黃顯良, 郁建芳, 戚　浩, 張　炳, 夏仕安, 韓成成

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031；2.蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站,安徽 蒙城 233500)

?

安徽霍山窗中小地震活動與精定位研究①

黃顯良1,2, 郁建芳1,2, 戚浩1,2, 張炳1,2, 夏仕安1, 韓成成1

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031；2.蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站,安徽 蒙城 233500)

摘要：采用雙差地震定位方法對安徽省霍山地區(qū)2009年1月1日至 2014年6月13日發(fā)生的2 679個ML≥0.0地震進行重新定位研究。對同一地震事件定位前后位置進行比較,得到各個地震在E-W、N-S及U-D三個方向的偏差平均值分別為0.05 km、0.06 km及0.07 km。重新定位后,原震源位置的定位精度大大提高,由定位誤差所引起的原震源位置呈現的“網格狀”假象分布現象得到明顯改善,震中在空間上分布更加緊湊,叢集性明顯,且呈現出3條NE向分布的地震密集帶,與落兒嶺—土地嶺斷裂方向大致一致。同時震源深度的分布更加精確,且在4～9 km處存在明顯的優(yōu)勢分布現象,占總數的88%以上?；羯降貐^(qū)淺源地震發(fā)育,表明該地區(qū)地殼中上部地震波速度較高。

關鍵詞：安徽霍山地區(qū); 地震活動； 雙差定位； 震源深度

0引言

地震定位是地震學最基本的問題之一,地震活動性、地震與活動構造的關系等諸多研究都以地震定位的結果為基礎和依據,為此地震學家們一直致力于改進和提出新的地震定位方法,以提高定位精度[1-4]。

在臺站布局合理的前提下,震源參數測定的誤差主要來源于兩方面：一是初至震相到時拾取引起的誤差；二是定位過程中選取的速度結構模型引起的誤差。通常后者是造成定位精度不高的重要原因。近年來,旨在彌補速度模型簡化所引起誤差的相對地震定位方法發(fā)展迅速,其利用多個地震事件聯合定出多個震源參數,提高相對位置精度,而且大量事件的同時定位也使得定位效率有所提高[5]。

雙差地震定位方法[6](Double-Difference Algorithm,簡稱DD)是目前應用較多的一種相對定位方法。該方法反演的是一組叢集地震中每個地震相對于該叢集矩心的相對位置,不依賴主事件位置,不僅能有效減小地殼結構所引起的誤差,而且同樣適用于空間跨度較大的叢集地震。因其獨到的優(yōu)點,雙差定位方法自被提出后在國內外得到廣泛應用,并取得了較好效果[7-11]。

1雙差定位方法

雙差地震定位的基本思想是：如果兩個地震震源之間的距離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)和這個臺站之間的整個射線路徑幾乎相同。這時在某個臺站觀測到的兩個事件的走時差來自于事件之間的空間偏移。

雙差定位中,使用兩個地震走時差的觀測值與理論值的殘差(“雙差”)確定其相對位置：

(1)

(2)

WGm=Wd

(2)

反演中引進一個表示所有地震經重新定位后其平均“位移”為零(也即其“矩心”不動)的約束條件：

(4)

以阻尼最小二乘法求解式(3),問題歸結為：

(5)

式中：λ為阻尼因子;I為單位矩陣。

2霍山地區(qū)歷史地震重定位

自20世紀70年代安徽地震監(jiān)測臺網建成以后,監(jiān)測到霍山縣以西的落兒嶺—諸佛庵一帶頻頻發(fā)生中小地震,活動的頻次和強度在安徽省及其鄰區(qū)顯得尤為突出。該地區(qū)具有中強地震集中成帶、小震密集、震源深度淺、多以震群方式活動等特征,一直以來都是安徽省重點監(jiān)測和關注的地區(qū),在該地區(qū)加密了地震網點的布設,如圖1所示。

圖1　安徽霍山地理位置及臺站分布Fig.1　　　Geographycal location of Huoshan area in　　　Anhui province and stations distribution

