基于波形相似性的單臺地震目錄校正＊
——以仙游地震序列為例

張紅才廖詩榮蔡輝騰陳智勇張燕明黃玲珠巫升華陳思輝

1） 中國福州 350003 福建省地震局

2） 中國福建廈門 361000 中國地震局廈門海洋地震研究所

3） 中國福州 350001 至永建設(shè)集團有限公司

4） 中國福州 350001 福建卓越建設(shè)集團有限公司

引言

地震目錄是地震臺網(wǎng)最主要的產(chǎn)品之一，也是進行區(qū)域活動構(gòu)造、地震預(yù)報和工程地震研究的重要基礎(chǔ)資料.對于震群型事件，地震目錄能夠直觀地展示出震群區(qū)域內(nèi)地震能量的釋放規(guī)律、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和序列活動特點等，這對于序列趨勢判定具有重要參考價值.近年來，隨著我國地震監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進，臺網(wǎng)規(guī)模不斷增大，布局逐漸優(yōu)化，臺網(wǎng)的監(jiān)測能力得到了逐步提升.目前，全國大部分地區(qū)地震監(jiān)測能力已達到ML2.5，其中首都圈為ML1.0，華東地區(qū)為ML2.0.正在實施的“國家地震烈度速報與預(yù)警工程”項目建設(shè)完成后，我國的地震監(jiān)測能力將得到進一步提升，為地震目錄的獲取奠定了重要的臺網(wǎng)基礎(chǔ).

為了獲得更為完整的區(qū)域地震事件目錄，近年來也發(fā)展了多種具有較高實用性的自動化算法，如震源掃描算法（source-scanning algorithm，縮寫為 SSA）（李文軍，陳棋福，2006；李文軍等， 2008；Janskyet al，2012；Liaoet al，2012；Zahradníket al，2015；Yuet al，2018），模板匹配濾波技術(shù)（matched filter technique，縮寫為 MFT）（Peng ，Zhao，2009；Menget al， 2013；Yoonet al，2015；Zhang ，Wen， 2015；李璐等， 2017；Walteret al，2017），以及機器學(xué)習(xí)算法（Rosset al，2018；趙明等，2019a，b；Konget al，2019；Zhu，Beroza，2019； Zhuet al，2019；Mousaviet al，2020）等.其中震源掃描算法根據(jù)一系列潛在相位信號特征上的堆積能量識別事件；模板匹配濾波技術(shù)通過掃描連續(xù)波形找出模板事件附近發(fā)生的、與模板事件相關(guān)性較好的遺漏地震事件；機器學(xué)習(xí)算法則從大量的歷史波形數(shù)據(jù)中提取、挖掘高維度特征信息，可實現(xiàn)高效的全空間搜索和函數(shù)的泛化，具備從低信噪比記錄中可靠拾取震相到時的能力.

為保證產(chǎn)出地震目錄的可靠性，地震臺網(wǎng)分析人員通常在一定數(shù)量的臺站（例如至少3個臺站記錄到5個以上清晰震相）觀測到震相信息后才產(chǎn)出相關(guān)事件目錄.由于地震事件的復(fù)雜性和觀測臺站分布的不均勻性，對于一些震級較小的事件，經(jīng)常僅震中周邊少數(shù)臺站有觸發(fā)記錄.現(xiàn)有產(chǎn)出模式下，臺網(wǎng)分析人員仍然需要對這些事件進行處理，即產(chǎn)出“單臺”地震目錄.對于震群型地震事件而言，這種情況更為普遍.受制于有限的震相信息，單臺事件往往不能采用常規(guī)定位算法給出確切的震中位置，通常采用奇異值分解（singular valuedecomposition，縮寫為SVD）得到震中方位角信息，然后根據(jù)單臺震相到時差S－P獲得震源距，最終給出參考震中位置.盡管單臺地震目錄中事件的震相大多數(shù)具有較高的信噪比，但由于無法提供較可靠的震中位置，因此單臺地震目錄在震后趨勢判定等應(yīng)用中一般未被考慮.若能夠?qū)⑦@些單臺事件合理地加以利用，那么便能夠使之有效地服務(wù)于震后各項應(yīng)急響應(yīng)及科學(xué)決策工作，進一步提升地震臺網(wǎng)的科技效益.

