甘東南地區(qū)地震重新定位研究＊

莘海亮,劉明軍,張元生,曾憲偉,胡中民

(1.中國地震局地球物理勘探中心,鄭州 450002;2.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;3.寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001)

甘東南地區(qū)地震重新定位研究＊

莘海亮1,劉明軍1,張元生2,曾憲偉3,胡中民1

(1.中國地震局地球物理勘探中心,鄭州 450002;2.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;3.寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001)

將雙差地震定位法與遺傳算法相結(jié)合,對 2001～2007年甘東南地區(qū)的地震進(jìn)行了重新定位。結(jié)果顯示:重新定位后地震在空間分布上更加集中,部分地區(qū)的地震有向構(gòu)造帶趨近的變化。地震震源平均深度為14.6 km,5～20 km深度為該區(qū)多震層深度范圍。3次 5級以上中強(qiáng)地震的震中均處于主干活動斷裂邊緣。震源深度分布與斷裂構(gòu)造的關(guān)系刻畫出剖面沿線不同斷裂的深部展布特征,部分?jǐn)嗔蜒由斓街?、下地殼?/p>

雙差定位;遺傳算法;震源深度;多震層;甘東南地區(qū)

0 引言

地震定位是地震學(xué)中最經(jīng)典、最基礎(chǔ)的問題之一,對于研究地震活動構(gòu)造、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、震源的幾何構(gòu)造等具有重要意義。

常用的地震定位方法主要分為絕對定位方法(如 Geiger法)與相對定位方法(如主事件定位法、雙差地震定位法等)。近年來,雙差地震定位法(Waldhauser,Ellsworth,2000)作為定位精度較高的一種相對定位法得到了廣泛應(yīng)用及改進(jìn)(楊智嫻等,2003;朱艾斕等,2005;姚運(yùn)生等,2007)。遺傳算法作為一種新型的完全非線性搜索方法有其自身的優(yōu)勢和特點(diǎn),其主要優(yōu)點(diǎn)是全局搜索,不用求導(dǎo)數(shù),不依賴于初始模型的選取,普遍適用于各種優(yōu)化問題。Kennet和 Sambridge(1992)、Sambridge和 Gallagher(1993)利用遺傳算法探討了地震定位問題;萬永革和李鴻吉(1995)、萬永革等(1997)、周民都等(1999)分別對遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn),作了應(yīng)用研究,并與其他傳統(tǒng)定位方法進(jìn)行了對比研究。莘海亮等(2008)使用遺傳算法對 2003年民樂—山丹地震及余震進(jìn)行了精確定位;黃耘等(2008)則將以上兩種定位方法相結(jié)合,對 1980～2005年江蘇及鄰區(qū)發(fā)生的地震進(jìn)行了重新定位研究。

甘東南地區(qū)(32.5°～36.5°N,102°～107°E)位于新構(gòu)造活動強(qiáng)烈的青藏塊體東北緣,處在祁連山地震帶和南北地震帶北段的復(fù)合部位。區(qū)內(nèi)多組活動構(gòu)造交匯,地震活動頻繁,是中國主要的地震區(qū)之一,歷史上曾多次發(fā)生中強(qiáng)地震。1654年天水南 8級地震和 1879年武都南 8級地震,為該地區(qū)有史以來發(fā)生的最大地震(楊國棟等,2005)。因此,該地區(qū)地震活動性、構(gòu)造變形特征、動力學(xué)機(jī)制及未來的地震危險性等倍受關(guān)注(楊立明等,2002;袁道陽,2006;范燕,車兆宏,2001;郭曉等,2007,2008)。

