長寧—昭通頁巖氣示范區(qū)小微地震地方性震級測定

陳穎, 田雯*, 吳慶舉*, 姚志祥

1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081

2 中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室, 北京 100081

0 引言

震級是對地震強度大小的度量.在場地條件相似的前提下,地震的震級越高,其引發(fā)的災(zāi)害也就越嚴(yán)重,因此震級成為地震應(yīng)急響應(yīng)、地震救援和災(zāi)害損失評估的一個關(guān)鍵指標(biāo).根據(jù)地震震級及與震級有關(guān)的震源參數(shù)統(tǒng)計關(guān)系,還可以定量估算其他震源參數(shù),例如地震的能量、地震矩、震源破裂時間、斷層長度以及斷層面積等(劉瑞豐等,2015).基于地震震級和地震頻度之間關(guān)系反演獲得的b值,常被作為一個反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀況的參考指標(biāo)(Bender,1983;Schorlemmer et al.,2005).不論是從地震學(xué)基礎(chǔ)理論研究的視角,還是從防震減災(zāi)的實際需求出發(fā),精確測量震級的大小均是一項具有深遠意義的重要工作(劉瑞豐等,2015).

1935年,里克特在美國南加州首次引入了震級的概念(Richter,1935),稱為地方性震級ML.1959年,李善邦根據(jù)我國常用的兩種地震儀(62型、64型短周期地震儀和SK型中長周期地震儀)的特性,分別建立了量規(guī)函數(shù)R1和R2,提出了我國地方性震級標(biāo)度ML(李善邦,1981).由于我國地域遼闊、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以采用統(tǒng)一的量規(guī)函數(shù)準(zhǔn)確測量所有的地震震級,大量的研究結(jié)果也證明了這一觀點(王麗艷等,2016).1999年,許紹燮等編制了《地震震級的規(guī)定》(GB 17740—1999)國家標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了用于測定我國境內(nèi)發(fā)生地震震級的量規(guī)函數(shù).王麗艷等(2016)依據(jù)大量觀測資料重新測定了區(qū)域量規(guī)函數(shù),應(yīng)用于國家標(biāo)準(zhǔn)《地震震級的規(guī)定》(GB 17740—2017).中國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 17740—2017)重新規(guī)定了測量地方性震級時采用的五大分區(qū)量規(guī)函數(shù),分別是東北與華北、華南、西南、青藏和新疆地區(qū)的量規(guī)函數(shù),目前中國地震臺網(wǎng)中心所采用的正是這一標(biāo)準(zhǔn).

近年來,與頁巖氣和干熱巖開發(fā)有關(guān)的誘發(fā)地震已成為全球研究熱點.作為我國頁巖氣開發(fā)的重點地區(qū),川南地區(qū)的歷史背景地震活動性較弱,1970年前4級以上地震較少發(fā)生(何登發(fā)等,2019),1970—2008年上羅鎮(zhèn)頁巖氣開采區(qū)也僅記錄到60次ML>2.5地震(Lei et al.,2017),自2011年以來,該地區(qū)中小微地震數(shù)量急劇增加,長寧、筠連、興文、珙縣等多地發(fā)生了一系列破壞性地震(易桂喜等,2019;Lei et al.,2019,2020)(圖1a).開展小微地震監(jiān)測,準(zhǔn)確測量小微地震的空間位置和震級大小,是評估、控制、降低工業(yè)活動觸發(fā)構(gòu)造地震風(fēng)險的首要環(huán)節(jié).目前國家標(biāo)準(zhǔn)使用的地方性震級量規(guī)函數(shù)震中距最小步長為5 km,已不能滿足區(qū)域地震臺網(wǎng)監(jiān)測到的震中距在數(shù)公里范圍內(nèi)的小微地震地方性震級的測定精度要求(Yang et al.,2021).

