基于雙差定位法的鄂爾多斯塊體西北緣地震精定位研究

郭 偉，劉甜甜 ， 范玲玲， 李貴明

(1.內蒙古自治區地震局烏加河地震臺，內蒙古 巴彥淖爾 015331；2.中國地震局地震預測研究所，北京 100036)

0 引言

地震定位是用各個臺站觀測到的地震波到時來反演地震的空間位置,地震精定位是開展地震學相關研究的基石。1912年，地震學家Geiger率先提出經典地震定位方法[1]，但考慮到各個地區的地質構造不同、速度模型尚未完善及地震絕對到時拾取誤差較大等因素的影響，經典地震定位法未能適用于所有地區。近年來，國內外地震學者一直致力于提高地震定位精度的研究，傳統的定位方法有S-P到時差、單臺定位法、多臺定位法等。相對定位法主要是應用時間之間的相互關系，常用的有主事件法和雙差定位法。2000年，Waldhauser和Ellsworth提出了雙差地震定位法[2]，應用震源之間的相對位置消除速度模型對定位結果的影響。張海江在此基礎上提出了TomoDD方法[3]，實現了同時反演地震位置和速度結構；楊智嫻等研究了雙差地震定位法在我國中西部地區地震精確定位中的應用[4]；趙翠萍對1997—2003年新疆伽師震源區150多個地震進行精定位，發現地震空間分布圖像顯著改善[5]，在空間上表現出較好的叢集；張廣偉等采用雙差定位法，對云南魯甸MS6.5地震序列重新定位，結果顯示，主震的震源深度與破裂過程顯示的初始破裂深度較為接近，余震序列呈現出近東西—北西向的不對稱共軛狀分布[6]；張帆對岱海斷陷帶及周邊地區地震事件進行雙差重定位后發現地震在空間分布上更加集中[7]；李翠平等對2017年11月23日重慶武隆MS5.0地震序列進行重定位，發現余震集中分布在主震SW方向[8]；閻春恒等采用雙差定位法對2019年廣西北流MS5.2地震序列進行重新定位，發現地震分布呈北西向優勢展布[9]；王恩惠等對鹽城地區近10年的小震進行重新定位，發現精度大幅提高[10]；李彬[11]、尹占軍[12]分別對內蒙古阿拉善左旗5.8級地震序列和內蒙古中部地區符合條件的地震事件進行雙差定位，均得到較準確的震源深度。

雙差定位法在實際應用中要注意以下幾點：不需要主事件，適用于較大的叢集地震空間跨度；適用于震中分布集中的、相鄰地震間距離幾百米甚至更小的地震群；雙差定位算法的主要局限性在于臺站的幾何分布和可用性；近臺對雙差定位結果有較大的影響。

研究選取2009—2019年發生在鄂爾多斯塊體附近(北緯34°～42°,東經104°～114°)的地震數據，重新量取地震波形，采用雙差定位法進行重新定位，為進一步研究該區域的地震活動性等奠定基礎。

1 地震地質構造背景

鄂爾多斯塊體位于華北克拉通塊體內部，塊體內部構造活動微弱，周緣地震活動強烈，歷史地震較多[13]。鄂爾多斯塊體北緣主要位于內蒙古中西部地區，在陰山隆起和鄂爾多斯隆起之間，東西走向[14]，中強地震較為活躍，主要包括河套斷陷系(有呼包凹陷、白彥花凹陷和臨河凹陷，這3個凹陷的北緣分別是大青山山前斷裂、烏拉山山前斷裂和狼山—色爾騰山山前斷裂)和山西斷陷系北部(主要有大同盆地，邊界斷裂有口泉斷裂、六棱山北麓斷裂和衡山北麓斷裂)[15]；鄂爾多斯塊體西緣位于南北地震帶北端，是青藏地塊、阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯部位，新生代以來區域內構造活動強烈、南部弧形構造帶以擠壓、走滑為特征，北部盆嶺構造帶構造活動以拉張為主，發育有規模較大的張性-扭性正斷層[16]。

2 資料選取

選取2009—2019年發生在鄂爾多斯塊體附近(北緯34°～42°,東經104°～114°)的地震事件為研究對象，采用雙差定位法重新定位。研究區域內臺站和地震觀測報告中的地震分布如圖1所示。可以看出，地震基本上都分布在鄂爾多斯塊體西北緣，塊體內部較少。

圖1 鄂爾多斯塊體西北緣臺站及地震分布Fig.1 Stations and earthquake distribution in the northwest margin of Ordos block

3 原理方法

雙差定位算法是調整事件對的相對位置，使得觀測值和理論值的到時差最小。對于臺站k，記錄到的第i個地震的體波走時t滿足:

式中:τi為事件的初始時刻;u為慢度;ds為積分路徑長度。

假設地震事件i、j相距足夠近，這兩個地震事件到同一臺站k的路徑幾乎相同,則:

4 雙差定位結果及分析

4.1 速度模型

地震學中經典的一維速度模型有J-B模型、PREM、IASP91和AK135模型。考慮到不同區域的地質構造不同，多年來學者們對不同區域分別開展了相應的速度模型研究。

劉芳[17]建立了內蒙古地區地殼速度模型(簡稱“2015模型”)，趙艷紅[18]在“2015模型”的基礎上分別建立了內蒙古西部、中部和東部3個區域的地殼速度模型。賈昕曄[19]在劉芳、趙艷紅研究的基礎上開展了內蒙古中西部地區一維速度模型檢驗，結果顯示，分區速度模型更符合內蒙古區域構造特征，所以，該文采用的速度模型是賈昕曄的研究結果(見表1)。其中：H表示地殼厚度，VP表示P波的速度，VS表示S波的速度。

