雙差定位法在小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)地震精確定位中的應(yīng)用

高 洋，閔照旭，葉建慶，何家斌

（云南省地震局，云南 昆明 650224）

雙差定位法在小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)地震精確定位中的應(yīng)用

高 洋，閔照旭，葉建慶，何家斌

（云南省地震局，云南 昆明 650224）

利用雙差定位法對(duì)小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)的16個(gè)地震臺(tái) 2011 年至 2012 年的地震目錄資料進(jìn)行重新定位，得到了更精確的震源參數(shù)。定位結(jié)果顯示了小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)地震震源分布的更加精細(xì)的圖像；揭示出該地區(qū)地震活動(dòng)與活動(dòng)構(gòu)造的密切關(guān)系;并對(duì)原始目錄和重定位后的結(jié)果進(jìn)行比較。應(yīng)用結(jié)果表明, 震源相對(duì)位置精度有了明顯提高,更加清晰地反映出活動(dòng)構(gòu)造圖像。

雙差地震定位法；小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)；地震重定位

0 引言

位于瀾滄江中游河段的小灣水電站，是瀾滄江中下游水電規(guī)劃“兩庫(kù)八級(jí)”中的第二級(jí)，上游為功果橋水電站，下游為漫灣水電站。小灣水庫(kù)總庫(kù)容約150億立方米，有效庫(kù)容近98億立方米。壩高294.5米，是目前世界最高拱壩。水庫(kù)于2002年1月20日工程開(kāi)工，2004年10月25日實(shí)現(xiàn)大江截流，2009年9月25日首臺(tái)機(jī)組正式投產(chǎn)開(kāi)始發(fā)電。2008年12月16日導(dǎo)流洞下閘開(kāi)始初期蓄水，2012年10月蓄水到達(dá)最高水位1240m。蓄水期間，水位漸進(jìn)上升，水位無(wú)突升或突降現(xiàn)象。2012年10月到達(dá)最高水位后，隨著豐水期及枯水期的變化，水位在一定范圍內(nèi)有小幅波動(dòng)，無(wú)劇烈變化。

小灣地區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。小灣水電站是在高烈度區(qū)建設(shè)的高壩大庫(kù)容的大型水利水電工程，其地震的安全性顯得尤為重要。為了更好地為水庫(kù)地震預(yù)測(cè)預(yù)警服務(wù)，建成了小灣水庫(kù)數(shù)字化地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)。臺(tái)網(wǎng)分兩期建成，由十六個(gè)子臺(tái)組成。一期十一個(gè)子臺(tái)于2005年5月建設(shè)完成并投入觀測(cè)；二期五個(gè)子臺(tái)于2009年7月建設(shè)完成并投入觀測(cè)。其中，青華臺(tái)和昌寧臺(tái)為長(zhǎng)周期記錄。圖1為小灣水庫(kù)數(shù)字化地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)示意圖。

為了對(duì)小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)性進(jìn)行更加深入的研究，精確的地震定位是必不可少的。雙差地震定位法因其不受空間范圍及臺(tái)站校正等因素的影響，極大程度的提高了數(shù)據(jù)的精確度，近年來(lái)在相關(guān)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文嘗試運(yùn)用雙差地震定位法對(duì)小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)2011至2012年間ML≥1.0的地震進(jìn)行重新定位。

1 研究方法

雙差地震定位法是一種相對(duì)地震定位方法,它是在主事件地震定位法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,改進(jìn)了主事件地震定位法的缺點(diǎn)。作為相對(duì)地震定位方法的主事件地震定位法和雙差地震定位法都消除了地震傳播到臺(tái)站時(shí)共同路徑的影響,因而提高了地震定位的精度。本方法不要求有主事件, 因此適用于比主事件地震定位法空間跨度大的地震群體。楊智嫻等及李志海等[1-2]，將此方法應(yīng)用于中國(guó)中西部地區(qū)及北天山地的地震精確定位，取得了良好的結(jié)果。

