甘東南地區地震重新定位研究＊

莘海亮,劉明軍,張元生,曾憲偉,胡中民

(1.中國地震局地球物理勘探中心,鄭州 450002;2.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;3.寧夏回族自治區地震局,銀川 750001)

甘東南地區地震重新定位研究＊

莘海亮1,劉明軍1,張元生2,曾憲偉3,胡中民1

(1.中國地震局地球物理勘探中心,鄭州 450002;2.中國地震局蘭州地震研究所,蘭州 730000;3.寧夏回族自治區地震局,銀川 750001)

將雙差地震定位法與遺傳算法相結合,對 2001～2007年甘東南地區的地震進行了重新定位。結果顯示:重新定位后地震在空間分布上更加集中,部分地區的地震有向構造帶趨近的變化。地震震源平均深度為14.6 km,5～20 km深度為該區多震層深度范圍。3次 5級以上中強地震的震中均處于主干活動斷裂邊緣。震源深度分布與斷裂構造的關系刻畫出剖面沿線不同斷裂的深部展布特征,部分斷裂延伸到中、下地殼。

雙差定位;遺傳算法;震源深度;多震層;甘東南地區

0 引言

地震定位是地震學中最經典、最基礎的問題之一,對于研究地震活動構造、地球內部結構、震源的幾何構造等具有重要意義。

常用的地震定位方法主要分為絕對定位方法(如 Geiger法)與相對定位方法(如主事件定位法、雙差地震定位法等)。近年來,雙差地震定位法(Waldhauser,Ellsworth,2000)作為定位精度較高的一種相對定位法得到了廣泛應用及改進(楊智嫻等,2003;朱艾斕等,2005;姚運生等,2007)。遺傳算法作為一種新型的完全非線性搜索方法有其自身的優勢和特點,其主要優點是全局搜索,不用求導數,不依賴于初始模型的選取,普遍適用于各種優化問題。Kennet和 Sambridge(1992)、Sambridge和 Gallagher(1993)利用遺傳算法探討了地震定位問題;萬永革和李鴻吉(1995)、萬永革等(1997)、周民都等(1999)分別對遺傳算法進行了改進,作了應用研究,并與其他傳統定位方法進行了對比研究。莘海亮等(2008)使用遺傳算法對 2003年民樂—山丹地震及余震進行了精確定位;黃耘等(2008)則將以上兩種定位方法相結合,對 1980～2005年江蘇及鄰區發生的地震進行了重新定位研究。

甘東南地區(32.5°～36.5°N,102°～107°E)位于新構造活動強烈的青藏塊體東北緣,處在祁連山地震帶和南北地震帶北段的復合部位。區內多組活動構造交匯,地震活動頻繁,是中國主要的地震區之一,歷史上曾多次發生中強地震。1654年天水南 8級地震和 1879年武都南 8級地震,為該地區有史以來發生的最大地震(楊國棟等,2005)。因此,該地區地震活動性、構造變形特征、動力學機制及未來的地震危險性等倍受關注(楊立明等,2002;袁道陽,2006;范燕,車兆宏,2001;郭曉等,2007,2008)。

本文擬首先采用雙差定位法對研究區內的地震進行重新定位。為了確保地震對之間速度結構均一,適當選取地震對之間的距離是實現雙差法定位的關鍵,但必然會犧牲一些可靠的用于定位的地震,故同時對不符合雙差定位條件的地震采用遺傳算法定位。將這兩種定位方法的結果結合起來,獲得研究區地震重新定位的結果,并分析探討該區地震活動的空間分布特征及其與活動構造的關系,為該區進行地震活動性、構造活動和地殼深部結構等研究提供一定的基礎。

1 研究方法

1.1 雙差定位法

雙差地震定位法由 Waldhauser和 Ells worth(2000)提出。在雙差定位法中,使用兩個地震的走時差的觀測值與理論計算值的殘差(即 “雙差”)確定其相對位置:

式中,drijk是 “雙差”:

