2010年-2017年邢臺(tái)及周邊地區(qū)中小地震的精定位研究

章 陽(yáng)， 陳 婷， 劉立申， 王利兵

(1.紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，邢臺(tái) 054000;2.河北省地震局，石家莊 050021)

0 引言

地震定位是指確定地震的發(fā)震時(shí)刻和位置(經(jīng)度、緯度、深度)，是地震學(xué)中最經(jīng)典、最基礎(chǔ)的問(wèn)題之一，是測(cè)震學(xué)的基礎(chǔ)工作之一，可以用于研究地震的活動(dòng)性和發(fā)震機(jī)制，并進(jìn)一步推廣到地震預(yù)報(bào)和工程地震中。地震定位的精確與否至關(guān)重要，但實(shí)際定位時(shí)受很多因素的影響，包括地殼速度模型、地震波到時(shí)數(shù)據(jù)、臺(tái)網(wǎng)布局和觀測(cè)臺(tái)站的位置等。地震定位精度的可能誤差分為模型誤差、走時(shí)誤差、計(jì)算誤差、與震源相關(guān)的誤差等[1]。因此，為了獲得更高精度的地震定位結(jié)果，很多專家學(xué)者都在致力于研究新的定位方法。Waldhauser等[2]提出了一種比絕對(duì)定位方法精度高的相對(duì)定位法-雙差定位法，該方法適用于大范圍地震的相對(duì)定位，將相鄰的兩個(gè)地震歸為一個(gè)地震對(duì)，每個(gè)事件的定位精度不受定位范圍的影響，特別適用于震源分布集中，相鄰地震事件距離小的地震事件群集，在國(guó)內(nèi)、外被廣泛應(yīng)用到不同研究區(qū)域。在國(guó)外，Waldhauser等[3-4]、Bogdan等[5]將雙差定位法應(yīng)用到地震重定位中，得到很多重要成果。國(guó)內(nèi)的很多專家也系統(tǒng)研究了雙差定位法，并將其應(yīng)用到不同區(qū)域的地震重定位中，取得了重要進(jìn)展[6-17]。該方法可以在很大程度上消除地殼速度結(jié)構(gòu)對(duì)定位結(jié)果的影響，從而獲得更加精確的地震對(duì)事件的相對(duì)位置。對(duì)于地殼構(gòu)造、地震預(yù)報(bào)等研究具有重要意義。

雙差定位算法的原理是如果兩個(gè)地震間的距離遠(yuǎn)小于地震到臺(tái)站的距離和介質(zhì)速度變化的尺度，那么地震波在地殼中的射線傳播路徑近似相同，這樣就可以消除各地震對(duì)的模型誤差。進(jìn)而以各地震對(duì)到同一臺(tái)站的走時(shí)差數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求解地震對(duì)的觀測(cè)和理論走時(shí)差的殘差的最小二乘解，從而獲取更加精確的震源參數(shù)信息，達(dá)到地震精定位的目的。筆者主要應(yīng)用雙差定位方法研究邢臺(tái)及周邊地區(qū)(36.3°-38.5°N，113°-116°E)，2010年1月至2017年6月發(fā)生的ML≥1.0的中小地震序列的重定位，從而獲得更加精確的地震目錄，分析地震和斷層間的關(guān)系。

1 資料選取和程序計(jì)算

1.1 資料選取

本文的地震數(shù)據(jù)資料主要來(lái)源于臺(tái)網(wǎng)中心的震相觀測(cè)報(bào)告，收集2010年1月至2017年6月發(fā)生在邢臺(tái)及周邊地區(qū)(36.3°-38.5°N，113°-116°E)的中小地震(ML≥1.0)的觀測(cè)報(bào)告，整理震相觀測(cè)報(bào)告，提取地震事件的初始震中位置和深度，獲取P波和S波到時(shí)。選擇P波到時(shí)小于25 s的臺(tái)站信息，剔除差錯(cuò)數(shù)據(jù)，刪除震相不清和距離較遠(yuǎn)的地震資料，保證每個(gè)地震至少有5個(gè)以上的臺(tái)站記錄到，最后得到滿足條件的地震共1 548個(gè)。研究區(qū)域的地震臺(tái)站共103個(gè)，分布在北京、天津、河北、山東、山西等區(qū)域，震中分布如圖1所示。所選取的地震資料的P波到時(shí)和S波到時(shí)，與震中距呈很好的線性關(guān)系，說(shuō)明選取資料合理。滿足計(jì)算條件的P波到時(shí)數(shù)據(jù)73 337條，S波到時(shí)數(shù)據(jù)77 799條。

圖1 研究區(qū)活動(dòng)斷裂與地震、臺(tái)站分布圖Fig.1 Activity faults,earthquakes and seismic stations distribution in the research areas

1.2 一維地殼速度模型的選取

地殼速度結(jié)構(gòu)對(duì)雙差地震定位算法的影響不大，因此選取較為精細(xì)的一維水平層狀速度模型。本次選用的一維層狀模型主要參考張小濤等[8]的研究成果(表1)。