雙差地震定位法原理如下：

地震事件i到地震臺(tái)站k的到時(shí)，根據(jù)射線理論可表示為：

式中，iτ為事件 i的發(fā)震時(shí)刻，u為慢度場(chǎng)，ds為積分微元。

將（1）式作泰勒展開(kāi)得：

然而，作為結(jié)論，公式（2）無(wú)法直接使用。通過(guò)對(duì)兩個(gè)事件的（2）式做差得到如下方程：

式中，x，y，z為震源東西、南北和垂直方向的坐標(biāo)，τ為發(fā)震時(shí)刻。公式（4）被定義為雙差，即兩個(gè)地震i和j到臺(tái)站k的觀測(cè)走時(shí)差和理論計(jì)算走時(shí)差之差。雙差可以使用通過(guò)讀取震相到時(shí)差（絕對(duì)走時(shí)），也可以是互相關(guān)相對(duì)走時(shí)差。對(duì)地震到時(shí)t求震源參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，聯(lián)立雙差就可確定兩個(gè)事件i和j的相對(duì)位置。

將各臺(tái)站的所有地震對(duì)形成的方程（5）聯(lián)立得到如下的線性方程組：

式中，G是一個(gè)包含偏導(dǎo)數(shù)M×4N的偏微商矩陣，M是雙差的觀測(cè)數(shù)，N是地震數(shù)；d是包含雙差的資料矢量；W是對(duì)每個(gè)方程加權(quán)的對(duì)角線矩陣；m是由待定的震源參數(shù)改變量，構(gòu)成的維數(shù)為4N的矢量。

2 區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造特點(diǎn)

本文研究的小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)為98.5o～101.4oE，24.0o～26.1oN范圍內(nèi)的區(qū)域。小灣水庫(kù)主要的水庫(kù)區(qū)有兩個(gè): 其一為瀾滄江主干河庫(kù)區(qū), 壩前庫(kù)水水位為1240m , 庫(kù)尾水位1276m , 庫(kù)區(qū)長(zhǎng)17916km;其二為黑惠江庫(kù)區(qū), 庫(kù)尾在徐村電站附近, 庫(kù)尾水位是1252m, 庫(kù)區(qū)長(zhǎng)125km。在小灣庫(kù)區(qū)通過(guò)的主要活動(dòng)斷裂有瀾滄江斷裂帶、無(wú)量山斷裂帶及南汀河斷裂帶。其中瀾滄江斷裂帶和無(wú)量山斷裂帶均是第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，如圖2所示。瀾滄江斷裂帶縱貫近180km長(zhǎng)的瀾滄江主干河庫(kù)區(qū)，是縱貫小灣電站主要構(gòu)造。從小灣庫(kù)區(qū)通過(guò)的瀾滄江斷裂從走向上可分為兩段: 在小灣壩址附近為近東西走向段; 壩址西永新以北至功果橋,為北西走向段。主斷裂旁側(cè)發(fā)育2～3 條平行斷裂, 共同構(gòu)成瀾滄江斷裂帶。瀾滄江斷裂具壓扭性質(zhì), 以擠壓逆沖為主,破碎強(qiáng)烈, 錯(cuò)動(dòng)、變質(zhì)現(xiàn)象極為普遍, 破碎帶寬50～150m。斷裂傾向變化較大, 總體西傾, 傾角70o～80o。斷裂兩側(cè)發(fā)育有一系列規(guī)模不大的北東向張性斷層。無(wú)量山斷裂帶其北段在牛街一帶穿過(guò)了黑惠江庫(kù)區(qū)，總體走向?yàn)楸北蔽鳌夏蠔|。無(wú)量山斷裂帶北起無(wú)量山北麓, 向南東經(jīng)鎮(zhèn)源、普洱、漫湯, 順營(yíng)盤(pán)山入老撾, 總體走向北北西—南南東, 省內(nèi)長(zhǎng)220km 以上[2]。