本文擬首先采用雙差定位法對研究區(qū)內(nèi)的地震進(jìn)行重新定位。為了確保地震對之間速度結(jié)構(gòu)均一,適當(dāng)選取地震對之間的距離是實(shí)現(xiàn)雙差法定位的關(guān)鍵,但必然會犧牲一些可靠的用于定位的地震,故同時對不符合雙差定位條件的地震采用遺傳算法定位。將這兩種定位方法的結(jié)果結(jié)合起來,獲得研究區(qū)地震重新定位的結(jié)果,并分析探討該區(qū)地震活動的空間分布特征及其與活動構(gòu)造的關(guān)系,為該區(qū)進(jìn)行地震活動性、構(gòu)造活動和地殼深部結(jié)構(gòu)等研究提供一定的基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 雙差定位法

雙差地震定位法由 Waldhauser和 Ells worth(2000)提出。在雙差定位法中,使用兩個地震的走時差的觀測值與理論計算值的殘差(即 “雙差”)確定其相對位置:

式中,drijk是 “雙差”:

即第i個地震至第k個地震臺的地震波的走時與第j個地震至第k個地震臺的地震波的走時之差的觀測值-obs與理論計算值-cal的殘差。Δmi=(Δxi,Δyi,Δzi,Δ τi)T是第i個地震的震源參數(shù)(xi,yi,zi,τi)的改變量,其中x,y,z是震源東西、南北和垂直方向的坐標(biāo),τ是發(fā)震時刻。將由所有地震(i,j=1,2,…,N),所有臺站(k=1,2,…)得到的形如(1)式的方程用矩陣形式表示,便得到方程

其中,G是一個M×4N(M是雙差的觀測數(shù),N是地震數(shù))的偏微商矩陣,d是雙差數(shù)據(jù)矢量,m是長度為 4N(Δx,Δy,Δz,Δ τ)T的矢量 , 含有待定震源參數(shù)的變化;W是對每個方程加權(quán)的對角矩陣。計算時,引入一個表示所有的地震經(jīng)重新定位后其平均“位移”為零的約束條件

以阻尼最小二乘法求解方程(3),此時,問題歸結(jié)為

式中,λ為阻尼因子,I為單位矩陣。由正則方程可以得到方程(5)的解為

對于數(shù)目不是很大的地震叢集,可以用奇異值分解法得到方程(5)的解

式中,U和V分別為矩陣 G的兩個正交奇異矢量矩陣,Λ是由 G的奇異值構(gòu)成的對角線矩陣。實(shí)際計算時采用共扼梯度法求解方程(5),得到阻尼最小二乘解,同時將奇異值分解法應(yīng)用于部分資料以獲得有關(guān)模型參數(shù)的誤差、分辨度等信息。

1.2 遺傳算法定位

假如在t0時刻,在(x0,y0,z0)處發(fā)生了一次地震,那么在臺網(wǎng)中觀測到的是一組到時。再用這些數(shù)據(jù)求地震的發(fā)震時刻和震源位置(x0,y0,z0,t0)。

擬合差函數(shù)(即目標(biāo)函數(shù))可表示為

式中φ(mk)為第k個假定震源位置(個體)的擬合差,Nsta為總臺站數(shù)為第i個臺站的觀測走時為由假定震源位置計算的第i個臺站的計算走時,目的就是找出產(chǎn)生一個最佳φ(m)值(通常為最小值)的模型。

遺傳算法通過利用較好的觀測數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)以發(fā)展新的模型。在每一個迭代過程中,每個模型的目標(biāo)函數(shù)值被用于控制可能性,單個參數(shù)的特征將被 “遺傳”到下一代模型中去,這類似于生物系統(tǒng)中的進(jìn)化,從一次迭代到下一次迭代,較好的模型將“存活”并 “繁殖”,而較差的模型將被淘汰。每次迭代是以一種類似于適者生存的方式進(jìn)行的,直到得到一個最佳的模型。遺傳算法主要通過 “繁殖”、“交配”、“變異”三個步驟循環(huán),最終優(yōu)選出最佳的震中位置。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 資料選取

