乳山地震序列區域臺網及臺陣定位結果對比1

曲均浩 劉方斌 鄭建常 薄 輝 張 龍 范曉易

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乳山地震序列區域臺網及臺陣定位結果對比1

曲均浩1）劉方斌1）鄭建常1）薄 輝2）張 龍3）范曉易4）

1）山東省地震局，濟南 250014 2）山東科技大學，山東青島 266510 3）中地地礦建設有限公司，北京 100107 4）山東省地震局泰安基準臺，山東泰安 271000

精確定位的活動圖像為了解斷層產狀和深部構造提供了重要基礎信息。本文采用2014年5月7日至2015年12月31日期間山東地震臺網及乳山臺陣記錄的乳山地震序列L≥1.5級地震進行雙差定位對比研究。定位結果顯示：山東地震臺網記錄的地震經精定位后，震源位置呈現北西向（約315o）展布，剖面上地震分布較為均勻，震源深度3—11km。乳山臺陣記錄的地震經精定位后，震源位置呈現北西西向（約290o）展布，在空間上多處相對集中，體現了序列空間分布的叢集特征；剖面中心位置地震明顯較少，此處似乎存在一凹凸體，序列地震基本發生在凹凸體的周圍，震源深度集中分布在4—8km。從已有震源機制解、臺站布局、精定位殘差、現場調查等多方面綜合分析認為，乳山臺陣精定位結果更加準確。

地震序列 雙差定位 地震臺網 乳山臺陣

引言

地震定位是根據臺站記錄的地震波形震相到時數據來確定地震的發震時刻、震源位置、震級等基本參數。地震定位方法主要分為兩類：絕對定位和相對定位。其中絕對定位方法包括蓋格法（Geiger，1912），Hypo71、Hypo78-81系列（Lee等，1975），Hypocenter（Lienert等，1986），QUAKE3D（Nelson等，1990），Hypo2000（Klein，2007），Hyposat（Schweitzer，2001）等；相對定位方法主要有主事件定位法（周仕勇等，1999）和Hypodd（Waldhauser等，2000）等。地震定位經歷了從幾何作圖到計算機定位的過程，隨著地震觀測技術的發展、臺站密度的增加，地震定位精度得以不斷的提高。定位精度主要受臺站布局、參與定位的震相、地震波到時讀取的精度以及地殼速度模型等因素的影響（Gomberg等，1990）。Waldhauser和Ellsworth在2000年提出一種定位精度相對較高的定位方法——雙差定位法（Double Difference Algorithm），該方法對空間范圍內的叢集地震進行組對，反演每個地震相對于該叢集矩心的相對位置。雙差定位法通過一定半徑范圍內每個地震與其相鄰地震配對、連接而進行相對定位，兩個事件至同一臺站的走時差由其相對位置以及它們之間小范圍內的波速所決定，與震源區以外地震波傳播路徑上的波速無關。因而，雙差定位法可有效地減小由于對地殼結構了解不夠精細而引起的誤差，通過引入事件對到時差得到較高精度的相對空間位置分布，從而在國內外得到了極為廣泛的應用（楊智嫻等，2003；Rietbrock等，2004；Schaff等，2005；黃媛等，2008；房立華等，2011；曲均浩等，2015）。

1 序列基本概況

據山東地震臺網中心測定，2013年10月1日在山東省威海市乳山（36.83°N，121.70°E）發生L3.8級地震，之后小地震持續發生，地震活動起伏不斷。2014年1月7日、4月4日、9月16日、2015年5月22日分別發生了4.2級（L4.7）、4.0級（L4.5）、3.6級（L4.1）、4.6級（L5.0）等顯著性地震事件。截至2017年2月28日，山東地震臺網已記錄地震13080余次。其中可定位地震3394次，在可定位地震序列中L4.0級以上地震4次，L3.0—3.9級地震27次，L2.0—2.9級地震236次，L1.0—1.9級地震1339次，其余為L1.0級以下地震。

為進一步精確捕捉乳山地震序列的微震活動，山東省地震局于2014年4月底加密了乳山臺網，在震中附近架設18個臨時臺站（5月7日開始正式記錄），將小震密集區域四象限全面包圍，獲取了大量的中小地震及微震的記錄資料，為本文得到乳山地震序列更加準確的空間位置及序列活動特征提供了良好的條件保障。

圖1 乳山地震序列M-t圖

2 雙差定位研究

2.1 資料選取

乳山地震序列震中距150km范圍內有山東地震臺網固定臺站約12個，平均臺間距50km左右，受地理環境的制約，這些臺站均位于乳山震群的西北方向，而東南方向為黃海海域，沒有定位臺站。乳山臺陣由南馬家村、白沙灘鎮、南泓南村、小灘舊村、海陽所鎮、財稅中心、小候家村、大單家、堡上村、桃村王家、多福山、洼于家村、徐家鎮、宮家島、萬戶村、吉林村、常家莊、董格莊村等周圍18個相鄰位置的臺站組成，其中吉林村、常家莊、董格莊村這3個村莊的數據在當地存儲，其余15個臺站通過3G信號實時傳入山東地震臺網中心。為了從空間上更好地包圍序列震中位置，將乳山周圍北煌城、長島、龍口、煙臺、乳山、招遠、青島、萊陽、威海、文登、榮成、石島等12個固定臺站的信號實時傳入數據匯集系統，共同形成乳山臺陣的整體布局，如圖2所示。

