遼寧海城及其鄰區地震活動性研究

劉 財，鄭 確，田 有，柳云龍，馮 晅

吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026

遼寧海城及其鄰區地震活動性研究

劉 財，鄭 確，田 有，柳云龍，馮 晅

吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026

由于受到臺站分布不理想、速度結構研究不準確以及震相拾取誤差等因素的影響，常規地震定位結果精度較低。因此，研究收集了遼寧省地震臺網的地震目錄及震相數據，采用雙差地震定位方法，對海城及其附近地區（39°N—43°N，120°E—126°E）20a的1 400多次地震進行重新定位。與原始定位結果相比，雙差定位結果表明：1）震中更加呈條帶狀集中，尤其在40.5°N—41.0°N，122.0°E—123.0°E區間，與該地區的海城河—大洋河斷裂帶走向相一致；2）該地區地震多發生于地下5～20km，與該區中地殼存在的低速高導層相對應；3）深度剖面圖顯示，大部分地震沿垂直向下柱狀分布，原因是該處有粉碎性破裂帶，從地下25km處延伸到近地表。雙差定位算法使得定位后均方根殘差的平均值由0.74s下降到0.26s。遼寧地區的地震震級與發生地震數量有關，地震數量陡然增多，大地震發生概率增大。

雙差定位方法；斷裂；地震預測；遼寧海城

0 前言

地震定位是地震預報、獲得地球內部地質構造的基礎，精確的地震定位對于震前應急、震后減災工作至關重要。研究地震定位方法和提高定位精確度是地震科學中最重要的課題。遼寧省大部分地區（圖1）位于中朝準地臺，喜馬拉雅運動形成了遼寧境內東、西部大型隆起和中部凹陷的構造格局［1］。該地區有很多斷裂：北東—北東東向斷裂以張扭性右旋正走滑活動為主，規模較大，多期活動，往往控制構造演化和地貌形態，如郯廬斷裂遼東灣—下遼河段；北西向斷裂行跡顯示以壓扭性左旋走滑活動為主，規模較小，多呈隱伏狀態，但活動時代較新，往往構成斷續展布的活動構造帶，如海城河—大洋河斷裂帶［2］，是海城7.3級地震的發震構造。

圖1 研究區域及臺站分布圖Fig.1 Map showing locations of seismic stations in the study area

海城市坐落于遼寧省遼東半島東南部，位于遼河下游，地質構造屬于遼東地塊與下遼河斷陷，東側上升，西側階梯狀下降，區內新構造運動強烈，表現為明顯的間歇性抬升運動［1］。因此，海城市存在多種構造行跡，地質構造較為復雜，各種斷裂和褶皺構造發育。海城市地殼區域穩定性較差，整個地區地震頻發，1975、1999、2000年分別發生過MS4.0、7.3、5.4、5.1級地震，最大的一次海城地震（1975年，MS7.3級）發生在北北東、西北西向2組構造交匯的部位［3］。1970年1月—2008年4月共發生ML＞1.0級地震18 400多次，震源分布與海城河—大洋河斷裂帶走向一致，形成密集的北西西向地震活動條帶。因此，該地區震源的精確位置以及對地震的空間分布和變化的分析，是進一步研究該地區地震活動性的基礎，對以后的震前預測、預警工作意義重大。

筆 者 利 用 雙 差 地 震 定 位 方 法［4－5］，對 1981—2001年在海城及其附近發生的震級大于ML2.0的1 400多個地震進行重新定位（2002—2003年數據缺失），比較重新定位前后的震源位置分布特征變化，分析該區地震成因與地下構造的關系。

1 原理

雙差地震定位算法（double-difference location algorithm）是2000年 Waldhauser和Ellsworth提出的一種相對定位算法［6－8］。該算法中，當2個震源之間的距離小于其到臺站的距離以及速度結構不均勻體的尺度時，認為這2個地震到同一個臺站的路徑幾乎相同，將這2個震源分為一對，通過計算地震對到同一個臺站的走時差，消除速度模型不準確導致的誤差，從而獲得較高精度的震源空間分布位置。目前該方法已經被國內外地震學家廣泛應用到地震定位研究中［9－14］。

