閩粵贛交界區(qū)地震震源位置及速度結(jié)構(gòu)研究

肖孟仁， 許志山， 陳 浩， 羅 麗， 曾文敬， 湯蘭榮， 操 紅

（江西省地震局， 南昌 330039）

0 引言

地震定位是地震學(xué)中最經(jīng)典、 最基本的問題之一， 對于諸如地震活動性構(gòu)造、 地球內(nèi)部構(gòu)造、 地震預(yù)報等的研究具有重要意義。 震源位置的精度主要受到地震臺網(wǎng)的布局、 可用定位的震相、 地震波到時讀數(shù)的精度以及所取的地殼速度結(jié)構(gòu)模型等因素的影響[2-3]。 目前常規(guī)的地震定位方法大多源于Geiger[4]提出的一種線性的絕對定位方法， 該方法對初始值的依賴性較大。 相對地震定位方法主要有主事件定位法和雙差定位法， 其可以有效減小速度結(jié)構(gòu)誤差的影響[5-6]。 在主事件定位方法中[7-9]， 每個事件僅相對于一個事件， 即主事件重新定位。 由于定位過程中所有事件必須和主事件相關(guān)， 因此該方法限制了可重新定位地震叢的最大空間范圍。 為了克服主事件定位方法的缺陷， Waldhauser[10]等提出了雙差定位方法， 其可以對很多較大空間范圍內(nèi)發(fā)生的地震同時進行重新定位。

提高地震定位精度是地震學(xué)應(yīng)用研究的重要課題之一， 在現(xiàn)有的地震定位方法和地震監(jiān)測條件下， 采用高精度地殼速度結(jié)構(gòu)模型對地震定位精度的提高將是至關(guān)重要的。 隨著地震層析成像技術(shù)的發(fā)展[11-14]， 大量三維地殼速度結(jié)構(gòu)模型的建立， 將為地震定位提供極好的研究基礎(chǔ)。 Smith et al[15]對已知的26個核爆事件和83個有良好定位結(jié)果的地震事件， 對比分析了全球三維P 波速度SP12/WM13 模型和一維的J-B、 PREM、 IASP91 模型對全球遠震定位精度的影響， 結(jié)果表明三維模型的定位結(jié)果明顯好于一維模型的結(jié)果， 定位偏差可減少40%左右。 此外， 可以在地震層析成像過程中加入震源項， 同時確定三維速度結(jié)構(gòu)和地震震源參數(shù)，即震源和速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演[7，12，14，16-19]， 該方法在提高定位精度的同時得到速度結(jié)構(gòu)， 這有助于對地震的孕震環(huán)境提供物理解釋。

閩粵贛交界地區(qū)地處我國大陸華南地塊東南邊緣， 毗鄰地震活動劇烈的臺灣地震區(qū)， 該區(qū)域一直是全國地震重點監(jiān)視防御區(qū)， 地震活動一直較為頻繁， 已經(jīng)多次發(fā)生5 級以上中強地震， 造成一定的人員傷亡和較大的經(jīng)濟損失。 福建、 廣東、 江西三個區(qū)域地震臺網(wǎng)積累了大量觀測資料，本文收集了1900—2007年三個區(qū)域臺網(wǎng)的地震資料（表1）， 通過采用震源位置及速度結(jié)果的聯(lián)合反演方法確定閩粵贛交界區(qū)（24°～26.5°N， 114°～117.8°E）地震的震源位置以及震源區(qū)速度結(jié)構(gòu)，通過研究地震震源位置以及其震源區(qū)速度結(jié)構(gòu)特點， 來探討該區(qū)域地震的孕震特點以及孕震環(huán)境。

表1 選取資料臺站列表Table 1 Stations list with data selected

1 聯(lián)合反演方法簡介

在震源位置和速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演過程中，走時殘差t 是由于震源參數(shù)的擾動和速度的擾動引起的。 根據(jù)研究結(jié)果[11-14]， 該問題可以用以下線性化方程表示：