2.1資料選取

所選研究區(qū)域范圍為31.0°～32.0°N,116.0°～117.0°E,收集整理了2009年1月1日至 2014年6月13日期間安徽地震臺網記錄到的霍山地震資料,剔除震相不清楚或數據有差錯的,僅挑出不少于3個臺站記錄到的ML≥0.0地震共計2 679個,其中4.0～5.0級地震1次,3.0～3.9級地震2次,2.0～2.9級地震55次,1.0～1.9級地震459次,0～0.9級地震2 162次。共整理出21 450條震相數據,包括直達波Pg、Sg,首波Pn、Sn,反射波PmP、SmS到時。使用安徽臺網的數字記錄波形資料進行重定位,數字記錄每秒100個采樣點。

圖2　安徽霍山地區(qū)主要斷裂展布圖Fig.2　　　Main faults distribution in Huoshan area,　　　 Anhui province

2.2地殼速度結構模型

安徽霍山地區(qū)因其復雜的地質構造和頻繁的地震活動,一直以來都是地震學家研究的重點區(qū)域之一[13-16]。該區(qū)域的人工地震研究也較豐富,黃耘等[17]運用多震相地震走時成像法獲得了該地區(qū)的三維地震速度結構成像結果；王椿鏞等[18-19]在大別山區(qū)域沿測線布設了8個炮點,給出了相對精細的速度結構圖(圖3)。本文在充分吸收前人研究成果的基礎上,結合接收函數H-K掃描結果,給出了研究區(qū)域的一維速度結構模型,將地殼分為6層,波速比取1.73,每層厚度和速度值如表1所列。

2.3雙差定位過程和結果

對研究區(qū)域2 679個地震進行雙差重定位,選取震相觀測記錄數≥7、震源間距<10km、震源距臺站300km范圍內的地震事件進行組對,經篩選后有2 148個地震事件組成震群參與了定位。利用共軛梯度法反復迭代后得到2 069次地震的高精度震源位置,約占總數的77.2%。造成地震部分缺失的原因是重定位組對過程中某些地震因不滿足條件而被剔除。

重定位前后震中分布對比如圖4所示:定位前后地震震中分布的整體位置沒有太大改變,基本都位于NE向落兒嶺—土地嶺斷裂西側與NW向子潭—曉天斷裂的交匯處。定位前震中分布較零散[圖4(a)],出現由定位誤差造成的假象徑向排列;重定位后,震中分布形態(tài)更清晰、更密集,條帶狀分布明顯,主要可劃分為3個呈NE向分布的地震密集帶[圖4(b)中方框],與落兒嶺—土地嶺斷裂方向大致吻合。

圖3　大別山地區(qū)地殼二維速度模型[19]Fig.3　2-D crustal velocity model of the Dabie Shan[19]

深度/km層厚/km縱波速度值/(km·s-1)004.10336.101076.2020106.5530106.8540108.10

對同一地震事件定位前后位置進行比較,可得到各個地震在E-W、N-S和U-D三個方向的偏差(圖5),其平均值分別為0.05 km、0.06 km及0.07 km。誤差分析表明：霍山地震經雙差重定位后水平和垂直向的定位精度較高,其誤差較小。對比三個方向的定位誤差,垂直向的偏差最大,這也表明了震源深度的確定在地震定位過程中比較困難。

圖4　安徽霍山地區(qū)2009—2014年地震經雙差定位法重新定位前、后震中分布圖Fig.4　　　Map view of epicenter distribution before and after the DD relocation　　　from 2009 to 2014 in Huoshan area,Anhui province

重定位前后地震震源深度的分布情況如圖6所示。重定位前有近2%的地震未給出震源深度,重新定位后只有2次地震未給出震源深度；雙差定位后,震源深度的分布更加精確,主要分布在4～10 km,占總數的95%,表明霍山地區(qū)中小地震在地殼中上部的一定深度范圍內呈優(yōu)勢分布現象。

圖5　　　震源位置經雙差定位法重新定位后的　　　相對誤差統計圖Fig.5　　　Statistics histogram of the relative errors of　　　hypocentral location after the DD relocation

圖6　雙差定位法重新定位前、后震源深度分布統計Fig.6　Statistics distribution of focal depth before and after the DD relocation