如圖2所示，兩震源i，j到同一臺站k的理論走時與實際走時差分別為

其中，為2個震源的走時差的差。公式（3）被稱為雙差方程。在理論走時差中，已經將共同的速度模型差異減掉了。將式（3）用泰勒公式展開為

式中：x，y，z是震源東西、南北和垂直方向的坐標；t為走時；（Δxi，Δyi，Δzi，Δti）為震源i的震源參數（xi，yi，zi，ti）的擾動量。

圖2 雙差定位原理簡圖Fig.2 Sketch of double-difference location theory

通過限制所有震源的平均偏移量和為0，將所有臺站所有事件的方程聯立為方程組，用奇異值分解法或共軛梯度法解方程組得出每一個震源的位置。

2 數據與參數選擇

筆者選用國家地震科學數據共享中心（CEDC）1981—2001年震中分布在39°N—42.5°N，120°E—124.5°E范圍內，震級大于ML2.4的P波和S波到時數據。設置地震對之間最大距離為10km，選擇距離臺站500km范圍內的地震［15］，接收到這些地震的臺站有53個，臺站分布范圍為39°N—43°N，120°E—126°E（圖1），震中位置基本都在臺網包圍的范圍內，接收的地震為1 431個。地震震中及震級分布如圖3與圖4所示。

圖3 震中分布圖Fig.3 Distribution of epicenter

圖4 震級分布直方圖Fig.4 Statistics of magnitude

由圖4可知，地震發生頻率較高的震級為ML2.4～3.0，部分地震震級達到ML5.0以上。采用雙差定位法對接收到的地震進行精確定位。定位時采用的是水平層狀速度模型［16－18］（圖5）。參與最終反演的P波震相為37 275個，S波震相為37 205個。P波震相數與S波震相數利用率為1.0∶0.9。由于讀取到時的S波精度比P波低，因此設定P波震相權值為1.0，而S波權值為0.5。定位過程中，采用共軛梯度法，進行阻尼最小二乘求解。雙差算法在預處理時舍棄不滿足配對條件的事件，比如事件之間的距離超出限制范圍，或者到共同臺站的震相數少于設定值；因此，預處理后剩余1 104個地震事件。而在運算的迭代過程中又會將聯系不緊密的事件排除，所以實際重新定位的地震數為1 040個。

圖5 一維速度模型（據文獻［16-18］）Fig.5 1-D velocity model（after references［16-18］）

3 定位結果

3.1 地震分布特征

圖6 雙差方法重定位前（a）后（b）震中分布Fig.6 Epicenter distribution of location（a）and relocation results（b）by the double-difference method

圖6a是參與重定位的地震震中分布，與圖3相比，部分較為分散的地震已經被舍棄。同時可以看出，遼寧地區的地震主要集中在海城河—大洋河斷裂帶上，總體分布呈西北西方向。圖6b是同一事件利用雙差算法重定位后的震中分布。重定位前后的震中分布有比較明顯的變化。重定位后震中位置匯聚呈現清晰的條帶狀分布和點狀分布，更加沿發震構造兩側收斂，與區域構造關系更加緊密。在122°E—124°E之間排列長約270km的西北方向的斷裂 帶，尤 其 在 40.5°N—40.8°N、122.4°E—123.1°E范圍內，震源沿 NW290°排列，與已有的資料海城河—大洋河斷裂帶［8］走向一致。在124°E與42°N附近，即渾河斷裂，也多次發生小震群活動，多與煤礦開采采空區誘發礦震有關。

3.2 震源深度分布特征

在重新定位中，雙差算法可以改善地震之間的相對位置，對震源深度提供更有效的約束。圖7是重定位前后的深度剖面圖。由圖7可知，雙差定位后的震源深度方向具有近垂直分布的特征，呈現狹窄的垂向斷裂，震源在深度0～25km成簇分布，更多集中在8～17km。

