以雙差定位方法對郯城級地震震中附近現(xiàn)代小震重新定位①

李永紅，胡新亮，許 萍，李亞軍，周翠英，刁桂苓

（1.山東省地震局，山東濟南 250014；2.河北省地震局，河北石家莊 050021）

李永紅1，胡新亮2，許 萍1，李亞軍1，周翠英1，刁桂苓2

（1.山東省地震局，山東濟南 250014；2.河北省地震局，河北石家莊 050021）

用雙差定位方法對1668年郯城級地震震中附近1974年以來400余個中、小地震重新進行定位。結果顯示現(xiàn)代中、小地震震中分布仍集中于地震破裂帶上，帶狀集中區(qū)與地質考察推測得到的發(fā)震斷層安丘－莒縣斷裂的走向吻合。

中小地震；雙差定位法；郯城級地震；安丘－莒縣斷裂

Abstract：Using the double difference earthquake location algorithm，we relocate more than 400 moderate and small earthquakes near the epicenter of 1668Tanchengearthquake since 1974.The relocated result shows that the modern moderate and small earthquakes were still concentrated in the Tancheng earthquake rupture zone.The strike of the bandy concentrated zone accords with that of the generating Anqiu－Juxian fault speculated by geological surveying.

Key words：Moderate and small earthquake；Double difference earthquake location algorithm；Tanchengearthquake；Anqiu－Juxian fault

0 引言

郯廬帶位于山東地區(qū)的區(qū)段也稱為沂沭斷裂帶。1668年7月25日在沂沭斷裂帶中南段發(fā)生了中國東部迄今為止最大的地震，即郯城級地震。震中附近地震臺網(wǎng)密集，自20世紀70年代以來已積累了豐富的地震資料。由于東部地區(qū)為黃海海域，地震臺網(wǎng)分布不均勻，給東部地震定位造成一定的偏差，此外，現(xiàn)山東臺網(wǎng)使用的定位程序中采用全國通用的走時模型，也為定位參數(shù)帶來較大誤差。為此本文采用雙差定位法對研究區(qū)地震重新進行定位。

1 方法與資料

1.1 地震的雙差定位方法

地震定位大致分為相對定位和絕對定位兩種。近年來，相對定位法中發(fā)展了一種雙重殘差定位法，又稱雙差地震定位法（DD）［1］，目前已經被國內外地震學家廣泛地應用到實際的地震定位中。該方法是利用信號的走時差反演震源位置，能夠有效地消除震源至臺站共同傳播路徑效應，受速度模型的影響小。它反演的是一組叢集地震中每個地震相對于該叢集矩心的相對位置，不需要主事件。它不僅能像主事件相對定位方法一樣有效地減小由于對地殼結構了解不夠精細而引起的誤差，而且即使叢集地震的空間跨度很大也適用，有其獨到的優(yōu)點。尤其是近年來發(fā)展的數(shù)字地震記錄，兩地震波形初至信號的時差精度最高可達到采樣間隔的十分之一，比拾取初至的精度高出一個數(shù)量級，因而雙差定位法確定的震源相對位置精度要遠遠高于常規(guī)的絕對定位方法。

1.2 資料的選取

研究區(qū)為沂沭帶中段（34.1°～38°N，116.4°～ 119.6°E）。重新定位所用資料為山東臺網(wǎng)及鄰省臺站共44個臺所記錄到的震相資料，臺站分布參見圖1。初選有4個臺以上記錄的近震資料作為研究的基礎資料，這些資料中1974年至1999年為模擬記錄，2000年以來為數(shù)字記錄，約有近千條記錄。再經計算理論走時、剔除差錯數(shù)據(jù)，對資料震相不清、距離太遠的地震進行刪除，最后篩選出符合條件的共有410個地震，震級在ML1.1～5.6之間，其震相包括直達波Pg、Sg、首波Pn、Sn、反射波Pm、Sm到時資料。

圖1 雙差定位研究區(qū)、主要斷裂及臺站分布示意圖Fig.1 The study area，distribution of main faults and seismic stations.

在進行重新定位時，對于1999年以前的模擬記錄地震是將記錄到的P波到時、S波振幅等資料轉換為程序可以識別的數(shù)據(jù)格式進行計算。1999年之后山東進行了地震臺站的數(shù)字化改造，部分臺站將單純的模擬記錄改為數(shù)字和模擬并行記錄，但仍有13個臺站為單純的模擬記錄。在對這些地震重新定位時，對于數(shù)字和模擬并行記錄的臺站只使用了其數(shù)字化記錄資料；同時將13個單純模擬記錄臺站的記錄波形經以每秒鐘100個采樣點的形式將其轉化為數(shù)字記錄；對于數(shù)字記錄資料是直接讀取所需數(shù)據(jù)，然后對所有數(shù)字記錄進行對比、篩選、雙差定位。

