1.0~1.5 1 6 7 4 0 1 7 5 4 1.5~2.0 5 5 1 7 5 9 6 2.0~2.5 1 1 0 4 0 1 1 6 2 4 2.5~3.0 2 9 8 3 0 5 3.0以上总数3 3 3 9 4 1 2 1 1 7 3 5 4 1 5 9 4 8

2.2 处理方法

图5是三种定位方法配置华南模型时定位的3D深度图,本次研究所选的23个地震深度分布在4~10 km,从图上可以看出,使用单纯型定位法定位深度最小,主要集中在6~10 km左右。使用Hyposat定位的深度主要集中在11~15 km左右,使用Locsat定位的深度最大,主要集中在14~18 km左右,最大值可达20 km,与所选地震深度相差较大。

3 定位结果分析

3.1 定位残差对比分析

分别在MSDP5.2中配置华南模型和AH2015模型,并分别使用这两种模型对所选的23个地震进行重新定位,统计其定位残差、震中差及定位深度。

所有患者均接受1年的随访,记录两组患者卧床期间压疮发生情况,对比发生率。采用QOL量表帮助患者在治疗后进行生活质量评分。

图3是残差分布图,由图可知,单纯型和Hyposat定位的残差值分布均匀而且集中,而Locsat法定位残差分布离散;单纯型法在配置AH2015模型时的残差始终小于配置华南模型时,但是Hyposat方法和Locsat方法定位结果中有个别地震(编号 6、7、19)在使用 AH2015 模型时残差反而大于华南模型,这是因为这些地震位于安徽省界边缘或省外,台站包围性较差的原因所致。综上分析,三种定位方法中,单纯型法和Hyposat法定位质量比Locsat法高,且对地壳模型的依赖性稳定,但是对于台站包围不好的地震定位,单纯型法表现最好。

  

图3 三种定位方法分别配置华南模型和AH2015模型定位残差分布图Fig.3 The position residual distribution by using three methods for SouthChina model and AH2015 model

3.2 定位震中差对比分析

震中差 (与编目结果震中位置偏差)可以间接衡量地壳模型的优劣,安徽编目采用的是MSDP4.3中的单纯型定位法并配置华南模型进行定位,在本次研究中同样使用MSDP5.2中的三种定位方法,分别配置华南模型和AH2015模型对23个地震进行重新定位,统计震中差。

Hyposat、Locsat定位法是基于经典方法Geiger法的改进方法。其实质是将非线性方程线性化,并通过最小二乘原理求解。设n个台站的观测到时为 t1, t2, …, tn 求震源(x0,y0,z0)及发震时刻 t0,使得目标函数

  

图4 不同定位法配置华南模型和AH2015模型对23个地震定位震中差分布曲线Fig.4 The epicenter error distribution of 23 earthquakes by using three methods for South China model and AH2015 model

3.3 定位深度对比分析

不同模型对震源深度的定位也有较大影响[8],同前文方法一样,作者对三种定位方法分别配置华南模型和AH2015模型,对所研究的23个地震进行定位,并绘制3D深度图。

本次研究主要目的是为了确定不同地震定位方法对地壳模型的依赖性以及使用相同模型时不同定位方法的定位效果。研究中使用了MSDP5.2中的三种定位方法进行研究。主要研究思路是控制变量法的思想,即使用相同定位方法配置不同模型对同一批地震进行定位。对比定位结果的残差,震中差及深度,从而确定定位效果最优的模型及适合于安徽区域地震的定位方法。

  

图5 三种定位方法配置华南模型时定位3D深度图Fig.5 The 3D depth map with three methods used in the South China model

图6是三种定位方法配置AH2015模型的定位3D深度图。与图5相比,配置AH2015模型的定位深度更加集中。其中单纯型定位法定位深度在5~8 km左右,Hyposat定位法定位深度在10~12 km,Locsat定位法定位深度在10~20 km。