從圖7b中可以看出：重定位后依然有大量的震源是無序的，表明該震源區存在變形的破碎帶；也存在小范圍連續的近乎無震區域；在123.9°E—124.2°E之間，大量地震呈垂直狀排列（圖7b中畫圈位置）。

為了更直觀地看出重定位前后的深度變化，本研究給出重定位前后地震震源的深度分布直方圖（圖8）。定位后，更多的地震分布在中地殼（深度15～23km）上部。這樣的分布特征比較合理，因為海城震區位于遼寧南部上地幔隆起東部斜坡帶上的一個局部凸起東側。地殼可分為3層，即上地殼、中地殼和下地殼，中地殼上部存在明顯的低速高導層，厚度4～5km［19］。低速高導層是比較軟的層位，具有轉移地殼內應力的作用。當地殼受區域構造應力作用時，該層容易發生蠕變，將應力傳遞給上部脆性地殼并在中、上地殼積累應力。因此，該研究區地震易發生在低速高導層之上［9－10］，推斷遼寧地區地震活動的下界面在20～25km之間。

圖7 重定位前（a）后（b）震源深度剖面Fig.7 Depth profile of seismic location（a）and relocation results（b）

圖8 重定位前（a）后（b）震源深度分布直方圖Fig.8 Statistics of focal depth（a）and relocation results（b）

3.3 海城震區地震沿斷裂帶縱向剖面特征

從地震的平面分布圖（圖6）可以看出，震源分布集中在2個斷裂帶上。在此基礎上，為了更清楚地分析斷裂處震源在深度上的分布特征，本研究分別在震源最集中的2條斷裂帶——北西—南東向海城河—大洋河斷裂帶（AB方向）和北西方向海城營口斷裂帶（CD方向），獲得沿2個斷裂帶的震源重定位前后的分布（圖9）。

沿海城河—大洋河斷裂帶方向的地震數量眾多，在7～15km深度處走勢與斷裂帶趨勢一致，分布于海城地震上方，認為海城地震對地下結構產生向上發散狀影響；但是沿該斷裂帶的地震具有橫向不均勻性，自東向西方向地震數量減??；沿海城營口斷裂帶方向的震源只在2個斷裂帶交匯處密集，大部分震源的分布體現了構造近垂直分布的特征。1975年海城MS7.3級地震和1999年海城—岫巖地區的MS5.4級地震都發生在海城河—大洋河斷裂帶上，從它們的震源機制看，地殼深部的北西西向斷裂仍在活動［1－2］。2次地震都是發生在中國東北—華北地區近ENE—WSW向、幾乎水平的壓應力場作用下產生的斷裂［19－21］。

3.4 地震數量與震級隨時間的趨勢

沿海城河—大洋河斷裂地震數量隨時間的走勢如圖10a所示。可以看出，近些年來該斷層的地震數量整體在增加。震級大小與當年發生地震數量的相關系數為

圖9 震中重定位前（a，b）后（c，d）沿斷裂方向橫截面圖Fig.9 Location（a，b）and relocation（c，d）of epicenter along the faults

其中：xi和yi分別是2個事件的第i個樣本值；n為樣本數量。由式（5）計算得，震級大小與當年發生地震數量的相關系數為0.53，為顯著性相關。震級走勢圖（圖10b）表明，在小震級地震發生一定數量后就會發生大地震，大地震發生后又會恢復小震頻發狀態，在1999年大地震之后有一段平穩期，為后來的地震發生儲存能量。

震級走勢符合這樣一個特點：海城，包括鞍山附近、遼寧中部等地區的地震，在強震發生之前，往往會出現十分密集的小震級地震群。當小震又突然停止的時候，往往發生強震。在小震頻繁發生的時候，大地震發生的概率將會增大，可以起到預警作用［22］。從國家地震科學數據共享中心查到2006－2013年間的地震數據，走勢圖（圖11）基本符合以上規律。