即第i個地震至第k個地震臺的地震波的走時與第j個地震至第k個地震臺的地震波的走時之差的觀測值-obs與理論計算值-cal的殘差。Δmi=(Δxi,Δyi,Δzi,Δ τi)T是第i個地震的震源參數(xi,yi,zi,τi)的改變量,其中x,y,z是震源東西、南北和垂直方向的坐標,τ是發震時刻。將由所有地震(i,j=1,2,…,N),所有臺站(k=1,2,…)得到的形如(1)式的方程用矩陣形式表示,便得到方程

其中,G是一個M×4N(M是雙差的觀測數,N是地震數)的偏微商矩陣,d是雙差數據矢量,m是長度為 4N(Δx,Δy,Δz,Δ τ)T的矢量 , 含有待定震源參數的變化;W是對每個方程加權的對角矩陣。計算時,引入一個表示所有的地震經重新定位后其平均“位移”為零的約束條件

以阻尼最小二乘法求解方程(3),此時,問題歸結為

式中,λ為阻尼因子,I為單位矩陣。由正則方程可以得到方程(5)的解為

對于數目不是很大的地震叢集,可以用奇異值分解法得到方程(5)的解

式中,U和V分別為矩陣 G的兩個正交奇異矢量矩陣,Λ是由 G的奇異值構成的對角線矩陣。實際計算時采用共扼梯度法求解方程(5),得到阻尼最小二乘解,同時將奇異值分解法應用于部分資料以獲得有關模型參數的誤差、分辨度等信息。

1.2 遺傳算法定位

假如在t0時刻,在(x0,y0,z0)處發生了一次地震,那么在臺網中觀測到的是一組到時。再用這些數據求地震的發震時刻和震源位置(x0,y0,z0,t0)。

擬合差函數(即目標函數)可表示為

式中φ(mk)為第k個假定震源位置(個體)的擬合差,Nsta為總臺站數為第i個臺站的觀測走時為由假定震源位置計算的第i個臺站的計算走時,目的就是找出產生一個最佳φ(m)值(通常為最小值)的模型。

遺傳算法通過利用較好的觀測數據擬合模型參數以發展新的模型。在每一個迭代過程中,每個模型的目標函數值被用于控制可能性,單個參數的特征將被 “遺傳”到下一代模型中去,這類似于生物系統中的進化,從一次迭代到下一次迭代,較好的模型將“存活”并 “繁殖”,而較差的模型將被淘汰。每次迭代是以一種類似于適者生存的方式進行的,直到得到一個最佳的模型。遺傳算法主要通過 “繁殖”、“交配”、“變異”三個步驟循環,最終優選出最佳的震中位置。

2 數據處理

2.1 資料選取

本研究區范圍為 32.5°～36.5°N,102°～107°E。重新定位所用資料為 2001～2007年甘肅省地震臺網和國家基本觀測臺網記錄到的地震波到時資料(圖 1)。經計算理論走時、剔除差錯數據,對震相不清、距離太遠的地震進行刪除,最后得到 4個以上臺站記錄到的地震共 2336個,震級在ML1.0～5.5之間,其中 5級以上地震 3個。共有25318個震相,包括直達波 Pg、Sg,反射波 Pm、Sm,首波 Pn、Sn。

圖 1 研究區活動斷裂與臺站分布示意圖Fig.1 Overview of active faults and distribution of seis mic stations in the study area

2.2 速度模型

地震定位過程中,除了定位方法以外,合理的地殼速度結構模型的建立也至關重要。前人已在本研究區及鄰區做了大量的研究工作,包括地震層析成像研究(丁志峰等,1999;周民都等,2006)和人工地震測深剖面研究等(張少泉等,1985;閔祥儀等,1991;李清河等,1991;李松林等,2002)。筆者參考前人研究成果,經過多次試算最終建立了分層結構速度模型(表 1),波速比VP/VS=1.732,莫霍面深度為 50 km,下界面 P波速度為 8.10 km/s。

