2022年1月8日青海門源MS6.9地震余震序列自動處理結(jié)果探討

王祖東, 楊曉鵬, 尹欣欣, 蒲 舉, 王維歡, 陳曉龍

(甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心正式測定,2022年1月8日1時13分在青海省海北州門源縣(37.77°N,101.26°E)發(fā)生6.9級地震,震源深度10 km。截至2022年1月15日,甘肅地震臺網(wǎng)編目余震886條,其中ML≥2.0地震236次,最大余震為1月12日的MS5.4地震。震源周邊震感明顯,造成海北州門源、祁連、剛察縣共1 662戶5 831人受災(zāi),9人受傷,4 052間房屋損壞(http://www.qhio.gov.cn/system/2022/01/10/013506168.shtml)。

地震編目作為地震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié),主要內(nèi)容包括地震目錄、震相類型、震相到時、震幅類型、震幅大小等。對地震進(jìn)行編目最終形成的觀測報告,可廣泛應(yīng)用于基于震相走時的層析成像、地震精定位等研究[1-3]。較大地震發(fā)生后,通常伴隨著密集且高頻次的余震,能否快速準(zhǔn)確地處理余震序列對于地震應(yīng)急及救援至關(guān)重要,而且快速準(zhǔn)確的余震序列也可以為地震破裂過程快速反演[4]、發(fā)震構(gòu)造研究[5]提供第一手資料。因此,強(qiáng)震過后的余震序列產(chǎn)出對震后趨勢判斷至關(guān)重要,如何快速準(zhǔn)確地產(chǎn)出余震目錄是地震監(jiān)測工作的重要內(nèi)容。

甘肅測震臺網(wǎng)日常處理本省49個臺站及鄰省共享的37個臺站數(shù)據(jù),每年需分析地震幾千個、震相數(shù)十萬條,具體處理過程包括震相到時拾取、地震定位、震級測量、震源機(jī)制計算等,且主要通過人工完成。隨著臺網(wǎng)密度的不斷加大,尤其是國家預(yù)警工程甘肅子項(xiàng)目的建設(shè)完成之后,甘肅省將有165個觀測臺站[6],屆時地震編目工作量將呈指數(shù)級增加。為了解決強(qiáng)震后地震序列的快速產(chǎn)出,廖詩榮等[7]于2021年開發(fā)了一套自動編目系統(tǒng),在云南地震臺網(wǎng)試用,并在2021年漾濞MS6.4地震中起到重要作用。試用結(jié)果顯示自動編目系統(tǒng)可在2～4 min內(nèi)產(chǎn)出地震目錄,具備處理密集地震序列的能力,自動檢測地震數(shù)量是人工目錄的2～3倍,且定位精度符合預(yù)期,震級處理下限可達(dá)ML0.0左右。

本文基于自動編目系統(tǒng),結(jié)合人工編目結(jié)果,從震中分布、震級分布、震相拾取精度、定位精度等維度分析討論自動編目系統(tǒng)在此次門源MS6.9余震序列中的優(yōu)勢及缺點(diǎn),以期為今后自動編目系統(tǒng)改進(jìn)及正式運(yùn)行提供依據(jù)。

1 地震信號自動分析處理

1.1 處理方法

研究使用廖詩榮等開發(fā)的地震編目實(shí)時處理系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)[8],利用PhaseNet模型[9]和EQTransformer模型[10]實(shí)現(xiàn)地震目錄的實(shí)時處理和產(chǎn)出。自動編目系統(tǒng)首先從JOPENS系統(tǒng)中調(diào)取實(shí)時地震波形,利用PhaseNet算法和EQTransformer算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,快速識別震相類型并標(biāo)注到時;然后通過組觸發(fā)和等時差八叉樹搜索相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)震相關(guān)聯(lián),使用一維或三維速度模型,結(jié)合多種定位方法對地震進(jìn)行定位;最后仿真完成的事件波形,自動量取振幅并計算震級。