中國地震局地球物理研究所承擔(dān)了“川南國家級頁巖氣示范區(qū)地震活動性風(fēng)險評估與對策研究”項目,自2021年4月起,在長寧—昭通頁巖氣示范區(qū)內(nèi)布設(shè)了107個臺站(圖1b),監(jiān)測長寧—昭通一帶的小微地震活動.我們基于LOCFLOW流程,對流動臺陣記錄到的2021年的連續(xù)觀測數(shù)據(jù),開展微震檢測、識別與定位,編制了基于LOCFLOW的地震目錄(Tian, 2023).相較于中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的地震目錄,LOCFLOW采用Hutton和Boore(1987)給出的美國南加州地方性震級公式測量震級,其量規(guī)函數(shù)可能并不適用于本研究區(qū)域,因此兩個目錄給出的震級存在明顯的系統(tǒng)偏差(圖2b).長寧—昭通頁巖氣示范區(qū)寬頻帶密集臺陣記錄的小微地震的震中距普遍在20 km以內(nèi),震源深度主要集中在10 km以淺.國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的量規(guī)函數(shù)是關(guān)于震中距的分段函數(shù),一般適用于臺間距較大的固定臺站記錄的淺源地震,并不適合研究區(qū)流動臺陣記錄的近場小微地震.現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小5 km步長的量規(guī)函數(shù),按照0～5 km、0～10 km、0～15 km、0～20 km的震中距分檔,每檔采用相同的校正量對震中距變化在5 km范圍內(nèi)的臺站記錄振幅進行校正,對于構(gòu)造復(fù)雜的盆地地區(qū),不能準(zhǔn)確補償?shù)卣鸩ㄕ穹跀?shù)十米到千米尺度的空間變化,尤其是不能較好地對事件附近臺站記錄的振幅進行校正.

以往的研究中,國內(nèi)的地方性震級校正方法大多采用參考震級校正方法(項月文等,2018;康清清等,2019;Yang et al.,2021),即以中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布震級為參考,根據(jù)不同地區(qū)的衰減特征,分別獲得不同地區(qū)的量規(guī)函數(shù).本文基于參考震級校正和考慮臺基校正的量規(guī)函數(shù)參數(shù)擬合反演兩種方法,建立了針對長寧—昭通頁巖氣示范區(qū)的地方性震級公式.參考震級校正量規(guī)函數(shù)參數(shù)擬合反演方法以中國地震臺網(wǎng)中心根據(jù)國家震級測量標(biāo)準(zhǔn)測定并發(fā)布的事件震級為參考,從事件目錄中選取被研究區(qū)流動臺陣記錄到的所有事件波形數(shù)據(jù)并測量振幅,在最小二乘意義下極小化根據(jù)量規(guī)函數(shù)計算的震級與參考震級之間的誤差,擬合獲得研究區(qū)的量規(guī)函數(shù),從而測定被區(qū)域測震臺網(wǎng)遺漏但被流動臺陣檢測到的小微地震震級.考慮臺基校正的量規(guī)函數(shù)參數(shù)擬合反演方法則根據(jù)多個臺站記錄到的地震事件的振幅,直接反演獲得量規(guī)函數(shù)參數(shù)、震級、臺站校正因子、里克特震級標(biāo)定常數(shù).通過對較小震中距范圍的小微地震進行震源距校正,獲得了適用于研究區(qū)小微地震的地方性震級,為地震活動性和地震風(fēng)險評估提供更準(zhǔn)確的震級.

圖1 四川盆地及鄰區(qū)地震活動性及地震臺站分布(a) 1970年以來四川盆地及周邊發(fā)生的地震. 藍色實線和綠色方框分別代表斷層和研究區(qū)域,深紅色、橘色和黃色的圓點分別表示1970—2017年期間發(fā)生的5級以上、4～5級和小于4級的地震,紅色圓點表示2018—2022年6月期間發(fā)生的5級以上地震; (b) 長寧—昭通頁巖氣田的地震臺站分布. 紅色三角和藍色實線分別代表臺站和斷層.

1 研究數(shù)據(jù)

本研究的觀測數(shù)據(jù)來自在長寧—昭通地區(qū)布設(shè)的107套寬頻帶地震儀、2021年4月29日—10月29日記錄的地震事件數(shù)據(jù),臺陣采用了CMG-3ESP地震計,裝備了Reftek130B數(shù)據(jù)采集器.臺站跨度約60 km,平均臺間距約為5 km,覆蓋了長寧背斜和建武向斜等小微地震密集區(qū),為我們研究川南地區(qū)的地震活動提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