3 數(shù)據(jù)及資料

小灣電站水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)共有16個(gè)地震觀測(cè)臺(tái)站，所有臺(tái)站均安裝了數(shù)字化三分向數(shù)據(jù)采集器, 采樣頻率100Hz。下表為小灣臺(tái)網(wǎng)各子臺(tái)參數(shù)。

本文選取了小灣臺(tái)網(wǎng)2011年1月至2012年12月間記錄到的ML≥1.0，且記錄臺(tái)站ML≥5個(gè)的地震事件，總計(jì)4445個(gè)。共處理震相41111個(gè)，處理 P波震相30425條，S波震相10686條，經(jīng)雙差定位法重新定位后，得到了3459個(gè)地震的精確定位結(jié)果。在定位過(guò)程中, 由于定位的地震個(gè)數(shù)比較多,選用雙差算法的中的共軛梯度法。由于P波到時(shí)精度較Sg 波到時(shí)精度高，設(shè)P 波權(quán)值為1 、S 波權(quán)值為0. 5 進(jìn)行計(jì)算。

表1 小灣臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站主要參數(shù)

重定位時(shí), 使用的分層速度模型參考了胡鴻翔等[1]和張中杰等[7]的人工地震測(cè)深結(jié)果. 模型共分4 層, 每層的頂界面深度分別是0 、1 、14、18 km , 對(duì)應(yīng)的層速度分別為5.0、6.1、6.4、6.6km/ s，根據(jù)附近臺(tái)站的接收函數(shù)h-k 掃描結(jié)果, 波速比設(shè)定為1.76。

4 重定位結(jié)果及分析

通過(guò)雙差定位法對(duì)所選地震進(jìn)行了計(jì)算，我們得到了庫(kù)區(qū)地震事件的重定位結(jié)果。重新定位后，獲得了3459次地震的基本參數(shù)，精定位后結(jié)果殘差都比較小，主要分布在0.01～0.04之間，最大殘差是0.044。均方根殘差的平均值由0.17s降為 0.01s。震源位置的測(cè)定誤差（2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差）在EW方向平均為0.68km，在NS方向平均為 0.88km ， 在垂直方向平均為1.16 km。我們將重定位結(jié)果與水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)原定位結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了重定位前后地震震中分布、震源深度分布的變化，并對(duì)庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)情況進(jìn)行了研究探討。

4.1重定位前后地震分布對(duì)比

對(duì)比重定位前后的震中分布圖可見(jiàn)圖3，地震分布格局有一定的變化。重定位前，1.0≤ML＜2.0的小震由于臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站間距過(guò)大以及常規(guī)定位方法所給出的震中位置精度不夠，具有分布離散化、網(wǎng)格化的特點(diǎn)，無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)地震震源空間分布圖像的特征，如圖3（a）所示。重定位后1.0＜ML≤2.0的小震具有明顯的收斂性，有向構(gòu)造帶趨近的變化，從圖3（b）可以看出瀾滄江斷裂及南汀河斷裂附近的小震更為集中，地震分布與斷裂帶的吻合程度更為提高。而ML≥2.0的地震重定位前后，空間位置總體分布格局變化不大，但也有向構(gòu)造帶趨近的變化，這一特征說(shuō)明庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)主要受區(qū)域內(nèi)活動(dòng)構(gòu)造的影響。

重定位結(jié)果初步表明，對(duì)于小灣庫(kù)區(qū)ML≥2.0的地震，小灣水庫(kù)數(shù)字化地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)在小灣庫(kù)區(qū)臺(tái)網(wǎng)分布是合理的，定位結(jié)果是較為可靠的。同時(shí)也為地震活動(dòng)圖像的深入分析提供了新的資料基礎(chǔ)。而對(duì)于1.0≤ML＜2.0的地震，雙差地震定位法給出了地震震中分布的更加清晰、準(zhǔn)確的結(jié)果。