表1 內蒙古中部地區水平層狀速度模型Table 1 Horizontal layered velocity model in central Inner Mongolia

4.2 結果分析

應用雙差定位法，對鄂爾多斯塊體附近的地震進行重新定位，定位前后的地震分布如圖2所示。可以看出，地震基本上都分布在鄂爾多斯塊體西北緣，塊體內部較少。由于內蒙古地區地域遼闊且地質構造背景復雜，臺站分布不均勻，西部地區臺站分布較稀疏。雙差定位對于包圍較好的地震叢集有優勢，在圖2的基礎上考慮構造背景分區，分別對銀川吉蘭泰斷陷帶(鄂爾多斯塊體西緣)和河套斷陷帶(鄂爾多斯塊體北緣)的地震進行重新定位，結果如第13頁圖3、4所示。雙差定位后的地震分布更集中，西緣和北緣均呈條帶狀分布，朝斷裂帶走向聚集，基本上與斷層走向一致，塊體西緣的地震沿銀川吉蘭泰斷陷帶分布，塊體北緣的地震沿河套斷陷帶分布，顯示出研究區內地震活動與活動構造的密切關系。

圖2 鄂爾多斯塊體雙差定位前后地震分布Fig.2 Seismic distribution before and after double difference location in Ordos block

進行雙差定位前后鄂爾多斯塊體及其西緣、北緣的均方根殘差如第13頁表2所示，可以看出，雙差定位后均方根殘差較之前降低了一個數量級。由于臺站密集，地震分布集中的區域叢集事件的殘差較小，反演過程組成叢集事件較多，說明雙差定位的精度較目前測震臺網的定位精度有提高。

第13頁表3是雙差定位后震源位置三分向誤差，可以看出，雙差定位后三分向誤差基本均在1 km以內。

從第13頁圖5、6、7(a圖均為重新定位前，b圖均為重新定位后)可以看出，重新定位前震源深度分布主要集中在5～20 km，定位后基本呈正態分布。尹占軍[12]對內蒙古中部地區地震事件進行雙差定位，結果表明，震源深度分布在6～10 km。張帆[20]通過Pn-Pg走時差計算內蒙古地區地震震源深度發現，原始地震目錄深度在10 km以內，重新測定的深度分布在5～40 km范圍內。為此，研究了鄂爾多斯塊體重新定位前后震源深度隨經緯度變化的情況，結果如第14頁圖8所示。可以看出，重新定位前(見圖8a、8b)震源深度在5～10 km范圍內，水平分層現象明顯，這與我國地震目錄的處理方式有關。目前，測震臺網多采用人工分圖方式，有些震源由于臺站記錄到的震相不足等導致無法獲得準確的震源深度，從而根據以往的分圖經驗人為設定一個震源深度(采用“地區優勢”深度代替實際的震源深度[21])，與實際的深度存在誤差，進一步說明對地震進行重新定位是必要的。

鄂爾多斯塊體重新定位后(見圖8c、8d)震源深度隨經緯度變化情況顯示，重定位后消除了水平分層現象，與張帆[20]通過Pn-Pg走時差重新測定的內蒙古地區地震震源深度分布結果相吻合。在垂直方向震源呈條帶狀分布，地震優勢分布在斷裂帶附近，說明雙差定位算法可以較好地應用震源的相對位置，對深度有一定的約束力，能夠更真實地反映當地的地質構造情況。

圖3 鄂爾多斯塊體西緣雙差定位結果Fig.3 Double difference location results of the western margin of Ordos block

圖4 鄂爾多斯塊體北緣雙差定位結果Fig.4 Double difference location results of the northern margin of Ordos block

表2 雙差定位前后均方根殘差

表3 雙差定位后震源位置三分向誤差

圖5 鄂爾多斯塊體重新定位前后震源深度分布Fig.5 Focal depth distribution before and after relocation of Ordos block

圖6 北緣重新定位前后震源深度分布Fig.6 Distribution of focal depth before and after relocation in the northern margin

圖7 西緣重新定位前后震源深度分布Fig.7 Focal depth distribution berore and after relocation of the western margin

5 結論與討論

采用雙差定位法對2009—2019年發生在鄂爾多斯塊體西北緣的地震事件進行重新定位，結果表明：

(1) 雙差定位的精度較高。雙差定位后均方根殘差平方和RMS顯著降低，從精定位前的1.79～2.04降到0.06～0.15，精定位后震源位置三分向誤差基本都在1 km以內，垂直定位誤差略高于水平誤差。

圖8 震源深度隨經緯度分布圖Fig.8 Distribution of focal depth with latitude and longitude

(2) 震源深度有所改善。消除了重新定位前震源深度水平分層的現象，重新定位后震源深度基本呈正態分布，在垂直方向上地震呈條帶狀分布。

(3) 震中分布更集中。定位精度明顯提高，鄂爾多斯塊體西緣的地震沿銀川吉蘭泰斷陷帶分布，北緣的地震沿河套斷陷帶分布，與塊體周緣復雜的地質構造背景和動力學過程密切相關。

經過雙差定位的地震精度、震源位置及深度都有改善，為研究該區域的地震活動性等奠定基礎，震源深度的精確測定在今后的研究中仍需不斷完善。