表1 地震重定位使用的一維地殼速度模型Tab.1 1-D crustal velocity model for earthquake relocation

1.3 精定位計(jì)算

首先使用ph2dt配對(duì)程序進(jìn)行震相數(shù)據(jù)的預(yù)處理，把地震事件組成事件對(duì)，將觀測(cè)報(bào)告中的P和S震相轉(zhuǎn)換成hypoDD重定位程序的輸入，輸入數(shù)據(jù)是P波和S波震相的到時(shí)數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)是地震事件的走時(shí)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行重定位計(jì)算。重定位計(jì)算時(shí)P波震相精度比S波高，所以在計(jì)算過(guò)程中將P波到時(shí)權(quán)重設(shè)為1.0，S波到時(shí)權(quán)重設(shè)為0.5。由于邢臺(tái)及周邊地區(qū)地震較多，臺(tái)站分布較密集，因而選取地震到臺(tái)站的距離小于200 km，地震對(duì)間的距離小于20 km，采用共軛梯度法進(jìn)行阻尼最小二乘(LSQR)求解，最終計(jì)算得到重定位結(jié)果。

2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)程序計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，地震重定位后得到1515個(gè)地震事件的精確震源參數(shù)信息，占初始地震總數(shù)的97.17%。證明計(jì)算過(guò)程中選擇的數(shù)據(jù)資料和參數(shù)比較合理。

2.1 震中分布特征

圖3是初始地震震中分布圖和精定位后的震中分布圖。由于雙差定位法是一種線性定位方法，重定位后，地震的數(shù)量不可避免有所減少。產(chǎn)生空震的原因可能是由于程序計(jì)算過(guò)程中選擇的阻尼值不當(dāng)或速度模型不適應(yīng)造成。重新定位后顯示了比較精細(xì)的震中分布圖像，地震的震中分布和斷層的走向有很好地對(duì)應(yīng)關(guān)系，中小地震沿新河斷裂呈條帶狀分布。

圖2 初始地震震中分布和精定位后的震中分布圖Fig.2 Initial and relocated earthquake epicenter distribution

2.2 震源深度分布特征

在地震定位問(wèn)題中，震源深度的精確確定是一個(gè)比較棘手但是卻非常重要的問(wèn)題。我們對(duì)不同震源深度的地震頻次進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。圖3(a)震源深度集中在5 km～20 km。重定位后，圖3(b)顯示震源深度主要集中在6 km～15 km深度層。這與華北地區(qū)地震主要分布在中上地殼層的研究結(jié)果比較一致。對(duì)2017年1月3日19時(shí)41分12秒在河北隆堯發(fā)生的M3.8級(jí)地震，臺(tái)網(wǎng)目錄給出的震源深度是17 km，精定位后震源深度是13.477 km，在6 km～15 km范圍內(nèi)，集中在上地殼層。這說(shuō)明雙差定位法對(duì)震源深度的精確確定有很好的效果。

圖3 重定位前后震源深度分布Fig.3 Source depth distribution before and after relocation

圖4 沿剖面投影后重定位前后震源深度分布Fig.4 Source depth distribution before and after relocation by section projection

圖5 AB-CD投影剖面Fig.5 AB-CD projection profile

為了更好地分析震源深度分布特征，沿同一緯度37°N給出重定位前、后全部地震由西向東的深度剖面分布和沿同一經(jīng)度115°E給出重定位前后全部地震由南向北的深度剖面分布如圖4所示，剖面顯示，在重定位前有部分地震位于地表附近，部分地震有橫向排列和垂向排列的分布現(xiàn)象；重定位后得到的地震震源深度呈集中叢集分布，主要集中在新河斷裂帶上。

圖6 重定位后震源深度分布Fig.6 Source depth distribution after relocation

重定位后，邢臺(tái)周邊的中小地震主要集中在新河斷裂帶上和隆堯斷裂帶上，呈明顯的條帶狀分布。將地震沿新河斷裂剖面投影，投影剖面如圖5所示。得到精定位后的震源深度剖面如圖6所示。表明精定位后地震震源深度分不同區(qū)域呈集中叢集分布，震源深度主要集中在6 km～15 km。而且新河斷裂帶上的中小震集中在西南段，震源深度由西南向東北有一個(gè)逐漸變淺的趨勢(shì),這進(jìn)一步體現(xiàn)出雙差定位法的高精度。

3 結(jié)論和討論

筆者主要用雙差定位法對(duì)2010年～2017年邢臺(tái)及周邊地區(qū)的中小地震進(jìn)行重定位研究，分析精定位結(jié)果。精定位后均方根殘差明顯減小，研究區(qū)域的中小地震主要集中在隆堯地區(qū)，而且震中分布集中在新河斷裂帶上，呈現(xiàn)出明顯的條帶狀分布特征；從地震震源深度分布來(lái)看，地震主要集中在6 km～15 km深度范圍內(nèi)，中小震發(fā)震層為上地殼；新河斷裂帶上的中小震集中在西南段，震源深度由西南向東北呈現(xiàn)出逐漸變淺的趨勢(shì)。這充分體現(xiàn)出雙差定位法的高精度，該方法可以提供更加精確的地震目錄。在接下來(lái)的研究中可以重點(diǎn)集中在新河斷裂帶上，研究邢臺(tái)地區(qū)地震的成因機(jī)制以及地震危險(xiǎn)性分析，同時(shí)雙差定位法對(duì)于震源深度的確定有更高的精度，這可以用于大震速報(bào)，更好地開展應(yīng)急救援工作。