重定位前后震源深度沿經緯度方向的分布如圖7所示。重定位前,由于給出的震源位置參數精度較低,所以圖7(a)中呈現出“網格狀”的假象分布；重定位后,這種由定位誤差引起的假象徑直分布得到明顯改善,震中分布更加緊湊,叢集性明顯。

圖7　雙差定位法重新定位前后震源深度沿經度、緯度方向的分布Fig.7　Cross-sectional views of seismicity along longitude and latitude before and after the DD relocation

3結論和討論

采用雙差地震定位方法對安徽霍山地區(qū)2009年1月1日—2014年6月13日期間發(fā)生的2 679個ML≥0地震進行重新定位研究,給出了2 069次地震較高精度的重新定位結果。

雙差重定位結果表明,重定位后震源位置精度較高,由定位誤差所引起的原震源位置呈現的“網格狀”假象分布現象得到明顯改善。位于霍山地區(qū)佛子嶺—諸佛庵一帶的小震震群,經重定位后由一個地震叢集呈現出3條NE向分布的地震密集帶,與落兒嶺—土地嶺斷裂方向大致一致。經計算得到重定位后E-W、N-S及U-D三方向的相對誤差平均值分別為0.05、0.06和0.07 km,精度較高,且對比得到垂直方向誤差最大,說明在地震定位中震源深度的確定較困難。

震源深度的分布在重定位后更加精確,在4～9 km處存在明顯的優(yōu)勢分布現象,占總數的88%以上。淺源地震十分發(fā)育,表明該地區(qū)地殼中上部地震波速度較高。近年來許多地震學家對大別山地區(qū)進行了人工地震和構造結構的研究[17-20],根據這些研究結果可見,位于大別山的霍山地區(qū)淺源地震發(fā)育是合理可信的。

同時,雙差方法不能對孤立地震定位,需要滿足一定條件組成地震對,且定位過程中反演大型矩陣會出現解的穩(wěn)定性問題,都使得參與重新定位的地震數目在一定程度上減少。因此,利用其他定位方法或結合波形互相關技術聯合反演進行對比研究是下一步研究方向。

致謝:感謝中國地震局地球物理研究所房立華老師在本研究過程中的指導和軟件支持。

參考文獻(References)

[1]朱元清,趙仲和.提高地震定位精度新方法的研究[J].地震地磁觀測與研究,1997,18(5):59-67.

ZHU Yuan-qing,ZHAO Zhong-he.Research on the New Method to Raise Earthquake Location Accuracy[J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research,1997,18(5):59-67.(in Chinese)

[2]何斌,王恒知,張元生.基于視出射角與到時參數聯合定位方法對高郵、寶應交界M4.9地震序列的定位研究[J].地震工程學報,2014,36(4):1081-1086.

HE Bin,WANG Heng-zhi,ZHANG Yuan-sheng.Location of the Gaoyou—BaoyingM4.9 Earthquake Using Apparent Emergence Angle and Seismic Arrival Times[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(4):1081-1086.(in Chinese)

[3]李亞榮,榮代潞,范兵,等.玉門5.9級地震序列定位研究[J].西北地震學報,2005,27(增刊1):83-88.

LI Ya-rong,RONG Dai-lu,FAN Bing,et al.Study on the Locating of Seismic Sequence of Yumen EarthquakeM5.9[J].Northwestern Seismological Journal,2005,27(Supp 1):83-88.(in Chinese)

[4]裴慧娟,韓曉明,張帆,等.內蒙古通遼5.3級地震序列特征及發(fā)震背景分析[J].地震工程學報,2015,37(1):242-247.

PEI Hui-juan,HAN Xiao-ming,ZHANG Fan,et al.Analysis of Sequence Characteristics and Occurrence Background of the TongliaoM5.3 Earthquake[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,37(1):242-247.(in Chinese)

[5]張?zhí)熘?巴特爾,黃媛,等.近臺資料對近震相對定位算法的影響[J].地球物理學報,2007,50(4):1126-1130.

ZHANG Tian-zhong,WU Bater,HUANG Yuan,et al.Effect of the Data Recorded at Nearby Stations on Earthquake Relative Location[J].Chinese J Geophys,2007,50(4):1126-1130.(in Chinese)

[6]Waldhauser F,Ellsworth W L.A Double-difference Earthquake Location Algorithm:Method and Application to the Northern Hayward Fault,California[J].Bull Seism Soc Amer,2000,90(6):1353-1368.

