付裕 黃暉 徐鳴潔

南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京市棲霞區(qū)仙林大道163號(hào) 210046

0 引言

一般情況下，淺部大地震之后會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的余震，隨著時(shí)間延續(xù)，余震的發(fā)生率呈現(xiàn)冪次性衰減（Omori，1894；Gutenberg et al，1941；Aki，1965），在空間上，余震由主震破裂區(qū)域向外遷移，而余震的時(shí)空演化及觸發(fā)機(jī)制對(duì)研究地震斷裂活動(dòng)性和評(píng)估地震災(zāi)害至關(guān)重要。地震的觸發(fā)機(jī)制可能有多種，如靜態(tài)應(yīng)力的變化（Stein，1999；Meng et al，2013）、慢滑移（Hearn et al，2002；Lohman et al，2007；Peng et al，2009；Borghi et al，2016）、動(dòng)態(tài)應(yīng)力觸發(fā)機(jī)制（Brodsky et al，2000）及殼內(nèi)流體（Shapiro et al，2006）等。大地震之后，會(huì)產(chǎn)生數(shù)量巨大的余震事件，但大地震的尾波信號(hào)往往掩蓋了震級(jí)較小的地震信號(hào)，而且很多小地震的震相重合，這使得常規(guī)方法得到的地震目錄中缺失很多余震事件（Peng et al，2009）。因此，提取出更多的余震事件，獲得較完整的地震目錄，對(duì)分析大地震后早期余震分布和遷移規(guī)律至關(guān)重要。

檢測(cè)地震事件的常用方法有 STA／LTA（長(zhǎng)短時(shí)間窗平均值比）、MFT方法。STA／LTA（Stevenson，1976）方法主要基于長(zhǎng)時(shí)間窗信號(hào)平均值與短時(shí)間窗信號(hào)平均值的比值來(lái)判斷地震事件。但這種方法只能檢測(cè)出高信噪比事件，仍會(huì)遺漏很多早期余震。MFT（the matched filter technique，模板匹配濾波）（Gibbons et al，2006）方法通過(guò)模板地震事件在連續(xù)波形上滑動(dòng)求取互相關(guān)值來(lái)檢測(cè)地震事件。此方法對(duì)信噪比要求較低，更依賴于事件波形之間的相關(guān)性，相比STA／LTA方法，能夠行之有效地檢測(cè)出微小的地震事件，模板匹配濾波技術(shù)在微地震檢測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)（李璐等，2017）?；谠撔再|(zhì)，MFT方法不僅可用來(lái)檢測(cè)天然地震的前震和余震事件（Peng et al，2009；Kato et al，2012；Sugan et al，2014；譚毅培等，2014；Wu et al，2017；Huang et al，2017；侯金欣等，2017），還可被用于非火山顫動(dòng)和低頻地震（Shelly et al，2007）、油氣勘探中水壓致裂誘發(fā)地震（Bao et al，2016）、爆炸監(jiān)測(cè)（Zhao et al，2016）等研究領(lǐng)域。

2016年8月24日1時(shí)36分（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)），意大利中部亞平寧山脈附近發(fā)生MW6.0地震，震源深度約8km，地震對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窈徒ㄖ斐闪溯^大的傷害。2個(gè)月之后，2016年10月26日在MW6.0地震震中的北部，2h內(nèi)相繼發(fā)生了MW5.5、MW5.9地震。緊接著4天以后，在MW6.0、MW5.9地震震中的中間區(qū)域又發(fā)生了 MW6.5地震，形成了序列地震。在過(guò)去20年里，該區(qū)域曾發(fā)生2次MW≥6.0地震（即1997年Colfiorito MW6.0、2009年L'Aquila MW6.3地震）（圖1（a））。

本文利用意大利中部密集臺(tái)網(wǎng)的地震記錄，采用模板匹配濾波方法檢測(cè)2016年8月24日MW6.0地震發(fā)生后80天內(nèi)的余震事件，研究此地震序列的余震時(shí)空分布規(guī)律，探索余震遷移和地震觸發(fā)機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

