2010年-2017年邢臺及周邊地區中小地震的精定位研究

章 陽， 陳 婷， 劉立申， 王利兵

(1.紅山基準地震臺，邢臺 054000;2.河北省地震局，石家莊 050021)

0 引言

地震定位是指確定地震的發震時刻和位置(經度、緯度、深度)，是地震學中最經典、最基礎的問題之一，是測震學的基礎工作之一，可以用于研究地震的活動性和發震機制，并進一步推廣到地震預報和工程地震中。地震定位的精確與否至關重要，但實際定位時受很多因素的影響，包括地殼速度模型、地震波到時數據、臺網布局和觀測臺站的位置等。地震定位精度的可能誤差分為模型誤差、走時誤差、計算誤差、與震源相關的誤差等[1]。因此，為了獲得更高精度的地震定位結果，很多專家學者都在致力于研究新的定位方法。Waldhauser等[2]提出了一種比絕對定位方法精度高的相對定位法-雙差定位法，該方法適用于大范圍地震的相對定位，將相鄰的兩個地震歸為一個地震對，每個事件的定位精度不受定位范圍的影響，特別適用于震源分布集中，相鄰地震事件距離小的地震事件群集，在國內、外被廣泛應用到不同研究區域。在國外，Waldhauser等[3-4]、Bogdan等[5]將雙差定位法應用到地震重定位中，得到很多重要成果。國內的很多專家也系統研究了雙差定位法，并將其應用到不同區域的地震重定位中，取得了重要進展[6-17]。該方法可以在很大程度上消除地殼速度結構對定位結果的影響，從而獲得更加精確的地震對事件的相對位置。對于地殼構造、地震預報等研究具有重要意義。

雙差定位算法的原理是如果兩個地震間的距離遠小于地震到臺站的距離和介質速度變化的尺度，那么地震波在地殼中的射線傳播路徑近似相同，這樣就可以消除各地震對的模型誤差。進而以各地震對到同一臺站的走時差數據為基礎，求解地震對的觀測和理論走時差的殘差的最小二乘解，從而獲取更加精確的震源參數信息，達到地震精定位的目的。筆者主要應用雙差定位方法研究邢臺及周邊地區(36.3°-38.5°N，113°-116°E)，2010年1月至2017年6月發生的ML≥1.0的中小地震序列的重定位，從而獲得更加精確的地震目錄，分析地震和斷層間的關系。

1 資料選取和程序計算

1.1 資料選取

本文的地震數據資料主要來源于臺網中心的震相觀測報告，收集2010年1月至2017年6月發生在邢臺及周邊地區(36.3°-38.5°N，113°-116°E)的中小地震(ML≥1.0)的觀測報告，整理震相觀測報告，提取地震事件的初始震中位置和深度，獲取P波和S波到時。選擇P波到時小于25 s的臺站信息，剔除差錯數據，刪除震相不清和距離較遠的地震資料，保證每個地震至少有5個以上的臺站記錄到，最后得到滿足條件的地震共1 548個。研究區域的地震臺站共103個，分布在北京、天津、河北、山東、山西等區域，震中分布如圖1所示。所選取的地震資料的P波到時和S波到時，與震中距呈很好的線性關系，說明選取資料合理。滿足計算條件的P波到時數據73 337條，S波到時數據77 799條。

圖1 研究區活動斷裂與地震、臺站分布圖Fig.1 Activity faults,earthquakes and seismic stations distribution in the research areas

1.2 一維地殼速度模型的選取

地殼速度結構對雙差地震定位算法的影響不大，因此選取較為精細的一維水平層狀速度模型。本次選用的一維層狀模型主要參考張小濤等[8]的研究成果(表1)。

表1 地震重定位使用的一維地殼速度模型Tab.1 1-D crustal velocity model for earthquake relocation

1.3 精定位計算

首先使用ph2dt配對程序進行震相數據的預處理，把地震事件組成事件對，將觀測報告中的P和S震相轉換成hypoDD重定位程序的輸入，輸入數據是P波和S波震相的到時數據，輸出數據是地震事件的走時數據，然后進行重定位計算。重定位計算時P波震相精度比S波高，所以在計算過程中將P波到時權重設為1.0，S波到時權重設為0.5。由于邢臺及周邊地區地震較多，臺站分布較密集，因而選取地震到臺站的距離小于200 km，地震對間的距離小于20 km，采用共軛梯度法進行阻尼最小二乘(LSQR)求解，最終計算得到重定位結果。