本研究區(qū)范圍為 32.5°～36.5°N,102°～107°E。重新定位所用資料為 2001～2007年甘肅省地震臺網(wǎng)和國家基本觀測臺網(wǎng)記錄到的地震波到時資料(圖 1)。經(jīng)計算理論走時、剔除差錯數(shù)據(jù),對震相不清、距離太遠(yuǎn)的地震進(jìn)行刪除,最后得到 4個以上臺站記錄到的地震共 2336個,震級在ML1.0～5.5之間,其中 5級以上地震 3個。共有25318個震相,包括直達(dá)波 Pg、Sg,反射波 Pm、Sm,首波 Pn、Sn。

圖 1 研究區(qū)活動斷裂與臺站分布示意圖Fig.1 Overview of active faults and distribution of seis mic stations in the study area

2.2 速度模型

地震定位過程中,除了定位方法以外,合理的地殼速度結(jié)構(gòu)模型的建立也至關(guān)重要。前人已在本研究區(qū)及鄰區(qū)做了大量的研究工作,包括地震層析成像研究(丁志峰等,1999;周民都等,2006)和人工地震測深剖面研究等(張少泉等,1985;閔祥儀等,1991;李清河等,1991;李松林等,2002)。筆者參考前人研究成果,經(jīng)過多次試算最終建立了分層結(jié)構(gòu)速度模型(表 1),波速比VP/VS=1.732,莫霍面深度為 50 km,下界面 P波速度為 8.10 km/s。

表 1 重新定位所用的一維地殼速度模型Tab.1 Velocitymodel used for the relocation

2.3 定位計算

筆者將收集整理得到的 2336個地震進(jìn)行精確定位計算。計算過程中,對誤差大的地震資料進(jìn)行核對,或通過震相分析重新獲得震相到時數(shù)據(jù)。

在采用雙差定位法定位時,首先要反復(fù)試算,根據(jù)研究區(qū)小震較多,臺站分布較密集的特點(diǎn),選取的臺站與地震的間距小于 300 km,地震對的間距應(yīng)小于 10 km。采用共軛梯度算法求解方程,得到符合雙差定位條件的地震結(jié)果共 957個。其余地震不滿足雙差定位條件的原因是:有的地震不能構(gòu)成成對的地震事件,或相同臺站記錄到的地震對的共同的震相小于最小觀測數(shù)。基于同樣的地殼速度結(jié)構(gòu),筆者采用遺傳算法繼續(xù)對另外1379個地震重新定位,共迭代計算 40次,走時標(biāo)準(zhǔn)差在由初始的 1.30 s降為 0.6 s時趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)果及分析

3.1 震中分布特征

圖 2為對 2336個地震進(jìn)行重新定位后得出的結(jié)果,包括 957個地震的雙差法定位結(jié)果和1379個地震的遺傳算法定位結(jié)果。由圖可見,定位后震中的平面分布有一定的變化,但變化不很明顯,不過重新定位前出現(xiàn)的由定位誤差引起的經(jīng)向排列的假象,在重新定位后得到明顯改善。部分地區(qū)的地震有向構(gòu)造帶趨近的變化,如六盤山斷裂、西秦嶺北緣斷裂以及塔藏斷裂周圍的地震。還有較多的地震呈簇集狀出現(xiàn)于多條斷裂的交匯部位。

圖 2 地震震中分布圖(a)重新定位前;(b)重新定位后;Fig.2 Distribution of epicenters(a)Before relocation;(b)After relocation