[7]馮紅武,張元生,劉旭宙,等.2013年甘肅岷縣漳縣MS6.6地震及其余震序列重定位[J].地震工程學報,2013,35(3):443-447.

FENG Hong-wu,ZHANG Yuan-sheng,LIU Xu-zhou,et al.Relocation of Mainshock and Aftershocks of the 2013 Minxian—ZhangxianMS6.6 Earthquake in Gansu[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(3):443-447.(in Chinese)

[8]朱艾斕,徐錫偉,周永勝,等.川西地區(qū)小震重新定位及其活動構造意義[J].地球物理學報,2005,48(3):629-636.

ZHU Ai-lan,XU Xi-wei,ZHOU Yong-sheng,et al.Relocation of Small Earthquakes in Western Sichuan,China and Its Implications for Active Tectonics[J].Chinese J Geophys,2005,48(3):629-636.(in Chinese)

[9]Hauksson E,Shearer P.Southern California Hypocenter Relocation with Waveform Cross-correlation,Part 1:Results Using the Double-difference Method[J].Bull Seism Soc Amer,2005,95(3):896-903.

[10]黃耘,李清河,張元生,等.江蘇及鄰區(qū)地震重新定位和構造特征分析[J].地球物理學報,2008,51(1):175-185.

HUANG Yun,LI Qing-he,ZHANG Yuan-sheng,et al.Relocation of Earthquakes in Jiangsu and Neighboring Areas,China and Analysis of Structural Features[J].Chinese J Geophys,2008,51(1):175-185.(in Chinese).

[11]蔡妍,吳建平,房立華,等.鄂爾多斯東緣地震重定位及拉張盆地過渡區(qū)的地震分布特征[J].地球物理學報,2014,57(4):1079-1090.

CAI Yan,WU Jian-ping,FANG Li-hua,et al.Relocation of the Earthquakes in the Eastern Margin of Ordos Block and Their Tectonic Implication in the Transition Zones of Extensional Basin[J].Chinese J Geophys,2014,57(4):1079-1090.(in Chinese)

[12]姚大全,張杰,沈小七.安徽霍山地區(qū)斷層活動習性研究的新進展[J].地球物理學進展,2006,21(3):776-782.

YAO Da-quan,ZHANG Jie,SHEN Xiao-qi.New Advance of Fault Active Behavior Research in Huoshan Area,Anhui Province[J].Progress in Geophysics,2006,21(3):776-782.(in Chinese)

[13]馬秀芳.用相對定位法測定1973年安徽霍山震群的震源位置[J].地震研究,1982,5(1):99-113.

MA Xiu-fang.Locating the Epicenters of the 1973 Huoshan Swarm,Anhui Province,by the Relative Locating Method[J].Journal of Seismological Research,1982,5(1):99-113.(in Chinese)

[14]邵磊,王健,林國慶.特定震源臺站校正定位方法及在安徽霍山地區(qū)的應用[J].地球物理學報,2010,53(6):1440-1450.

SHAO Lei,WANG Jian,LIN Guo-qing.Earthquake Relocations in Huoshan Area,Anhui Province,by Applying the Source-specific Station Term Method[J].Chinese J Geophys,2010,53(6):1440-1450.(in Chinese)

[15]吳萍萍,王椿鏞,丁志峰,等.大別—蘇魯及鄰區(qū)上地幔的各向異性[J].地球物理學報,2012,55(8):2539-2550.

WU Ping-ping,WANG Chun-yong,DING Zhi-feng,et al.Seismic Anisotropy of Upper Mantle beneath the Dabie—Sulu and Its Adjacent Areas[J].Chinese J Geophys,2012,55(8):2539-2550.(in Chinese)

[16]洪德全,王行舟,程鑫,等.安徽霍山窗重復地震尾波QC值變化研究[J].地球物理學報,2013,56(10):3416-3424.

HONG De-quan,WANG Xing-zhou,CHENG Xin,et al.Study on Variation of Seismic CodaQCValue of Repeating Earthquake Series in Anhui “Huoshan Seismic Window”[J].Chinese J Geophys,2013,56(10):3416-3424.(in Chinese)

[17]黃耘,李清河,張元生,等.郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(qū)地殼速度結構[J].地球物理學報,2011,54(10):2549-2559.