對密集臺陣的連續(xù)數(shù)據(jù)采用研究區(qū)的一維速度模型,應(yīng)用LOCFLOW流程檢測地震及定位(Zhang et al.,2022).其中,PhaseNet用于拾取震相到時(Zhu and Beroza,2019),HYPOINVERSE 用于絕對定位(Klein,2002),HypoDD用于相對定位(Waldhauser,2001).經(jīng)質(zhì)量控制后得到108727個地震事件,獲得了長寧—昭通地區(qū)地震的精定位目錄.震中距分布在0～50 km,震源深度集中在0～10 km,震級集中在0～3級,最大震級5.2級,也就是2021年9月3日發(fā)生在建武向斜南翼的MS4.7珙縣地震(Tian, 2023).LOCFLOW中使用的震級公式為(Hutton and Boore,1987)：

ML=log10A+1.11log10Δ+0.00189Δ-2.09,

(1)

其中,A為轉(zhuǎn)換到Wood-Anderson儀器記錄位移的水平分量最大振幅算術(shù)平均值,單位為μm;Δ為震中距,單位為km.

2 研究方法

2.1 我國地方性震級計算國家標(biāo)準(zhǔn)

里克特1935年提出地方性震級概念使用的儀器為Wood-Anderson地震儀,定義震中距100 km記錄的1 mm振幅對應(yīng)于ML=3.0的地震.20世紀(jì)50年代中期我國地震臺并沒有安裝Wood-Anderson標(biāo)準(zhǔn)地震儀,因此里克特提出的震級標(biāo)度不能直接用于我國地方性震級的測定.

1959年,李善邦根據(jù)華北地區(qū)的地震波衰減規(guī)律,得到了一套適用于我國的震級測定方法(李善邦,1981),定義為：

ML=log10Aμ+R(Δ),

(2)

(3)

其中Aμ是以μm為單位的位移振幅峰值,R(Δ)是以震中距Δ標(biāo)定的量規(guī)函數(shù).AN,AE分別為南北向和東西向S波(或Lg波)最大振幅.不同地區(qū)地震波的衰減特性不同,因此ML具有明顯的地方性特征.

ML使用S波(或Lg波)的最大振幅測定,一個地震事件的地方性震級是各個臺站測量到的震級的算術(shù)平均值.根據(jù)中國地震震級國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 17740—2017),震級計算前應(yīng)將地震記錄模擬為DD-1型地震儀的短周期位移記錄,并且最大振幅應(yīng)大于噪聲水平的兩倍(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2017),然后再根據(jù)對應(yīng)的量規(guī)函數(shù),按照公式(2)計算震級(Dai and An,2020).

公式(2)的量規(guī)函數(shù)R(Δ)描述了地震波隨震中距離的衰減特性,其衰減特性與傳播路徑密切相關(guān)(陳培善和秦嘉政,1983;薛志照,1992).GB 17740—2017將中國大陸分為五個區(qū)域,這五個區(qū)域分別以5 km的震中距為間隔定義了震中距介于0～1000 km范圍各自的分區(qū)量規(guī)函數(shù).黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、北京、天津、河北、山西、山東、河南、寧夏、陜西使用R11,福建、廣東、廣西、海南、江蘇、上海、浙江、江西、湖南、湖北、安徽使用R12,云南、四川、重慶、貴州使用R13,青海、西藏、甘肅使用R14,新疆使用R15.位于四川南部的長寧—昭通頁巖氣田的密集臺陣記錄的小微地震震中距鮮有超過60 km,對應(yīng)的量規(guī)函數(shù)R13列于表1.據(jù)圖2a,本研究選取的小微地震震中距連續(xù)分布在0～50 km,圖2b所示的LOCFLOW測定的小微地震震級與中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)發(fā)布的震級存在明顯的系統(tǒng)偏差,兩者之間的系統(tǒng)偏差表明現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的量規(guī)函數(shù)所采用的最小步長為5 km,可能不能準(zhǔn)確反映小于5 km的振幅衰減特征以及臺站場地特征.

表1 國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 17740—2017)規(guī)定的四川地區(qū)的地方性震級量規(guī)函數(shù)R13Table 1 The local earthquake magnitude gauge function R13 applicable to the Sichuan region specified in the Chinese National Standard (GB 17740—2017)

2.2 基于參考震級校正的參數(shù)擬合反演方法

參考震級校正參數(shù)擬合反演方法的基本原理是,以中國地震臺網(wǎng)中心提供的震級為約束,利用最小二乘擬合,最小化量規(guī)函數(shù)震級公式計算的震級與中國地震臺網(wǎng)中心參考震級的誤差平方和,反演獲得能使計算震級接近參考震級的量規(guī)函數(shù)公式參數(shù),給出參考震級校正公式,基于參考震級公式測定的震級在數(shù)值上接近中國地震臺網(wǎng)中心測定的震級.