本文擬以福建地震臺網(wǎng)觀測報告中仙游地震序列的單臺地震目錄為研究對象，以多臺目錄震源位置為參考，考慮記錄波形之間的相似性，將單臺事件目錄進行校正，給出較為合理的序列事件目錄，以期實現(xiàn)單臺事件目錄的合理利用.

1 數(shù)據(jù)

仙游地震序列發(fā)生于福建金鐘水庫庫區(qū).該水庫于2010年5月開始蓄水，同年8月庫區(qū)開始出現(xiàn)地震序列活動，2012年后庫區(qū)地震活動水平逐漸提高，其中2013——2014年和2018——2019年庫區(qū)經(jīng)歷了兩次較為明顯的震群序列活動（圖1）.截止至2020年12月，庫區(qū)共記錄到ML0.0以上地震4300余次，其中最大震級事件為2013年9月4日MS4.8（ML5.0）地震.目前庫區(qū)地震活動依然較為活躍，主要與水庫的蓄水過程密切相關(guān).前期研究表明，仙游地震序列發(fā)生在少震、弱震區(qū)，其發(fā)震構(gòu)造主要為沙縣——南日島斷裂帶，但無法確定具體是哪個次級斷裂發(fā)震（李強等， 2015）.

圖1 仙游地震序列 M-t圖Fig.1 M-t plot for the Xianyou earthquake sequence

本研究收集了福建臺網(wǎng)產(chǎn)出的仙游序列事件觀測報告，并從數(shù)據(jù)庫中截取了相應(yīng)的波形記錄.圖2分別展示了臺網(wǎng)編目產(chǎn)出的多臺目錄（圖2a）及單臺目錄（圖2b）的震中空間分布.由圖可見，多臺目錄中的震中分布與庫區(qū)周邊的構(gòu)造之間具有較好的相關(guān)性，而單臺目錄中的震中位置則在一定空間內(nèi)呈隨機狀分布，基本位于以最近的XYSC臺為圓心，22 km為半徑的圓形區(qū)域內(nèi).兩個目錄中事件震級的統(tǒng)計結(jié)果表明（圖3），多臺目錄中的事件以中小地震事件為主，震級范圍為ML?0.6——5.0，而單臺目錄中的事件則以微震事件為主，事件震級集中于ML?1.0——0.4.需要說明的是，本研究所選用的多臺事件均采用HypoSAT方法（Schweitzer，1997）進行絕對定位，定位過程中選用華南一維速度模型（范玉蘭等，1990）（表1）.

圖2 仙游地震序列編目震中分布（a） 多臺地震目錄；（b） 單臺地震目錄Fig.2 Epicentral distribution of the Xianyou earthquake sequence catolog（a） The earthquake events recorded by multiple stations；（b） The earthquake events recorded by a single station

圖3 仙游地震序列編目震級情況統(tǒng)計直方圖Fig.3 Histogram of cataloged earthquake magnitudes for the Xianyou earthquake sequence

表1 本文 HypoSAT 定位所采用一維華南速度模型（范玉蘭等，1990）Table 1 The 1D Southern-China velocity model that used during HypoSAT earthquake location in this paper （Fan et al，1990）

2 方法

2.1 多臺編目事件的精定位

為了使單臺事件目錄得到更合理的校正，本文首先采用Waldhauser和Ellsworth（2000）提出的叢集地震相對定位方法——雙差地震定位法（HypoDD）將臺網(wǎng)產(chǎn)出的多臺目錄重新進行精定位，以提供更為準確的參考震源位置（Bergen，Beroza，2018）.HypoDD方法認為如果兩次地震震源之間的距離遠小于震源到觀測臺站及介質(zhì)速度變化的尺度，即可忽略不同震源到觀測臺站之間的射線路徑差異，進而可以認為同一臺站記錄的兩個事件之間相同震相的走時差是由震源空間位置的差異造成的.該方法利用信號的走時差反演震源位置，能夠有效地消除震源至臺站的共同傳播路徑效應(yīng)，對地殼速度模型的依賴性相對較小（王未來等，2014；房立華等，2018）.