表 1 重新定位所用的一維地殼速度模型Tab.1 Velocitymodel used for the relocation

2.3 定位計算

筆者將收集整理得到的 2336個地震進行精確定位計算。計算過程中,對誤差大的地震資料進行核對,或通過震相分析重新獲得震相到時數據。

在采用雙差定位法定位時,首先要反復試算,根據研究區小震較多,臺站分布較密集的特點,選取的臺站與地震的間距小于 300 km,地震對的間距應小于 10 km。采用共軛梯度算法求解方程,得到符合雙差定位條件的地震結果共 957個。其余地震不滿足雙差定位條件的原因是:有的地震不能構成成對的地震事件,或相同臺站記錄到的地震對的共同的震相小于最小觀測數。基于同樣的地殼速度結構,筆者采用遺傳算法繼續對另外1379個地震重新定位,共迭代計算 40次,走時標準差在由初始的 1.30 s降為 0.6 s時趨于穩定。

3 結果及分析

3.1 震中分布特征

圖 2為對 2336個地震進行重新定位后得出的結果,包括 957個地震的雙差法定位結果和1379個地震的遺傳算法定位結果。由圖可見,定位后震中的平面分布有一定的變化,但變化不很明顯,不過重新定位前出現的由定位誤差引起的經向排列的假象,在重新定位后得到明顯改善。部分地區的地震有向構造帶趨近的變化,如六盤山斷裂、西秦嶺北緣斷裂以及塔藏斷裂周圍的地震。還有較多的地震呈簇集狀出現于多條斷裂的交匯部位。

圖 2 地震震中分布圖(a)重新定位前;(b)重新定位后;Fig.2 Distribution of epicenters(a)Before relocation;(b)After relocation

3.2 震源深度分析

圖 3是重新定位前、后全部地震的震源深度剖面圖(沿 104.5°E經線投影)。重新定位后地震的震源深度相對于定位前有了明顯的收斂,絕大多數地震的震源深度在 0～25 km的范圍內,位于地殼的中、上部(楊智嫻等,2003)。為了更清楚起見,對全部地震做震源深度分布直方圖(圖 4),對比重新定位前、后不同深度層分布統計結果可以看出,重新定位前約 50%的地震震源位于地表下 5 km以內(其中約 45%的地震由于受測震臺網的監控能力所限沒有給出震源深度值),重新定位后 92%的地震震源深度集中在 5～25 km范圍內,98%的地震震源深度在 0～30 km范圍內,平均深度為14.6 km,這一結果與楊智嫻等(2003)的研究結果較為一致。

圖 3 重新定位前(a)和重新定位后(b)的震源深度剖面Fig3. Cross-sectional view of seismicity along longitude before(a)and after(b)relocation

圖 4 重新定位前(a)、后(b)地震震源深度分布直方圖Fig.4 Histogram of focal depths before(a)and after(b)relocation

從圖 3、圖 4還可以發現重新定位后的震源深度分布特點,就是定位后分布在 20 km深度以下的地震數要遠遠少于分布在其上的三個深度層內的,而 5～10 km與 15～20 km深度范圍是兩個明顯的地震優勢分布層。周民都等(2006)對包含本文研究區在內的青藏高原東北緣地區的地殼速度結構進行了研究,指出青藏高原東北緣地區上地殼埋深約 3～17 km,中地殼埋深約 17～36 km。李清河(1991)指出在南北地震帶北段中地殼 20～30 km范圍內普遍存在的低阻層,李清河等(1991)、閔祥儀等(1991)通過本研究區內的各種人工剖面發現沿這些剖面中的地殼頂部多存在低速層。周真恒和鄧萬明(1998)對多震層孕震環境研究所取得的主要進展進行了總結,指出多震層位于上地殼至中地殼,具有相對高速、高密度、高阻的介質結構。筆者綜合分析前人研究結果與本文所得地震深度分布特點,得出甘東南地區多震層深度范圍約為 5～20 km,這一結果為確定該區地殼的發震層厚度、活動地塊的下部邊界,闡明地震的成因和機制以及地震危險性分析提供了一個重要的約束條件。