本文采用Havskov和 Ottem?ller(2010)定義的地方性震級ML測量公式：

ML=log10A(D)+Qd(D),

(4)

其中,Qd(D)是位移校正項,即量規(guī)函數(shù),A(D)是位移振幅峰值,表示為以 km為單位的震源距D的函數(shù)：

(5)

其中,A0是震源處初始振幅,β是幾何擴展因子,v是S波速度,Q是質(zhì)量因子.這些參數(shù)很難直接確定,因此我們通過構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),利用最小二乘擬合的方法,求取震級公式的擬合參數(shù),從而免去計算式(5)中不便求取的A0,β,v和Q.

圖2 震中距分布直方圖、LOCFLOW震級和中國地震臺網(wǎng)中心震級對比(a)研究區(qū)地震事件震中距步長分別為5 km(左)和1 km(右)的直方圖;(b)相同地震事件LOCFLOW測定的震級(藍色圓點)和中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級(紅色圓點).

為了獲得形似式(4)的公式,我們對公式(5)的兩邊取以10為底的對數(shù)得到：

(6)

則式(4)中的衰減項Qd(D)可以表示為：

(7)

將公式(7)代入公式(4),假設(shè)所有射線路徑的v,Q和f不變,地方性震級ML便可以寫成：

ML=log10A+m1log10D+m2D+m3,

(8)

其中,常數(shù)m1,m2,m3分別表示幾何擴展因子、幾何衰減因子和基準(zhǔn)水平.

地震事件i在臺站j測得的地方性震級可以表示成：

Mij=log10Aij+m1log10Dij+m2Dij+m3,

(9)

地震事件i的震級由多個臺站測得的震級Mij的平均值得到：

(10)

其中Ns為記錄地震事件i的臺站數(shù)量.

設(shè)立目標(biāo)函數(shù)F(m1,m2,m3),使目標(biāo)函數(shù)最小,通過最小化量規(guī)函數(shù)預(yù)測震級與臺網(wǎng)參考震級之間的差值平方和,反演獲得公式(9)中的系數(shù).

(11)

參考震級校正方法的具體步驟如下：

(2)對地震波形進行預(yù)處理,去均值,去除儀器響應(yīng),轉(zhuǎn)換成Wood-Anderson儀器的位移;

(3)計算每個Wood-Anderson位移水平分量最大振幅的算術(shù)平均值A(chǔ)ij;

(4)通過最小化目標(biāo)函數(shù)F求解式(11)的擬合參數(shù)m1,m2,m3;

(5)將擬合參數(shù)m1,m2,m3代入式(9)和式(10),獲得每個事件的震級Mi.

通過與中國地震臺網(wǎng)中心的地震編目的比對,以臺網(wǎng)中心測定的震級為參考,本文從川南工業(yè)區(qū)流動地震臺網(wǎng)定位獲得的地震目錄中,選取290個事件,將臺陣記錄的波形數(shù)據(jù)去除儀器響應(yīng)并轉(zhuǎn)換到Wood-Anderson儀器的位移記錄,單位為μm.然后,在每個事件波形S波前后20 s的窗口內(nèi),計算兩個水平分量峰值A(chǔ)N,AE的算術(shù)平均值作為位移振幅峰值A(chǔ)ij,如圖3所示.

圖3 水平分量最大振幅截取窗口(紅色部分)

圖5 參考震級校正方法的擬合結(jié)果(a)和(b)分別為北區(qū)擬合結(jié)果和南區(qū)擬合結(jié)果.橫縱坐標(biāo)分別為參考震級校正得到的震級和臺網(wǎng)中心發(fā)布震級.

我們將研究區(qū)分成南北兩個分區(qū)分別擬合震級公式,其中北區(qū)以長寧背斜為主,南區(qū)以建武向斜為主,事件分布如圖4所示.在北區(qū)和南區(qū)的參考事件個數(shù)分別為108次和182次,擬合后獲得的震級公式分別為公式(12)和(13),擬合結(jié)果如圖5所示,從擬合結(jié)果看,南區(qū)擬合的震級更接近國家臺網(wǎng)中心測定的震級水平.

