福建地區重復地震識別與應用*

李 強，李 軍，袁麗文，邱 毅

（福建省地震局，福建 福州 350003）

天然地震給人類造成巨大經濟損失和人員傷亡的同時，也成為研究地球內部結構的重要工具。在地震學研究中，通常將一組發震位置相近、震源機制解相同，且破裂區域重合的地震稱為重復地震。重復地震會在同一地震臺站上產生高度相似的波形。近年來，重復地震的發展方興未艾，已成為21世紀以來地震學中重要的科學問題之一[1]。重復地震為許多理論問題的研究開啟了全新視角，如用于斷層愈合研究[2]。宋曉東教授更是利用重復地震，證實了地球內外核旋轉存在速度差異的現象[3]，極大拓展了人們對地球深部結構的認知。

除了重要的科學意義外，重復地震也越來越在地震學研究及地震預報中顯示出值得關注的應用潛力。在實際應用中，重復地震的應用涉及多個方面：如檢測地殼介質隨時間的微動態變化。因重復地震具有相同的震源和傳播路徑，所以臺站記錄的地震波形的差異（震相延時）就可以歸結為介質物性（波速）的變化。通過對比重復地震的波形特征，可以極大地提高波速變化測量精度。如在不同的區域發生中等強度地震前，其出現短期的地殼介質波速明顯升高[4-5]，這些異常的發現對震情跟蹤分析工作具有較好的指示作用。重復地震還被應用于估計斷層深部滑動速率。由重復發生的相似微震組成的多重地震序列，其復發間隔的研究可以給出不同深度的斷層滑動速率，而不是斷層滑動速率的平均速率。這種優勢是GPS和InSAR等現今地表或空間觀測技術所難以取代的。這一技術已在我國唐山地區、云南地區部分斷層的深部滑動速率獲取中得到了應用[6-7]；在評定臺網定位精度方面，能夠以最廉價的方式評估大規模地震臺網的定位精度，如對首都圈地區臺網的評估[8]。此外，重復地震在提高前震和余震檢測能力方面也發揮了重要作用[9]。

鑒于重復地震有著諸多重要作用，所以對地處東南沿海的福建地區的重復地震進行識別，并利用識別的結果，開展金鐘水庫庫區介質變化檢測研究。

1 數據選取與計算方法

使用數據時段為2008-2014年，為保證信噪比，選擇福建及臨近地區震級在ML1.5以上的地震，震中分布如圖1所示，共計1955個地震。如直接進行兩兩互相關計算，需要超過190萬次計算，計算量過大。考慮到地震臺網初始定位具有一定精度，相距太遠的兩個地震不可能為重復地震，因此實際計算時采用滑動窗方式，即以50km為窗長，30km為步長，在福建及其臨區進行網格滑動，每個滑動窗內計算地震波形互相關系數，可以極大降低計算量。

圖1 待選地震分布（圖片來自福建省地震局）

波形互相關計算參考前人經驗[8]，采用P波、S波和尾波在內的整個波形進行計算。從P波前4秒開始截取，截取4倍P、S波走時差長度。這樣的經驗處理可包含全部尾波信號并避免混入后續噪聲信號。對于三分量波形，選取垂直方向為計算所用。寬頻帶地震儀采用0.5-5Hz帶通濾波，短周期地震儀采用1-5Hz濾波。計算時采用固定一條波形，另一條波形逐點滑動，取相關系數最大值作為這兩條波形的相關系數γ，計算公式如下式（式中各參數含義具體參考文獻[8]所述）：

本文將重復地震閾值設定為相關系數大于0.8，通過波形互相關計算，在福建及臨近地區最終識別出92組重復地震，分布如圖2（a），福建地區重復地震分布于三明、龍巖、德化、安溪、尤溪、漳平、古田、仙游、華安、寧化、永定、永春、南靖、閩清、惠安海域、漳浦海域以及東山南澳海域。此外，在福建臨區的江西尋烏，浙江龍泉和文成也有重復地震分布，總體上分布較廣。在福建地區能識別出如此多的重復地震，主要得益于福建地區的高密度地震臺站分布。

