基于雙差定位法的鄂爾多斯塊體西北緣地震精定位研究

郭 偉，劉甜甜 ， 范玲玲， 李貴明

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局烏加河地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015331；2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036)

0 引言

地震定位是用各個(gè)臺(tái)站觀(guān)測(cè)到的地震波到時(shí)來(lái)反演地震的空間位置,地震精定位是開(kāi)展地震學(xué)相關(guān)研究的基石。1912年，地震學(xué)家Geiger率先提出經(jīng)典地震定位方法[1]，但考慮到各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造不同、速度模型尚未完善及地震絕對(duì)到時(shí)拾取誤差較大等因素的影響，經(jīng)典地震定位法未能適用于所有地區(qū)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外地震學(xué)者一直致力于提高地震定位精度的研究，傳統(tǒng)的定位方法有S-P到時(shí)差、單臺(tái)定位法、多臺(tái)定位法等。相對(duì)定位法主要是應(yīng)用時(shí)間之間的相互關(guān)系，常用的有主事件法和雙差定位法。2000年，Waldhauser和Ellsworth提出了雙差地震定位法[2]，應(yīng)用震源之間的相對(duì)位置消除速度模型對(duì)定位結(jié)果的影響。張海江在此基礎(chǔ)上提出了TomoDD方法[3]，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)反演地震位置和速度結(jié)構(gòu)；楊智嫻等研究了雙差地震定位法在我國(guó)中西部地區(qū)地震精確定位中的應(yīng)用[4]；趙翠萍對(duì)1997—2003年新疆伽師震源區(qū)150多個(gè)地震進(jìn)行精定位，發(fā)現(xiàn)地震空間分布圖像顯著改善[5]，在空間上表現(xiàn)出較好的叢集；張廣偉等采用雙差定位法，對(duì)云南魯?shù)镸S6.5地震序列重新定位，結(jié)果顯示，主震的震源深度與破裂過(guò)程顯示的初始破裂深度較為接近，余震序列呈現(xiàn)出近東西—北西向的不對(duì)稱(chēng)共軛狀分布[6]；張帆對(duì)岱海斷陷帶及周邊地區(qū)地震事件進(jìn)行雙差重定位后發(fā)現(xiàn)地震在空間分布上更加集中[7]；李翠平等對(duì)2017年11月23日重慶武隆MS5.0地震序列進(jìn)行重定位，發(fā)現(xiàn)余震集中分布在主震SW方向[8]；閻春恒等采用雙差定位法對(duì)2019年廣西北流MS5.2地震序列進(jìn)行重新定位，發(fā)現(xiàn)地震分布呈北西向優(yōu)勢(shì)展布[9]；王恩惠等對(duì)鹽城地區(qū)近10年的小震進(jìn)行重新定位，發(fā)現(xiàn)精度大幅提高[10]；李彬[11]、尹占軍[12]分別對(duì)內(nèi)蒙古阿拉善左旗5.8級(jí)地震序列和內(nèi)蒙古中部地區(qū)符合條件的地震事件進(jìn)行雙差定位，均得到較準(zhǔn)確的震源深度。

雙差定位法在實(shí)際應(yīng)用中要注意以下幾點(diǎn)：不需要主事件，適用于較大的叢集地震空間跨度；適用于震中分布集中的、相鄰地震間距離幾百米甚至更小的地震群；雙差定位算法的主要局限性在于臺(tái)站的幾何分布和可用性；近臺(tái)對(duì)雙差定位結(jié)果有較大的影響。

研究選取2009—2019年發(fā)生在鄂爾多斯塊體附近(北緯34°～42°,東經(jīng)104°～114°)的地震數(shù)據(jù)，重新量取地震波形，采用雙差定位法進(jìn)行重新定位，為進(jìn)一步研究該區(qū)域的地震活動(dòng)性等奠定基礎(chǔ)。

1 地震地質(zhì)構(gòu)造背景

鄂爾多斯塊體位于華北克拉通塊體內(nèi)部，塊體內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng)微弱，周緣地震活動(dòng)強(qiáng)烈，歷史地震較多[13]。鄂爾多斯塊體北緣主要位于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，在陰山隆起和鄂爾多斯隆起之間，東西走向[14]，中強(qiáng)地震較為活躍，主要包括河套斷陷系(有呼包凹陷、白彥花凹陷和臨河凹陷，這3個(gè)凹陷的北緣分別是大青山山前斷裂、烏拉山山前斷裂和狼山—色爾騰山山前斷裂)和山西斷陷系北部(主要有大同盆地，邊界斷裂有口泉斷裂、六棱山北麓斷裂和衡山北麓斷裂)[15]；鄂爾多斯塊體西緣位于南北地震帶北端，是青藏地塊、阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯部位，新生代以來(lái)區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、南部弧形構(gòu)造帶以擠壓、走滑為特征，北部盆嶺構(gòu)造帶構(gòu)造活動(dòng)以拉張為主，發(fā)育有規(guī)模較大的張性-扭性正斷層[16]。