4 討論與結論

雙差定位法消除了2個震源至同一個臺站的傳播路徑效應，震源之間相對位置的誤差主要來源于它們之間較短距離上的介質不均勻性，這個誤差要比單一震源定位中由震源區到地震臺站之間較長距離上的介質不均勻性引起的誤差小得多。因此，由雙差地震定位法所確定的震源相對位置比常規地震定位方法中的結果更加精確［23－24］。根據地震之間的相對位置關系，可以判斷地下斷裂走勢，對于過去的結論起到驗證作用，也對預測未來地震發生有一定的幫助。雙差定位算法不需要主事件［8］，適用于本研究的空間跨度比較大的地震叢集定位。

圖10 1981—2005年地震數與震級隨時間的走勢圖Fig.10 Graph of earthquakes with magnitude over time between the year of 1981-2005

圖11 2006—2013年地震數與震級隨時間的走勢Fig.11 Graph of earthquakes with magnitude over time between the year of 2006-2013

利用雙差定位方法對1981—2001年海城附近地區的1 400多個地震進行了重新定位，得到了滿足條件的1 040個地震的震源位置，精度總體上較重定位前有很大的提高，使得重定位后的均方根殘差的平均值由0.74s下降到0.26s。重定位后的震源整體在空間分布上更加集中，震中呈現更加明顯的條帶狀分布特征，與地質構造上斷裂的走向及分布一致；還有較多的震源成簇狀出現在多條斷裂的交匯位置。地震深度分布的特點說明海城營口周邊地區的地震主要發生在中、上地殼，深度分布約在地下5～25km，而尤以5～15km為主，占總數的83%，反映了地震活動與地質構造之間的關系。這對于確定該地區地殼內發震層的厚度，確定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重要的約束條件。

遼寧省地震局提供了地震波走時數據，CLEG研究組全體老師和同學提供了幫助。在此一并致謝。

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Study on the Activity of the Earthquakes of Haicheng Region in Liaoning Province

Liu Cai，Zheng Que，Tian You，Liu Yunlong，Feng Xuan

CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology，JilinUniversity，Changchun130026，China

Limited by the distribution of stations，velocity structures and the uncertainty of picking arrivals，the precision for the relocation of earthquakes is usually not sufficient.We collected the data of arrival times recorded by the seismic networks and then used the double-difference method to relocate 1 400earthquakes occurred in Haicheng region（39°N-43°N，120°E-126°E）in the last 20years.Comparing to the original results of the earthquake locations，the results obtained by the double-difference method in this study indicate that：1）The earthquake distributions become more convergent，especially in the region between 40.5°N and 41.0°N and between 122.0°E and 123.0°E，and more consistent with the trend of the fault along the Haicheng-Dayang River；2）Most of earthquakes occurred in the depth from 5to 24km，because there exists a low-velocity and high-conductivity zone in the crust；3）From the cross sections，many earthquakes distribute as a shape of columnar along the depth because there exists a comminuted fracture zone which extending from the surface to the depth of 25km.The root-meansquare travel-time residual reduces from 0.74sto 0.26safter the relocation using the double-difference method.The study also indicates that the magnitude is related to the number of earthquakes in this region.If the number of earthquakes increases abruptly，the probability for the occurrence of a large earthquake increases as well.

double-difference relocation method；fault；earthquake prediction；Haicheng，Liaoning Province

10.13278/j.cnki.jjuese.201404303

P631.4

A

劉財，鄭確，田有，等.遼寧海城及其鄰區地震活動性研究.吉林大學學報：地球科學版，2014，44（4）：1348-1356.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404303.

Liu Cai，Zheng Que，Tian You，et al.Study on the Activity of the Earthquakes of Haicheng Region in Liaoning Province.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1348-1356.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404303.

2013-07-01

國家自然科學基金項目（41174068，41174080）；國家“973”計劃項目（2009CB219301）

劉財（1963—，男，教授，博士，博士生導師，主要從事復雜地震波場的正反演技術研究，E-mail：liucai＠jlu.edu.cn

田有（1979—，男，副教授，博士，主要從事地球內部介質屬性成像及動力學研究工作，E-mail：tianyou＠jlu.edu.cn。

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