亞平寧山脈中部地區(qū)位于意大利中部，處于阿德里亞微板塊和歐洲板塊的擠壓和俯沖作用帶上（圖1（b）），是意大利境內(nèi)活躍的地震活動(dòng)帶之一。前人對(duì)該研究區(qū)的地質(zhì)研究顯示，亞平寧中部地區(qū)現(xiàn)今主要的地震活動(dòng)是由一系列NW-SE走向的正斷層構(gòu)成的斷裂系引起的，該斷裂系形成的地質(zhì)時(shí)期為第四紀(jì)（Boncio et al，2004；Galli et al，2008；Pizzi et al，2009；Lavecchia et al，2016），大多數(shù)都是傾向SW，以雁列式分布在山脈附近。主要的斷裂有Colforito斷裂（CF）、Bove Faul斷裂（BF）、Vettore斷裂（VF）、Norcia斷裂（NF）和 Gorzano斷裂（GF）等（圖1（a））。該斷裂系又被 2組先存構(gòu)造帶分割（圖1（a）中的 OAST和 MCT），這2組逆沖斷裂帶形成于第四紀(jì)之前的擠壓構(gòu)造活動(dòng)（Pizzi et al，2009）。

亞平寧中部地區(qū)以中強(qiáng)度的正斷層地震活動(dòng)為主（Chiarabba et al，2005），圖1（a）中幾次大地震的震源機(jī)制解均顯示了拉張為主的活動(dòng)性質(zhì)（Chiaraluce et al，2005；http：／／cnt.rm.ingv.it），主張應(yīng)力軸呈NE-SW向（圖1（a））。研究區(qū)的大地測(cè)量結(jié)果顯示為向山脈兩側(cè)擴(kuò)張，形變速率約3mm／a，方向主要為 NE-SW 向（Serpelloni et al，2005；Petricca et al，2015），與震源機(jī)制顯示的拉張主應(yīng)力軸方向一致。

圖1 意大利中部地質(zhì)構(gòu)造及地震臺(tái)站、模板事件分布

此外，研究區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)常常以序列地震的形式發(fā)生。1997年、2009年序列地震都包含了數(shù)個(gè) 5級(jí)以上的地震（Amato et al，1998；Chiarabba et al，2009；Chiaraluce et al，2011），1997年主要的地震分布在2016年地震的NNW方向，2009年L'Aquila地震分布在SSE方向，且震源機(jī)制解均顯示以拉張型的斷裂活動(dòng)為主（Ekstr?m et al，1998；Chiaraluce et al，2011）。2016年8月底至10月底的地震活動(dòng)主要發(fā)生在1997年、2009年地震空區(qū)處（Liu et al，2017；Chiaraluce et al，2017），余震主要分布在BF、VF與NF兩組平行的斷裂帶附近。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 地震數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的地震數(shù)據(jù)是由歐洲臺(tái)網(wǎng)中心（http：／／www.seismicportal.eu）獲取的三分量寬頻帶連續(xù)波形數(shù)據(jù)，分別選自意大利CAMP和 AQU等13個(gè)臺(tái)站（圖1（c）），連續(xù)波形采樣率為100Hz，記錄時(shí)間從2016年8月24日0時(shí)～11月12日0時(shí)（UTC時(shí)間），總共80天。

地震目錄來(lái)源于國(guó)際臺(tái)網(wǎng)中心 ISC（http：／／www.isc.ac.uk），我們共獲取2016年8月24日～11月1日發(fā)生的1426個(gè)地震事件作為后續(xù)匹配濾波掃描的模板。

2.2 地震模板截取

在模板地震事件截取之前，首先對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，為了削弱遠(yuǎn)震事件的影響，采取濾波范圍1～8Hz，連續(xù)波形數(shù)據(jù)重采樣至25Hz，模板數(shù)據(jù)從預(yù)處理后的連續(xù)波形數(shù)據(jù)中截取。