3.2 震源深度分析

圖 3是重新定位前、后全部地震的震源深度剖面圖(沿 104.5°E經(jīng)線投影)。重新定位后地震的震源深度相對于定位前有了明顯的收斂,絕大多數(shù)地震的震源深度在 0～25 km的范圍內(nèi),位于地殼的中、上部(楊智嫻等,2003)。為了更清楚起見,對全部地震做震源深度分布直方圖(圖 4),對比重新定位前、后不同深度層分布統(tǒng)計結(jié)果可以看出,重新定位前約 50%的地震震源位于地表下 5 km以內(nèi)(其中約 45%的地震由于受測震臺網(wǎng)的監(jiān)控能力所限沒有給出震源深度值),重新定位后 92%的地震震源深度集中在 5～25 km范圍內(nèi),98%的地震震源深度在 0～30 km范圍內(nèi),平均深度為14.6 km,這一結(jié)果與楊智嫻等(2003)的研究結(jié)果較為一致。

圖 3 重新定位前(a)和重新定位后(b)的震源深度剖面Fig3. Cross-sectional view of seismicity along longitude before(a)and after(b)relocation

圖 4 重新定位前(a)、后(b)地震震源深度分布直方圖Fig.4 Histogram of focal depths before(a)and after(b)relocation

從圖 3、圖 4還可以發(fā)現(xiàn)重新定位后的震源深度分布特點(diǎn),就是定位后分布在 20 km深度以下的地震數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于分布在其上的三個深度層內(nèi)的,而 5～10 km與 15～20 km深度范圍是兩個明顯的地震優(yōu)勢分布層。周民都等(2006)對包含本文研究區(qū)在內(nèi)的青藏高原東北緣地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,指出青藏高原東北緣地區(qū)上地殼埋深約 3～17 km,中地殼埋深約 17～36 km。李清河(1991)指出在南北地震帶北段中地殼 20～30 km范圍內(nèi)普遍存在的低阻層,李清河等(1991)、閔祥儀等(1991)通過本研究區(qū)內(nèi)的各種人工剖面發(fā)現(xiàn)沿這些剖面中的地殼頂部多存在低速層。周真恒和鄧萬明(1998)對多震層孕震環(huán)境研究所取得的主要進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),指出多震層位于上地殼至中地殼,具有相對高速、高密度、高阻的介質(zhì)結(jié)構(gòu)。筆者綜合分析前人研究結(jié)果與本文所得地震深度分布特點(diǎn),得出甘東南地區(qū)多震層深度范圍約為 5～20 km,這一結(jié)果為確定該區(qū)地殼的發(fā)震層厚度、活動地塊的下部邊界,闡明地震的成因和機(jī)制以及地震危險性分析提供了一個重要的約束條件。

3.3 兩種定位方法結(jié)果對比分析

符合雙差定位條件的 957個地震的定位結(jié)果顯示,均方根殘差由初始的 1.29 s降為 0.63 s;震源位置的測定誤差(2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)在水平方向平均為 1.5 km,在豎直方向平均為 1.7 km。其余采用遺傳算法進(jìn)行定位的地震,其結(jié)果顯示走時標(biāo)準(zhǔn)差在由初始的 1.30 s降為 0.6 s時趨于穩(wěn)定。

在影響定位結(jié)果的諸多因素中,模型誤差是最重要的一項(xiàng)。為了更好地分析地震重新定位結(jié)果的可信度,筆者將雙差法定位結(jié)果和采用同樣的地殼速度結(jié)構(gòu)的遺傳算法定位結(jié)果進(jìn)行對比分析。

筆者選擇武都北至禮縣地區(qū)(33.3°～34.3°N,104°～105.4°E)進(jìn)行小范圍地震定位對比。取剖面起點(diǎn)坐標(biāo)為(33.8°N,104°E),終點(diǎn)坐標(biāo)為(33.8°N,105.4°E),投影寬度為 15 km。圖 5a為該剖面用雙差定位方法得到的結(jié)果。由圖可看出震源深度分布在 5～27 km范圍內(nèi),優(yōu)勢分布范圍為 l0～27 km,平均深度約 17.5 km。圖 5b為相同原始數(shù)據(jù)和相同速度模型的遺傳算法的定位結(jié)果。由圖可看出,地震剖面分布與圖 5a基本相同,震源深度分布于 5～32 km范圍內(nèi),平均深度約 17 km。由兩種定位方法得到的結(jié)果基本一致。這與黃耘等(2008)在研究江蘇及鄰區(qū)地震重新定位和構(gòu)造特征時對該兩種定位方法結(jié)果分析所得結(jié)論一致。