由于甘肅地震臺網(wǎng)臺站分布較為稀疏,自動處理過程中漏檢率略高,因此在保證較低誤檢率條件下,將事件觸發(fā)最小閾值設(shè)置為6個震相,地震檢測和震相到時拾取使用PhaseNet方法,檢測窗口長度設(shè)置為30 s,重疊20 s,滑動窗口10 s;使用NLLoc定位方法[11]對地震事件進(jìn)行定位,速度模型采用甘肅一維速度走時模型[12];震級按照國家標(biāo)準(zhǔn)《地震震級的規(guī)定(GB 17740—2017)》[13],將檢測到的事件波形仿真到DD-1型地震儀記錄類型[14],計算ML震級。

1.2 數(shù)據(jù)

研究選取2022年1月5日1時45分—2022年1月15日1時45分甘肅地震臺網(wǎng)49個臺站及甘肅鄰省臺網(wǎng)共享的37個臺站記錄到的連續(xù)地震波形,人工編目與自動編目系統(tǒng)使用的臺站一致(圖1)。本文研究區(qū)劃定為:37.50°～37.9°N,101°～101.7°E。甘肅地震臺網(wǎng)在研究區(qū)內(nèi)編目余震共886條(以下簡稱人工編目),分析震相10 307個;自動編目系統(tǒng)共產(chǎn)出余震目錄1 273條(以下簡稱自動編目),拾取震相18 992個。

圖1 門源MS6.9地震余震序列人工編目與自動編目所用臺站分布圖Fig.1 Distribution map of stations used in manual and automatic cataloging of Menyuan MS6.9earthquake aftershock sequence

本文將兩種目錄中發(fā)震時刻差值在3 s內(nèi)、震中位置差在10 km內(nèi)的地震事件認(rèn)定為匹配成功,如果有多條事件符合匹配條件,則以發(fā)震時刻接近程度為依據(jù)判斷匹配事件。自動編目中無法從人工編目中找到匹配結(jié)果的地震條目,認(rèn)為是多檢測的地震;反之,人工編目中無法在自動編目中找到匹配結(jié)果的地震條目,則認(rèn)為是自動編目系統(tǒng)漏檢測事件。

2 結(jié)果分析

圖2是人工編目和自動編目震中及深度分布圖。從圖中可以看出,自動編目地震數(shù)量(藍(lán)色圓點(diǎn))明顯多于人工編目地震數(shù)量(紅色圓點(diǎn))?；谟^測報告統(tǒng)計,研究時段內(nèi)人工編目地震事件886個,余震震級分布范圍為ML0.3～ML5.4;自動編目生成地震目錄1 273條,震級分布范圍為ML-0.2～ML5.1,比人工地震目錄多出387條。自動目錄中有769條余震與人工目錄匹配,剩余117條無法匹配,匹配率86.8%。圖2中顯示自動編目震群序列較為聚集,與人工編目生成序列基本一致,但是自動編目存在個別余震定位不準(zhǔn)確現(xiàn)象。經(jīng)計算,4次較大余震中有3次余震震中位置誤差在3 km內(nèi),1次余震震中誤差7 km。

圖2 門源MS6.9地震余震序列人工編目與自動編目震源位置及深度分布Fig.2 Source location and depth distribution of manual and automatic catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake

通過圖2中震源深度的分布可以看出:人工編目對震源深度進(jìn)行取整處理,余震深度基本為5～15 km;自動編目結(jié)果深度分布主要集中在0～20 km,并且有大量余震深度為0的情況。其可能原因有:自動檢測的震相類型單一,缺少深度敏感震相;定位方法在震源深度方面精度略差;震中50 km內(nèi)臺站較少。