對(duì)于微小地震來(lái)說(shuō)，由于S波能量強(qiáng)于P波，更容易從噪聲中檢測(cè)出來(lái)，因此模板選自S波段。根據(jù)地震目錄，選取S波理論到時(shí)的前2s、后6s為時(shí)間窗截取模板信號(hào)，選用P波到時(shí)前12～4s作為背景噪聲信號(hào)計(jì)算模板的信噪比，取信噪比大于5作為初選模板。為保證最終模板的可信度，需足夠多的模板數(shù)據(jù)用于疊加，因此要求選取的每個(gè)模板數(shù)據(jù)有4個(gè)以上臺(tái)站的記錄（即至少12個(gè)分量的記錄數(shù)據(jù)）。其中，P、S波理論到時(shí)由 TAUP軟件（Crotwell et al，1999）計(jì)算得到，速度模型采用當(dāng)?shù)?CIA模型（Herrmann et al，2011）。最終，選出了1381個(gè)模板事件（圖1（c））。

2.3 互相關(guān)計(jì)算

第1步，從每天記錄的零時(shí)開(kāi)始，計(jì)算某一分量模板與相同分量、時(shí)長(zhǎng)連續(xù)波形數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù)（cross-correlation coefficient，CC），然后將模板在連續(xù)波形上后移1個(gè)采樣點(diǎn)，每移動(dòng)1次計(jì)算1個(gè)互相關(guān)系數(shù)，對(duì)1天的記錄得到該分量的互相關(guān)系數(shù)序列。第2步，將不同臺(tái)站同一模板事件的S波按照到時(shí)對(duì)齊，對(duì)不同臺(tái)站所有分量計(jì)算平均互相關(guān)值（mean CC）。第3步，假定每一天的信號(hào)序列是符合高斯分布的隨機(jī)過(guò)程，信號(hào)序列的標(biāo)準(zhǔn)差為1.4826倍絕對(duì)中位差（median absolute deviation，MAD），相關(guān)值大于12倍 MAD（8.1倍標(biāo)準(zhǔn)偏差）的概率為3.3×10－16。由于1天記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)為2 160 000個(gè)，選取1天的平均互相關(guān)值組成序列的12倍MAD作為閾值，每天的錯(cuò)誤檢測(cè)率小于1個(gè)。當(dāng)序列上某個(gè)時(shí)刻的平均互相關(guān)系數(shù)高于閾值，則認(rèn)定是檢測(cè)出來(lái)的事件（圖2）。

2.4 檢測(cè)事件的確認(rèn)

對(duì)于同一時(shí)間窗內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)模板匹配的情況，保留平均CC值最高的模板。對(duì)于新檢測(cè)出的事件，由于事件波形和模板事件相似度最高，其震源位置選用模板事件的位置；新事件的發(fā)震時(shí)刻由CC值最高的時(shí)刻相對(duì)模板S波到時(shí)的差值，再加上模板的發(fā)震時(shí)刻計(jì)算得到；檢測(cè)事件的震級(jí)，通過(guò)與模板在所有分量上最大絕對(duì)振幅的比值的中位值計(jì)算得到，依據(jù)振幅每增加10倍，震級(jí)增加1級(jí)（Peng et al，2009）。