相對定位算法很好地克服了速度橫向不均勻性的影響［2］，因此對地殼速度模型的依賴性相對較小。由于算法中采用的是水平分層速度模型，對定位結果產生影響的主要是震源所在層速度值，該值雖不影響事件間的方位分布，但會影響事件簇分布圖像的尺度，因此仍需要盡可能地選用接近真實的地殼速度模型。本文采用張碧秀［3］等通過地震探測得到的沂沭斷裂帶級地震震源區(qū)附近地殼速度結構的簡化模型（表1）。

表1 郯城級地震震源區(qū)附近地殼上地幔速度結構表

表1 郯城級地震震源區(qū)附近地殼上地幔速度結構表

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表1給出本文地震定位中采用的水平層狀地殼S波速度模型。相應的P波速度模型則由VP＝ 1.73VS得到。

2 重新定位結果分析

2.1 重新定位后的參數(shù)精度分析

共410次地震參加重新定位，最終獲得381次地震的精定位基本參數(shù)，位于研究區(qū)內的為364次。重新定位后，部分地震被舍棄的原因包括以下幾種：

（1）該地震的可用震相數(shù)小于最少震相數(shù)參數(shù)限制，本研究中該參數(shù)取值為8；

（2）由于震相讀數(shù)的誤差，導致反演過程中出現(xiàn)深度為負值的現(xiàn)象（airquake）；

（3）超過事件對之間的最大距離閾值而未能夠和其他地震組成事件對等［4］。

重新定位后均方根殘差平均值由原來的3.34s降為0.24s，震源位置的估算誤差（2倍標準偏差）在EW方向平均為1.2km，在NS方向平均為0.9 km，在垂直方向平均為2.4km。

2.2 重新定位后震源深度改善情況

在地震定位問題中震源深度的精確確定最困難。震源深度受地震波走時影響極大，尤其對于震中距超過30km的臺站，直達波走時對震源深度變化不敏感。重新定位后可見震源深度有兩點改善：

（1）重新定位前，有72個地震震源深度為1 km，其中有10個為1983年底至1986年初東營附近發(fā)生的注水誘發(fā)地震，深度在1～2km，而其余62個地震實際上是無定位深度的地震，為了在三維空間分布圖中能夠顯示，賦值為1km。重新定位后，10個注水誘發(fā)地震的深度全部在1～2km（圖2中圈出來的地震），與實際情況完全相符；而其它62個地震也全部得到了震源深度，隨機分布在0～33 km之間，其優(yōu)勢層位在10～20km之間（圖2）。

圖2 原臺網(wǎng)定位深度1km的地震重新定位結果Fig.2 The relocation result for some events within depth of 1km.

（2）重新定位地震的深度優(yōu)勢分布層位較重新定位前更加顯著。原臺網(wǎng)定位地震已給出震源深度的，優(yōu)勢分布層位在10～30km，分布范圍相對較寬，但在這區(qū)間內優(yōu)勢層位不明顯（圖3（a））。重新定位后震源深度優(yōu)勢層位在10～20km的占總數(shù)的59.1%，可以明顯看出其優(yōu)勢地位（圖3（b）、圖4）。另外，重新定位后的震級較大的地震深度較重新定位前深度加深，這與實際情況更為相符。

圖5給出精定位后和原臺網(wǎng)定位地震空間分布圖像的比較。為增強圖像之間的可比性，將原定位目錄中與在重新定位過程中被舍棄的部分相對應的地震也剔除了，這樣圖中所示地震事件是一一對應的?？梢钥闯鼍ㄎ缓蟮牡卣鹫鹬蟹植几蛹校?］。

3 現(xiàn)代中小地震與郯城級地震震層關系的討論

圖3 原臺網(wǎng)定位和雙差定位深度分布圖Fig.3 The depth distribution located by original station network（a）and the double difference location algorithm（b）.

圖4 原臺網(wǎng)定位與雙差定位結果震源深度的比較Fig.4 Comparison of focal depth between located by original station network and by the double difference earthquake location algorithm.

3.1 二維圖像顯示地震分布的線性度增強與活動斷裂構造關系更為密切

比較圖5，重新進行雙差定位后的地震平面分布的線性程度明顯增強，大多數(shù)地震密集地集中在沂沭斷裂帶5條活動斷裂的F2斷層上，郯城級地震震中附近尤為突出。斷層上分布的地震在總體沿與斷層走向一致的NNE向排列的背景上，時有短尺度的間錯的NW向或NE向線狀排列，有的與斷層錯列位置相吻合，勾勒出郯城級地震震源斷層在地表的基本展布，一定程度顯示出震源區(qū)復雜的破碎狀態(tài)。

圖5 原臺網(wǎng)定位與雙差定位的震中分布Fig.5 Comparison of epicenter distribution between located by original station network（a）and by the double difference earthquake location algorithm（b）.

