馮甜 吳建平 房立華

中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

地震發(fā)生的頻度和震級通常符合古登堡-里克特關系式lgN=a-bM，N表示震級高于M的累積地震數(shù)量，a代表地震的產(chǎn)出率，b值指示大、小地震的比例(Gutenberg et al，1944)。這一統(tǒng)計關系表明小地震發(fā)生的頻度要比大地震多很多。在世界上大多數(shù)地方，3級地震的數(shù)量是4級地震的10倍，4級地震的數(shù)量是5級地震的10倍(Brodsky，2019)。微震震級通常較小，由于背景噪音干擾或者地震波形的重疊，微震常常難以被識別。改善地震觀測條件或利用先進的地震識別技術檢測微震信號，可以獲得更多數(shù)量的地震，為相關科學研究提供更豐富的資料。

微震檢測已被應用到多個研究領域，例如探尋前震和地震成核(Kato et al，2014；Yoon et al，2019)、研究余震的時空分布特征及余震觸發(fā)機理(Wu et al，2017；Yao et al，2017)、遠程動態(tài)觸發(fā)(Peng et al，2010b)、確定斷層分布(Warren-Smith et al，2017)、研究重復地震(Yao et al，2017)、研究誘發(fā)地震(Skoumal et al，2014)、檢測非火山顫動中的低頻地震(Shelly et al，2006)等。數(shù)量眾多的微震可以促進更高分辨率的地震發(fā)生過程的研究，為深入理解地震和斷層的物理特性提供了更好的約束。

本文基于國內(nèi)外微震研究進展，總結了主要的微震檢測方法，列舉了微震在多個領域的應用實例，并對微震的應用前景進行了展望。

1 微震檢測方法

近年來，隨著固定地震臺站數(shù)量的增長以及密集流動地震臺陣的廣泛使用，地震觀測數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長，一個亟需解決的問題是如何自動處理這些地震數(shù)據(jù)，獲得更加完備的地震目錄。由于幅度小、信噪比低或受到大震后尾波干擾等多種原因，微小地震難以被識別。目前地震學家發(fā)展了多種地震檢測方法用于微震檢測，除了傳統(tǒng)的長短時窗比法(Stevenson，1976；Allen，1978；Baer et al，1987)，近年來模板匹配(Gibbons et al，2006；Shelly et al，2007；Peng et al，2009；Yang et al，2009；Meng et al，2013；Yao et al，2017)、模板匹配定位(Zhang et al，2015；Wang et al，2017、2018)、波形自相關(Brown et al，2008)、FAST(Fingerprint and Similarity Thresholding)(Yoon et al，2015、2019)、局部相似度(Li et al，2018)、機器學習(Ross et al，2018；Perol et al，2018；Kong et al，2019；Zhu et al，2019)等方法逐步受到人們的重視。

長短時窗比法采用短時窗和長時窗的平均能量比值來檢測地震信號，具有簡單直觀、運算速度快等特點，在地震臺網(wǎng)的地震自動檢測中得到了廣泛應用，但該方法難以檢測到信噪比較低的地震信號。模板匹配方法和模板匹配定位方法是以模板地震為參考，利用波形互相關找出與其相似的地震，可以檢測到信噪比較低的地震信號，有效降低地震目錄的最小完整性震級，檢測到的地震數(shù)量可達到人工檢測目錄的數(shù)倍至數(shù)十倍。若用該方法掃描時間跨度較長的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)，耗時則是一個需要重點考慮的問題。波形自相關方法是將連續(xù)地震波形分成若干時窗，然后進行兩兩互相關檢測地震，該方法無需模板地震，信噪比較低時檢測效果也較好，但耗時較長。FAST地震檢測方法首先對連續(xù)地震波形提取出可區(qū)別的關鍵性特征，以創(chuàng)建二進制指紋，然后進行相似性搜索來檢測地震，搜索效率較高。局部相似度方法需要有較密集的臺站分布，通過對每個臺站及其鄰近臺站記錄的波形進行滑動互相關計算，得到平均互相關函數(shù)，將所有臺站的平均互相關函數(shù)疊加來檢測地震事件，該方法可以檢測到低于噪音水平的微弱地震事件，檢測速度較慢。機器學習方法通過從上百萬的波形中不斷提取地震震相特征，訓練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，從而快速拾取較高精度的震相到時，該方法可應用于海量數(shù)據(jù)，但需要大量的訓練樣本和較長的模型訓練調(diào)試時間，是目前正在快速發(fā)展和具有重要應用前景的新方法。鑒于篇幅，僅對模板匹配類方法的原理進行詳細介紹。

