豫北及鄰區(qū)地震雙差法重新定位研究*

莘海亮 方盛明 李 穩(wěn)

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

豫北及鄰區(qū)地震雙差法重新定位研究*

莘海亮 方盛明 李 穩(wěn)

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

利用雙差地震定位法對(duì)豫北及鄰區(qū)1985—2008年的787次地震進(jìn)行重新定位，得到了497次地震定位結(jié)果。結(jié)果顯示：重新定位后震中呈條帶狀叢集分布，部分地區(qū)地震向構(gòu)造帶趨近;震源深度主要分布在上地殼和中地殼內(nèi)，平均深度13.3 km，10～20 km為多震層深度范圍。

豫北及鄰區(qū);雙差定位法;重定位;多震層;震源深度

1 引言

研究地震定位方法和提高地震定位精度，一直是地震科學(xué)中的一個(gè)重要課題。常用的地震定位方法主要分為絕對(duì)定位方法與相對(duì)定位方法。近年來(lái)，雙差地震定位法［1，2］，作為定位精度相對(duì)較高的一種相對(duì)定位法得到了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的使用及改進(jìn)［3-8］。本文擬利用該方法對(duì)發(fā)生在豫北及鄰區(qū)1985—2008年的地震進(jìn)行重新定位，并分析探討重新定位后地震活動(dòng)的空間分布特征及其與活動(dòng)構(gòu)造之間的關(guān)系。

2 資料選取及計(jì)算

2.1 資料選取

所選研究區(qū)范圍為35.00°～37.17°N，113.12°～115.83°E。重新定位所用資料為1985—2008年區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)所記錄到的P波、S波初動(dòng)絕對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算理論走時(shí)、剔除差錯(cuò)數(shù)據(jù)，對(duì)資料震相不清、距離太遠(yuǎn)的地震進(jìn)行刪除，最后得到4個(gè)以上臺(tái)站記錄到的地震共787個(gè)。地震臺(tái)站總數(shù)達(dá)38個(gè)，其中包括河南和河北境內(nèi)的部分臺(tái)站以及山西、山東的個(gè)別臺(tái)站(圖1，虛線框內(nèi)為研究區(qū))。

2.2 速度模型

雙差地震定位算法中采用的是水平分層速度模型，需要選用較為精細(xì)的速度模型。我們以通過(guò)本區(qū)的長(zhǎng)治-菏澤人工地震測(cè)深速度剖面［9］與安陽(yáng)地區(qū)三維速度結(jié)果為主［10］，并參考文獻(xiàn)［11］在邯鄲-邢臺(tái)地區(qū)進(jìn)行雙差定位所使用的一維速度模型，共同確定了本區(qū)地震定位的初始速度模型(表1)。

圖1 研究區(qū)活動(dòng)斷裂與臺(tái)站分布示意圖Fig.1 Sketch of the distribution of active faults and seismic stations

表1 重新定位所使用的一維地殼速度模型Tab.1 Velocity mode used for the relocation

2.3 定位計(jì)算

首先應(yīng)用ph2dt程序進(jìn)行震相數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后應(yīng)用HypoDD程序進(jìn)行地震定位計(jì)算。對(duì)于初始震相數(shù)據(jù)需要確定先驗(yàn)權(quán)重，由于P波震相讀數(shù)精度要比S波震相讀數(shù)精度高，所以對(duì)P波讀數(shù)賦予1.0的權(quán)重，相應(yīng)的S波讀數(shù)賦予0.8的權(quán)重。定位計(jì)算時(shí)依據(jù)研究區(qū)地震較多，臺(tái)站分布比較密集的特點(diǎn)，選取的臺(tái)站與地震的間距小于300km，地震對(duì)的間距小于10km;采用共軛梯度法求解方程，得到阻尼最小二乘法解。第一輪的4次迭代由地震的初始位置和先驗(yàn)權(quán)重開(kāi)始;第二輪的6次迭代，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差的4倍作為截?cái)嘀怠Ｍㄟ^(guò)反復(fù)迭代，舍去殘差大于截?cái)嘀档恼鹣鄶?shù)據(jù)，并用上一次迭代的結(jié)果更新震源位置、殘差和偏導(dǎo)數(shù)矩陣，每次迭代得到的殘差大小作為下一輪迭代的加權(quán)函數(shù)，直到得到穩(wěn)定的解。