2.2 根據(jù)波形相似性創(chuàng)建事件叢集

由于震群序列通常集中發(fā)生于一個較小的空間區(qū)域內(nèi)，以本文研究的仙游地震序列為例，多臺及單臺事件編目的震中均位于金鐘水庫庫區(qū)周邊（圖2），且研究表明該序列在不同時間段內(nèi)的發(fā)震斷層參數(shù)也不盡一致（袁麗文，李強，2016），因此呈現(xiàn)出較明顯的事件叢集特征，相同事件叢集的記錄波形高度相似.本文研究采用公式

對所有的多臺事件波形求取互相關(guān)系數(shù)r，式中，xi和yi分別為同一臺站兩個多臺事件記錄波形，ˉ 和ˉ分別為兩個多臺事件的地震波記錄期望.為方便計算，本文僅選取Pg震相到時后3 s窗長內(nèi)的記錄波形.根據(jù)事件記錄的主要頻率構(gòu)成，計算相關(guān)系數(shù)前首先采用2——10 Hz無相移帶通濾波器對記錄波形進行處理.設(shè)定波形相關(guān)最小閾值為0.8，當互相關(guān)系數(shù)r超過閾值0.8時即認為其屬于同一事件叢集.將所有事件叢集整合創(chuàng)建事件模板庫，這樣將大幅提高單臺事件與多臺事件匹配的計算效率，定位結(jié)果較為可靠.需特別說明的是，由于本文研究的仙游序列中單臺事件大多數(shù)為XYSC臺單臺事件，因此本研究中事件叢集挑選、事件模板庫創(chuàng)建及單臺目錄校正均基于該臺站記錄波形進行.

2.3 單臺事件目錄校正

多臺事件叢集模板庫創(chuàng)建后，采用相同的濾波頻帶對單臺事件記錄波形進行處理，然后將其與多臺事件叢集模板庫中的記錄波形進行匹配，從中尋找相關(guān)程度最高的事件叢集，而后在該事件叢集中再次搜索最佳匹配多臺事件波形，即認為單臺事件發(fā)生于最佳匹配的多臺事件的位置，進而實現(xiàn)對以多臺事件目錄為參考的單臺事件目錄的校正.本文所提出的單臺目錄校正方法流程示意如圖4所示.

圖4 本文單臺目錄校正方法流程示意圖Fig.4 Flow chart of the single-station event catalog correction process in this paper

3 結(jié)果

3.1 多臺事件精定位

應(yīng)用HypoDD算法對仙游地震序列（2010年8月至2020年12月）的多臺事件重定位，結(jié)果如圖5所示.重定位中僅使用人工拾取震相的走時差，區(qū)域速度模型采用金震等（2018）利用天然地震及18次人工爆破觀測數(shù)據(jù)得到的中國臺灣海峽西側(cè)地殼一維速度結(jié)構(gòu)（表2），其中，事件對與臺站之間最大距離設(shè)定為200 km，事件對搜索半徑設(shè)定為50 km，事件鄰居上限設(shè)定為200個，震相最小連接數(shù)目及最小震相對數(shù)目均設(shè)置為1.定位選用多臺事件共4 391次，HypoDD成功重定位4 339次事件.重定位后，多臺事件的水平位置及深度測定殘差均有所改善，走時殘差顯著降低（圖5），對比圖2a與圖6可見，重定位震源沿庫區(qū)周邊斷裂條帶狀分布特征更明顯，事件叢集特征也更清晰，說明采用HypoDD方法獲得了較好的序列分布位置，能夠為后續(xù)的目錄校正提供相對準確的參考震源位置信息.

圖5 應(yīng)用 HypoSAT （藍色）和 HypoDD （紅色）方法的仙游地震序列多臺事件重定位結(jié)果殘差對比（a） 東西向；（b） 南北向；（c） 深度方向；（d） 事件走時殘差均方根值Fig.5 Earthquake relocation residuals comparison of multiple-station events for the Xianyou earthquake sequence byusing the HypoSAT algorithm （blue） and HypoDD algorithm （red） respectively（a） The east-west component；（b） The north-south component；（c） The depth component；（d） The root mean square of event travel time residual

圖6 應(yīng)用HypoDD方法得到的仙游地震序列多臺事件重定位結(jié)果Fig.6 Earthquake relocation results for multi-station events of the Xianyou earthquake sequence by using the HypoDD algorithm