模板匹配方法是將已知地震的波形(一般為S波或P波)作為模板，與連續(xù)波形數(shù)據(jù)做滑動互相關，從而找到模板地震附近、與模板地震相似的地震信號。將各個臺站分量的互相關結果疊加，可有效加強地震信號，抑制噪音信號，從而識別出噪音級別甚至低于噪音水平的地震信號。模板匹配定位方法是模板匹配方法的進一步發(fā)展，由于考慮了新檢測地震在三維空間的位置，并根據(jù)地震位置與模板地震位置的差異對各個臺站的震相走時進行了矯正，可使波形匹配程度更高，從而識別到更微弱的地震信號，同時獲得更可靠的檢測地震的位置。模板匹配方法和模板匹配定位方法的核心技術均為對微弱信號十分敏感的波形互相關方法，由于模板波形需要與連續(xù)波形的每一個采樣點做滑動互相關，因此程序耗時一直是需要重點考慮的問題。在利用模板匹配方法和模板匹配定位方法處理大量的連續(xù)波形觀測數(shù)據(jù)時，通常會采用基于GPU的并行算法(Meng et al，2012；Beaucé et al，2017；Yin et al，2018；Liu et al，2020)提高處理效率。模板匹配方法也可以通過適當降低數(shù)據(jù)的采樣率來減少程序運行時間(Yin et al，2018；Wu et al，2017)。對于模板匹配定位方法，可以設置較粗的網(wǎng)格間隔，或設置粗網(wǎng)格-細網(wǎng)格的多步驟搜索方案(Feng et al，2021)。需要指出的是，降低數(shù)據(jù)的采樣率或設置較粗的網(wǎng)格搜索方案通常會在一定程度上降低地震的檢測數(shù)量(Feng et al，2021)。

2 微震的應用

近20年來，關于微地震的論文研究數(shù)量逐步增加，微震已成為當下研究的熱點(圖1)。微震檢測在許多領域有著廣泛的應用，并在多個方面取得了令人矚目的研究進展。

圖 1 基于谷歌學術統(tǒng)計的2001—2020年微震研究論文數(shù)量

2.1 確定斷層幾何形態(tài)

基于斷層破裂分布的反演可以大致確定孕震斷層(Sun et al，2018；Zhao et al，2018)，更直接的方式是采用精定位后的地震分布刻畫斷層形態(tài)(Fang et al，2015；房立華等，2018；Yin et al，2018)。地震數(shù)量越多，斷層形態(tài)刻畫得越清晰。利用微震檢測方法識別更多的地震并對其進行精定位，可以得到時空分辨率更高的地震目錄，從而有助于認識斷層的三維形態(tài)。Ross等(2019)采用模板匹配方法掃描了美國南加州地區(qū)近10年的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，獲得了181萬個地震，其數(shù)量約為原始地震目錄的10倍，然后采用雙差地震定位方法獲得了高精度的相對地震位置。相較于原始地震目錄，基于新檢測目錄的南加州地區(qū)的斷裂明顯被刻畫得更加清晰，一些明顯的非對稱性破碎帶、大量交叉線性小斷裂以及以前未知的小斷裂均被描繪出來，如西南方向的Coyote Creek斷裂在深度方向上表現(xiàn)出高度彎曲的結構，該斷裂的西北和東南端較深，而中間部位較淺。Fang等(2015)和Wu等(2017)采用雙差地震定位和模板匹配檢測等方法對2013年蘆山MW6.6地震的余震序列進行了研究，揭示了發(fā)震斷裂高分辨率的空間分布形態(tài)，并發(fā)現(xiàn)該發(fā)震斷層出現(xiàn)“Y”型結構的時間在主震發(fā)生后的20min內(nèi)(圖2)。Liu等(2019)檢測到2016年門源MS6.4地震的余震數(shù)量為原始目錄的11倍，發(fā)現(xiàn)主震發(fā)生后10min的余震分布顯示出一個具有50°～60°傾角的斷裂，而后余震分布揭示了近直立的發(fā)震構造。Shelly(2020)利用模板匹配方法和雙差地震定位方法得到高精度、高分辨率的地震目錄，根據(jù)地震分布發(fā)現(xiàn)2019年里奇克雷斯特(Ridgecrest)MW7.1地震序列的發(fā)震斷層具有高度復雜的結構，存在大量與西北走向主斷裂交叉垂直的小斷裂。通過微震檢測降低地震目錄的最小完整性震級，使用更多數(shù)量的地震來確定未知斷裂以及斷裂的形態(tài)，是地震學研究的重要發(fā)展方向。

