結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位方法在廣西北流
——廣東化州5.2級地震序列中的應(yīng)用

馬曉靜,康 英,楊 選

(1.廣東省地震局,廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室,廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室,廣州 510070）

0 引言

2019年10月12日22時55分,根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心報告,在廣西北流—廣東化州發(fā)生MS5.2級地震。廣東地震臺網(wǎng)正式編目分析結(jié)果,主震發(fā)震時刻22:55:26.7,震中為22.149°N,110.541°E ,震源深度9 km ,主震前有一前震,發(fā)震時刻22: 55: 24.6,震中為22.155°N,110.535°E ,震源深度13 km。據(jù)廣東地震臺網(wǎng)統(tǒng)計,截至10月26日24時,在震源區(qū)記錄到余震共182次,最大余震震級為ML2.5。

地震定位結(jié)果可以提供有關(guān)地震活動、地球內(nèi)部構(gòu)造、震源機理等的重要信息。常規(guī)地震定位方法一般分為絕對定位和相對定位方法。震源絕對位置的精度主要受幾個因素的影響,包括臺網(wǎng)的分布、是否有近臺數(shù)據(jù)、可利用的震相、到時讀數(shù)的精度和地殼速度結(jié)構(gòu)的精細程度等。

雙差定位方法是一種相對定位方法,由Waldhauser和Ellsworth[1]提出,基本原理為：如果兩個地震震源之間的距離遠小于事件到臺站的距離和速度不均勻的尺度,那么震源區(qū)和這個共同臺站之間的整個射線路徑幾乎相同,所以事件間絕對誤差主要來源于震源附近小范圍內(nèi)射線路徑的不同,在某一臺站觀測的兩個事件的走時差來自于事件之間高精度的空間偏移。該方法可以有效地減小由于對地殼結(jié)構(gòu)了解不夠精細而引起的誤差,再加上可以利用互相關(guān)分析法讀取事件間的到時差,很大程度提高了震相到時讀數(shù)的準確度。雙差法已在國內(nèi)外很多地區(qū)得到應(yīng)用,并取得了很好的效果[1-3]。

1 數(shù)據(jù)和計算

此次地震序列位于廣東與廣西省的交界地區(qū),周圍臺站分布比較稀疏。12日晚地震發(fā)生后,廣東省地震局應(yīng)急人員連夜前往化州,13日先后架設(shè)了流動臺站L4401、L4405、L4407,到21日余震明顯減少后流動臺站才停止觀測。期間還共享收取了廣西省在震后架設(shè)的流動臺站L4502、L4503的數(shù)據(jù)。根據(jù)廣東地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力分析結(jié)果[2],該地區(qū)的最小監(jiān)測震級為ML1.9 ,加入流動臺站后,觀測到的地震數(shù)目明顯增多,監(jiān)測震級顯著降低,而且近臺資料的使用有助于給出更穩(wěn)定的絕對位置和更準確的震源深度[2]。

分析廣東地震臺網(wǎng)觀測報告中的定位結(jié)果（圖1）,余震序列近似南北方向分布。觀察臺站分布,在發(fā)震區(qū)的北側(cè)臺站只有YLS臺站可用且震中距較遠,使得在大部分地震的定位時有個較大的空隙角,可能對定位精度有一定的影響。

圖1 雙差定位中所用的臺站和廣東地震臺網(wǎng)觀測報告中的震中分布,Fig.1 Distribution of the stations used in the relocation and epicenter of earthquakes in the observed report by Guangdong Seismic Network

本文采用廣東地震臺網(wǎng)10月12日到26日的觀測數(shù)據(jù),選取在3個以上地震臺有記錄的余震事件,包括151個地震的觀測報告數(shù)據(jù)和三分量波形數(shù)據(jù)。其中包括1次MS5.0～5.9 ,1次ML4.0～4.9 ,1 次ML2.0～2.9 ,5 次ML1.0～1.9,39次ML0.0～0.9 ,73次ML-0.9～-0.0 ,31次ML-1級以下地震。從地震序列的M-T圖和N-T圖（圖2）可以看出,主震后24 h內(nèi)的余震活動頻次最高,除22:55的前震和主震外,在23:31還發(fā)生了1.6和2.5級的雙震。之后在15日和17日分別發(fā)生ML1.8和ML0.9余震后,活動頻次有兩次短暫上升,隨后逐漸減弱。從時間分布來看,地震序列總體呈顯著衰減趨勢,衰減過程中伴隨較大余震的發(fā)生會出現(xiàn)短時間內(nèi)余震頻次增強,為一個較完整的主余震序列。