3 結(jié)果與分析

3.1 地震目錄完備性分析

利用選取的1381個(gè)模板事件，從2016年8月24日～11月12日總共80天的連續(xù)波形中新檢測(cè)出71525個(gè)余震（12倍MAD），數(shù)量是選用模板的數(shù)十倍。新檢測(cè)出的余震震級(jí)范圍為－0.8～5.3級(jí)，與模板事件的震級(jí)范圍（0.8～6.5級(jí)）相比，檢測(cè)的余震事件震級(jí)更小（圖3）。對(duì)新檢測(cè)的余震與模板事件作地震頻度與震級(jí)大小間關(guān)系的分析，采取W iemer等（2000）提出的GOF（goodness of fit）方法，當(dāng)曲線擬合度達(dá)到90%時(shí)，得到完備震級(jí)Mc，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由檢測(cè)結(jié)果和模板數(shù)據(jù)計(jì)算得到的 Mc約為1.0，相比模板目錄的 Mc（2.5），有了大幅度的降低。檢測(cè)的余震事件中震級(jí)大于1.0的地震事件共有29035個(gè)，加上1381個(gè)模板事件，組成了新的事件目錄，新目錄共包含30416個(gè)地震事件，由此提高了地震目錄的完備性。我們利用新的地震目錄，分析意大利中部地區(qū)2016年8月24日～11月12日余震的時(shí)空分布規(guī)律。

圖2 MFT檢測(cè)結(jié)果實(shí)例

圖3 地震事件統(tǒng)計(jì)

3.2 余震分布的總體特征

對(duì)于本文研究中2016年意大利中部發(fā)生的序列地震，依據(jù)其發(fā)震時(shí)刻和所在位置，將其分為 Event 1（2016年8月24日MW6.0地震）、Event 2（2016年10月26日MW5.5、MW5.9地震）以及Event 3（2016年10月30日MW6.5地震），以進(jìn)一步分析序列地震中不同事件余震的時(shí)空演化過(guò)程與差異。

圖4 檢測(cè)結(jié)果與模板的完備震級(jí)Mc（a）及擬合度曲線（b）

圖5為2016年8月24日～11月12日余震分布，縱軸為沿測(cè)線A-A′（圖1（c））的距離，圖5一定程度上反映了該序列地震的余震分布規(guī)律。

圖5 余震總體特征分布

為了更清晰地分析余震的分布特征，按照4個(gè)主事件位置沿測(cè)線分成4段進(jìn)行余震的發(fā)震頻度統(tǒng)計(jì)（即每小時(shí)發(fā)生地震的個(gè)數(shù)）（圖5中彩色曲線）：橙色線表示Event 1（測(cè)線0位置）的東南段、投影距離為－20～0km（測(cè)線 A′至 Event1之間）的余震頻度曲線；黃色線表示沿測(cè)線0～17km（Event1至 Event3之間）的頻度曲線；紅色線為沿測(cè)線17～25km（Event3至Event2-2之間）的頻度曲線；綠色線顯示25km西北側(cè)的頻度曲線。由圖5可見(jiàn)，Event 1的余震事件主要發(fā)生在測(cè)線－15～20km的位置，主震東南側(cè)較快地趨于平靜（圖5橙色頻度曲線），而西北側(cè)的余震遷移至Event 2震中附近，并且持續(xù)到Event 2之前仍然較活躍（圖5藍(lán)色點(diǎn)分布）；Event 2（包括Event 2-1和Event 2-2）的余震事件主要分布在測(cè)線15～45km之間，余震活動(dòng)以Event 2-1西北段的為主（圖5紅色、綠色頻度曲線）；Event 3的余震事件分布范圍較廣，大致為測(cè)線－10～45km的范圍內(nèi)，其東南側(cè)的活動(dòng)頻率明顯高于西北側(cè)（圖5黃色、紅色頻度曲線）。

3.3 早期余震的空間分布

為了進(jìn)一步分析序列地震中幾次主要地震的早期余震空間分布特征，分別從新余震事件目錄中提取Event 1、Event 2、Event 3發(fā)生后3天內(nèi)的余震，繪制平面分布圖（圖6）。由圖6可見(jiàn)，Event 1發(fā)生后104s（～3h）內(nèi)余震（圖6（a）藍(lán)色點(diǎn)）主要集中在 NF斷裂東側(cè)，并沿?cái)嗔蜒由旆较虺髡鸬膬蓚?cè)擴(kuò)散，呈現(xiàn)沿?cái)鄬幼呦蛳蚰媳眱蓚?cè)對(duì)稱發(fā)生遷移的特征；在104s之后的時(shí)間內(nèi)（圖6（a）紅色點(diǎn)），余震向南擴(kuò)散的范圍未見(jiàn)明顯變化，而向北的范圍明顯擴(kuò)大；余震活動(dòng)主要集中分布在NF、GF、VF斷裂之間（圖6（a））。

