結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位方法在2011年盈江地震序列中的應(yīng)用*

黃 浩，付 虹

(1.青海省地震局都蘭地震臺，青海都蘭816100;2.云南省地震局，云南昆明650224)

0 引言

2011年3月10日，云南省盈江縣(24.7°N，97.9°E)發(fā)生5.8地震(簡稱盈江地震)，極震區(qū)烈度達(dá)到Ⅷ度(房立華等，2011)，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。主震發(fā)生后，眾多研究人員相繼對盈江序列的前兆變化(付虹等，2012)、地震定位(房立華等，2011;陳佳等，2012)、震源機(jī)制(趙小艷等，2012)開展了大量的跟蹤和研究工作，獲得了很多重要的認(rèn)識。付虹等(2012)、趙小艷等(2012)分別利用Snoke方法和CAP方法研究了盈江序列部分地震的震源機(jī)制，認(rèn)為該序列的震源機(jī)制具有較好的一致性。

震源機(jī)制一致性較好表明波形的相似度高，而波形互相關(guān)的理論基礎(chǔ)正是假定發(fā)震機(jī)理相同的地震波形具有相似性。波形互相關(guān)可以大幅提高震相到時(shí)的讀數(shù)精度，并在很大程度上降低通過人工讀取震相獲得相對走時(shí)的誤差(黃媛，2008)。將波形互相關(guān)與雙差定位(Waldhauser，Ellsworth，2000;楊智嫻，2003)結(jié)合起來可以大幅提高地震定位的精度，該方法在國內(nèi)外已有應(yīng)用并顯示出其優(yōu)越性(Hauksson，Shearer，2005;Waldhauser，Schaff，2008;趙翠萍，2006)。

盈江地震發(fā)生在云南西南邊境附近，臺站均位于震中東側(cè)，房立華等(2011)、陳佳等(2012)進(jìn)行雙差定位時(shí)僅使用了臺站的目錄到時(shí)數(shù)據(jù)。引入波形互相關(guān)技術(shù)后，通過對大量地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)分析，不僅可以提高事件對之間到時(shí)差的精度，還能增加參與雙差定位的到時(shí)數(shù)據(jù)，有利于提高定位的精度，降低因臺站分布不佳造成的誤差。因此，本文采用結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位方法對盈江序列進(jìn)行重新定位，對現(xiàn)有定位結(jié)果進(jìn)行比較和補(bǔ)充，分析和探討盈江地震的時(shí)空分布特征。

1 雙差定位方法

1.1 原理

雙差定位法是一種多事件聯(lián)合的相對定位方法。對于地震i、j到達(dá)臺站k的走時(shí)、，引入下式

式中，Δmi是第i個(gè)地震震源參數(shù)的改變量，

式中，G是一個(gè)M×4N階的偏微商矩陣，M是雙差觀測的數(shù)目，N是地震數(shù);d是雙差資料矢量，m是由待定震源參數(shù)改變量構(gòu)成的維數(shù)為4N的矢量;W是用以對每個(gè)方程加權(quán)的對角線矩陣。

計(jì)算時(shí)利用下式約束所有地震重新定位后平均位移為零，即其質(zhì)心不動。通過進(jìn)一步迭代，使定位殘差逐步減小，從而得到最終的定位結(jié)果。

1.2 數(shù)據(jù)和模型選取

選取盈江前震和余震序列中的1 458次ML≥1.0地震，共計(jì)22 172條P波和S波到時(shí)數(shù)據(jù)，引入波形互相關(guān)技術(shù)，對其中424次ML≥2.0地震進(jìn)行互相關(guān)分析，獲得了144 549條相關(guān)系數(shù)0.7以上的高精度相對到時(shí)數(shù)據(jù)。所選震相數(shù)據(jù)和初始定位結(jié)果來自云南數(shù)字地震臺網(wǎng)觀測報(bào)告，每個(gè)地震保證至少有8個(gè)震相記錄，且使用的初至波均為直達(dá)波。在進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算時(shí)，考慮到小震信噪比差，波形特征被噪聲掩蓋，選取ML≥2.0地震。盈江序列以小震為主，因此選取了震中距小于200 km的9個(gè)臺站的地震波形記錄進(jìn)行互相關(guān)分析(圖1)。所選臺站的數(shù)據(jù)均為寬頻帶數(shù)字地震記錄，采樣率100 Hz。