圖 2 2013年蘆山MW6.6地震重定位后的余震分布(據(jù)Fang等(2015))(a)中圓圈大小指示地震震級，圓圈顏色代表距主震(黃色五角星)發(fā)生時間(天)的對數(shù)；紅色虛線表示剖面的位置；黑線代表主要斷裂：F1：鹽井-五龍斷裂，F(xiàn)2：大川-雙石斷裂，F(xiàn)3：新開店斷裂，F(xiàn)4：大邑斷裂；地圖的背景代表地形；(b)～(e)為余震(距垂直剖面3km以內(nèi)的地震)在各個剖面上的投影；斷裂在每個剖面上的位置用三角形表示；灰線表示采用線性回歸方法擬合的斷層平面

2.2 前震探尋和地震成核

前震活動可以為地震成核過程提供至關重要的信息，前震一直被認為是預測地震的手段之一(Jones et al，1979；Dodge et al，1995、1996；Ben-zion，2008；Brodsky et al，2014)。然而，歷史上有的地震發(fā)生前存在前震活動，有的地震發(fā)生前不存在前震，這種前震發(fā)生的偶然性阻礙了其在地震成核和地震預測方面的發(fā)展。前人研究發(fā)現(xiàn)僅有10%～50%的主震發(fā)生前存在前震活動(Jones et al，1976、1979；Abercrombie et al，1996；Reasenberg，1999；Marsan et al，2014；Chen et al，2016)，另有研究認為板內(nèi)中強地震一般不存在明顯的前震活動(Yang et al，2009；Wu et al，2014；Ruan et al，2017；Meng et al，2018)。自然界中的前震可能由于震級小而未被識別，對前震發(fā)生率的認知可能會隨著可檢測到的最小前震震級而改變(Mignan，2014)。Trugman等(2019)系統(tǒng)分析了經(jīng)過模板匹配檢測后獲得的南加州2008—2017年高精度地震目錄(Ross et al，2019)，該地震目錄的最小完備性震級在某些區(qū)域低至0.3級，在局部地區(qū)低至0級?；诖四夸洶l(fā)現(xiàn)72%的主震存在明顯的前震活動，因此自然界的前震發(fā)生率可能要比以前認為的更加普遍。