ML=log10A-2.89log10D+0.02D+1.289,

(12)

ML=log10A-1.88log10D-0.03D+0.897.

(13)

將上述公式應(yīng)用于南北兩個分區(qū)未被區(qū)域臺網(wǎng)記錄的小微地震,即可得到與國家震級測量標(biāo)準(zhǔn)基本一致的小微地震震級.

2.3 考慮臺基校正的參數(shù)擬合反演方法

考慮臺基校正的參數(shù)擬合反演方法的基本原理是利用大量地震事件在多個臺站記錄的地震波形的振幅數(shù)據(jù)及震源距,根據(jù)量規(guī)函數(shù)公式反演獲得相關(guān)的擬合參數(shù)與震級,并校正到里克特震級標(biāo)準(zhǔn).不同于參考震級校正方法,臺基校正方法采用里克特震級作為參考標(biāo)準(zhǔn),計算轉(zhuǎn)換到Wood-Anderson儀器響應(yīng)的位移最大振幅和震源距,構(gòu)造矩陣方程,利用奇異值分解反演得到與震源距有關(guān)的振幅校正參數(shù)、震級、臺站校正項以及里克特震級標(biāo)定常數(shù),其中的臺站校正項考慮了臺站場地條件對地震波振幅的影響.里克特震級標(biāo)定常數(shù),也就是所謂的基準(zhǔn)水平,則將震級校正到里克特標(biāo)準(zhǔn).

Bakun和Joyner(1984)建立了適用于美國加利福尼亞中部地震的ML震級標(biāo)度,采用的震級測量公式為：

ML=log10A+alog10R+bR+S+c,

(14)

其中,A定義為Wood-Anderson地震儀在震中距Δ測得的最大振幅,震中距和振幅的單位分別為km和nm,本文采用震源距R替代震中距,a和b分別表示振幅與幾何擴散以及衰減有關(guān)的常數(shù)因子,S為臺站校正項,c為根據(jù)里克特地方震級定義確定的震級校準(zhǔn)常數(shù),即將震中距100 km處Wood-Anderson儀器記錄振幅1 mm、相當(dāng)于481 nm實際位移的地震震級標(biāo)定為ML=3.0(Richter,1935),本文稱之為里克特震級標(biāo)定常數(shù).

研究表明,地方性震級測量須考慮地震波振幅隨震中距衰減的區(qū)域變化特征(Alsaker et al.,1991;Kim, 1998;Keir et al.,2006;Saunders et al.,2012;Ottem?ller and Sargeant,2013;Li et al.,2015).為了獲得區(qū)域性的ML測量公式,一般基于區(qū)域內(nèi)不同震中距范圍內(nèi)足夠數(shù)量的觀測數(shù)據(jù),通過求解以下方程組,反演獲得擬合參數(shù)：

-log10Aij=alog10Rij+bRij-MLi+Sj+c,

(15)

其中,i和j分別為地震事件和臺站,MLi是事件i的平均震級,Sj是臺站j的臺站校正項,所有臺站校正項的總和為0,故臺站校正項是相對校正量.本研究采用奇異值分解反演該線性系統(tǒng),求取a,b,MLi和Sj(Teukolsky et al.,1992;Ottem?ller and Sargeant,2013;Menke,2018).構(gòu)造如下的線性方程組：

(16)

其中m和n分別是反演所用到的地震事件數(shù)量和臺站數(shù)量.

關(guān)于里克特震級標(biāo)定常數(shù)c,大多數(shù)地方性震級測量均采用里克特震級定義,確定適用于不同區(qū)域的校正基準(zhǔn)量.Hutton和Boore(1987)在編制美國南加州地區(qū)的量規(guī)函數(shù)時,建議采用震中距17 km 振幅10 mm對應(yīng)ML=3.0作為標(biāo)準(zhǔn),測量南加州地震的地方性震級.

