結合波形互相關的雙差定位方法在三峽水庫地震中的應用1

羅佳宏 馬文濤 李春政

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結合波形互相關的雙差定位方法在三峽水庫地震中的應用1

羅佳宏 馬文濤 李春政

（中國地震局地質研究所活動構造與火山重點實驗室，北京 100029）

本文采用基于波形互相關算法的雙差定位方法對三峽水庫地震進行精定位和地震活動性分析。首先使用雙譜互相關方法分析了三峽庫區(qū)加密臺網(wǎng)于2009年3月至2010年12月觀測到的地震波形數(shù)據(jù)，并對波形互相關分析的結果進行了評價?；诮Y合獲得的波形互相關數(shù)據(jù)使用雙差定位方法對地震事件進行精定位研究，結果表明使用雙譜法驗證的波形互相關數(shù)據(jù)的定位精度要高于其他數(shù)據(jù)的結果，其東西向震源位置平均誤差為3.2m、南北向為3.9m、垂直向為6.2m。重定位震中結果顯示巴東神龍溪兩岸微震分布明顯呈現(xiàn)出3條近東西向的線性條帶狀，與地表小規(guī)模斷裂和碳酸鹽巖地層走向一致，揭示了庫水主要沿著溶洞或者地下暗河滲透進而誘發(fā)地震活動，較強地震可能是微小地震貫穿活動面的結果。

雙譜驗證 波形互相關 雙差定位 三峽水庫

引言

地震定位是地震學中最基本、最經(jīng)典的問題之一，其核心內容是最大限度地提高地震定位精度。影響地震定位精度的因素很多，比如記錄臺站的分布、震相拾取的精度、速度模型的準確性等，其中影響最大的是速度模型誤差和震相到時讀取誤差。基于波形互相關技術的雙差定位方法能夠很好地克服這2種誤差（黃媛，2008），提高了數(shù)字地震波形應用范圍。使用互相關技術對P波和S波走時進行校正，減少到時讀數(shù)誤差的影響，很大程度上降低由于直接讀取震相到時所造成的誤差，并解決因速度模型不準確造成的定位結果分散問題，提高了地震定位的精度。

波形互相關分析分為時域和頻域2種計算方法（Poupinet等，1984）。時域互相關分析操作簡單，獲得了較廣泛的應用（Schaff等，2004；2005；Waldhauser等，2000），針對垂直分量互相關計算的局限性，發(fā)展了時域多通道相關檢測函數(shù)并用于計算波形互相關走時差（王清東等，2015）。在時域中選取互相關系數(shù)的閾值需要有一定的經(jīng)驗，如果閾值設定過高，可用數(shù)據(jù)就會很少，達不到高精度定位的要求，但如果閾值取太低，則會得到一些非真實震相信息。一個比較穩(wěn)妥的方法便是使用雙譜法（Du等，2004）對互相關系數(shù)結果進行驗證，可以更有效地增強互相關的可用信息并提高互相關數(shù)據(jù)的可信度。雙譜法能有效地壓制高斯互相關噪聲，在三階譜域內同時計算原始和濾波后波形的時間延時，并用這2個時間延時來驗證互相關系數(shù)的可靠性。因其具有精度高的特點，自提出以來便得到了一定的應用（Bannister等，2011；Bourguignon等，2015；Hansen等，2013；張廣偉等，2015；趙翠萍，2006）。

本文首先利用雙譜法軟件包（BCSEIS）對三峽庫區(qū)地震事件的波形數(shù)據(jù)進行互相關分析，并用雙差定位方法對地震事件進行精定位，對不同類型數(shù)據(jù)的定位結果進行比較，獲得了三峽庫區(qū)高精度微震定位結果。

1 地震波形數(shù)據(jù)處理

三峽水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)由26個地震臺站組成，包括21個英國L-22型三分向短周期速度擺和5個美國Guralp CMG-3ESPC寬頻地震計，數(shù)采均為Reftek130且采樣率為200Hz（馬文濤等，2010），在2009年3月至2010年12月的觀測時間范圍內一共獲得了5275次地震事件觀測報告及其波形數(shù)據(jù)。

在本研究中，我們首先對地震波形數(shù)據(jù)進行1.0—10Hz帶通濾波，得到原始和濾波后波形數(shù)據(jù)，然后分別在P波和S波到時前后截取一段波形進行互相關分析。我們取P波時窗長128個采樣點，P波到時前30個采樣點，之后97個采樣點；取S波時窗長192個采樣點，S波到時前50個采樣點，之后141個采樣點。圖1顯示了1個事件對的波形記錄，2個地震事件的編號分別為242和244，圖中只繪制了發(fā)震時刻到S波時窗范圍內的波形記錄，此外的波形不參與計算波形互相關系數(shù)，事件242和244的詳細信息見表1。波形互相關結算結果說明事件對之間具有高度相似，2次地震事件的波形互相關系數(shù)大于0.9，震相延時小于0.04s。將地震目錄震相的到時差和波形互相關延時差進行比較（圖2），波形互相關延時可以降低由于震相拾取誤差帶來的偏差，能獲得更高精度的到時差數(shù)據(jù)，說明用雙譜驗證方法提取的波形互相關系數(shù)具有較高的精度。