3 結(jié)果及分析

重新定位后得到了497個(gè)地震事件的精確位置參數(shù)，個(gè)數(shù)占初始定位數(shù)據(jù)的63%。

3.1 震中分布特征

圖2是初始地震震中分布圖和重新精確定位后的震中分布圖。為增強(qiáng)圖像之間的可比性，圖2(a)和圖2(b)中地震個(gè)數(shù)同為497個(gè)，即定位前后所示地震事件一一對(duì)應(yīng)。對(duì)比定位前后震中分布特點(diǎn)可以看出，定位后震中的平面分布有一定的變化，地震多呈條帶狀叢集分布，變化較為明顯;同時(shí)定位前出現(xiàn)的由原始定位誤差引起的經(jīng)向或緯向排列的假象，重新定位后明顯得到改善，如黎城西南、磁縣至涉縣以及范縣至菏澤一帶的地震。永年、黎城西南部、磁縣、范縣南部、菏澤西部等地區(qū)的地震有向斷裂趨近的變化。

3.2 震源深度分布特征

在地震定位問(wèn)題中，震源深度的精確確定是主要關(guān)心的問(wèn)題。為此我們以5 km為統(tǒng)計(jì)間隔對(duì)不同震源深度的地震頻次進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。定位前原始臺(tái)網(wǎng)約有18%的地震未給出初始深度值，地震分布總體較為分散，圖3(a)顯示在10～15 km震源深度分布相對(duì)集中，其原因是當(dāng)程序計(jì)算結(jié)果偏大或偏小超出合理范圍后，分析人員人為進(jìn)行調(diào)整，多數(shù)取震源深度為10 km所致。經(jīng)重新定位全部地震都給出了深度值，震源深度主要分布在5～25 km深度層，占定位結(jié)果總數(shù)的88%;優(yōu)勢(shì)分布為10～20 km的中地殼層，震源平均深度為13.3 km(圖3(b))，這與張小濤等［11］和于湘?zhèn)サ龋?］的研究結(jié)果相近。

為了更直觀地分析震源深度分布特征，沿同一緯度(36.00°N)給出了定位前后全部地震由西向東的深度剖面分布(圖4方框所示)。剖面顯示，定位前有部分地震位于地表附近，在5 km及10 km深度處地震出現(xiàn)明顯的橫向排列，同時(shí)其他位置還出現(xiàn)有垂向排列的分布現(xiàn)象(圖4(a));重新定位得到的地震深度分不同區(qū)域?yàn)榧袇布植?圖4(b))。豫北及鄰區(qū)的震源深度優(yōu)勢(shì)分布層為10～20 km，位于中地殼內(nèi)。

圖2 497個(gè)地震定位前(a)后(b)震中分布與反演斷層走向、傾向所用的小震范圍(粗方框)AA'、BB'、CC'和地震深度剖面DD'、EE'Fig.2 Distribution of 497 epicenters before(a)and after(b)relocation(AA'，BB'，CC'are the data selection areas(thick rectangles)which used for inversing fault plane parameters.DD'，EE'are profiles at the focal depth of earthquakes)

圖3 定位前后震源深度分布統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistic distribution of focal depths before(a)and after(b)relocation

圖4 定位前后震源深度分布剖面圖(沿36°N)Fig.4 Profiles of focal depths of earthquake along latitude 36°N before(a)and after(b)relocation

3.3 地震深度分布與構(gòu)造關(guān)系分析

為了更好的分析地震空間分布與深部構(gòu)造的相互關(guān)系，對(duì)于地震定位結(jié)果呈現(xiàn)的5個(gè)集中區(qū)AA'、BB'、CC'、DD'、EE'(圖2(b))，選擇其中沿?cái)鄬幼呦蚍植驾^好的AA'、BB'、CC'剖面，采用文獻(xiàn)［12］提出的利用小震分布確定所在區(qū)域斷層走向、傾角的方法獲得了AA'、BB'、CC'3個(gè)地震集中區(qū)深部斷層的走向、傾角參數(shù)及相對(duì)應(yīng)的誤差范圍(圖5);對(duì)于DD'、EE'兩個(gè)地震集中區(qū)則沿著長(zhǎng)軸方向給出了地震深度剖面分布(圖6)。