3.3 兩種定位方法結果對比分析

符合雙差定位條件的 957個地震的定位結果顯示,均方根殘差由初始的 1.29 s降為 0.63 s;震源位置的測定誤差(2倍標準偏差)在水平方向平均為 1.5 km,在豎直方向平均為 1.7 km。其余采用遺傳算法進行定位的地震,其結果顯示走時標準差在由初始的 1.30 s降為 0.6 s時趨于穩定。

在影響定位結果的諸多因素中,模型誤差是最重要的一項。為了更好地分析地震重新定位結果的可信度,筆者將雙差法定位結果和采用同樣的地殼速度結構的遺傳算法定位結果進行對比分析。

筆者選擇武都北至禮縣地區(33.3°～34.3°N,104°～105.4°E)進行小范圍地震定位對比。取剖面起點坐標為(33.8°N,104°E),終點坐標為(33.8°N,105.4°E),投影寬度為 15 km。圖 5a為該剖面用雙差定位方法得到的結果。由圖可看出震源深度分布在 5～27 km范圍內,優勢分布范圍為 l0～27 km,平均深度約 17.5 km。圖 5b為相同原始數據和相同速度模型的遺傳算法的定位結果。由圖可看出,地震剖面分布與圖 5a基本相同,震源深度分布于 5～32 km范圍內,平均深度約 17 km。由兩種定位方法得到的結果基本一致。這與黃耘等(2008)在研究江蘇及鄰區地震重新定位和構造特征時對該兩種定位方法結果分析所得結論一致。

圖 5 兩種方法定位結果對比(a)雙差法定位結果;(b)遺傳算法定位結果Fig.5 Comparative analysis for results of two relocation methods(a)ByDouble-Difference method;(b)By Genetic Algorithm method

3.4 地震活動與構造關系分析

3.4.1 中強地震活動多處于主干活動斷裂邊緣

本研究所用資料包含 3個 5級以上中強地震,分別是 2003年 11月 13日岷縣ML5.5地震,2004年9月 26日岷縣—卓尼ML5.2地震,2006年 6月 21日文縣ML5.4地震。這 3個地震的震中位置在重定位后相對于重定位前有了較大的變化——離發震斷裂更近(震源位置參數及相對變化情況見表 2),它們與其周圍小震一起沿斷裂走向展布(圖 2)。

表 2 重新定位前、后三個中強地震震源位置變化Tab.2 Hypocenter variety of the three earthquakes before and after relocation

鄭文俊等(2005)對 2003年 11月 13日甘肅岷縣ML5.5地震的基本特征進行了研究,指出該次地震發生在甘肅省東南部地區南北向構造帶與昆侖—秦嶺深大斷裂交匯部位,其孕震和發震構造為臨潭—宕昌斷裂帶的中段北支前緣的次級斷裂,走向為 NWW—NW;何文貴等(2006)對2004年 9月 26日岷縣—卓尼 5.2級地震的基本特征進行了研究,指出該次地震與 2003年 11月 13日岷縣ML5.5地震基本特征相同,發震構造也相同,同為臨潭—宕昌斷裂帶;馬占虎等(2007)對 2006年 6月 21日文縣ML5.4地震災害損失進行了評估,并指出該次地震發震構造為哈南—稻畦子—毛坡里斷裂帶;袁道陽等(2006)研究發現,1995～2005年十余年來甘肅地區的地震多發生在活動性較弱的次級斷裂帶上或主干活動斷裂帶邊緣。本文的重新定位結果與他們的結論基本一致。

3.4.2 震源深度剖面分布與構造關系分析

經重新定位后,地震沿某些斷裂構造的分布更加密集,顯示出地震活動與斷裂構造活動明顯相關。本區內多為NW向大型走滑逆沖型斷裂。為更好地分析地震活動分布與斷裂構造的關系,給出斷裂深部展布的特征,筆者沿著研究區對角線方向,盡可能地垂直于所經斷裂,進行地震深度剖面投影,起點為(32.5°N,102°E),終點為(36.5°N,107°E), 投影寬度為 60 km(圖 6), 同時根據地震重新定位結果分布刻畫出了該剖面所經過斷裂的深部展布特征。