在雙譜計算過程中我們使用3個互相關系數(shù)閾值來檢驗計算結果：中央范圍系數(shù)、下限和上限。一般情況下，相當于傳統(tǒng)互相關延時計算中的閾值，在實際檢測時我們使用以下原則：

表1 圖1中地震事件對詳細信息

在雙差定位或雙差層析成像方法中，地震對之間的最大距離對反演結果有很大的影響。如果該值取得越小，則建立聯(lián)系的地震對之間距離越小，定位精度越高，但是太小則能夠建立聯(lián)系的地震就越少（黃媛等，2006）。在進行雙差定位或雙差層析成像之前，需要評價地震對之間的距離。一般可以計算地震對之間的距離并統(tǒng)計深度分布直方圖，從而可以快速地確定合適的地震距，我們計算了研究范圍內地震事件之間的距離（圖4），表明地震對之間的距離取20km較為合理，這個值與程序ph2dt給出的“強連接”事件對的最大距離也是一致的。但是該地震距是否與互相關地震對之間的距離匹配，需要進行詳細的分析。根據(jù)雙譜驗證法獲得的波形互相關數(shù)據(jù)，統(tǒng)計所有臺站記錄到的事件對震源距和相應的波形互相關系數(shù)，得到了互相關系數(shù)與事件對震源距分布圖（圖5）。結果表明，單純地設置地震對之間距離閾值為20km會降低互相關數(shù)據(jù)的使用質量，定位結果受橫向不均勻性的影響較大，因此需要適當?shù)販p小互相關地震對之間距離的閾值，這里我們選取6km，以保證大多數(shù)互相關系數(shù)和距離的一致性，并確?；ハ嚓P數(shù)據(jù)的使用效率和定位的精度。

2 三峽庫區(qū)雙差定位實現(xiàn)

根據(jù)2009年3月至2010年12月中國地震局地質研究所三峽水庫加密臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)結果，一共得到5275個地震事件，根據(jù)地震目錄獲得P波走時數(shù)據(jù)43538條和S波走時數(shù)據(jù)43385條，平均每個地震事件有7個清晰臺站記錄。為排除震相判讀錯誤和其他信息的干擾，使用最小二乘擬合走時曲線，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，同時使用和達曲線（即S-P曲線）對結果進行檢驗（藺永等，2014）。圖6表明數(shù)據(jù)擬合前存在一系列的干擾數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行走時曲線最小二乘擬合，剔除誤差較大的震相后，得到誤差較小的地震事件信息。經(jīng)過挑選后，得到5244個地震事件，共41423條P波和42354條S波震相數(shù)據(jù)。圖7為5244個地震事件的信息分布圖，分別給出了沿著經(jīng)度、緯度和深度的地震事件分布圖。結果顯示，地震事件主要分布在8km深度以上的范圍，且地震分布相對集中，長江水系外圍分布有離散地震事件。

根據(jù)三峽庫區(qū)已有的速度模型研究結果（李強等，2009；趙旭等，2007），選定速度模型的水平深度分別取0、2、5、8、11、14和20km，對應的P波速度為4.8、5.4、5.65、5.8、6、6.15和6.5km/s，P/S值根據(jù)圖6的擬合結果取為1.73。

3 三峽水庫地震精定位結果及分析

根據(jù)BCSEIS波形互相關分析的結果和地震目錄數(shù)據(jù)，我們使用hypoDD雙差定位軟件對三峽庫區(qū)水庫地震事件進行3組測試：第一組，僅利用地震目錄數(shù)據(jù)進行定位（CAT）；第二組，利用標準的波形互相關方法獲得的波形延時和地震目錄到時差數(shù)據(jù)（CC+CAT）進行定位；第三組，利用雙譜驗證獲得的波形延時數(shù)據(jù)和地震目錄到時差數(shù)據(jù)（WCC+CAT）進行定位。為了對比定位結果的差異性，對3組測試數(shù)據(jù)設置相同的參數(shù)和速度模型，最終獲得不同數(shù)據(jù)類型的地震平面位置（圖8）和深度誤差分布圖（圖9）。圖8表明，第二組和第三組的定位結果明顯優(yōu)于第一組數(shù)據(jù)的結果，具有較小的定位誤差和優(yōu)勢深度（圖9）。