HUANG Yun,LI Qing-he,ZHANG Yuan-sheng,et al.Crustal Velocity Structure beneath the Shandong—Jiangsu—Anhui Segment of the Tancheng—Lujiang Fault Zone and Adjacent Areas[J].Chinese J Geophys,2011,54(10):2549-2559.(in Chinese)

[18]王椿鏞,張先康,丁志峰,等.大別山造山帶上部地殼結構的有限差分層析成像[J].地球物理學報,1997,40(4):495-502.

WANG Chun-yong,ZHANG Xian-kang,DING Zhi-feng,et al.Finite-difference Tomography of Upper Crustal Structure in Dabie Shan Orogenic Belt[J].Chinese J Geophys,1997,40(4):495-502.(in Chinese)

[19]WANG C Y,ZENG R S.A Crustal Model of the Ultrahigh-pressure Dabieshan Orogenic Belt,China,Derived from Deep Seismic Refraction Profiling[J].J Geophys Res,2000,105(B5):10857-10869.

[20]董樹文,吳宜治,高銳,等.大別造山帶地殼速度結構與動力學[J].地球物理學報,1998,41(3):349-361.

DONG Shu-wen,WU Yi-zhi,GAO Rui,et al.On the Crust Velocity Levels and Dynamics of the Dabieshan Orogenic Belt[J].Chinese J Geophys,1998,41(3):349-361.(in Chinese)

Precise Relocation of Small Medium Earthquakes in Anhui “Huoshan Seismic Window”

HUANG Xian-liang1,2, YU Jian-fang1,2, QI Hao1,2, ZHANG Bing1,2, XIA Shi-an1, HAN Cheng-cheng1

(1.EarthquakeAdministrationofAnhuiProvince,Hefei230031,Anhui,China；2.MengchengNationalGeophysicalObservatory,Mengcheng233500,Anhui,China)

Abstract：The frequency and intensity of small medium earthquakes in the Luoerling—Zhufoan area,west of Huoshan county,are particularly prominent in Anhui province and its neighboring areas.The earthquakes in this area are characterized as moderately strong and concentrating into a band,with small ones clustering at shallow focal depth and forming a swarm.Based on the above,it is of critical and urgent importance to strengthen earthquake monitoring and improve location accuracy in the region.The double-difference (DD) location algorithm,as a relative positioning method,has unique advantages in improving the accuracy of earthquake location.From January 1,2009 to June 13,2014,2 679 earthquakes of ML≥ 0.0 occurred in the Huoshan area,Anhui province,and we relocated them in this study using the DD method.The average relative errors in the focal depths were 0.05,0.06,and 0.07 km in the E-W,N-S,and U-D directions,respectively,as compared with the original values after relocation.The positioning accuracy of the original source location was greatly increased and the“grid” illusion distribution phenomenon of the original source location,caused by positioning errors,was significantly improved after relocation.The spatial distribution of the epicenters is more compact and concentrated than previously determined.The relocation results show that there are three dense seismic zones distributed along the NE direction,consistent with the direction of the Luoerling—Tudiling fault.The distribution of the focal depths is more precise and there is a predominant depth range from 4 to 9 km that accounts for over 88% of the total.More shallow earthquakes in the Huoshan area indicate that the upper crust may be in a period of higher seismic wave velocity.

Key words：Huoshan area in Anhui province; earthquake activity; double-difference algorithm; focal depth

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0236

中圖分類號:P315.61

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)02-0236-07

作者簡介：黃顯良(1972-)，男，安徽東至人，碩士，高級工程師，主要從事地震活動性研究、數字地震學研究、地震監(jiān)測管理等工作。E-mail：hxl818@sina.com。

基金項目：地震科技星火計劃“電離層觀測系統的研制及其在地震預測中的應用研究”(XH15021);測震臺網青年骨干培養(yǎng)專項(20140311);測震臺網青年骨干培養(yǎng)專項(20140311/20160513);安徽省地震局科研基金青年項目(20150412)

收稿日期:①2015-11-09