由于盈江地區(qū)缺乏速度結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究，房立華等(2011)參考胡鴻翔等(1986)、張中杰等(2005)的人工地震測深結(jié)果對盈江地震的余震序列進(jìn)行了雙差定位，并取得了較準(zhǔn)確的余震定位結(jié)果。本文使用該速度結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行重定位，波速比設(shè)定為1.76，模型詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖1 盈江序列重定位使用的臺站Fig.1 Seismic stations used in the relocation of Yingjiang earthquake sequence

表1 盈江地區(qū)水平層狀地殼速度模型Tab.1 Horizontal layered crustal velocity model in Yingjiang area

2 波形互相關(guān)

波形互相關(guān)是按照發(fā)震機(jī)理相同地震波形相似的原理，通過對相似地震波形進(jìn)行互相關(guān)分析，來計(jì)算同一震相的走時(shí)差，主要有時(shí)間域和頻率域兩種方式(Poupinet et al，1984)。通過時(shí)間域(頻率域)相關(guān)函數(shù)計(jì)算相似波形的相關(guān)系數(shù)，設(shè)定相關(guān)系數(shù)閥值，獲取可用的到時(shí)差數(shù)據(jù)。

本文的波形互相關(guān)是在時(shí)間域中完成的，假設(shè)f(t)、g(t)為時(shí)域中兩列波形，則可在時(shí)域中計(jì)算延遲時(shí)間，其互相關(guān)系數(shù)為

式中，t為兩列波形的延遲時(shí)間。在互相關(guān)計(jì)算之前對波形資料做以下處理:首先，將波形資料在1～10 Hz范圍內(nèi)濾波，分別在Pg波與Sg波到時(shí)前后取一段波形進(jìn)行波形互相關(guān)分析。P波窗長取1.2 s，即初至P波前0.2 s至初至P波后1 s;S波窗長取2 s，即初至P波前0.5 s至初至P波后1.5 s。通過互相關(guān)計(jì)算，最終獲得了144 549條互相關(guān)系數(shù)0.7以上的到時(shí)差數(shù)據(jù)。圖2是3個(gè)臺站記錄的兩對地震的波形記錄，兩對地震的波形幾乎完全一致，表明本文采用波形互相關(guān)技術(shù)提取的到時(shí)差數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。筆者按照人工標(biāo)識的Pg波到時(shí)繪圖，可以看出，由于初動起始位置不清楚、振幅小，事件對2中RHT臺、XHT臺人工標(biāo)識的到時(shí)存在較明顯的誤差(圖2，表2)。通過互相關(guān)分析，可以得到事件對精確的走時(shí)差，降低初動標(biāo)識的人為誤差，結(jié)合雙差定位進(jìn)一步提高定位的精度。

圖2 3個(gè)臺站記錄的兩對地震的波形Fig.2 Waveforms of 2 pairs of earthquakes recorded by 3 stations respectively

表2 圖2中兩對地震的詳細(xì)信息Tab.2 Detailed information of 2 pairs of earthquakes showed in Fig.2

3 重定位結(jié)果

應(yīng)用結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位重新定位后，得到1 048次地震的震源參數(shù)，其中前震508次，余震539次。重定位后，震中位置相對初始位置明顯集中。震中分布在大盈江斷裂兩側(cè)，呈現(xiàn)兩個(gè)優(yōu)勢方向，一支跨越大盈江斷裂呈NE—SW向條帶狀(長約10 km)分布，另一支在大盈江斷裂中段和北東段轉(zhuǎn)折處呈SSE向分布(圖3)。