圖2 震級和每日發(fā)震個數(shù)的時序圖Fig.2 Magnitude-time plot and daily number of the earthquake sequence

對記錄到的151個地震事件,編目報告共包含1638條P和S震相,其中P震相754條,S震相884條。采用hypoDD方法對事件進行走時差計算,根據(jù)震相報告記錄,選取震中矩在200 km以內(nèi)的震相到時,組成P波事件對2647, S波事件對3075。

在預(yù)處理過程中,首先對波形數(shù)據(jù)進行去傾斜、去均值,然后通過坐標變換將E、N分量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為徑向(R)和切向(T)數(shù)據(jù)。計算中發(fā)現(xiàn),對于信噪比低的波形,互相關(guān)時容易產(chǎn)生錯誤的高互相關(guān)系數(shù),所以又進一步篩選出信噪比大于1.5的臺站記錄。進一步人工檢查去除波形質(zhì)量較差的臺站。利用垂直和切向分量波形數(shù)據(jù)分別對P波與S波段作互相關(guān)分析?？紤]到該序列事件的震級絕大部分在ML1.0以下,震相的頻率和噪聲頻率有較多重疊的部分,經(jīng)過試驗,決定采用頻段較高的巴特沃斯濾波,既可以濾除大部分噪聲,又可以保留盡可能多的事件信息。對臺站垂直向記錄的波形作3～20 Hz帶通濾波, P波窗長取Pg起始至到時后1 s段波形,時移0.2 s。對T分量波形作2～12 Hz帶通濾波,S波窗長取Sg起始至到時后1.5 s ,時移0.4 s。計算得到互相關(guān)系數(shù)在0.7以上的P波到時差數(shù)據(jù)3970條, S波5056條。對互相關(guān)系數(shù)相對較低或到時差較大的波形對,再進行一次人工篩查,以盡可能確認互相關(guān)數(shù)據(jù)的可靠性。圖3給出了13日00:38和07:05發(fā)生的兩個地震在信宜臺的互相關(guān)結(jié)果,圖中為濾波處理并按照走時差對齊后的波形, P波段互相關(guān)系數(shù)0.92 , S波段相關(guān)系數(shù)0.75 , P和S震相的走時差分別為-0.01 s和-0.09 s。

圖3 廣東信宜臺(XNY)記錄到的兩個地震的P波與S波波形互相關(guān)結(jié)果Fig.3 Waveform of the P and S for two earthquakes recorded by XNY

聯(lián)合使用P波和S波目錄震相走時差和波形互相關(guān)走時差進行雙差定位。對于目錄震相P波和S波的走時差數(shù)據(jù)的先驗權(quán)重分別為1和0.75 ,對波形互相關(guān)的P波走時差數(shù)據(jù)權(quán)重設(shè)為互相關(guān)系數(shù),S波走時差權(quán)重設(shè)為互相關(guān)系數(shù)的平方。

為了保證重定位的精度,經(jīng)過反復(fù)調(diào)整參數(shù),當互相關(guān)和觀測震相數(shù)大于9的時候,才將事件聯(lián)系在一起形成群組。以臺網(wǎng)目錄給的數(shù)據(jù)作為定位初值,使用共軛梯度算法,根據(jù)華南地區(qū)的地殼速度模型進行定位[5],最終得到109個事件的重新定位結(jié)果。