表2 HypoDD 相對定位所采用的一維速度模型Table 2 The 1D velocity model that used during the HypoDD relative location

3.2 多臺事件叢集模板庫

以記錄波形互相關(guān)系數(shù)為參考，本文將仙游地震序列的多臺事件共劃分為161個事件叢集，圖7為其中兩個事件叢集包含的多臺事件波形，它們分別由12個和20個多臺事件構(gòu)成.由圖可見，各事件叢集內(nèi)的多臺事件記錄波形間存在高度的一致性，互相關(guān)系數(shù)均超過0.80，震相到時差Sg?Pg也幾乎相同（兩次事件叢集分別為1.18±0.02 s和1.21±0.03 s），且不同事件叢集的記錄波形也存在明顯的差異，說明本文事件叢集挑選方法具有較好的實用性.隨后，對各事件叢集中對應(yīng)的多臺事件重定位震源位置的分析表明，除個別事件外，在空間展布上同一事件叢集中的多臺事件也是聚集的，這也說明本文所劃分的161個事件叢集是合理的.此外需要說明的是，每個事件叢集中所包含的多臺事件數(shù)量并不盡相同，為了保證事件叢集的可靠性，本文研究中設(shè)置一個事件叢集中至少包含3個多臺事件，所創(chuàng)建的161個事件叢集中最多一個則包括248個多臺事件.

圖7 兩個多臺事件叢集及其多臺波形的垂直向記錄，每個叢集波形以Pg震相到時為參考截取Fig.7 Two multiple-station events clusters and UD channel waveform in these two clusters separately，and in each cluster waveforms are aliened based on Pg arrival

3.3 單臺事件目錄校正

如前文所述，本文以多臺事件重定位目錄為參考，應(yīng)用波形互相關(guān)系數(shù)在161個事件叢集模板中搜索各個單臺事件最佳匹配叢集（圖8），然后進一步搜索最佳匹配事件，最終實現(xiàn)了單臺目錄的校正，結(jié)果如圖9所示，共對2 638次單臺事件中的2 596個事件進行校正.相較于圖2b，校正后的單臺目錄明顯更為合理，其震中不再呈以單臺為中心的圓形隨機狀分布，匹配得到的單臺目錄也可提供較為可靠的震源深度，與庫區(qū)周邊主要發(fā)震斷裂之間的相關(guān)程度也更高.單臺事件的參考震源位置校正完成后，對事件震級值進行校正，結(jié)果如圖10所示.大多數(shù)（約80%）事件的震級校正值為0.0，約11%的單臺事件震級增加0.1個震級單位，5%的事件震級減小0.2個震級單位，其余4%的單臺事件也進行了不同程度的校正.盡管由于記錄臺站數(shù)量較少，該震級量算結(jié)果可信度較低，但仍在一定程度上說明庫區(qū)周邊存在著較密集的微震活動.綜上可以看出，校正后單臺目錄的實用性顯著增強，為后續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了必要支撐.

圖8 一個單臺事件與多臺事件記錄匹配波形示例Fig.8 Waveforms of matched events for a single-station event and a multi-station event

圖9 仙游地震序列事件目錄校正結(jié)果Fig.9 Corrected earthquake catalog of the Xianyou earthquake sequence

圖10 仙游地震序列單臺事件目錄震級偏差校正值統(tǒng)計Fig.10 Statistical of magnitude deviation correction value of single-station events for the Xianyou earthquake sequence catalog