式（1）中Δt、 Δx、 Δy、 Δz 和Δνn分別表示震源的發(fā)震時刻、 經(jīng)度、 緯度、 深度的擾動以及速度的擾動， N 為速度參數(shù)的總個數(shù)。 對于l個地震和j個臺站， 可以將（1）式寫成如下的緊湊形式：

式（2）中 是m 維走時殘差向量， δν 是n 維節(jié)點速度擾動向量， δx 是4 l 維震源參數(shù)擾動向量， A 是m×n 維走時對速度的偏導(dǎo)數(shù)矩陣， B 是m×4 l 維走時對震源參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣。

根據(jù)聯(lián)合反演的基本公式（2）， 速度參數(shù)和震源參數(shù)是相互耦合著的。 要在同一個方程中同時反演兩種不同量綱的參數(shù)， 除了會增加算法的數(shù)值不穩(wěn)定性外， 在實用上需要大量的計算機內(nèi)存和機時， 因此必須進行參數(shù)分離[7，13，17]。 本文采用劉福田提出的正交投影算子， 將式（2）分解為以下兩個分別求解速度參數(shù)和震源參數(shù)的方程組：

式（4）中PB為與震源參數(shù)有關(guān)的從Rm到B 的像空間R（B）上的正交投影算子。 速度參數(shù)和震源參數(shù)解耦后的分析表明， 速度擾動量的確定與震源位置擾動量無直接關(guān)系， 僅與它的初值有關(guān)， 而震源位置擾動量則與速度擾動量明顯有關(guān)。 我們知道地震定位精度除了受地震臺網(wǎng)的布局、 可用定位的震相和地震波到時讀數(shù)的精度的影響外， 還主要受到速度結(jié)構(gòu)的影響。 根據(jù)公式（3）和（4），聯(lián)合反演過程中先確定研究區(qū)的速度結(jié)構(gòu)參數(shù)，再確定震源參數(shù)， 從而消除了速度結(jié)構(gòu)的不確定性對定位精度的影響。 因此， 通過震源位置和速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演可以有效提高地震定位的質(zhì)量。

2 資料選取與計算求解過程

2.1 資料選取

研究范圍為24°～26.5°N， 114°～117.8°E， 資料采用了福建、 廣東、 江西三個區(qū)域臺網(wǎng)1990—2011年的資料， 選取觀測數(shù)據(jù)的起止時間見表1。采用震源位置和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演的方法對這一區(qū)域的地震進行了重新定位和速度結(jié)構(gòu)的反演。為了減小誤差對數(shù)據(jù)進行了篩選， 在對三個臺網(wǎng)記錄到同一地震時間的情況下， 以距離震中最近臺站所在臺網(wǎng)的到時為準(zhǔn)， 對其他兩個臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行到時校正， 由于該區(qū)域地震個數(shù)較少， 盡可能擴大樣本范圍， 選取所有有記錄地震參與計算。 研究范圍內(nèi)共有50個觀測臺站， 經(jīng)過合并篩選， 共找出6 321個地震34 508 條P 波射線數(shù)據(jù)。臺站位置和地震分布見圖1。

圖1 臺站位置和震中分布圖Fig.1 Distribution map of station and epicenter

2.2 網(wǎng)格劃分和初始速度模型

用網(wǎng)格方法[16]對速度模型參數(shù)化， 由于本次研究的地震事件與研究區(qū)域相對分散， 所以在網(wǎng)格化處理時將平面方向上的研究區(qū)域按照地震事件的疏密程度劃分成不均勻網(wǎng)格， 即臺站和事件相對集中的地區(qū)網(wǎng)格較密， 反之網(wǎng)格較疏， 保證每個網(wǎng)格有足夠的射線穿過[16]。 在模型中速度結(jié)構(gòu)用連續(xù)函數(shù)表示， 網(wǎng)格內(nèi)任意一點的速度用內(nèi)插方式計算。 考慮到研究區(qū)地震個數(shù)偏少， 在水平向采用0.25°～0.25°劃分， 垂直向采用華夏地塊速度模型地震速度結(jié)構(gòu)研究成果[22]， 選定本區(qū)成像的一維參考速度模型如表2 所示。

表2 閩粵贛交界區(qū)初始縱波速度Table 2 The initialization P-wave velocity of Fujian，Guangdong and Jiangxi focal region