微震檢測不僅可以促進對前震發(fā)生率的理解，也可以提高對單個地震成核過程的認識。目前關于前震和地震成核的關系存在3種觀點，第一種觀點為地震成核的級聯(lián)破裂模型，即每個前震通過應力擾動觸發(fā)鄰近的下一個前震發(fā)生，主震剛好是一個更大的被觸發(fā)事件(Helmstetter et al，2003；Felzer et al，2004)；第二種觀點為震前預滑模型，即主震發(fā)生前存在一些準備性的物理過程，例如無震蠕滑或者孔隙壓力變化，由此導致了主震的發(fā)生(Dodge et al，1995、1996；McGuire et al，2005；Gomberg，2018)；第三種觀點為主震發(fā)生前級聯(lián)破裂和震前蠕滑過程均存在的混合模型(McLaskey，2019；Yao et al，2020)。Ross等(2019)基于常規(guī)目錄認為2012年美國加州布勞利震群發(fā)生的10h之前存在的3個地震可能是與此次震群不相關的地震事件，但模板匹配檢測后，發(fā)現(xiàn)在這10h內(nèi)實際上存在36個活躍的前震事件。Kato等(2012)采用模板匹配方法檢測到2011年日本9.0級大地震的前震數(shù)量是原始JMA目錄的4倍，更加明確地揭示了震前存在2個向主震震中遷移的前震序列，并認為該現(xiàn)象與板塊邊界的慢滑移過程有關。利用FAST地震檢測方法，Yoon等(2019)檢測到1999年加利福尼亞州赫克托爾MW7.1地震的前震數(shù)量約為原始目錄的3倍，通過對前震序列進行精定位和震源參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)前震序列向北發(fā)生直至主震爆發(fā)，前震-主震發(fā)生過程符合應力的級聯(lián)破裂模型。對于中等震級的主震，F(xiàn)eng等(2021)采用模板匹配定位方法檢測到2018年石棉ML4.0地震的前震數(shù)量是原始目錄的2倍，結合精定位以及常數(shù)應力降假設，發(fā)現(xiàn)前震-主震的發(fā)生與級聯(lián)應力觸發(fā)機制一致。Yao等(2020)對2010年墨西哥(El Mayor-Cucapah)MW7.2地震的前震序列進行模板匹配檢測、精定位以及波譜比分析發(fā)現(xiàn)，主震震前斷層蠕滑過程和級聯(lián)應力觸發(fā)共同促進了主震的成核作用。通過微震研究獲得前震的高精度時空分布特征以及更多數(shù)量的前震震例，對深入認識地震成核過程、發(fā)展地震預測技術方法具有重要意義。

2.3 余震時空演化特征研究

主震發(fā)生后，余震發(fā)生率較高，不同地震的波形相互重疊(信噪比低)，可能導致大量地震信號未被識別。近年來，大量研究基于先進的信號識別技術檢測到更多數(shù)量的余震，獲得余震詳細的時空擴展過程，進而探討余震的觸發(fā)機制和震后變形特征。Peng等(2009)通過模板匹配方法識別到2004年帕克菲爾德6級地震的余震數(shù)量是原始目錄的11倍，并觀測到余震沿著走向隨時間的對數(shù)存在明顯的擴展現(xiàn)象，與余滑導致余震擴展的數(shù)值模擬結果一致，表明余震擴展主要是由震后余滑驅(qū)動的，而基于原始余震目錄很難觀測到明確的余震擴張遷移現(xiàn)象。類似的研究也表明模板匹配等微震檢測方法在研究余震遷移方面具有獨特的優(yōu)勢(Wu et al，2017；Yin et al，2018；Liu et al，2019)。Meng等(2016)對10個M>4.0的地震序列進行了模板匹配檢測，新檢測目錄的地震數(shù)量至少是原始目錄的5倍，最小完整性震級降低了0.5～1級，此外，該研究發(fā)現(xiàn)在大地測量推斷的閉鎖深度之下，存在異常大的余震帶，可能被主震發(fā)生后的深部蠕滑驅(qū)動，認為11～12km之下蠕滑帶的存在可能對限定該地區(qū)地震的最大震級具有重要意義。Sugan等(2019)通過模板匹配方法對2012年意大利艾米利亞2個6級主震之間的地震進行了研究，獲得的地震數(shù)量約為原來的4.5倍，其發(fā)現(xiàn)第一個主震的余震序列向第二個主震的成核點遷移，遷移距離與時間的對數(shù)成正比，認為前者的震后余滑對斷層產(chǎn)生了應力加載，并促使了9天后6級地震的發(fā)生。通過新的技術方法檢測常規(guī)目錄可能遺漏的微小余震、獲取更加完備的余震序列、揭示更詳細的余震時空分布及遷移特征，有助于深入認識余震觸發(fā)機制和震后變形過程。

2.4 遠程動態(tài)觸發(fā)

