模拟退火法在地震定位中的应用研究

李小晗; 李光科; 焦大伟

doi:10.3969/j.issn.2096-7780.2021.05.004

模拟退火法在地震定位中的应用研究

doi: 10.3969/j.issn.2096-7780.2021.05.004

1.
山东省地震局，济南 250102
2.
重庆市地震局，重庆 401147
3.
山东省投融资担保集团有限公司，济南 250000

基金项目: 山东省地震局一般科研项目（YB2104）资助

详细信息

作者简介:
李小晗（1991-），女，助理工程师，主要从事地震仪器运维和地震活动性研究。E-mail：byfeiyu@mail.ustc.edu.cn

通讯作者:
焦大伟（1988-），男，主要从事风险管理和算法评估研究工作。E-mail：122624017@qq.com

中图分类号: P315.7
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2020-11-23
- 修回日期: 2021-01-18
- 网络出版日期: 2021-07-05
- 刊出日期: 2021-05-25

Simulated annealing for earthquake location

Xiaohan Li^1
,,
Guangke Li²,
Dawei Jiao^{3
, ,}

1.
Shandong Earthquake Agency，Ji’nan 250102，China
2.
Chongqing Earthquake Agency，Chongqing 401147，China
3.
Shandong Financing Guarantee Group，Ji’nan 250000，China

摘要

摘要: 地震定位是地震监测、预测和其他地震学研究工作中最基础的工作之一，高效率和高精确度的地震定位工作对于地震预警工程等各项防震减灾工作的开展都具有重要的意义。本文通过模拟退火方法反演震中位置，并对模拟退火的温度、降温方式、扰动方式和收敛阈值等进行改变，分析各种参数对模拟退火法反演结果的影响。也对模拟退火法的优缺点进行了总结和分析。
- 地震定位 /
- 模拟退火法 /
- 优化算法
Abstract: Earthquake location is one of the most basic tasks of seismology research such as earthquake monitoring and earthquake prediction. Identification of earthquake location with high efficiency and accuracy is of great significance to the development of works of earthquake prevention and mitigation. In this paper, we invert the earthquake location by simulated annealing algorithm. And then, we change the initial temperature, temperature threshold, cooling-rate, convergence threshold, and disturbance mode respectively to find their influence on the result of simulated annealing algorithm. At last, we summarize and analyze the advantages and disadvantages of simulated annealing algorithm.
- earthquake location /
- simulated annealing algorithm /
- optimization algorithm

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图 1 震中及台站分布图（莱州M_L3.3）

Figure 1. Distribution of epicenter and station coordinates（Laizhou M_L3.3）

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图 2 震中及台站分布图（武隆M_L5.0）

Figure 2. Distribution of epicenter and station coordinates（Wulong M_L5.0）

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图 3 震中及台站分布图（唐山M_L4.3）

Figure 3. Distribution of epicenter and station coordinates（Tangshan M_L4.3）

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图 4 震中位置与模拟退火反演震中位置对比（莱州M_L3.3）

Figure 4. Coordinates of epicenter and inverse result（Laizhou M_L3.3）

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图 5 震中位置与模拟退火反演震中位置对比（武隆M_L5.0）

Figure 5. Coordinates of epicenter and inverse result（Wulong M_L5.0）

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图 6 震中位置与模拟退火反演震中位置对比（唐山M_L4.3）

Figure 6. Coordinates of epicenter and inverse result（Tangshan M_L4.3）

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图 7 改变初始温度T反演结果与实际结果差值图

Figure 7. The difference between inverse result and real result after changing T

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图 8 改变降温速度反演结果与实际结果差值图

Figure 8. The difference between inverse result and real result after changing cooling rate

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图 9 改变收敛阈值结果与实际结果差值图

Figure 9. The difference between inverse result and real result after changing convergence threshold

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图 10 改变温度阈值结果与实际结果差值图

Figure 10. The difference between inverse result and real result after changing temperature threshold

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表 1 山东地区速度模型参数表

Table 1. Parameter setting of seismic wave velocity model inShandong

	P波速度/（km•s⁻¹）	S波速度/（km•s⁻¹）	深度/km
上地壳	6.13	3.564	22
下地壳	6.88	3.909	33
地幔顶部	7.93	4.455

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表 2 重庆地区速度模型参数表

Table 2. Parameter setting of seismic wave velocity model inChongqing

	P波速度/（km•s⁻¹）	S波速度/（km•s⁻¹）	深度/km
上地壳	6.0	3.5	33
下地壳	6.7	3.9	54
地幔顶部	8.1	4.7

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表 3 河北地区速度模型参数表

Table 3. Parameter setting of seismic wave velocity model inHebei

	P波速度/（km•s⁻¹）	S波速度/（km•s⁻¹）	深度/km
上地壳	6.11	3.552	22
下地壳	6.60	3.815	35
地幔顶部	7.96	4.523