AA'地震集中區(qū)呈北西西向展布，該地震條帶恰好貫穿1830年磁縣大地震極震區(qū)［13］。該處計(jì)算所得斷層走向?yàn)镹70.2°W，標(biāo)準(zhǔn)差為1.7°，斷層的水平面投影顯示其與地表磁縣-大名斷裂(F5)西段走向大致一致，斷層面上邊界與地表磁縣-大名斷裂位置幾乎重合;垂直于斷層面的橫斷面給出了深部斷層的空間位置，近乎直立，傾角為82.7°，標(biāo)準(zhǔn)差為3.7°，傾向SW。刁桂苓等［13］采用多元線性回歸的方法，由磁縣大震區(qū)內(nèi)中小地震的震源位置對(duì)磁縣大震震源斷層進(jìn)行了擬合計(jì)算，所得震源斷層的參數(shù)與本文結(jié)果較為近似，其中只是斷層傾向略有差異。橫斷面顯示地震深度分布在5～25 km深度范圍，由此推測(cè)該處斷層即磁縣-大名斷裂段可能錯(cuò)斷到下地殼(圖5(a)、(b)、(c))。

圖5 AA'、BB'、CC'地震集中區(qū)地震分布在水平面(a，d，g)、斷層面(b，e，h)和垂直于斷層面的橫斷面(c，f，i)上的投影(黑虛線表示地質(zhì)斷層;粗線表示確定的斷層面邊界，字母所在一側(cè)為斷層的上邊界;SD為斷層走向，DD為斷層傾向，DA為斷層傾角)Fig.5 Distribution of earthquakes of AA'、BB'、CC'projecting to the horizontal plane(a，d，g)，the fault plane(b，e，h)and cross section vertical to the fault plane(c，f，i)(Black dotted lines are the geological fault，thick lines are the fault plane boundaries，which with letters is the fault upper boundary，SD is the fault strike，DD is the fault dip，DA is the fault dip angle)

BB'地震集中區(qū)呈北北東向展布，該處計(jì)算所得斷層走向?yàn)镹5.2°E，標(biāo)準(zhǔn)差為1.9°，斷層的水平面投影顯示大致平行于地表聊城-蘭考斷裂(F11)，兩者位置接近于重合;垂直于斷層面的橫斷面給出了斷層的空間位置(傾向NW，傾角為87.8°，標(biāo)準(zhǔn)差為2.6°)。前人對(duì)聊蘭斷裂進(jìn)行了綜合研究，地震剖面特征顯示該斷裂是正斷層，斷面傾向?yàn)楸蔽魑鳎瑪嗝嫔喜恳晝A角約為70°～80°［14］。橫斷面顯示地震深度分布主要集中在10～20 km深度范圍，平均深度約為14 km(圖5(d)、(e)、(f))。該處地震主要位于山東鄄城與河南濮陽(yáng)交界及其附近采油區(qū)，屬于東濮凹陷，為第三系盆地，時(shí)間上主要集中在2001年以來(lái)。

圖6 DD'、EE'地震集中區(qū)地震深度剖面分布與構(gòu)造關(guān)系(粗線表示斷裂的空間位置)Fig.6 Relation between profile of earthquake depth and tectonics in DD'、EE'area(Thick line is the fault plane boundary)

CC'地震集中區(qū)呈北北東向展布，該處計(jì)算所得斷層走向?yàn)镹24.1°E，標(biāo)準(zhǔn)差為3.8°，斷層的水平面投影顯示大致平行于地表聊城-蘭考斷裂(F11)，斷層面上邊界與地表聊城-蘭考斷裂位置比較接近;垂直于斷層面的橫斷面給出了斷層的空間位置(傾向SE，傾角為54.8°，標(biāo)準(zhǔn)差為5.6°)。地震深度主要分布在6～18 km深度層內(nèi)，為中地殼范圍(圖5(g)、(h)、(i));該處地震多發(fā)生于菏澤斷裂與聊城-蘭考斷裂交匯及其東北鄰區(qū)周圍，整體位于聊城-蘭考斷裂東側(cè)，蘭聊斷裂帶遙感影像簡(jiǎn)圖顯示靠近蘭聊斷裂帶以東附近發(fā)育著北東向的次級(jí)線性構(gòu)造［14］，據(jù)此推測(cè)該地震集中區(qū)地震發(fā)生多為蘭聊斷裂帶東側(cè)北東向的次級(jí)線性構(gòu)造與其南端的菏澤斷裂深部相互作用的結(jié)果。