2.3 求解過程

本文在速度結(jié)構(gòu)反演中， 采用逐步迭代反演方式， 并且為了降低解的不穩(wěn)定性， 每次迭代反演后的參數(shù)調(diào)整都控制在模型參數(shù)的10%以內(nèi)[1]。首先利用閩粵贛臺網(wǎng)記錄的到時數(shù)據(jù)， 以初始速度模型（表2）為基礎(chǔ)， 采用LSQR 方法[20]確定贛粵閩交界區(qū)地震震源區(qū)的速度結(jié)構(gòu)及其震源的位置。相關(guān)計算程序由中國地震臺網(wǎng)中心周龍泉研究員提供[1]。

3 定位結(jié)果和分析

閩粵贛交界地區(qū)參與計算的地震共6 321 次，其中震源深度大于0 km（給出震源深度）的有5 840次。 經(jīng)過重新定位， 有4 729 次地震得到了新的震源參數(shù)。 采用地震震源位置和地殼P 波速度聯(lián)合反演方法得到初始RMS 殘差為0.7 s， 經(jīng)過4 次迭代后， RMS 殘差減為0.5 s。 定位偏差在水平方向上為0.2 km， 垂直方向上為1.2 km。

圖2 為重新定位前后相同數(shù)量地震（6 321 次）震中分布圖。 由圖可見， 重新定位后震中分布呈現(xiàn)一定程度的線性集中。 重新定位前6 321 次地震有481 次數(shù)據(jù)沒有給出定位深度， 震源深度在10 km 以內(nèi)的約占91%； 重新定位后的6 321 次地震，平均震源深度為6.86 km， 震源深度在10 km 以內(nèi)的約占89%， 只有3%的地震震源深度在15 km 以上。 圖3 為地震重新定位前后震源深度分布圖。

圖2 震源位置和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演定位結(jié)果Fig.2 Joint inversion position results of hypocenters location and velocity structure

張國民[21]等曾研究給出了中國大陸地區(qū)和各分區(qū)震源深度分布圖像及其多種統(tǒng)計結(jié)果。 其研究結(jié)果認(rèn)為， 震源的平均深度隨震級增大而加深。 在重新定位獲得了相對精確的震源深度數(shù)據(jù)后， 本文統(tǒng)計了各震級檔的平均震源深度與震源下界深度（表3）。 其中， 地震數(shù)為各震級檔震源深度大于0 的地震個數(shù)； 震源深度下界定義為該深度至地表發(fā)生地震占總數(shù)95%以上的特定深度。 由此可見， 閩粵贛交界區(qū)地震震源平均深度隨震級增大而加深的特征明顯， 即地震震級越大， 震源深度越深， 但平均深度不超過15 km； 各震級檔地震的震源下界則在15 km 以上， 意味著這一區(qū)域的脆韌性轉(zhuǎn)換帶深度大致位于15 km 深度附近。 從圖3 可以看出， 越靠近沿海， 地震震源深度有加深的趨勢。

4 速度結(jié)構(gòu)特征及分析

圖3 閩粵贛交界區(qū)地震重新定位前后震源深度分布圖（不展示速度只給地震分布）Fig.3 Distribution map of focal depth before and after earthquake reposition in Fujian, Guangdong and Jiangxi focal region

表3 閩粵贛交界區(qū)震源深度與震級分布統(tǒng)計Table 3 Statistics table of focal depth and magnitude distribution in Fujian, Guangdong and Jiangxi focal region

本文采用檢測板方法給出了不同深度上解的分辨率， 由于95%的小震震源深度都在15 km 以上，圖4 給出了2 km、 6 km、 10 km、 15 km、 20 km和25 km 不同深度上解的分辨率。 從圖3 上可以看出， 在2 km、 6 km、 10 km、 15 km 深度上分辨率還是令人滿意的， 20 km、 25 km 解的分辨率要稍差一些。 考慮到震源樣本缺乏15 km 下的地震， 本文只討論15 km 以上震源區(qū)的速度結(jié)構(gòu)特征。