圖6 余震空間分布

Event，2的早期余震分布特征（圖6（b））表現(xiàn)為：Event，2-1發(fā)生后約 103s（～0.5h）內(nèi)余震主要集中在震中附近，隨后余震沿?cái)嗔炎呦蛑饾u向北遷移至 Event，2-2附近，2h后發(fā)生MW5.9地震；在104s（～3h）左右逐漸向東北部轉(zhuǎn)移到 BF斷裂附近（圖6（b）藍(lán)色點(diǎn)），此時(shí)向南遷移的余震較少；相反，104s之后（圖6（b）黃、紅色點(diǎn)）余震活動(dòng)呈現(xiàn)向南遷移的特征，NF、VF斷裂之間逐漸被余震覆蓋，但基本上沒(méi)有超過(guò)OAST斷裂，表明受到先存斷裂OAST的限制（Pizzi et al，2009）。Event 2的余震活動(dòng)向南遷移的過(guò)程明顯較向北的遷移更晚，呈現(xiàn)“南北不對(duì)稱”的余震遷移規(guī)律。

Event，3的余震分布范圍更廣。在104s（～3h）以內(nèi)，余震主要沿著斷裂走向朝南遷移，104s之后，余震在斷裂北端活動(dòng)加強(qiáng)（圖6（c）紅色點(diǎn)），余震遷移表現(xiàn)出“南北不對(duì)稱”的規(guī)律。Event，3的大部分余震在平面上分布于NF、BF、VF斷裂附近，僅少部分分布在GF斷裂附近，總體上以分布在OAST斷裂北部為主，西北部基本上沒(méi)有超過(guò)MCT斷裂，表明先存的MCT逆沖斷裂對(duì)VF、BF斷裂的活動(dòng)起到一定限制作用（Pizzi et al，2009）。

3.4 余震活動(dòng)性與遷移速率

我們通過(guò)沿A-A′方向余震隨對(duì)數(shù)時(shí)間的分布來(lái)估算余震向周圍遷移的速率（圖7），以進(jìn)一步分析余震的遷移活動(dòng)規(guī)律。鑒于MW6.0地震的余震在2個(gè)月后已經(jīng)相當(dāng)微弱（圖5），我們把 Event 2-1之后時(shí)段分離出來(lái)分析 Event 2、Event 3余震活動(dòng)特點(diǎn)與差異（圖7（b））。

圖7 沿A-A′方向余震隨對(duì)數(shù)時(shí)間的分布

在8月24日MW6.0地震之后1天內(nèi)，余震遷移前端沿?cái)嗔褞蚰稀⒈币?～3km／decade速率擴(kuò)散到15km附近，之后向南部的擴(kuò)展逐漸減弱，相比之下，北端余震仍不斷擴(kuò)展，約1周后出現(xiàn)遷移速率明顯加快的現(xiàn)象（圖7（a））。以沿投影距離每2km余震數(shù)目達(dá)30個(gè)以上來(lái)計(jì)算余震活動(dòng)曲線（Kato et al，2014）（圖7紅色虛線）可更細(xì)致反映余震在遷移過(guò)程中的表現(xiàn)，并顯示不同時(shí)段、不同位置余震的活躍程度。由圖7可見(jiàn)，在Event 2、Event 3發(fā)震前出現(xiàn)了幾處遷移速率明顯加快的現(xiàn)象，余震活動(dòng)曲線呈階梯狀。Event1發(fā)生后的1周內(nèi)，余震活動(dòng)較平穩(wěn)地向北、向南擴(kuò)散；1周后，北部活動(dòng)曲線明顯變化，遷移速率加大，顯示向北的活動(dòng)出現(xiàn)了加快的現(xiàn)象，擴(kuò)散到Event 2-1震中附近，而向南的余震活動(dòng)在測(cè)線－15 km附近不再向南擴(kuò)展（圖7（a））。在Event 2-1發(fā)生后1～2 h之間，余震活動(dòng)曲線顯示向北的遷移速率有小幅度加快，向Even 2-2震中遷移，2h后發(fā)生了 Even 2-2。Even 2-2發(fā)生后，余震活動(dòng)曲線上向南遷移的余震出現(xiàn)遷移略有加快的現(xiàn)象，達(dá)到Event 3震中附近。這可能反映了MW6.0地震的余震遷移在Event 2、Event 3震中附近造成了應(yīng)力加載，促使了其發(fā)生。