采用與參考震級校正方法相同的分區(qū),我們利用考慮臺基校正的參數(shù)反演方法分別擬合北區(qū)和南區(qū)的震級測定公式,為對比兩個分區(qū)獨立反演獲得的臺站校正項,兩個分區(qū)均使用所有107個臺站的記錄.考慮到矩陣方程未知數(shù)的數(shù)量,為保證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性,只使用被4個以上臺站記錄的地震事件,通過奇異值分解反演和里克特震級校正,分別獲得南北兩個分區(qū)的震級測量公式.

在北區(qū)共篩選了2595次地震事件,得到震級公式如下：

ML=log10A+1.115log10D+0.0015D

-2.063+Sj;

(17)

在南區(qū)共篩選了1332次地震事件,得到的震級公式如下：

ML=log10A+1.104log10D+0.0023D

-2.121+Sj.

(18)

反演獲得北區(qū)與南區(qū)震級大小與每個臺站的臺站校正項如圖6所示,參與反演的臺站分布如圖7所示,北區(qū)和南區(qū)獨立反演獲得的臺站校正項之間的相關(guān)性如圖8所示.

由于研究區(qū)地震事件的震中距均在60 km以內(nèi),缺失里克特震級定義的100 km附近的地震事件,故我們根據(jù)公式(17)和公式(18)的結(jié)果取平均值,定義震源距為6 km 振幅10 mm對應(yīng)ML=3.0,作為川南地區(qū)的震級參考標(biāo)準(zhǔn).

為對比臺站分布范圍對震級測定的影響,我們分別選取南北分區(qū)內(nèi)部的臺站,北區(qū)共篩選了1264次地震事件和25個臺站,南區(qū)共篩選了1328次地震事件和82個臺站,得到了基于分區(qū)內(nèi)部臺站數(shù)據(jù)獲得的震級公式,北區(qū)和南區(qū)的震級計算公式分別為公式(19)和(20).北區(qū)與南區(qū)震級大小ML與各臺站的臺站校正項Sj結(jié)果如圖9所示.

ML=log10A+1.118log10D+0.0019D

-2.109+Sj,

(19)

ML=log10A+1.125log10D+0.0026D

-2.193+Sj.

(20)

將上述公式應(yīng)用于南北兩個分區(qū)所有小微地震,即可得到與里克特震級標(biāo)準(zhǔn)基本一致的小微地震震級.

3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

參考震級校正和臺基校正兩種震級測量方法獲得的小微地震震級對比如圖10所示,不難發(fā)現(xiàn),在整個研究區(qū)域,參考震級方法測得的小于1.5級與臺基校正方法測得的小于1級的震級分布相關(guān)性較弱,在此水平之上的絕大多數(shù)地震的震級則存在明顯的線性關(guān)系.

圖6 臺基校正方法的擬合結(jié)果,南北分區(qū)均使用全部臺站(a)和(b)分別為北區(qū)2529次地震事件、107個臺站反演得到的震級與臺站校正項;(c)和(d)分別為南區(qū)1332次地震事件、107個臺站反演得到的震級與臺站校正項.橙色圓點和藍色圓點分別表示奇異值分解后得到的震級和校正到里克特震級標(biāo)準(zhǔn)的震級.

圖7 北區(qū)和南區(qū)獨立反演獲得的臺站校正項(a)和(b)分別表示北區(qū)和南區(qū)地震事件獨立反演獲得的臺站校正項.

圖8 北區(qū)和南區(qū)獨立反演獲得的臺站校正項之間的相關(guān)性

基于本文兩種震級測量方法以及LOCFLOW內(nèi)置算法獲得的南北兩個分區(qū)的地震震級,我們計算獲得了南北兩個分區(qū)的震級-頻度關(guān)系式,南北兩個分區(qū)的b值和震級分布如圖11所示.

結(jié)果顯示,LOCFLOW、參考震級校正和臺基校正方法獲得的北區(qū)完備震級Mc分別為0.6、0.8和0.6,b值依次為1.16、1.48和1.06.在南區(qū),所對應(yīng)的完備震級Mc分別為0.5、0.9和0.6,b值依次為1.12、1.32和1.06.