圖5 分布給出了2 km、 6 km、 10 km、 15 km層位上的P 波速度分布以及重新定位后所有地震的震中分布。 從圖5 上可以看到， 重新定位后的地震分布相對較廣， 但主要集中于龍川-河源南端、 瑞金-尋烏斷裂、 政和-海豐斷裂帶永安至龍巖段以及閩粵近海。 從圖5 中可以， 地震多發(fā)生在波速異常區(qū)。

龍川-河源段歷史上一直比較平靜， 只在1953年1月1日河源發(fā)生過4.5 級地震， 此后在1959年底， 由于新豐江水庫蓄水， 導(dǎo)致庫區(qū)出現(xiàn)大量微震，自1962年3月19日發(fā)生6.1 級主震以后， 地震活動就一直不斷， 該段地震主要集中在新豐江庫區(qū)附近，沒有明顯的遷移跡象。 圖6 給出了河源地區(qū)P 波速度及小震分布圖。 河源地區(qū)0～5 km 范圍內(nèi)P 波表現(xiàn)為低速異常區(qū)， 5～15 km 表現(xiàn)為高速異常。 從圖6 可以看出， 該區(qū)域地震多發(fā)生在5～10 km 高低速異常交會部位， 由此推斷， 新豐江庫區(qū)的中小地震可能主要是由于流體活動引起孕震區(qū)弱化而發(fā)生的。

圖4 不同深度P 波檢測板分辨率檢測結(jié)果Fig.4 The resolution test results of different depth of the P-wave detection board

圖5 不同深度P 波速度及重新定位的震中分布Fig.5 The epicenter distribution after the reposition of the P wave with different velocity and different depth

圖6 河源地區(qū)重新定位地震分布與剖面P 波速度及小震分布Fig.6 Earthquake distribution after repositioning in Heyuan area and distribution of P wave velocity and small earthquakes of the profile

邵武-河源斷裂帶中段（尋烏-瑞金）屬中等活動頻度的地震帶。 據(jù)歷史記載， 該段發(fā)生最大地震為1806年1月11日會昌縣南部的6 級地震。 劉大任等認(rèn)為瑞金-尋烏斷裂帶的地震活動， 是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的作用下， 受局部地質(zhì)條件和鄰區(qū)構(gòu)造運動殘留的影響， 在某些特殊的構(gòu)造部位產(chǎn)生的應(yīng)力調(diào)整， 活動強度不可能很高。 尋烏震區(qū)處在NNE向邵武-河源活動性深大斷裂帶與EW 向三南-漳平-仙游斷裂帶的交匯部位。 NNE 向珊貝-丘坊斷裂是尋烏震區(qū)強震的主要發(fā)震斷裂構(gòu)造。 從圖7 中可以看出， 在6 km 層位上， 尋烏-會昌區(qū)域有個高速異常區(qū)， 該區(qū)域地震多發(fā)生在高低速異常結(jié)合部偏向低速層一側(cè)， 該區(qū)地震主要分布在6～12 km 層位， 在15 km 層位上， 尋烏地區(qū)有個比較明顯的分界面， 在這一分界面上發(fā)生過多次地震， 1987年的尋烏地震可能與這一層面的地殼活動有關(guān)。

圖8 給出了政和-大浦?jǐn)嗔褞е卸危ㄕ钠礁浇┲匦露ㄎ坏卣鸱植寂c垂直剖面P 波速度及小震分布，該區(qū)地震分布相對分散， 比較集中的有兩處， 分別位于漳平兩側(cè)的5～10 km 層位的高低速異常區(qū)和位于20 km 層位的高低速異常區(qū)。 由圖8 可以看出，該區(qū)地震多發(fā)生在5～10 km 的高低速異常結(jié)合部位。2007年8月29日福建永春MS4.5 級地震， 中國地震臺網(wǎng)中心正式地震目錄給定的震源深度為10 km，經(jīng)過聯(lián)合反演給出的震源深度為6.9 km， 發(fā)震位置正好處于5～10 km 高低速異常偏低速一側(cè)的位置。