在沂沭帶主干斷裂其它斷層和F2的北段，地震很少，尤其是西部的F3、F4兩條斷層，上面幾乎沒有地震。而其它的NW向分支斷裂上，地震也較為密集，尤其是北部的雙山－李家莊斷裂、中部的沂水－沂源斷裂、新泰－蒙陰斷裂和南部的蒼尼斷裂（圖5（b）），顯示出這些斷層現(xiàn)代活動強、活動新。

3.2 震中深度剖面圖像勾勒出級地震斷層的地下延伸輪廓

圖6給出了沿研究區(qū)橫斷剖面的震源深度分布情況，可以看出在郯城級地震的震源斷層剖面上，小震幾乎是直立分布，微微略顯SE傾向，由地表一直延伸至30km。這證實了地質上認為該斷層近于直立和切穿地表的推測，也與該區(qū)的綜合震源機制解的兩節(jié)面近于直立的結果相吻合，表明該段落中小地震剖面可能真實反映了斷層的產狀。幾個震級較高的中等地震分布在20～25km之間，位置相對集中，小震密集區(qū)在其之上，在10～20km之間。由王華林等的研究結果，認為郯城級地震為一次“特征地震”，分析特征地震的錯動方式，參考華北地區(qū)唐山等其它7級以上地震的主余震之間的關系，認為級地震的震源深度應在25km上下，超過30km的可能性較小。

圖6 重新定位后的震源深度二維分布Fig.6 The two－dimensional distribution of the focal depth of relocated earthquakes.

3.3 現(xiàn)代中小地震分布與沂沭帶其它分支斷裂關系的討論

由圖6還可以看出，在剖面的北段西側，還有一條震源不連續(xù)的略顯NW傾向的地震分布區(qū)，這個位置正是沂沭帶以西的一條規(guī)模較大的NE向斷層——上五井斷裂所在區(qū)。圖中顯示震源深度由地表延伸至30km左右，在大約25km左右有一個少震段。地質考察結果推測該斷層是一條超殼斷裂，這與這些地震的震源深度分布吻合。由張碧秀等［3］給出的人工地震深部探測結果可知，在泗水與費縣間22km附近和25km至30km之間有兩個低速層，是地震易于發(fā)生的層位，而這里恰在25km上下地震很少，可能屬于破裂不充分的地段，應該是未來中強地震預測需要注意的地段。

沂沭帶以西的其它區(qū)域，地震深度絕大部分分布在10～20km，平均15km左右，是沂沭帶西側的NW向分支斷裂上地震的優(yōu)勢層位。張碧秀等給出的深部探測結果顯示在15km左右，由泗水通過費縣直到臨沂以西有一規(guī)模較大的低速層存在。地震相對集中地分布在這一層位的現(xiàn)象與其吻合，說明除上五井斷裂的這些NW向斷層可能均未切穿下地殼。

4 結論與討論

（2）根據(jù)誤差分析，原臺網(wǎng)定位誤差在1km左右，平均值0.914km，深度定位誤差平均值0.901 km。而雙差定位的平面誤差平均值在69.7m，深度誤差平均值在59.6m?？梢钥闯鲭p差定位方法重新定位后誤差遠小于傳統(tǒng)方法的定位誤差，精度有很大提高。

沂沭帶以西的分支斷裂中，上五井斷裂切割深度最深，震源顯示由地表向下延伸至30km左右，在25km左右有一個少震段，可能屬于破裂不充分的地段，是未來需要注意的地段。其它NW向分支斷裂上的地震深度絕大多數(shù)分布在20km以上，平均15km左右，表明這些斷層可能深度在中、上地殼。

（5）在定位過程中采用了近臺記錄和區(qū)域臺網(wǎng)記錄相結合的震相數(shù)據(jù)，并且對近臺在雙差定位算法中的作用進行了原理及實驗分析，結果表明：①近臺記錄參與聯(lián)合反演更有利于震源深度的確定；②近臺記錄的使用更有利于地震序列絕對位置的確定。但這一算法擴充的穩(wěn)健性還有待于更多實驗數(shù)據(jù)的檢驗。將近臺記錄運用到雙差定位算法中的這一推廣，有益于我國地震監(jiān)測近幾年迅速發(fā)展起來的大地震應急流動觀測工作，可顯著提高應急流動臺網(wǎng)的定位精度，能夠為大地震后的震情跟蹤預測提供更加可靠的基礎資料。

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Relocation of Modern Small Earthquakes near the Epicenter of Tancheng 8Earthquake Using the Double Difference Earthquake Location Algorithm

LI Yong－h(huán)ong1，HU Xin－liang2，XU Ping1，LI Ya－jun1，ZHOU Cui－ying1，DIAO Gui－ling2
（1.Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，China；2.Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

P315.61

A

1000－0844（2011）01－0071－05

2009－10－30

山東省自然基金（Y2005E02）

李永紅，男（漢族），上海人，工程師，從事數(shù)字地震定位研究.