2 資料選取

選取2009—2019年發(fā)生在鄂爾多斯塊體附近(北緯34°～42°,東經(jīng)104°～114°)的地震事件為研究對(duì)象，采用雙差定位法重新定位。研究區(qū)域內(nèi)臺(tái)站和地震觀(guān)測(cè)報(bào)告中的地震分布如圖1所示。可以看出，地震基本上都分布在鄂爾多斯塊體西北緣，塊體內(nèi)部較少。

圖1 鄂爾多斯塊體西北緣臺(tái)站及地震分布Fig.1 Stations and earthquake distribution in the northwest margin of Ordos block

3 原理方法

雙差定位算法是調(diào)整事件對(duì)的相對(duì)位置，使得觀(guān)測(cè)值和理論值的到時(shí)差最小。對(duì)于臺(tái)站k，記錄到的第i個(gè)地震的體波走時(shí)t滿(mǎn)足:

式中:τi為事件的初始時(shí)刻;u為慢度;ds為積分路徑長(zhǎng)度。

假設(shè)地震事件i、j相距足夠近，這兩個(gè)地震事件到同一臺(tái)站k的路徑幾乎相同,則:

4 雙差定位結(jié)果及分析

4.1 速度模型

地震學(xué)中經(jīng)典的一維速度模型有J-B模型、PREM、IASP91和AK135模型。考慮到不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造不同，多年來(lái)學(xué)者們對(duì)不同區(qū)域分別開(kāi)展了相應(yīng)的速度模型研究。

劉芳[17]建立了內(nèi)蒙古地區(qū)地殼速度模型(簡(jiǎn)稱(chēng)“2015模型”)，趙艷紅[18]在“2015模型”的基礎(chǔ)上分別建立了內(nèi)蒙古西部、中部和東部3個(gè)區(qū)域的地殼速度模型。賈昕曄[19]在劉芳、趙艷紅研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)一維速度模型檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，分區(qū)速度模型更符合內(nèi)蒙古區(qū)域構(gòu)造特征，所以，該文采用的速度模型是賈昕曄的研究結(jié)果(見(jiàn)表1)。其中：H表示地殼厚度，VP表示P波的速度，VS表示S波的速度。

表1 內(nèi)蒙古中部地區(qū)水平層狀速度模型Table 1 Horizontal layered velocity model in central Inner Mongolia

4.2 結(jié)果分析

應(yīng)用雙差定位法，對(duì)鄂爾多斯塊體附近的地震進(jìn)行重新定位，定位前后的地震分布如圖2所示?？梢钥闯?，地震基本上都分布在鄂爾多斯塊體西北緣，塊體內(nèi)部較少。由于內(nèi)蒙古地區(qū)地域遼闊且地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，臺(tái)站分布不均勻，西部地區(qū)臺(tái)站分布較稀疏。雙差定位對(duì)于包圍較好的地震叢集有優(yōu)勢(shì)，在圖2的基礎(chǔ)上考慮構(gòu)造背景分區(qū)，分別對(duì)銀川吉蘭泰斷陷帶(鄂爾多斯塊體西緣)和河套斷陷帶(鄂爾多斯塊體北緣)的地震進(jìn)行重新定位，結(jié)果如第13頁(yè)圖3、4所示。雙差定位后的地震分布更集中，西緣和北緣均呈條帶狀分布，朝斷裂帶走向聚集，基本上與斷層走向一致，塊體西緣的地震沿銀川吉蘭泰斷陷帶分布，塊體北緣的地震沿河套斷陷帶分布，顯示出研究區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)與活動(dòng)構(gòu)造的密切關(guān)系。

圖2 鄂爾多斯塊體雙差定位前后地震分布Fig.2 Seismic distribution before and after double difference location in Ordos block

進(jìn)行雙差定位前后鄂爾多斯塊體及其西緣、北緣的均方根殘差如第13頁(yè)表2所示，可以看出，雙差定位后均方根殘差較之前降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于臺(tái)站密集，地震分布集中的區(qū)域叢集事件的殘差較小，反演過(guò)程組成叢集事件較多，說(shuō)明雙差定位的精度較目前測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的定位精度有提高。