考慮到前震和余震分布的顯著差異，筆者對盈江序列沿AA'和BB'(兩個(gè)優(yōu)勢方向)做了震源深度剖面(圖4)。震源深度結(jié)果顯示，深度在AA'剖面SW段較分散且少數(shù)地震趨近地表，深度分布在1～9 km，而在AA'剖面NE段較收斂，深度主要集中在6～10 km;地震在BB'剖面NW段較分散，深度也分布在1～9 km，在BB'剖面中段及SE段分布稀疏。

4 盈江序列地震活動的演化

盈江主震發(fā)生在大盈江斷裂帶西側(cè)，錢曉東等(2011)、趙小艷等(2012)依據(jù)烈度、震中分布以及精定位判定大盈江斷裂為盈江主震的發(fā)震斷層。大盈江斷裂走向 N40°～75°E，主體傾向NW，局部SE，傾角較陡，彼此呈左階羽列展布。其中，NE段對梁河盆地、盈江盆地有明顯控制作

用，斷裂走向N30°～50°E，長約90 km，為晚更新世—全新世活動段(常祖峰等，2011)。

圖3 定位結(jié)果比較(a)云南臺網(wǎng)的初始定位結(jié)果;(b)盈江序列結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位結(jié)果;(c)盈江前震序列結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位結(jié)果及部分震源機(jī)制解;(d)盈江余震序列結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位結(jié)果及部分震源機(jī)制解Fig.3 The comparison of relocation results(a)initial location results provided by Yunnan Seismic Network;(b)double difference location results of Yingjiang earthquake sequence combined with waveform cross-correlation;(c)double difference location results of Yingjiang foreshock sequence combined with waveform cross-correlation and part of focal mechanism;(d)double difference location results of Yingjiang aftershock sequence combined with waveform cross-correlation and part of focal mechanism

圖4 重定位后盈江地震序列震源深度在AA'(a)、BB'剖面(b)的深度分布Fig.4 Epicenter depths distribution of the relocated Yingjiang earthquake sequence along profile AA'(a)，BB'(b)

盈江前震和余震分布的顯著差異，應(yīng)與其震源機(jī)制存在緊密的聯(lián)系，故筆者收集了盈江MS≥4.0地震的震源機(jī)制解(趙小艷等，2012)，并結(jié)合本文的精定位結(jié)果給出了這些地震的震源機(jī)制解及其空間分布(圖3c、d)，分析和探討盈江前震及余震活動的演化。

從圖3c可以看出，前震及主震均為純走滑型，主壓應(yīng)力為NNE—SSW水平向，表明前震及主震是大盈江斷裂在NNE—SSW壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生左旋走滑錯動的結(jié)果。除1號地震震中離前震區(qū)稍遠(yuǎn)外，2～5號前震及主震在前震區(qū)呈線性分布，從時(shí)間進(jìn)程來看，震中沒有單一的遷移方向而是在前震區(qū)往返跳動。主震發(fā)生在前震區(qū)邊緣，位于大盈江斷裂中段和北東段轉(zhuǎn)折處。斷裂轉(zhuǎn)折處往往是構(gòu)造脆弱和地應(yīng)力易于集中的部位，這可能是主震發(fā)生在前震區(qū)邊緣和前震震中往返跳動的原因。

余震除在前震震區(qū)分布外，還在兩次4級余震震中附近發(fā)生多次小震，形成新的優(yōu)勢分布。7號MS4.7地震為最大強(qiáng)余震，是具有正斷性質(zhì)的走滑型，而8號余震仍為純走滑型。最大強(qiáng)余震的震源機(jī)制變化明顯，而其它4級余震的震源機(jī)制未發(fā)生變化，結(jié)合余震新的優(yōu)勢分布，表明主震后的區(qū)域應(yīng)力場既與主震前具有相同的特征，又出現(xiàn)新的變化，可能反映了余震活動除了受區(qū)域應(yīng)力場控制外，還受到主震引發(fā)的局部應(yīng)力場的控制。