從圖 6可以看出,剖面沿線地震多分布于 5～30 km深度范圍內,處于中、上地殼。塔藏斷裂(F16)、西秦嶺北緣斷裂(F6)、六盤山斷裂(F3)、云霧山斷裂(F4)皆傾向 S W,其中西秦嶺北緣斷裂延伸到下地殼,中、上地殼內可近似為直立斷層。這個結果與閔祥儀等(1991)、李清河等(1991)的研究結果較為一致。向宏發等(1998)對六盤山東麓地區活動構造進行了研究,認為六盤山東麓斷裂南段斷層產狀為 320/S W<70°,與本文結果基本相符。迭部—白龍江斷裂(F11)、光蓋山—迭山南麓斷裂(F10)、光蓋山—迭山北麓斷裂(F9)、臨潭—宕昌斷裂(F7)皆傾向NE,延伸到中、下地殼。這個結果與已有地質資料和前人研究結果(袁道陽等,2007;鄭文俊等,2005,2007)相吻合。

圖 6 地震深度剖面分布與構造關系圖Fig.6 Relationship between cross-sectional views of seismicity and structure

4 結論與討論

本文采用雙差定位方法和遺傳定位方法對2001～2007年甘東南地區的地震進行了重新定位,對滿足重新定位條件的 2336個地震給出了定位結果,對其中 957個地震給出了雙差定位結果,其余1379個地震給出了遺傳算法定位結果,精度總體上較重新定位前很大提高。

重新定位后地震在空間分布上更加集中,部分地震有向構造帶趨近的變化,較多的地震呈簇集狀出現于多條斷裂的交匯部位;3個 5級以上中強地震的震中位置相對于重新定位前有了較大的變化,均處于主干活動斷裂邊緣,與其周圍小震一起沿斷裂走向方向展布。震源深度分布的特點表明,甘東南地區地震主要發生在中、上地殼,深度分布約在 0～30 km,震源平均深度為14.6 km,該區多震層深度范圍為 5～20 km。地震深度分布與斷裂構造關系刻畫了剖面沿線不同斷裂的深部展布特征。部分斷裂延伸到中、下地殼,與已有地質資料和前人研究結果較為一致。

本文結果是建立在一維的速度結構基礎上的,由震源深度推測地殼結構與斷裂展布特征具有一定的不確定性,但某種程度上它可以反映地震活動與地殼結構、斷裂相互之間的關系。甘東南地區地質構造復雜,地震活動頻繁,要獲得更加精確的定位結果,如采用震源位置與速度結構的聯合反演以及在三維速度結構基礎上進行精確定位,還需要做更多的研究。

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Relocation of the Earthquakes in the Southeast Area of Gansu

XIN Hai-liang1,LIU Ming-jun1,ZHANG Yuan-sheng2,ZENG Xian-Wei3,HU Zhong-min1
(1.Research Center of Exploration Geophysics,China Earthquake Administration,Zhengzhou450002,Henan,China)
(2.Lanzhou Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Lanzhou730000,Gansu,China)
(3.Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan750001,Ningxia,China)

We relocate earthquakes occurred in the southeast area of Gansu from2001to2007using double-difference method and genetic algorithm method.The result show s that the earthquakes are m ore spatially concentrated and in some areas the earthquakes tend to get close to tectonic belts.The average hypocenter depth is14.6km and the seismogenic layer ranges from5km to20km.After relocating three moderately strong earthquakes,We find that they Were all occurred in the edge of the main active faults.The relationship bet Ween seismic depth distribution and fault structure portray the spreading characteristics of different faults along the profile in the deep,and some faults stretch to the middle and deep crust.

double-difference algorithm; genetic algorithm; focal depth; seism ogenic layer; southeast area of Gansu

P315.63

A

1000-0666(2010)03-0292-08

2009-06-09.

國家自然科學基金項目(40674043,90814001)資助 .中國地震局地球物理勘探中心論著號:0908.