4.2重定位前后震源深度沿經(jīng)度及緯度方向分布對(duì)比

圖4為重新定位前、后地震的震源深度沿經(jīng)度方向變化的剖面圖。由此圖可直觀的看出，重定位前后的震源深度分布有較大的差異。如圖4（a）所示為地震目錄深度結(jié)果沿經(jīng)度方向的分布情況，重定位前的震源深度呈有規(guī)律的網(wǎng)格狀、線狀分布，說(shuō)明原定位方法對(duì)震源深度的測(cè)定精度較低，無(wú)法體現(xiàn)真實(shí)的震源深度分布狀況。重定位后的震源深度范圍為0～40 km，地震震源深度主要分布在5～15 km 這個(gè)優(yōu)勢(shì)深度范圍內(nèi)，且在10～15km附近有明顯的分層，證實(shí)了研究區(qū)域的地震活動(dòng)主要集中于上地殼范圍，這一特征與云南地區(qū)地震活動(dòng)主要為淺源地震的震源深度特征相一致。在下地殼范圍存在少量地震活動(dòng), 位于下地殼的地震活動(dòng)呈現(xiàn)由東向西逐漸增加的趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)域內(nèi)有部分活動(dòng)構(gòu)造深入到下地殼范圍，這些活動(dòng)構(gòu)造主要集中于研究區(qū)域的西部地區(qū)。

從圖4（b）中可以看出沿東經(jīng)98.7o、99.2o、100.0o有三條明顯的震源深度較深的地震活動(dòng)帶。這三條地震活動(dòng)帶明確顯示了斷裂帶上的主要地震活動(dòng)，其中98.7o地震活動(dòng)帶對(duì)應(yīng)的是2011年6月20日及8月9日ML＞5.0的騰沖地震；99.2o地震活動(dòng)帶對(duì)應(yīng)的是2012年9月11日ML＞5.0的施甸地震；100.0o地震活動(dòng)帶對(duì)應(yīng)的是無(wú)量山斷裂的小震密集帶。

圖4（c）地震目錄深度結(jié)果沿緯度方向的分布，其分布情況與圖4（a）中沿經(jīng)度方向分布類似，呈有規(guī)律的網(wǎng)格狀、線狀分布，精度較低，未明顯顯示出震源深度的分布特征，無(wú)法體現(xiàn)真實(shí)的震源深度分布狀況。圖4（d）為重定位深度結(jié)果沿緯度方向的分布情況，從中可以看出在北緯24.5°至25.2°的區(qū)域有地震集中分布的情況，同樣對(duì)應(yīng)于騰沖、施甸中強(qiáng)地震序列及無(wú)量山斷裂的密集小震。

如圖4中的對(duì)比可以看出，從原始目錄得到的震源深度分布圖中可以看出震源分布相對(duì)均勻，呈不真實(shí)的網(wǎng)格狀和層狀，沒(méi)有明顯的指示特征與研究區(qū)域中的中強(qiáng)地震活動(dòng)及活動(dòng)構(gòu)造的小震活動(dòng)情況對(duì)應(yīng)，而重定位后的震源深度分布圖與實(shí)際地震活動(dòng)很好的吻合，說(shuō)明重定位結(jié)果更為可靠，雙差定位法較原定位方法在震源深度測(cè)定方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4.3 庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)

圖5為小灣庫(kù)區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造及重定位震中分布圖。重定位后，庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)小震活動(dòng)在空間分布上具有明顯的成帶性。較密集的小震群有兩個(gè)，呈北東走向的施甸地震群及位于水庫(kù)北沿著無(wú)量山斷裂，走向?yàn)楸北蔽飨虻男≌鹈芗瘞?，兩個(gè)小震群的走向分布特征與所處位置的活動(dòng)斷裂走向特征相一致。無(wú)量山斷裂帶的小震群地震分布較為集中，而施甸地震群較為分散，其中施甸地區(qū)的小震群主要是受2012年9月發(fā)生的ML＞5.0的施甸地震的影響。同時(shí)，沿瀾滄江斷裂、南汀河斷裂及兩斷裂之間也有部分地震活動(dòng)分布，而其他區(qū)域地震活動(dòng)并不明顯。