5 討論與結(jié)論

本文應(yīng)用雙差定位方法，使用盈江序列中1 458次ML≥1.0且包含8個(gè)以上震相記錄的地震，并引入波形互相關(guān)技術(shù)，對其中424次ML≥2.0地震進(jìn)行互相關(guān)分析，獲得了144 549條相關(guān)系數(shù)0.7以上的高精度相對到時(shí)數(shù)據(jù)，最終聯(lián)合目錄和互相關(guān)到時(shí)數(shù)據(jù)重新定位了1 048次地震的震源參數(shù)，其中前震508次，余震539次。重定位后，震中位置的測定誤差(兩倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)在EW向?yàn)?8 m，NS向?yàn)?4 m，垂直方向?yàn)?3 m?；ハ嚓P(guān)技術(shù)的引入，降低了人工讀取震相到時(shí)引起的誤差，大幅增加了參與定位的到時(shí)數(shù)據(jù)，提高了定位的精度。

重定位后，震中位置明顯集中，主要在NE—SW向呈條帶狀(長約10 km)分布，另外還在SSE向優(yōu)勢分布。前震和余震的震中分布存在顯著差異，前震僅在大盈江斷裂兩側(cè)呈NE—SW向條帶分布，而余震不僅在NE—SW向分布，還在大盈江斷裂中段和北東段轉(zhuǎn)折處向SSE向遷移。

結(jié)合前震和余震的精確位置、震源機(jī)制以及斷層性質(zhì)，分析盈江序列的地震活動后發(fā)現(xiàn):從時(shí)間進(jìn)程來看，前震沒有單一的遷移方向而是在前震區(qū)往返跳動，主震則發(fā)生在前震區(qū)邊緣，位于斷裂轉(zhuǎn)折處，這可能是由于斷裂轉(zhuǎn)折處屬于構(gòu)造脆弱區(qū)、地應(yīng)力易于集中造成的。余震除在前震震區(qū)分布外，還在SSE向形成新的優(yōu)勢分布。最大強(qiáng)余震的震源機(jī)制變化明顯，而其它4級余震的震源機(jī)制未變化，結(jié)合余震新的優(yōu)勢分布，表明主震后的區(qū)域應(yīng)力場既與主震前具有相同的特征，又出現(xiàn)新的變化，可能反映了余震活動除了受區(qū)域應(yīng)力場控制外，還受到主震引發(fā)的局部應(yīng)力場的控制。

在相同區(qū)域應(yīng)力場的控制下，深度沿大盈江斷裂的分布具有分段性，即深度在相鄰的AA'剖面SW段和BB'剖面NW段都分布在1～9 km，而在AA'剖面NE段主要集中在6～9 km。這可能表明前者的地下介質(zhì)較松散，而后者較致密。房立華等(2011)對主震后66小時(shí)的余震進(jìn)行了雙差定位，發(fā)現(xiàn)多數(shù)余震分布在大盈江斷裂中段與北東段交界處，認(rèn)為此處的介質(zhì)性質(zhì)較為軟弱，有利于余震的擴(kuò)散，這與筆者得出的結(jié)論一致。

在水平方向上，本文重定位得到的震中分布特征與其它學(xué)者相符合(房立華等，2011;趙小艷等，2012;陳佳等，2012)，而在深度方向上，本文重定位的結(jié)果顯示出更豐富的細(xì)節(jié)特征。盈江地震的震源機(jī)制一致性較好，通過互相關(guān)分析能夠在一定程度上提高定位的精度，在深度上顯示出常規(guī)定位未發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

云南數(shù)字地震臺網(wǎng)為本研究提供了速報(bào)目錄、地震觀測報(bào)告和波形資料，并得到了中國地震局地震預(yù)測研究所李樂博士在波形互相關(guān)計(jì)算方面的指導(dǎo)，在此一并表示衷心的感謝!

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