圖 5 兩種方法定位結(jié)果對比(a)雙差法定位結(jié)果;(b)遺傳算法定位結(jié)果Fig.5 Comparative analysis for results of two relocation methods(a)ByDouble-Difference method;(b)By Genetic Algorithm method

3.4 地震活動與構(gòu)造關(guān)系分析

3.4.1 中強(qiáng)地震活動多處于主干活動斷裂邊緣

本研究所用資料包含 3個 5級以上中強(qiáng)地震,分別是 2003年 11月 13日岷縣ML5.5地震,2004年9月 26日岷縣—卓尼ML5.2地震,2006年 6月 21日文縣ML5.4地震。這 3個地震的震中位置在重定位后相對于重定位前有了較大的變化——離發(fā)震斷裂更近(震源位置參數(shù)及相對變化情況見表 2),它們與其周圍小震一起沿斷裂走向展布(圖 2)。

表 2 重新定位前、后三個中強(qiáng)地震震源位置變化Tab.2 Hypocenter variety of the three earthquakes before and after relocation

鄭文俊等(2005)對 2003年 11月 13日甘肅岷縣ML5.5地震的基本特征進(jìn)行了研究,指出該次地震發(fā)生在甘肅省東南部地區(qū)南北向構(gòu)造帶與昆侖—秦嶺深大斷裂交匯部位,其孕震和發(fā)震構(gòu)造為臨潭—宕昌斷裂帶的中段北支前緣的次級斷裂,走向?yàn)?NWW—NW;何文貴等(2006)對2004年 9月 26日岷縣—卓尼 5.2級地震的基本特征進(jìn)行了研究,指出該次地震與 2003年 11月 13日岷縣ML5.5地震基本特征相同,發(fā)震構(gòu)造也相同,同為臨潭—宕昌斷裂帶;馬占虎等(2007)對 2006年 6月 21日文縣ML5.4地震災(zāi)害損失進(jìn)行了評估,并指出該次地震發(fā)震構(gòu)造為哈南—稻畦子—毛坡里斷裂帶;袁道陽等(2006)研究發(fā)現(xiàn),1995～2005年十余年來甘肅地區(qū)的地震多發(fā)生在活動性較弱的次級斷裂帶上或主干活動斷裂帶邊緣。本文的重新定位結(jié)果與他們的結(jié)論基本一致。

3.4.2 震源深度剖面分布與構(gòu)造關(guān)系分析

經(jīng)重新定位后,地震沿某些斷裂構(gòu)造的分布更加密集,顯示出地震活動與斷裂構(gòu)造活動明顯相關(guān)。本區(qū)內(nèi)多為NW向大型走滑逆沖型斷裂。為更好地分析地震活動分布與斷裂構(gòu)造的關(guān)系,給出斷裂深部展布的特征,筆者沿著研究區(qū)對角線方向,盡可能地垂直于所經(jīng)斷裂,進(jìn)行地震深度剖面投影,起點(diǎn)為(32.5°N,102°E),終點(diǎn)為(36.5°N,107°E), 投影寬度為 60 km(圖 6), 同時根據(jù)地震重新定位結(jié)果分布刻畫出了該剖面所經(jīng)過斷裂的深部展布特征。