根據(jù)參考震級校正方法獲得的b值與另外兩種方法獲得的b值差距較大,且地震目錄完備性也低于后兩種方法,可能是因為使用的位移數(shù)據(jù)是Wood-Anderson儀器仿真記錄,而非國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的DD-1儀器記錄,我們將在后續(xù)研究中開展深入分析.地方性震級宜通過考慮臺基校正的參數(shù)擬合反演方法獲得的量規(guī)函數(shù)直接測量,慎用以國家臺網(wǎng)發(fā)布震級為參考震級,通過構(gòu)建Wood-Anderson儀器仿真數(shù)據(jù)的量規(guī)函數(shù)的方法間接測量.

圖9 臺基校正方法的擬合結(jié)果,南北分區(qū)分別使用位于分區(qū)內(nèi)部的臺站(a)和(b)分別為北區(qū)1264次地震事件、25個臺站反演得到的震級與臺站校正項;(c)和(d)分別為南區(qū)1328次地震事件、82個臺站反演得到的震級與臺站校正項.橙色圓點和藍色圓點分別表示奇異值分解后得到的震級和校正到里克特震級標(biāo)準(zhǔn)的震級.

圖10 基于參考震級校正方法和臺基校正方法獲得的震級對比

4 結(jié)論

本文使用參考震級校正和基于臺基校正的參數(shù)擬合兩種方法,用震源距替代震中距,針對長寧—昭通頁巖氣示范區(qū)內(nèi)北區(qū)和南區(qū),分別獲得了小微地震的地方性震級測算公式,并將其應(yīng)用于2021年4月至10月密集臺陣的地震記錄.兩種方法都具有一定的參考價值,利用參考震級校正方法可以將密集臺陣記錄的地方性震級校正到與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)一致,利用臺基校正方法可以將密集臺陣記錄的地方性震級校正到與經(jīng)典的里克特震級標(biāo)準(zhǔn)一致.

圖11 基于三種方法獲得的震級-頻度關(guān)系(a)(b)(c)北區(qū); (d)(e)(f)南區(qū).從左到右依次為LOWFLOW流程、參考震級校正方法、臺基校正方法.

在參考震級校正方法中,我們根據(jù)流動臺陣檢測到的地震事件目錄,從國家臺網(wǎng)中心地震編目中選取了290個被流動臺陣檢測到的地震事件作為參考事件,采用最小二乘擬合反演方法,確定了適用于長寧—昭通頁巖氣示范區(qū)的震級測算公式的最佳擬合系數(shù),建立了基于參考震級的區(qū)域性量規(guī)函數(shù).在臺基校正方法中,我們利用眾多臺站記錄到的大量地震事件的振幅和震源距數(shù)據(jù),構(gòu)造矩陣方程,反演獲得了包括臺站校正項在內(nèi)的量規(guī)函數(shù)參數(shù)以及震級,并確定了里克特震級標(biāo)定常數(shù),相比參考震級校正方法,該方法考慮了不同臺站場地條件對振幅的影響,且無需挑選參考震級作為約束,適用于缺少參考震級約束的小微地震震級測定.我們將震源距為6 km 振幅10 mm對應(yīng)ML=3.0,作為川南地區(qū)的震級參考標(biāo)準(zhǔn).

我們利用參考震級校正和考慮臺基校正的參數(shù)擬合反演方法測定的震級,分別獲得了研究區(qū)南北分區(qū)的b值和完備震級Mc,結(jié)果對比表明,臺基校正參數(shù)擬合反演方法測定的震級所獲得的b值和完備震級Mc與LOCFLOW流程更為接近,基于參考震級擬合反演方法所得結(jié)果與LOCFLOW流程、臺基校正參數(shù)擬合反演方法存在明顯不同,可能是因為本研究使用的位移記錄是轉(zhuǎn)換到Wood-Anderson儀器響應(yīng)的位移,而國家震級測量標(biāo)準(zhǔn)則采用DD-1儀器響應(yīng)的位移.建議小微地震震級測定采用考慮臺基校正的參數(shù)擬合反演方法,構(gòu)建區(qū)域性的量規(guī)函數(shù),直接測量地方性震級.

致謝謹(jǐn)以此文祝賀滕吉文先生90華誕暨從事地球物理工作70年.感謝中國地震臺網(wǎng)中心、國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：∥data.earthquake.cn)提供數(shù)據(jù)支撐.感謝長寧—昭通頁巖氣示范區(qū)的臺陣布設(shè)人員的野外工作以及數(shù)據(jù)處理.本文圖件主要由 GMT(Wessel et al.,2013)程序完成.