DD'地震集中區(qū)呈北西西向展布，垂直穿過(guò)長(zhǎng)治斷裂，地震深度剖面顯示地震集中分布于寬約5 km的條帶內(nèi)，同時(shí)刻畫了長(zhǎng)治斷裂在該處的深部展布特征，傾向SE，可能錯(cuò)斷到下地殼。

EE'地震集中區(qū)呈北西向展布，該處地震位于林縣盆地及其邊緣，地震深度剖面中顯示地震分布較淺，位于3～16 km深度層內(nèi)，這與文獻(xiàn)［15，16］對(duì)林縣小震活動(dòng)進(jìn)行研究所得的震源淺，震源深度一般在6～12 km，大多數(shù)在15 km以上等結(jié)論相符合。此外地震呈北西向條帶狀分布特征，可能意味著此處存在著北西向隱伏斷層。

4 討論和結(jié)論

1)利用雙差定位法對(duì)發(fā)生在豫北及鄰區(qū)1985—2008年的地震進(jìn)行了重新定位研究，得到了497次地震的基本參數(shù)。均方根殘差由定位前的1.65 s降為0.68 s，震源位置的測(cè)定誤差在E-W方向平均為1.1 km，在N-S方向平均為1.1 km，在豎直方向平均為1.3 km，定位精度有了明顯提高。

2)重新定位后研究區(qū)地震多呈條帶狀叢集分布，局部地區(qū)的地震有向構(gòu)造帶趨近的變化;震源平均深度為13.3 km，10～20 km為多震層深度范圍。

3)對(duì)于地震定位結(jié)果呈現(xiàn)的5個(gè)集中區(qū)，使用小震分布確定所在區(qū)域斷層走向、傾向的方法獲得了沿?cái)鄬幼呦蚍植驾^好3個(gè)地震集中區(qū)深部斷層的走向及傾角參數(shù);同時(shí)對(duì)另外兩個(gè)地震集中區(qū)沿著長(zhǎng)軸方向給出了地震深度剖面分布及斷裂的深部展布特征。計(jì)算所得的深部斷層空間位置與地表地質(zhì)斷層較為相近，分析存在偏差的主要原因是地質(zhì)斷層多為地表直接考察所得，而本文的計(jì)算結(jié)果側(cè)重于斷層的深部空間位置，為反演計(jì)算所得，存在一定的精度誤差。

致謝 衷心感謝安陽(yáng)市地震局、邯鄲中心地震臺(tái)的熱心幫助，以及感謝萬(wàn)永革、刁桂苓研究員、馮向東博士的熱心指導(dǎo)!

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RELOCATION OF EARTHQUAKES OF YUBEI AREA AND ADJACENT REGION WITH DOUBLE DIFFERENCE LOCATION ALGORITHM

Xin Hailiang，F(xiàn)ang Shengming and Li Wen
(Research Center of Exploration Geophysics，CEA，Zhengzhou 450002)

The earthquakes that occurred in the area of Yubei and adjacent region from 1985 to 2008 were relocated with the double difference method and the results of 497 earthquakes were obtained.The result shows that the distribution of relocated epicenters appear zonal，while the earthquakes in a part of areas get close to tectonic belts.The most hypocenter depths in the area distribute mainly within the upper and middle crust.The average hypocenter depth is 13.3 km and the seismogenic layer ranges from 10 km to 20 km.

Yubei and adjacent region;double difference location method;relocation;seismogenic layer;hypocenter depth

1671-5942(2011)06-0063-06

2011-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(40827001);中國(guó)地震局地球物理勘探中心論著RCEG201007

莘海亮，男，1982年生，碩士，助理工程師，主要從事地震精定位及地震層析成像研究.E-mail：hlia_0223@163.com

P315.6

A