震級是地震的基本參數(shù)之一,對于地方震和微震,通常使用ML震級。ML震級是依據(jù)現(xiàn)行量規(guī)函數(shù),積累了大量近震震級資料計算得到的。測震臺網(wǎng)地震目錄里ML震級計算方法是將所有近震震級均仿真成短周期地震儀后,在位移記錄上量取兩水平分向最大位移值,最后采用式1來計算:

ML=lgAμ+R(Δ)

(1)

式中:Aμ表示兩水平分向地動位移記錄的最大算術(shù)平均值(μm);R(Δ)表示我國常用短周期地震儀測定ML的量規(guī)函數(shù),甘肅地震臺網(wǎng)人工編目計算ML震級使用校正后的量規(guī)函數(shù)[15]。

圖3表示自動編目與人工編目ML震級對比結(jié)果。由圖3可知,自動編目與人工編目地震震級基本在ML0.3～ML4.8之間。當(dāng)ML<1.6,自動編目個數(shù)明顯多于人工編目,其中有自動編目多識別出來的地震,也有將震級算低的地震,以及個別錯檢測的地震,這在后續(xù)研究中需要精細(xì)統(tǒng)計分析。對于ML≥1.6的地震,自動編目與人工編目產(chǎn)出的地震震級基本一致。由此可以看出,對于微小地震的編目工作,自動編目系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

圖3 門源MS6.9地震余震序列自動編目和人工編目震級分布Fig.3 Magnitude distribution of automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake

圖4(a)為2022年1月5日—15日門源MS6.9地震余震序列自動編目與人工編目的M-T圖,其中藍(lán)色為自動編目地震目錄,橙色為人工編目地震目錄。由圖4(a)得出,在1月8日主震發(fā)生前3天人工目錄僅處理了1條與門源地震相關(guān)的地震事件,而自動編目系統(tǒng)則處理了7條相關(guān)地震;主震發(fā)生當(dāng)天人工目錄與自動目錄記錄到的余震數(shù)量均最多,隨后依次遞減,符合大森定律[16]。在主震發(fā)生3天后[圖4(a)中綠色虛線)],余震明顯減少,但隨后又發(fā)生了強(qiáng)余震事件,說明該時間段斷層處于應(yīng)力累積階段。由此可以得出,強(qiáng)震發(fā)生后的余震發(fā)生頻率與分布對后期強(qiáng)余震的研判有一定指導(dǎo)意義。圖4(a)中還可以看出,自動編目相較于人工編目普遍存在震級略小的情況,這是因?yàn)樽詣泳幠肯到y(tǒng)未使用校正后的量規(guī)函數(shù)R(Δ)來計算ML震級,同時自動編目系統(tǒng)未能在最大振幅處量取振幅也是造成震級略小的原因,這也體現(xiàn)出人工編目在震級測定方面具有一定優(yōu)勢。

圖4 門源MS6.9地震余震序列自動編目與人工編目M-T圖及余震數(shù)量統(tǒng)計Fig.4 M-T map of automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake and statistics of aftershocks

圖4(b)表示隨時間推移余震發(fā)生數(shù)量的統(tǒng)計,其中藍(lán)色虛線表示自動編目余震數(shù)量,橙色實(shí)線表示人工編目余震數(shù)量。從圖中可以看到,自動編目余震數(shù)量明顯多于人工編目,但在主震發(fā)生后的前3小時,人工編目余震數(shù)要略高于自動編目,可能是由于人工編目處理了大量只有單臺、雙臺記錄的地震,同時自動編目系統(tǒng)存在多震疊加事件較難分離的現(xiàn)象。

圖5表示自動編目與人工編目震相到時差,統(tǒng)計結(jié)果呈正態(tài)分布,識別震相到時誤差基本都在±0.5 s內(nèi)。從圖5中可以看到,自動編目和人工編目Pg、Sg震相到時差多數(shù)在零軸左側(cè),說明自動編目在拾取震相時都略早于人工編目。兩種目錄相同地震相同震相的到時差在-0.125～0 s之間,Pg震相占比高于Sg震相,說明Sg震相識別精度有限。