大地震除了可以觸發(fā)近場余震外(Freed，2005)，其面波導致的動態(tài)應力變化還可以觸發(fā)成百上千千米外的地震活動(Hill et al，2015)、深部震顫信號(Peng et al，2010a)和慢滑移事件(Peng et al，2015)。通過微震檢測方法識別大地震發(fā)生后常規(guī)目錄遺漏的地震信號，完善地震目錄，可以獲得更真實的地震發(fā)生速率的變化。基于SCSN目錄，2010年墨西哥(El￣￣Mayor-Cucapah)MW7.2地震發(fā)生后，震中175km范圍內(nèi)的地震活動速率增加，然而基于模板匹配檢測后的地震目錄，實際上遠至275km范圍內(nèi)的地震被觸發(fā)了(Ross et al，2019)。Li等(2019)利用模板匹配方法研究2012年印度洋MW8.6地震發(fā)生后騰沖火山區(qū)的地震活動性，新檢測的地震數(shù)量為原始目錄的4倍?；谠寄夸浳从^測到地震活動速率明顯的變化，但基于新檢測后的目錄，發(fā)現(xiàn)主震發(fā)生數(shù)天后，地震活動速率顯著增加，表明2012年印度洋地震在該地區(qū)產(chǎn)生了延遲動態(tài)觸發(fā)作用。Li等(2017)對2015年尼泊爾MW7.8地震發(fā)生后西藏南部地區(qū)的地震活動性進行了研究，基于模板匹配檢測，發(fā)現(xiàn)尼泊爾地震發(fā)生后西藏南部地區(qū)地震活動性立即增強，藏南地區(qū)產(chǎn)生了廣泛的遠程動態(tài)觸發(fā)作用。Yao等(2015)通過模板匹配檢測發(fā)現(xiàn)，2004年蘇門答臘9.1級地震和2005年尼亞斯8.6級地震觸發(fā)的西藏中南部微震活動存在持續(xù)時間的差異，認為可能是由2個大地震的面波能量不同引起的。上述震例均表明，識別到更多的微震活動可以更明顯地揭露大地震的遠程動態(tài)觸發(fā)作用，從而有利于探討地震之間的相互關系和地震觸發(fā)機理，有助于評估重點地區(qū)的構造應力水平，為地震預測預報提供新的信息。

2.5 基于重復地震研究斷層深部滑移特征

斷層蠕滑會導致凹凸體被重復加載和破裂，從而產(chǎn)生了重復地震。分析重復地震序列可以研究地下斷層的滑動特征，例如震后余滑、自發(fā)性或周期性的慢滑移、斷層穩(wěn)定蠕滑等(Uchida et al，2019；Uchida，2019)。微震的缺乏或地震目錄的不完備可能導致重復地震的遺漏，從而引起對斷層蠕滑量的低估(Deng et al，2020)。通過檢測微震，有可能提取更完備的重復地震序列，獲取更可靠的斷層蠕滑特征。Kato等(2012)和Kato等(2014)基于模板匹配方法擴充了2011年日本9.0級大地震和2014年智利伊基克8.1級地震的前震數(shù)量，觀測到顯著的重復前震活動和重復地震遷移特征，表明主震發(fā)生前存在大規(guī)模的慢滑移現(xiàn)象，斷層界面的慢滑移產(chǎn)生的應力加載可能促進了主震的發(fā)生。Yao等(2017)通過模板匹配方法檢測到2012年尼科亞7.6級大地震的余震數(shù)量是原始模板數(shù)量的17倍，發(fā)現(xiàn)53組重復地震序列，認為沿板塊界面的震后余滑驅(qū)動了余震的時空擴展。基于中國地震臺網(wǎng)中心提供的區(qū)域地震目錄，Deng等(2020)從海原斷裂老虎山段2009—2018年發(fā)生的震級大于1級的地震中提取了重復地震序列，估算的斷層蠕滑速率略小于大地測量和地質(zhì)學觀測的結果，認為其可能是由于缺乏小地震或者地震目錄不完備導致的。這些研究均表明，新的微震檢測技術可以獲取更完備的重復地震序列(鄭晨等，2015；譚毅培等，2016)，揭示更高精度的斷層蠕滑過程，有助于認識斷層活動性和進行地震危險性評估。