第13頁(yè)表3是雙差定位后震源位置三分向誤差，可以看出，雙差定位后三分向誤差基本均在1 km以?xún)?nèi)。

從第13頁(yè)圖5、6、7(a圖均為重新定位前，b圖均為重新定位后)可以看出，重新定位前震源深度分布主要集中在5～20 km，定位后基本呈正態(tài)分布。尹占軍[12]對(duì)內(nèi)蒙古中部地區(qū)地震事件進(jìn)行雙差定位，結(jié)果表明，震源深度分布在6～10 km。張帆[20]通過(guò)Pn-Pg走時(shí)差計(jì)算內(nèi)蒙古地區(qū)地震震源深度發(fā)現(xiàn)，原始地震目錄深度在10 km以?xún)?nèi)，重新測(cè)定的深度分布在5～40 km范圍內(nèi)。為此，研究了鄂爾多斯塊體重新定位前后震源深度隨經(jīng)緯度變化的情況，結(jié)果如第14頁(yè)圖8所示?？梢钥闯?，重新定位前(見(jiàn)圖8a、8b)震源深度在5～10 km范圍內(nèi)，水平分層現(xiàn)象明顯，這與我國(guó)地震目錄的處理方式有關(guān)。目前，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)多采用人工分圖方式，有些震源由于臺(tái)站記錄到的震相不足等導(dǎo)致無(wú)法獲得準(zhǔn)確的震源深度，從而根據(jù)以往的分圖經(jīng)驗(yàn)人為設(shè)定一個(gè)震源深度(采用“地區(qū)優(yōu)勢(shì)”深度代替實(shí)際的震源深度[21])，與實(shí)際的深度存在誤差，進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)地震進(jìn)行重新定位是必要的。

鄂爾多斯塊體重新定位后(見(jiàn)圖8c、8d)震源深度隨經(jīng)緯度變化情況顯示，重定位后消除了水平分層現(xiàn)象，與張帆[20]通過(guò)Pn-Pg走時(shí)差重新測(cè)定的內(nèi)蒙古地區(qū)地震震源深度分布結(jié)果相吻合。在垂直方向震源呈條帶狀分布，地震優(yōu)勢(shì)分布在斷裂帶附近，說(shuō)明雙差定位算法可以較好地應(yīng)用震源的相對(duì)位置，對(duì)深度有一定的約束力，能夠更真實(shí)地反映當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造情況。

圖3 鄂爾多斯塊體西緣雙差定位結(jié)果Fig.3 Double difference location results of the western margin of Ordos block

圖4 鄂爾多斯塊體北緣雙差定位結(jié)果Fig.4 Double difference location results of the northern margin of Ordos block

表2 雙差定位前后均方根殘差

表3 雙差定位后震源位置三分向誤差

圖5 鄂爾多斯塊體重新定位前后震源深度分布Fig.5 Focal depth distribution before and after relocation of Ordos block

圖6 北緣重新定位前后震源深度分布Fig.6 Distribution of focal depth before and after relocation in the northern margin

圖7 西緣重新定位前后震源深度分布Fig.7 Focal depth distribution berore and after relocation of the western margin

5 結(jié)論與討論

采用雙差定位法對(duì)2009—2019年發(fā)生在鄂爾多斯塊體西北緣的地震事件進(jìn)行重新定位，結(jié)果表明：

(1) 雙差定位的精度較高。雙差定位后均方根殘差平方和RMS顯著降低，從精定位前的1.79～2.04降到0.06～0.15，精定位后震源位置三分向誤差基本都在1 km以?xún)?nèi)，垂直定位誤差略高于水平誤差。

圖8 震源深度隨經(jīng)緯度分布圖Fig.8 Distribution of focal depth with latitude and longitude

(2) 震源深度有所改善。消除了重新定位前震源深度水平分層的現(xiàn)象，重新定位后震源深度基本呈正態(tài)分布，在垂直方向上地震呈條帶狀分布。

(3) 震中分布更集中。定位精度明顯提高，鄂爾多斯塊體西緣的地震沿銀川吉蘭泰斷陷帶分布，北緣的地震沿河套斷陷帶分布，與塊體周緣復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景和動(dòng)力學(xué)過(guò)程密切相關(guān)。

經(jīng)過(guò)雙差定位的地震精度、震源位置及深度都有改善，為研究該區(qū)域的地震活動(dòng)性等奠定基礎(chǔ)，震源深度的精確測(cè)定在今后的研究中仍需不斷完善。