圖5 門源MS6.9地震余震序列自動編目和人工編目震相到時差Fig.5 Phase arrival-time difference between automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 Earthquake

圖6為門源MS6.9地震余震序列自動編目與人工編目不同參數(shù)對比。從圖6(a)可以看出人工編目與自動編目的發(fā)震時刻差值基本在±2 s左右,符合預(yù)期值;其中大多數(shù)在-2 ～0.2 s之間,表明自動編目定位結(jié)果普遍比人工編目定位結(jié)果略早。這是由于自動編目系統(tǒng)使用的NLLoc定位方法是一種基于三維速度模型的非線性定位方法,其使用八叉樹搜索法進(jìn)行定位;而人工編目使用的單純型定位方法是一種線性定位方法[17],以走時誤差為目標(biāo)函數(shù),通過擬合到時求得目標(biāo)函數(shù)最小值,從而達(dá)到地震定位的目的。因此對于三維高精度速度模型,NLLoc方法或許會得到更好的定位結(jié)果,而甘肅地震臺網(wǎng)目前使用的是甘肅一維速度模型,這可能造成了自動編目結(jié)果略早于人工目錄。

圖6 門源MS6.9地震余震序列自動編目與人工編目多參數(shù)對比Fig.6 Multi-parameter comparison between automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake

從圖6(b)可以看出,兩種編目結(jié)果的震中差大多在7 km之內(nèi),少量在7 ～20 km之間,極個別在20～40 km之間。圖6(c)給出了兩種編目方式的震源深度差,絕大多數(shù)序列的差值在10 km內(nèi)。而兩種編目方式的震級差則在ML-0.5～ML0.4之間,多數(shù)序列在ML-0.2～ML0.2之間,個別地震震級差值較大[圖6(d)]。

3 結(jié)論與討論

為了更好地量化分析自動編目系統(tǒng)在甘肅地震臺網(wǎng)的本地化效果,本文利用2022年1月8日青海門源MS6.9地震主震前3天以及后7天甘肅地震臺網(wǎng)記錄到的連續(xù)波形數(shù)據(jù),結(jié)合人工編目結(jié)果,從震中分布、震級分布、震相拾取精度、定位精度等維度分析討論自動編目系統(tǒng)的優(yōu)勢及缺點(diǎn),得出如下結(jié)論:

(1) 定位精度方面。自動編目結(jié)果與人工編目結(jié)果基本一致,兩種目錄平均震中差5 km。由于自動編目系統(tǒng)與人工編目使用的定位方法不同,導(dǎo)致自動編目結(jié)果略早于人工編目結(jié)果,但大部分余震序列發(fā)震時刻差值在2 s范圍內(nèi),符合預(yù)期值。

(2) 震級計算方面。自動編目的震級計算結(jié)果與人工編目震級結(jié)果差值在ML-0.2～ML0.2之間,且自動編目結(jié)果震級大部分略小于人工目錄,這可能是由于人工編目盡可能地在最大振幅處量取,而自動編目系統(tǒng)未能在最大振幅處量取振幅。

(3) 震源深度方面。由于地震震源深度較難準(zhǔn)確測定,因此深度方面人工編目結(jié)果可信度不高,今后可以利用雙差定位等精定位方法與自動編目定位結(jié)果進(jìn)行比較分析。

(4) 自動編目比人工編目目錄產(chǎn)出速度快,從產(chǎn)出的余震序列分布來看,基本覆蓋了人工編目,并且處理了較多人工未處理的余震序列?？焖偃娴挠嗾鹦蛄袑φ鹑盒蛄汹厔菖袛嘤行Э尚?亦可對地震速報提供輔助作用。

致謝:感謝廖詩榮團(tuán)隊(duì)為本研究提供的自動編目程序;感謝甘肅地震臺網(wǎng)提供的地震觀測報告。