重定位后的地震震中分布更加集中，呈線性化分布，顯示出地震事件向內收斂的趨勢。在巴東神龍溪兩岸表現(xiàn)出3條明顯的近東西向條狀分布，震源深度較淺，平均深度在5km左右，震中分布與地層走向基本一致，進一步驗證了水庫蓄水后庫水從神龍溪等地下暗河滲入而誘發(fā)地震的解釋（馬文濤等，2010）。中間一條地震分布線東口于2013年12月16日發(fā)生了S5.1級地震，從2009年3月—2010年12月的微震定位結果可以說明，該地震可能是在庫水的作用下，貫穿整個東西向的小規(guī)模斷裂引發(fā)的較大地震活動。在泄灘西區(qū)域存在的一個陡立東西向的微震活動帶，其可能和長江水系的滲透有關。而在秭歸香溪河口附近，地震分布在仙女山斷裂帶上，震源深度向下延深到10km，揭示了庫水滲透的最大深度。該處于2014年3月發(fā)生2次4級以上地震，可能也是庫水滲透引起斷裂局部活動的結果。

3組不同類型數(shù)據(jù)的定位誤差統(tǒng)計結果（圖10）表明使用雙譜驗證獲得波形互相關延時與地震目錄到時差數(shù)據(jù)的hypoDD定位精度明顯要高于其他2種數(shù)據(jù)的精度，地震震源位置的平均誤差在東西向為3.2m、南北向為3.9m、垂直向為6.2m。

4 結論

本文應用雙譜分析方法，對三峽庫區(qū)2009年3月至2010年12月的地震觀測數(shù)據(jù)進行了波形互相關分析，獲得了高質量的雙譜驗證波形互相關數(shù)據(jù)，并使用雙差定位方法對地震進行了重定位，獲得了高精度的定位結果。

基于三階譜域的雙譜驗證波形互相關算法能獲得比傳統(tǒng)閾值判定更高質量的波形延時數(shù)據(jù)，得到的互相關地震事件對的距離更加符合實際情況，能為雙差定位或者雙差層析成像提供更高質量的數(shù)據(jù)資料。

根據(jù)雙譜驗證方法獲得的傳統(tǒng)閾值判定和雙譜驗證的波形互相關數(shù)據(jù)，分別使用雙差定位程序進行了定位，結果表明結合雙譜驗證的波形互相關數(shù)據(jù)的定位結果精度高于其他數(shù)據(jù)的結果，其東西向震源位置平均誤差為3.2m、南北向為3.9m、垂直向為6.2m。

對三峽水庫地震重定位結果表明，巴東庫區(qū)神龍溪兩岸微震分布明顯呈現(xiàn)出3條近東西向的線性分布特征，與新構造時期產(chǎn)生的小規(guī)模斷裂和碳酸鹽巖地層走向一致，揭示了庫水主要沿著溶洞或地下暗河滲透而誘發(fā)地震活動，其中中間1條地震分布線端點正是發(fā)生2013年12月16日湖北巴東5.1級地震的震中位置，說明它是在庫水作用下沿著東西向小規(guī)模斷裂的一次較大巖體錯動事件；泄灘西區(qū)東西向垂直條帶狀分布預示地震活動與長江庫水滲透之間的關系；而在秭歸香溪河口附近，地震分布在仙女山斷裂帶上，震源深度向下延深到10km，揭示了庫水滲透的最大深度。

致謝：評審專家對本文的修改提出了寶貴的意見，文中大部分圖件使用GMT繪圖軟件包繪制（Wessel等，1995），在此一并表示感謝。

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Application of Double-difference Relocation Method Combined with Waveforms Cross-correlation on Earthquakes in the Three Gorges Reservoir Area

Luo Jiahong, Ma Wentao and Li ChunZheng

(Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China)

In this paper, we applied the double difference location method based on waveform cross-correlation algorithm for earthquake precision positioning of the Three Gorges Reservoir (TGR). First we used bispectrum cross-correlation method to analyze the seismic waveform data of TGR encrypted networks in March 2009 to December 2010, and evaluate the quality of waveform cross-correlation analysis. Combining the waveform cross-correlation of data obtained, we used the double difference method to relocate the position of quakes. The results show that the location by using bispectrum verified waveform cross-correlation data is higher than other type of data, and the mean 2sig-errors in EW, NS and UD are 3.2m, 3.9m and 6.2m, respectively. The results also show that the Badong and Shenlong River quake in reservoir distribution is characterized by linear distribution of three nearly east-west, which is in accordance with the small faults and carbonate strata line of new tectonic period, revealing reservoir water main along the underground river or cave penetration induced seismic activity. A strong earthquake may be the result of a small earthquakes that broken through the active plane.

Bispectrum verification；Waveform cross-correlation；Double-difference location；The Three Gorges Reservoir

1 基金項目 國家科技支撐計劃（2008BAC38B04）和中國地震局專項業(yè)務項目（16A44ZX282）共同資助。

2016-06-08

羅佳宏，男，生于1989年。碩士研究生。主要從事地震層析成像、近場地震學、誘發(fā)地震等研究。E-mail：ljh1771@163.com

馬文濤，男，生于1958年。副研究員。主要從事理論地震學和水庫誘發(fā)地震研究。E-mail：wentaoma_1@126.com

羅佳宏，馬文濤，李春政，2017．結合波形互相關的雙差定位方法在三峽水庫地震中的應用．震災防御技術，12（1）：56—67． doi：10.11899/zzfy20170106