重新定位后整個序列呈北西方向展布,震中分布優(yōu)勢方向為NWW走向。主震震中位置為 22.155°N ,110.545°E , 震源深度 7.6 km , 前震位置 22.160°N ,110.529°E, 深度 7.6 km。從圖4重新定位后的序列分布圖來看,主震雙震和35 min后的ML2.5最大余震雙震基本處于同一條線AA'上,沿NWW-SEE方向展布約3.5 km ,余震雙震深度較深一些。大部分余震分布在AA'的北東側(cè),且余震分布呈現(xiàn)明顯的時空變化：在水平方向上看,前震和主震幾乎同時分別在AA'的西側(cè)和東側(cè)發(fā)生,早期余震發(fā)生在AA'附近區(qū)域,后期余震有向北向西方向移動的趨勢；在垂直剖面上看,序列沿BB'剖面的傾角約為75°,余震有沿北東方向、向地表遷移的趨勢,最小震源深度約4 km。余震震源深度主要分布在6～9 km,平均深度7.5 km。

圖4 序列重新定位后的震中分布和沿AA'、BB'兩個剖面的垂直分布。Fig.4 Distribution of the relocated epicenters and hypocenters along AA' and BB' profiles

圖5 雙差定位前后的震源深度分布。Fig.5 Distribution of the depths of earthquakes before and after the relocation

2 結(jié)論和討論

通過查閱文獻資料我們發(fā)現(xiàn),前人曾對十九世紀中、末期桂東南和粵西交界地域發(fā)生過的破壞性地震進行過研究,發(fā)現(xiàn)在粵桂交界的都安—賓陽—高州斷裂帶上發(fā)生過多次五級以上地震,并通過構(gòu)造帶的展布和地震序列分布,認為其中1890年8月29日的5?級地震,發(fā)生在都安—賓陽—高州斷裂帶的中段（分別用圖1中紅色圓圈和藍色實線段表示）[6]。本次地震的震中位置與之十分接近。

根據(jù)雙差定位結(jié)果,我們認為發(fā)震斷層沿NWW-SEE方向分布。破裂由前震開始,1.8 s后沿斷層方向擴展到主震,跨度約3.5 km,破裂深度7.6 km。震后25 h內(nèi)（包括震后35 min發(fā)生的包含最大余震的雙震事件）的余震也基本沿斷層方向分布。這期間的余震還有沿破裂面向深處發(fā)展的跡象。之后的余震有向地表、向北東向發(fā)展的趨勢,整體沿BB'剖面的傾角約75°。

地震發(fā)生后,中國地震臺網(wǎng)中心、中國地震局地球物理研究所、中國地震局地震預(yù)測所等采用不同的方法和資料計算了主震的震源機制解,萬永革課題組[7]整理了這些結(jié)果并計算出與所有測定震源機制的差別平方最小的“中心震源機制解”：節(jié)面Ⅰ的走向103.12°,傾角77.50°, 滑動角 -179.92°, 節(jié)面Ⅱ的走向 13.10°,傾角89.92°,滑動角-12.50°,為一右旋走滑斷層,震源機制球見圖4,值得注意的是由于雙震事件,其震源機制反演結(jié)果應(yīng)該是雙震的綜合反演結(jié)果。節(jié)面Ⅰ的產(chǎn)狀與定位結(jié)果和文獻[6]中的衛(wèi)星影像中地震構(gòu)造帶走向（圖1）都比較符合。值得注意的是,從地質(zhì)構(gòu)造上看,都安—賓陽—高州斷裂是一組活動十分顯著的左旋—剪切性活動斷裂[6],而震源機制解表明為右旋走滑,有一些矛盾的地方。考慮到該區(qū)域還有一組活動較強烈的右旋剪切—引張性的信宜—廉江北東向斷裂帶,屬于斷裂交叉部位,地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,還需要更進一步的現(xiàn)場考察才能得到更好的解釋。

綜上所述,我們認為此次MS5.2級震的發(fā)震斷層屬于都安—賓陽—高州斷裂帶的一段,破裂由前震開始, 1.8 s后沿斷層方向擴展到主震,跨度約3.5 km,斷層為NWW走向,傾角約75°,震源機制上表明為走滑破裂,總體看雙震破裂深度在7.5 km左右,發(fā)震后序列有先較深到9 km后變淺到4 km的趨勢。