3.5 對(duì)余震成因機(jī)制的討論

余震的觸發(fā)、遷移機(jī)制可能受多種因素共同影響，如靜態(tài)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)應(yīng)力觸發(fā)、慢滑動(dòng)和流體遷移等。Liu等（2017）、Convertito等（2017）通過(guò)計(jì)算靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化認(rèn)為，2016年意大利中部MW6.0地震的余震活動(dòng)主要由同震應(yīng)力加載所致；Vuan等（2017）擬合余震遷移前端，計(jì)算不同深度地殼流體擴(kuò)散因子D（Shapiro et al，2006）時(shí)發(fā)現(xiàn)，MW6.0地震的余震活動(dòng)反映的D值（淺部D值為25～50m2／s，深部D值為160m2／s）過(guò)高，排除了粘彈性松弛原因，并認(rèn)為可能是慢滑動(dòng)所致。我們通過(guò)擬合余震遷移前端發(fā)現(xiàn)，MW6.0地震早期余震的兩側(cè)遷移較符合lg t的特征，表明可能與慢滑動(dòng)的遷移有關(guān)。除此以外，MW5.5地震（2016年10月26日17時(shí)）之后朝南側(cè)的遷移也符合lg t特征，說(shuō)明早期余震遷移活動(dòng)與慢滑動(dòng)的遷移有關(guān)。我們推測(cè)慢滑動(dòng)遷移可能引起了相鄰區(qū)域的應(yīng)力加載，對(duì)后續(xù)MW5.9、MW6.5地震的發(fā)生起到一定程度的觸發(fā)作用。但要嚴(yán)格論證慢滑動(dòng)造成的應(yīng)力加載，還需進(jìn)一步的研究工作。

4 結(jié)論

我們利用模板匹配濾波方法（MFT）有效地檢測(cè)出意大利中部2016年8月24日序列地震的余震，獲得了數(shù)十倍于原模板數(shù)量的地震檢測(cè)結(jié)果，得到檢測(cè)余震的完備震級(jí)Mc由2.5降至1.0，提高了地震目錄的完備性。

對(duì)余震時(shí)空分布特征的分析顯示，序列地震中不同事件余震的擴(kuò)散方式和遷移速率存在一定差異。MW6.0地震的早期余震分布呈現(xiàn)向南北兩側(cè)對(duì)稱擴(kuò)散的特征，遷移速率2～3km／decade。MW5.5～5.9、MW6.5地震的早期余震分布表現(xiàn)出“南北不對(duì)稱”的余震遷移現(xiàn)象：MW5.5～5.9地震的早期余震（3h內(nèi)）主要向北遷移，然后再向南部擴(kuò)散；而MW6.5地震早期余震表現(xiàn)出先向南、后向北遷移的現(xiàn)象，且整體的活動(dòng)范圍更廣。

MW6.0地震向北遷移的余震，在主震發(fā)生1周后遷移加快，可能反映了MW6.0地震的余震活動(dòng)造成后續(xù)大地震震中附近的應(yīng)力加載。MW6.0地震向兩側(cè)遷移的早期余震前端和10月26日MW5.5地震向南遷移的早期余震前端符合lg t的特征，說(shuō)明早期余震遷移活動(dòng)與慢滑動(dòng)的遷移有關(guān)。