2.6 誘發(fā)地震

Skoumal等(2014)使用模板匹配方法結合地震精定位對2011年俄亥俄州揚斯敦地震序列進行了研究，發(fā)現(xiàn)廢水處理井開始注水后，地震活動性明顯增加，注水停止后地震活動性顯著降低，該地震序列在距廢水處理井不到100m處開始發(fā)生，并向西南方向發(fā)展遷移，形成一個800m左右的線性地震條帶，地震擴散距離隨時間的演化符合上述關系式。水力壓裂法是通過注入增壓流體將頁巖層等滲透率較低的巖石壓裂或使預先存在的斷層滑動，產(chǎn)生裂縫，從而使石油或天然氣從裂縫中流出。加拿大艾伯塔省的福克斯克里克(Fox Creek)在2010年3月開始水力壓裂作業(yè)之前曾是一個地震靜止區(qū)，自2013年12月首次在該地區(qū)報道壓裂引起的地震以來，地震活動急劇增加(Schultz et al，2017)。發(fā)生于韓國浦項地熱發(fā)電廠之下的2017年MW5.5地震，是20世紀以來韓國最大和最具破壞性的地震之一，研究認為此次地震的發(fā)生與該增強型地熱發(fā)電廠在過去2年中曾進行過高壓液體注入有關(Grigoli et al，2018)。張致偉等(2012)研究發(fā)現(xiàn)，四川自貢-隆昌地區(qū)天然氣生產(chǎn)井所產(chǎn)生的工業(yè)廢水回注至家33井中，在加壓注水階段，地震活動的頻度、強度明顯增強，與注水量呈現(xiàn)較好的相關性。深入研究工業(yè)開采等人為活動誘發(fā)地震的機理，有利于指導工業(yè)活動的開展，減輕誘發(fā)地震的災害。

2.7 檢測震顫(Tremor)信號

構造震顫信號是在日本西南俯沖帶首次被發(fā)現(xiàn)的，這是一種微弱、低幅度、持續(xù)時間較長的地震信號，并經(jīng)常伴有慢滑移事件發(fā)生(Obara，2002；Rogers et al，2003；Shelly et al，2007)。普通地震大多發(fā)生在較淺的脆性地殼，而構造顫動信號常發(fā)生于較深的韌性地殼中(Guilhem et al，2010)。Shelly等(2007)使用677個低頻地震作為模板，采用模板匹配方法在日本四國島(Shikoku)識別到了2組活躍的震顫序列，發(fā)現(xiàn)第二組震顫信號沿著板塊界面以45km/h的速度向上發(fā)生遷移。這種震顫信號由低頻地震震群組成，其本質(zhì)為板塊界面的小的慢滑動事件?；谀０迤ヅ浞椒?，Shelly(2010)發(fā)現(xiàn)在圣安德烈斯斷層下的地殼基底(26km)存在遷移的震顫信號，大約在90min內(nèi)沿著斷層走向往西北遷移了25km，遷移速率為15～80km/h。震顫信號對認識斷裂帶的深部活動具有重要的意義。

3 結語

雖然能量較強的中強地震常常是地震學界關注的焦點，但微震的數(shù)量優(yōu)勢提供了豐富寶貴的地震資料，有利于揭示精細而重要的地震物理過程。高精度的地震目錄對揭示盲斷層的精細形態(tài)、了解地震速率的變化特征、探討前震、余震時空分布特征等具有重要意義。目前存在多種微震檢測方法，每種方法均具有各自的優(yōu)勢和局限性，應根據(jù)研究的連續(xù)波形時間長度、臺站密度等實際條件選取應用。

Ross等(2019)使用美國南加州地區(qū)2000—2017年發(fā)生的約28萬個地震作為模板，對2008—2017年的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)進行了模板匹配掃描，共檢測到了近181萬個地震，該高精度地震目錄表明，地震與地震之間的時間間隔由原來的1753s減至現(xiàn)在的174s。隨著地震檢測算法的改進以及計算機存儲和運算能力的發(fā)展，從大量連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)中提取地震信號的效率和能力將會不斷提高，檢測到的地震與地震之間的時間間隔將會繼續(xù)縮短，進而揭露出更加精細的地震活動性隨時間的演化過程。隨著我國固定臺網(wǎng)臺站密度的增加和密集流動地震臺陣的廣泛使用，如何實時處理地震數(shù)據(jù)并獲取高精度地震目錄是一個需要重點考慮的問題。在未來的工作中，可以考慮將微震識別技術和精定位方法相結合，應用于密集臺陣數(shù)據(jù)的自動化處理，從而有利于實時獲取高精度地震目錄、分析地震活動性、b值和應力狀態(tài)等的時空變化，提高中短期地震預測預報水平。