小灣水庫(kù)蓄水前從空間分布上看，庫(kù)區(qū)主要以2、3級(jí)地震為主，2、3級(jí)地震分布較散，主要分布于瀾滄江斷裂、無(wú)量山斷裂附近與南汀河斷裂以西的區(qū)域[7]；1993年漫灣水庫(kù)蓄水后瀾滄江斷裂與南汀河斷裂之間的地震頻次明顯增強(qiáng)，而南汀河斷裂以東的區(qū)域?yàn)槿跽饏^(qū)。對(duì)比2011年至2012年小灣庫(kù)區(qū)地震重定位結(jié)果可以看出，小灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)集中在無(wú)量山斷裂及瀾滄江斷裂與南汀河斷裂之間的區(qū)域，庫(kù)區(qū)內(nèi)的地震活動(dòng)主要受到瀾滄江斷裂、無(wú)量山斷裂、南汀河斷裂及區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)構(gòu)造的影響。

5 結(jié)論

本文利用雙差地震定位法, 對(duì)小灣臺(tái)網(wǎng)2011年1月至2012年12月間ML≥1.0，且記錄臺(tái)站≥5個(gè)的地震進(jìn)行重新定位, 得到3459個(gè)重新定位地震的震源參數(shù)。

重定位后的地震分布成帶性明顯，地震沿活動(dòng)斷裂帶集中分布，表明該地區(qū)地震活動(dòng)與活動(dòng)構(gòu)造有密切的關(guān)系；重定位結(jié)果顯示小灣庫(kù)區(qū)地震震源深度優(yōu)勢(shì)分布在5～15km，表面庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)集中于上地殼，區(qū)域西部部分活動(dòng)構(gòu)造深入到下地殼范圍；庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)集中在無(wú)量山斷裂及瀾滄江斷裂與南汀河斷裂之間的區(qū)域。無(wú)量山斷裂帶北端有較大規(guī)模的小震密集帶；瀾滄江斷裂帶北端有少量地震分布，瀾滄江斷裂北西走向段與近東西走向段結(jié)合部有小規(guī)模的小震密集帶；南汀河斷裂帶也有小震分布。

通過(guò)運(yùn)用雙差定位法在小灣水庫(kù)重定位中的運(yùn)用，表明該方法的定位精度較傳統(tǒng)定位方法有一定優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)震源深度給予了其更為有效的約束，這使重定位結(jié)果能夠真實(shí)反映庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)情況，對(duì)庫(kù)區(qū)范圍地震活動(dòng)及活動(dòng)構(gòu)造的深入研究提供了客觀有效的數(shù)據(jù)支持。

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Abstrraacctt:: We use double-difference location method and the earthquake catalog data recorded by 16 seismic stations of Xiaowan seismic network from Jan.2011 to Dec.2012 to accurately relocate the earthquakes occurred in the Xiaowan reservoir area. The accurate parameters of 3459 earthquakes have been obtained after the relocation. The results of relocation show the finer earthquake distribution map and reveal that the seismic activity has substantial connection with the active structures in this area. Comparing the original catalog data with relocated results, it indicates more accurate position of the focus and reflects the image of active structures clearly.

APPLICATION OF DOUBLE-DIFFERENCE LOCATION METHOD ON ACCURATE LOCATION OF EARTHQUAKES IN XIAOWAN RESERVOIR AREA

GAO Yang , MIN Zhao-xu , YE Jian-qing , HE Jia-bin

（Earthquake Administration of Yunnan Province, Yunnan Kunming 650224, China）

dss:: double-difference earthquake location method；the Xiaowan reservoir area；earthquake relocation

P315.5

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.04.013

1674-8565（2016）04-0075-06

2016-05-26

2016-07-28

高洋（1980-），男，云南省個(gè)舊市人，2005年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院研究生院（本部），碩士學(xué)位，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)和地震學(xué)研究工作。E-mail: dafang222@sina.com