4 討論與結(jié)論

伴隨著地震臺網(wǎng)的不斷加密和臺站數(shù)量的增加，編目產(chǎn)出中待分析震相數(shù)量成倍增長，傳統(tǒng)的依賴人工分析為主的地震目錄產(chǎn)出模式將難以為繼，迫切需要研發(fā)以計算機自動處理為主的新型地震目錄產(chǎn)出模式.2018年開始，中國地震局即開展了“地震自動編目系統(tǒng)”的研發(fā)與示范應(yīng)用，該系統(tǒng)由中國地震局地球物理研究所牽頭，福建省地震局等單位參與.目前，地震自動編目原型系統(tǒng)已基本研發(fā)完成，并于2021年在首都圈、四川、云南、甘肅、福建等若干地震活動性較高的地震臺網(wǎng)逐步推廣使用.“地震自動編目系統(tǒng)”應(yīng)用先進的人工智能算法，從實時地震觀測數(shù)據(jù)中拾取震相到時信息，并采用穩(wěn)健的震相關(guān)聯(lián)算法和定位方法生成事件目錄.離線測試結(jié)果表明，“地震自動編目系統(tǒng)”表現(xiàn)出優(yōu)良的處理能力，其處理結(jié)果已基本達到甚至超過現(xiàn)有人工地震編目能力，相同情況下系統(tǒng)能夠產(chǎn)出更完備的地震目錄.更重要的是，漏報事件和誤報事件發(fā)生率均維持在較低的水平.

本文針對“地震自動編目系統(tǒng)”產(chǎn)出大量單臺事件目錄的需求，研究相關(guān)解決方案.結(jié)果表明，應(yīng)用本文方法能夠有效地實現(xiàn)單臺事件目錄的校正，產(chǎn)出目錄結(jié)果能夠為震后應(yīng)急響應(yīng)工作提供一定參考.本文單臺目錄校正結(jié)果的準確性和實用性很大程度上依賴于多臺事件叢集劃分的科學(xué)性和合理性，這是本方法的局限性.已有研究表明（胡淑芳等，2018），仙游序列在空間上呈叢集分布，且具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，事件發(fā)震時間受庫區(qū)水位變化的調(diào)制作用較為明顯.本文研究主要以實際觀測波形之間的相似性為標準，將序列劃分為161個叢集，各叢集內(nèi)的事件在時間上又相互重疊.在對單臺目錄校正時，若能夠合理增加考慮事件發(fā)生時序性特征，即在一定時間段內(nèi)搜索相似波形，那么校正后目錄的實用性將能夠得到進一步提升.由于校正后的單臺事件目錄是以多臺事件目錄為參考，針對校正后單臺目錄的震源深度分析可見，仙游地震序列中的單臺事件大都與淺源多臺事件相關(guān)，震源深度普遍小于10 km.邱毅等（2014）采用矩張量反演方法，分析了仙游地震序列的發(fā)震構(gòu)造及震區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場，結(jié)果表明該序列是由位于震區(qū)的金鐘水庫蓄水造成震區(qū)應(yīng)力調(diào)整而引起的.因此，本文分析認為這些單臺事件主要是與庫區(qū)淺部的應(yīng)力變化密切相關(guān)，與周邊主要構(gòu)造活動的相關(guān)程度較小.此外，本研究所分析單臺事件以人工編目分析產(chǎn)出結(jié)果為基礎(chǔ)，受到人工分辨能力限制，震源深度更深的事件可能由于信號過于微弱未能被人工拾取.應(yīng)用近年來發(fā)展的一系列基于機器學(xué)習(xí)的震相拾取方法，如 PhaseNet （Zhu，Beroza，2019），GPD （Rosset al，2018），EQTransformer （Mousaviet al，2020）等，可能會從波形記錄中識別出更多被遺漏的單臺事件，這將有助于進一步完善地震目錄.

本文基于記錄波形相似性討論了序列地震事件中單臺事件目錄的校正與應(yīng)用，提出了一個實用的單臺目錄校正算法.本研究的主要目的是完善地震序列事件目錄，提高單臺目錄的實用性.為了提供較可靠的參考位置信息，本文首先應(yīng)用HyppDD算法對多臺事件進行重定位，然后劃分事件叢集再進行匹配搜索.張盛峰等（2014）分析認為，盡管重定位后地震目錄的完備性較常規(guī)目錄有一定的下降，但在地震叢集的內(nèi)部下降程度較低，因此可以通過考慮地震叢集來克服.因此，本文認為以雙差定位目錄為參考的矯正后的單臺目錄在一定程度上仍可用于統(tǒng)計地震學(xué)參數(shù)的計算.

審稿專家對本文提出了有益的建議，福建地震臺為本研究提供了臺站觀測記錄及事件觀測報告，文中圖件使用Generic Mapping Tools和Matplotlib軟件進行繪制，作者在此一并表示感謝.