圖2 閩臺地區連續地（圖片來自福建省地震局）

福建地區重復地震分布明顯與福建地區地震背景活動有所不同，根據圖1，福建地區地震活動主要集中于福建南部及沿海地區，而重復地震的識別結果如圖2（a）顯示，福建地震的重復地震更多分布于福建中部地區，而在近海并不多，僅惠安海域、漳浦海域和東山南澳海域存在幾組分布。這也表明了重復地震的發生需要特定的條件，這與普通地震的發生存在一定差別，部分臺站記錄的重復地震波形如圖3所示。

圖3 部分臺站記錄的重復地震波形（經帶通濾波）

圖2（b）顯示，福建地區重復地震分布雖然相對較廣，但地震的重數總體偏低，多數小于10重。其中有3組重復地震的重數較高，分別是東山南澳海域150重，仙游地區129重，以及古田地區45重復。這三個地區的地震均屬于頻次較高的震群型地震，其中仙游和古田地區地震由水庫誘發引起。水庫誘發型地震通常存在大量中小地震，而本文識別結果顯示，僅其中的一部分是重復地震。如在古田地區，2008-2014年時段內ML1.5以上地震301次，而能成為重復地震的僅45次。

2 基于重復地震的金鐘水庫庫區介質變化檢測

金鐘水庫于2010年開始蓄水，蓄水后3個月發生誘發地震活動，顯示出地震活動與水位變化有一定的相關性。因此，可以通過庫區地殼介質變化研究其與水庫水位變化的相關性。根據重復地震識別結果，該地區早期的重復地震并不多，特別是重數高的重復地震很少，其中XYSC臺記錄的一組重復地震，其重數為129，主要發生在2013-2014年。利用該臺站記錄的重復地震，可以研究這一時段內的庫區地殼介質的變化特征。由于重復地震射線路徑幾乎一致，可以通過P波走時變化研究地殼介質變化[5]，重復地震介質變化引起的走時差為：

其中，Δt為同一臺觀測到的重復地震P波走時差，Δt1與Δt2為震源位置和震相讀數引起的誤差，在不考慮定位誤差ε的情況下，分別校正位置和消除走時讀取誤差即可得到P波走時差δt隨時間的變化。

實際計算中，以第一條重復地震為參考地震，計算其他地震相對于該地震的P波到時差。同時，由于實際地震定位影響，不同震中位置會影響計算結果，利用射線追蹤方法，將不同震中位置歸一到參考地震的位置。即利用給定的速度模型[10]，計算參考地震的P波走時，然后計算后續重復地震的理論走時，該走時減去參考地震的理論走時，所得差值即是由于震源位置不同引起的走時差。在P波實際走時差里扣除該部分走時差即可消除影響，基于公式（2），最終計算結果如圖4所示。

圖4 金鐘水庫水位-P波走時差時間序列（XYSC臺）

當P波走時差大于0部分表示當前重復地震走時大于參考地震，說明地殼介質波速較低，地殼介質應力狀態處于低水平。當P波走時差小于0時，表明地殼介質波速較高，應力狀態處于較高水平。因此，走時差可以反映波速變化，進而反映出應力狀態變化。圖4顯示，在2013-2014年期間，金鐘水庫水位變化與P波走時差變化特征總體為負相關。當金鐘水庫水位上升時，P波走時差下降，水位下降階段走時差有所上升，這在2013年尤為明顯，而在2014年后期，走時差波動比較復雜，雖然部分時段也帶有負相關特征，但該關系不再顯著。

3 結束語

（1）福建地區多處存在重復地震，其中，以福建中部地區分布較多，重數相對較高的重復地震分布于東山南澳海域、仙游地區和古田地區。金鐘水庫庫區的重復地震P波走時差顯示，水庫水位變化與走時差總體呈現負相關。

（2）信噪比是重復地震識別的重要影響因素，因為波形信噪比直接決定了互相關計算的相關系數。而重復地震由相關系數直接定義。因此，信噪比越高，可識別的重復地震越多，重復地震識別過程中已顯示，臺站越近，越容易識別到重復地震，其正是因為近臺信噪比通常較高的緣故。此外，濾波頻帶也有一定影響，其根本也是對噪聲的壓制。

（3）地震完整性對于重復地震的應用有一定影響，如在檢測地殼介質變化時，某個地震因為噪聲等問題沒有被識別出來，則該地震所反映的介質變化信息則可能被丟掉。因此，在檢測地殼介質變化時，重復地震識別的完整性是今后需要重點研究的問題。