首先统计了不同定位方法分别配置华南模型和AH2015模型的定位残差。由统计可知,使用单纯型定位法分别配置华南模型和AH2015模型的定位残差主要分布在0~0.8 s之间,平均值分别是0.434 s和0.374 s。使用Hyposat定位法分别配置华南模型和AH2015模型的定位残差主要分布在0~1.0 s之间,平均值分别是0.382 s和0.375 s。使用Locsat定位法分别配置华南模型和AH2015模型的定位残差主要分布在0~4.0 s之间,平均值分别是1.092 s和1.056 s。总体来说,三种定位法在配置AH2015模型时的定位残差比配置华南模型小,这说明AH2015模型更适合安徽区域的地震定位。

综合分析可知,单纯型法和Hyposat定位深度和地震实际深度比较吻合。Locsat定位法所定的深度比地震实际深度要大。这表明,Locsat定位法并不适用于安徽区域地震的定位。

  

图6 三种定位方法配置AH2015时定位3D深度图Fig.6 The 3D depth map with three methods used for the AH2015 model

4 结语

本文通过使用MSDP5.2中的单纯型、Hyposat、Locsat三种定位方法分别配置华南模型和AH2015模型对安徽台网2016年01月~06月23所记录到的23个地震进行了重新定位,统计定位残差、震中差和深度,并分析对比。通过研究,得到如下结论:

(1)2015年所建立的新的地壳模型AH2015模型比华南模型更加吻合于安徽区域实际地壳结构。

⑮帕诺斯·艾烈珀洛斯:《基提翁的芝诺和庄子的德性与幸福》,彭荣译,《商丘师范学院学报》2015年第1期。

(2)通过单纯型、Hyposat、Locsat三种定位方法分别对华南模型和AH2015模型进行对比定位,结果显示三种方法在配置AH2015模型时其定位残差和震中差均比华南模型小,定位深度更加吻合实际情况。

(3)在配置相同模型时,单纯型和Hyposat定位法比Locsat定位法定位残差和震中差更小,定位深度也更可靠。单纯型和Hyposat定位法更适用于网内近震的定位。

本研究通过网络药理学方法对钩藤散进行了系统分析,发现了其潜在的作用靶点,了解了其治疗AD的作用机制,但仍需要进一步实验数据支持,包括对预测靶点和生物学途径的确认。此外,研究还需要进行体内活性化合物的药理毒理测试来评估其应用于临床的可能性。

(4)对于台站包围不好的地震使用单纯型和Hyposat定位法要优于Locsat定位法。

通常来说,和谐课堂教学内容的筛选应遵循三个原则:一是知识点数量原则,二是难易度原则,三是引导性原则。知识点数量原则是指在选定和谐课堂教学内容时,应考虑学生能够有效接受的知识点数量,在条件允许的情况下尽量将数量降低。调查显示,小学生通常在课堂开始前15分钟能够保持较高的专注度,这一时段的学习效率往往也是最高的。因此,教师可以将知识点讲解集中在这一时段。

综上所述,作者认为在安徽区域的地震定位中使用单纯型或Hyposat定位法配置AH2015模型可以取得良好的定位效果,建议在安徽区域的地震速报和编目中进行推广应用。

参考文献:

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[4]徐树桐,董树文,周海渊,等.大别山东段(安徽)大别杂岩中的断层构造岩和推复构造[J].科学通报1984,29(5):298-301.

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[6]范玉兰,林纪曾,胡瑞贺,等.华南地区近震走时表的研制 [J].华南地震,1990,10(2):1-16.

[7]谢石文,韩成成,郁建芳,等.基于Hyposat定位法的安徽地区地壳一维速度模型研究 [J].地球物理学进展,2016,31(6):2 429-2 437.

[8]李军辉,刘东旺,洪德全,等.安徽及邻区地震震源深度分布特征研究 [J].地震地磁观测与研究,2010,31(01):1-5.

 
谢石文,黄显良,杨波,郁建芳,袁勇,张明明,夏仕安,韩成成
《华南地震》 2018年第01期
《华南地震》2018年第01期文献

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