從圖 6可以看出,剖面沿線地震多分布于 5～30 km深度范圍內(nèi),處于中、上地殼。塔藏斷裂(F16)、西秦嶺北緣斷裂(F6)、六盤山斷裂(F3)、云霧山斷裂(F4)皆傾向 S W,其中西秦嶺北緣斷裂延伸到下地殼,中、上地殼內(nèi)可近似為直立斷層。這個結(jié)果與閔祥儀等(1991)、李清河等(1991)的研究結(jié)果較為一致。向宏發(fā)等(1998)對六盤山東麓地區(qū)活動構(gòu)造進(jìn)行了研究,認(rèn)為六盤山東麓斷裂南段斷層產(chǎn)狀為 320/S W<70°,與本文結(jié)果基本相符。迭部—白龍江斷裂(F11)、光蓋山—迭山南麓斷裂(F10)、光蓋山—迭山北麓斷裂(F9)、臨潭—宕昌斷裂(F7)皆傾向NE,延伸到中、下地殼。這個結(jié)果與已有地質(zhì)資料和前人研究結(jié)果(袁道陽等,2007;鄭文俊等,2005,2007)相吻合。

圖 6 地震深度剖面分布與構(gòu)造關(guān)系圖Fig.6 Relationship between cross-sectional views of seismicity and structure

4 結(jié)論與討論

本文采用雙差定位方法和遺傳定位方法對2001～2007年甘東南地區(qū)的地震進(jìn)行了重新定位,對滿足重新定位條件的 2336個地震給出了定位結(jié)果,對其中 957個地震給出了雙差定位結(jié)果,其余1379個地震給出了遺傳算法定位結(jié)果,精度總體上較重新定位前很大提高。

重新定位后地震在空間分布上更加集中,部分地震有向構(gòu)造帶趨近的變化,較多的地震呈簇集狀出現(xiàn)于多條斷裂的交匯部位;3個 5級以上中強(qiáng)地震的震中位置相對于重新定位前有了較大的變化,均處于主干活動斷裂邊緣,與其周圍小震一起沿斷裂走向方向展布。震源深度分布的特點(diǎn)表明,甘東南地區(qū)地震主要發(fā)生在中、上地殼,深度分布約在 0～30 km,震源平均深度為14.6 km,該區(qū)多震層深度范圍為 5～20 km。地震深度分布與斷裂構(gòu)造關(guān)系刻畫了剖面沿線不同斷裂的深部展布特征。部分?jǐn)嗔蜒由斓街?、下地?與已有地質(zhì)資料和前人研究結(jié)果較為一致。

本文結(jié)果是建立在一維的速度結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的,由震源深度推測地殼結(jié)構(gòu)與斷裂展布特征具有一定的不確定性,但某種程度上它可以反映地震活動與地殼結(jié)構(gòu)、斷裂相互之間的關(guān)系。甘東南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地震活動頻繁,要獲得更加精確的定位結(jié)果,如采用震源位置與速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演以及在三維速度結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行精確定位,還需要做更多的研究。

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Relocation of the Earthquakes in the Southeast Area of Gansu

XIN Hai-liang1,LIU Ming-jun1,ZHANG Yuan-sheng2,ZENG Xian-Wei3,HU Zhong-min1
(1.Research Center of Exploration Geophysics,China Earthquake Administration,Zhengzhou450002,Henan,China)
(2.Lanzhou Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Lanzhou730000,Gansu,China)
(3.Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan750001,Ningxia,China)

We relocate earthquakes occurred in the southeast area of Gansu from2001to2007using double-difference method and genetic algorithm method.The result show s that the earthquakes are m ore spatially concentrated and in some areas the earthquakes tend to get close to tectonic belts.The average hypocenter depth is14.6km and the seismogenic layer ranges from5km to20km.After relocating three moderately strong earthquakes,We find that they Were all occurred in the edge of the main active faults.The relationship bet Ween seismic depth distribution and fault structure portray the spreading characteristics of different faults along the profile in the deep,and some faults stretch to the middle and deep crust.

double-difference algorithm; genetic algorithm; focal depth; seism ogenic layer; southeast area of Gansu

P315.63

A

1000-0666(2010)03-0292-08

2009-06-09.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40674043,90814001)資助 .中國地震局地球物理勘探中心論著號:0908.