圖7 邵武-河源斷裂帶中段（尋烏-瑞金）重新定位地震分布與垂直剖面P 波速度及小震分布Fig.7 Earthquake distribution after repositioning in the middle (Xunwu- ruijin) region of Shaowu-heyuan fault zone and distribution of P wave velocity and small earthquakes of the profile

圖9 給出了閩粵近海區(qū)域重新定位地震分布與垂直剖面P 波速度及小震分布。 從圖9 中可以看出， 在10 km 層位上有較明顯的高低速分界線， 地震多發(fā)生這一分界面兩側(cè)， 意味著該區(qū)脆韌性轉(zhuǎn)換帶深度大致位于10 km 深度附近。 從圖9 中可以看出， 越靠近沿海， 地震震源深度有加深的趨勢。

5 結(jié)論與討論

采用震源位置及速度結(jié)果的聯(lián)合反演方法對閩粵贛交界區(qū)（24°～26.5°N， 114°～117.8°E）地震的震源位置以及震源區(qū)速度結(jié)構(gòu)研究顯示：

圖8 政和-大浦?jǐn)嗔褞е卸沃匦露ㄎ坏卣鸱植寂c垂直剖面P 波速度及小震分布Fig.8 Earthquake after repositioning in the middle region of Zhenghe-dafu fault (Zhangping nearby) distribution and distribution of P wave velocity and small earthquakes of the profile

（1）重新定位后震中分布呈現(xiàn)一定程度的線性集中。 重新定位后的6 321 次地震， 平均震源深度為6.86 km， 震源深度在10 km 以內(nèi)的約占89%， 只有3%的地震震源深度在15 km 以上。

（2）閩粵贛交界區(qū)地震震源平均深度隨震級增大而加深的特征明顯， 即地震震級越大， 震源深度越深， 但震源深度一般不超過15km； 越靠近沿海， 地震震源深度有加深的趨勢。

（3）河源地區(qū)0～5 km 范圍內(nèi)P 波表現(xiàn)為低速異常區(qū)； 5～15 km 表現(xiàn)為高速異常； 河源區(qū)域地震多發(fā)生在5～8 km 高低速異常交會部位， 新豐江庫區(qū)的中小地震主要是由于流體活動引起孕震區(qū)弱化而發(fā)生的。

圖9 閩粵近海區(qū)域重新定位地震分布與垂直剖面P 波速度及小震分布Fig.9 Earthquake distribution after repositioning on the offshore area of Fujian and Guangdong Provinces and distribution of P wave velocity and small earthquakes of the profile

（4）邵武-河源斷裂帶中段（尋烏-瑞金）區(qū)域， 該區(qū)強震主要受NNE 向珊貝-丘坊斷裂影響，強震多發(fā)生在該斷裂兩側(cè)。 在6 km 層位上， 尋烏-會昌區(qū)域有個高速異常區(qū)， 該區(qū)域地震多發(fā)生在高低速異常結(jié)合部偏向低速層一側(cè)， 該區(qū)地震主要分布在6～10 km 層位， 在15 km 層位上， 尋烏地區(qū)有個比較明顯的分界面， 在這一分界面上發(fā)生過多次地震， 1987年的尋烏地震可能與15 km 層位上的地殼運動有關(guān)。

（5）政和-大浦?jǐn)嗔褞е卸危ㄕ钠礁浇﹨^(qū)域地震分布相對分散， 比較集中的有兩處， 分別位于漳平兩側(cè)的5～10 km 層位的高速異常區(qū)。 該區(qū)域地震多發(fā)生在高速異常區(qū)偏向低速區(qū)一側(cè)。

（6）閩粵近海區(qū)域在10 km 層位上有較明顯的高低速分界線， 地震多發(fā)生這一分界面兩側(cè)， 意味著該區(qū)脆韌性轉(zhuǎn)換帶深度大致位于10 km 深度附近。

由于閩粵贛交界區(qū)缺乏大震震例， 尤其缺少震源深度在20 km 以下的地震數(shù)據(jù)， 本文缺乏對20 km以下深度地震震源位置及速度結(jié)構(gòu)的研究與討論。

致謝： 感謝中國地震臺網(wǎng)中心周龍泉老師提供的計算程序以及江西局呂堅、 曾文敬的指導(dǎo)和幫助！

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