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表 4 地震台站信息表（莱州M_L3.3）

Table 4. Seismic station information（Laizhou M_L3.3）

台站	经度/°E	纬度/°N	高程/km
ZHY	119.8	36.7	61.0
LAY	120.3	37.3	171.2
LOK	120.7	36.9	85.1
LZH	120.5	37.5	162.2
WEF	120.0	37.1	155.0
HAH	119.1	36.7	50.0
JZH	118.9	37.1	19.6
ANQ	119.2	36.3	100.1
CHD	120.7	37.9	47.9
HAY	121.3	36.8	61.8
QID	120.3	36.0	19.9

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表 5 地震台站信息表（武隆M_L5.0）

Table 5. Seismic station information（Wulong M_L5.0）

台站	经度/°E	纬度/°N	高程/km
XNS	107.7	29.5	1823
WUL	107.8	29.1	330
XIT	108.2	29.1	325
LAX	108.1	29.0	701
LUJ	108.2	29.1	324
LOH	108.0	29.8	820
ANZ	108.4	29.1	464
FUL	107.4	29.7	695
GOT	108.3	28.9	676
QIJ	108.7	29.5	1050
SHG	107.8	30.1	910
HOP	108.3	28.7	703
CHS	107.2	29.9	350
SHZ	108.3	30.2	1552
SLO	106.8	29.3	590
WAS	106.9	28.8	488

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表 6 地震台站信息表（唐山M_L4.3）

Table 6. Seismic station information（Tangshan M_L4.3）

台站	经度/°E	纬度/°N	高程/km
ZHY	119.8	36.7	61.0
LAY	120.3	37.3	171.2
LOK	120.7	36.9	85.1
LZH	120.5	37.5	162.2
WEF	120.0	37.1	155.0
HAH	119.1	36.7	50.0
JZH	118.9	37.1	19.6
ANQ	119.2	36.3	100.1
CHD	120.7	37.9	47.9
HAY	121.3	36.8	61.8
QID	120.3	36.0	19.9

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表 7 反演结果对比（莱州M_L3.3）

Table 7. The real data and inverse data（Laizhou M_L3.3）

	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
模拟退火结果	120.351	37.304	12.6	979	0.3341
实测地震	120.033	37.100	13.5

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表 8 反演结果对比（武隆M_L5.0）

Table 8. The real data and inverse data（Wulong M_L5.0）

	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
模拟退火结果	107.351	30.104	6.60	1125	0.6631
实测地震	107.980	29.412	4.84

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表 9 反演结果对比（唐山M_L4.3）

Table 9. The real data and inverse data（Tangshan M_L4.3）

	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
模拟退火结果	118.230	39.680	7.7	919	0.1215
实测地震	118.351	39.704	6.0

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表 10 改变初始温度T反演结果对比分析

Table 10. The inverse results after changing T

T	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
500	120.066	37.101	11.4	679	0.0330
200	120.211	37.231	20.6	516	0.1898
100	119.754	37.552	31.8	454	0.3586
10	119.267	37.414	33.9	338	0.7816
1	119.142	37.625	41.6	219	0.9279

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表 11 改变降温速度反演结果对比分析

Table 11. The inverse results after changing cooling rate

降温速度	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
0.90	121.057	35.985	49.7	109	1.1703
0.98	119.862	37.605	23.2	564	0.3046
0.989	120.066	37.203	17.9	996	0.0612

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表 12 改变收敛阈值反演结果对比分析

Table 12. The inverse results after changing convergence threshold

收敛阈值	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
$ {1\times \mathrm{e}}^{-1} $	121.230	36.165	67.0	431	1.2883
$ {1\times \mathrm{e}}^{-5} $	119.467	36.637	31.0	657	0.6108
$ {1\times \mathrm{e}}^{-10} $	120.476	36.918	19.3	786	0.4524
$ {1\times \mathrm{e}}^{-15} $	120.091	37.115	11.3	928	0.0585

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表 13 改变温度阈值反演结果对比分析

Table 13. The inverse results after changing temperature threshold

$ {T}_{\mathrm{m}} $	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
10	121.150	37.678	44.0	314	1.1551
1	119.678	36.809	30.8	529	0.3834
0.1	119.710	37.579	22.3	445	0.4016
0.01	119.878	37.251	15.3	656	0.1724
0.001	119.927	37.068	12.7	877	0.1072

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表 14 改变扰动方式反演结果对比分析

Table 14. The inverse results after changing disturbance mode

扰动方式	经度/°E	纬度/°N	震源深度/km	迭代次数	与实际震中的距离差/km
①	119.654	41.053	25.4	456	2.0030
②	120.001	37.182	12.3	456	0.0520
③	119.984	37.223	18.6	456	0.0786
④	119.982	37.207	14.7	456	0.0739

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参考文献(10)

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