2 結果分析

經過程序計算和統計，地震重定位后得到1515個地震事件的精確震源參數信息，占初始地震總數的97.17%。證明計算過程中選擇的數據資料和參數比較合理。

2.1 震中分布特征

圖3是初始地震震中分布圖和精定位后的震中分布圖。由于雙差定位法是一種線性定位方法，重定位后，地震的數量不可避免有所減少。產生空震的原因可能是由于程序計算過程中選擇的阻尼值不當或速度模型不適應造成。重新定位后顯示了比較精細的震中分布圖像，地震的震中分布和斷層的走向有很好地對應關系，中小地震沿新河斷裂呈條帶狀分布。

圖2 初始地震震中分布和精定位后的震中分布圖Fig.2 Initial and relocated earthquake epicenter distribution

2.2 震源深度分布特征

在地震定位問題中，震源深度的精確確定是一個比較棘手但是卻非常重要的問題。我們對不同震源深度的地震頻次進行定量統計，結果如圖3所示。圖3(a)震源深度集中在5 km～20 km。重定位后，圖3(b)顯示震源深度主要集中在6 km～15 km深度層。這與華北地區地震主要分布在中上地殼層的研究結果比較一致。對2017年1月3日19時41分12秒在河北隆堯發生的M3.8級地震，臺網目錄給出的震源深度是17 km，精定位后震源深度是13.477 km，在6 km～15 km范圍內，集中在上地殼層。這說明雙差定位法對震源深度的精確確定有很好的效果。

圖3 重定位前后震源深度分布Fig.3 Source depth distribution before and after relocation

圖4 沿剖面投影后重定位前后震源深度分布Fig.4 Source depth distribution before and after relocation by section projection

圖5 AB-CD投影剖面Fig.5 AB-CD projection profile

為了更好地分析震源深度分布特征，沿同一緯度37°N給出重定位前、后全部地震由西向東的深度剖面分布和沿同一經度115°E給出重定位前后全部地震由南向北的深度剖面分布如圖4所示，剖面顯示，在重定位前有部分地震位于地表附近，部分地震有橫向排列和垂向排列的分布現象；重定位后得到的地震震源深度呈集中叢集分布，主要集中在新河斷裂帶上。

圖6 重定位后震源深度分布Fig.6 Source depth distribution after relocation

重定位后，邢臺周邊的中小地震主要集中在新河斷裂帶上和隆堯斷裂帶上，呈明顯的條帶狀分布。將地震沿新河斷裂剖面投影，投影剖面如圖5所示。得到精定位后的震源深度剖面如圖6所示。表明精定位后地震震源深度分不同區域呈集中叢集分布，震源深度主要集中在6 km～15 km。而且新河斷裂帶上的中小震集中在西南段，震源深度由西南向東北有一個逐漸變淺的趨勢,這進一步體現出雙差定位法的高精度。

3 結論和討論

筆者主要用雙差定位法對2010年～2017年邢臺及周邊地區的中小地震進行重定位研究，分析精定位結果。精定位后均方根殘差明顯減小，研究區域的中小地震主要集中在隆堯地區，而且震中分布集中在新河斷裂帶上，呈現出明顯的條帶狀分布特征；從地震震源深度分布來看，地震主要集中在6 km～15 km深度范圍內，中小震發震層為上地殼；新河斷裂帶上的中小震集中在西南段，震源深度由西南向東北呈現出逐漸變淺的趨勢。這充分體現出雙差定位法的高精度，該方法可以提供更加精確的地震目錄。在接下來的研究中可以重點集中在新河斷裂帶上，研究邢臺地區地震的成因機制以及地震危險性分析，同時雙差定位法對于震源深度的確定有更高的精度，這可以用于大震速報，更好地開展應急救援工作。