根據鄭建常等（2015a）利用山東地震臺網目錄對乳山震群的最小完整性震級R-S檢驗，結果表明L≥1.5級的地震目錄可以視為是完整的，這充分體現了臺網記錄優勢地震的能力。本文選取兩個臺網相同的記錄時間和起始震級（L1.5）進行定位研究。采用山東地震臺網和乳山臺陣自2014年5月7日至2015年12月31日期間記錄的地震波形及目錄研究乳山序列定位。在此期間，乳山臺陣共記錄地震13783次，遠大于同期山東地震臺網記錄地震6975次，可定位地震1864次。其中L1.5級以上地震乳山臺陣記錄431次，山東地震臺網記錄388次，二者較為接近。

F1 朱吳斷裂，F2 海陽斷裂，F3 乳山斷裂，F4 米山斷裂，F5 千里巖斷裂北段

2.2 重定位參數設置及過程分析

雙差定位程序由兩部分組成：預處理程序Ph2dt和雙差定位子程序Hypodd。Ph2dt主要使用地震目錄中的震相到時或者波形互相關技術得到高精度的震相到時差，將各事件震相做預處理，建立事件間的連接，從中挑選出符合條件的地震事件組成事件對。Hypodd則是利用震相對的走時或互相關數據對地震進行重定位。

以乳山臺陣數據的精定位過程為例，考慮到除了臨時架設的臺陣距離震中位置較近以外，臺陣整體布局中青島、煙臺等固定臺站距離震中稍遠，設置事件對與臺站之間最大距離為150km；乳山臺陣臺站密集，較小的地震事件也有4個以上臺站記錄到，定位過程易于形成“強連接”的地震事件，設置事件對使用最小震相對數目為8，鄰居所需最小震相對數目亦為8，事件對之間最大距離8km。應用數據預處理程序Ph2dt，將每個地震事件在搜索半徑內與同一臺站的地震事件按照從近到遠的順序組成地震對，同時將所有的事件-臺站對相連，計算每個地震對下面各個連接的觀測到時差，形成“強連接”事件對2801個。選取的P波震相對有21336個，占P波總震相對（26795）的79%；S波震相對20560個，占S波總震相對（25819）的79%；弱連接事件8對，占全部事件的1%；強連接事件對間的平均距離為5.9km，最大距離為6.7km。臨時架設的臺站比固定臺站距離震中更近，記錄震相清晰，但S波到時的拾取精度相對于P波始終略低，因而，定位過程中仍將P波權重賦予1.0，S波權重賦予0.75。雙差定位采用水平分層速度模型，震源所在層的速度值對定位結果會產生影響，因而選用較為精細的速度模型。參考利用層析成像技術得到的膠東半島地殼速度模型（張嶺等，2005；王帥軍等，2013）確定本文的速度模型（見表1）。計算過程采用共軛梯度法解方程求出震源位置和發震時刻，由臺陣絕對定位算法計算所得的震中位置作為初始位置，經過2組共6次反復迭代后獲得阻尼最小二乘解。

表1 地殼速度模型

2.3 結果分析

388次山東地震臺網記錄的L1.5級以上地震經雙差定位后，得到323次地震基本參數（約83%）；431次乳山臺陣記錄的地震經雙差定位后，得到421次地震基本參數（約97%）。從臺網與臺陣精定位結果空間分布來看，圖3（a）為山東地震臺網絕對定位與精定位結果對比圖，二者展布趨勢基本相同，精定位結果相比于絕對定位結果沿北西向呈現更好的線性展布趨勢，形成長約8km，寬約3km的余震分布帶。絕對定位結果因經緯度保留兩位小數，有更多震中位置相互重合。圖3（b）為乳山臺陣絕對定位與精定位結果對比，乳山臺陣絕對定位結果顯示南側地震分布相對稀少，整體呈現圓形分布趨勢。經精定位后，分布在南北兩側的地震位置調整幅度較大，地震分布明顯呈現近北西西向展布形態，長約4km，寬約2km；對比山東地震臺網精定位結果與乳山臺陣精定位結果（圖3（c）），A1A2為山東地震臺網精確定位優勢展布方向，呈北西向（走向約315o）；B1B2為乳山臺陣精確定位優勢展布方向，呈北西西向（走向約290o），二者之間存在明顯的夾角。

圖（a）、（b）中藍色為絕對定位結果，紅色為相對定位結果；圖（c）中紅色為臺網精定位結果，藍色為臺陣精定位結果

對臺網精定位結果剖面進行分析，圖4（a）為A1A2剖面震源投影，從A2到A1地震展布長度約8km，震源深度為3—11km，地震位置基本均勻分散。圖4（b）為震源截面投影，從A2看向A1方向，余震在垂直方向上分布比較陡立，寬度約為3km，地震在深度上的分布較為均勻，沒有明顯的集中。

圖4 臺網精定位結果剖面

對臺陣精定位結果剖面進行分析，圖5（a）為B1B2剖面震源投影，從B2到B1地震展布長度約4km，深度主要集中在4—8km，地震在空間位置上存在多處的相對集中，如在東南端（靠近B2位置）深度約7km處，西北段（靠近B1位置）深度約5km處等，體現了序列空間分布的叢集特征，亦反映了斷層面上介質的不均勻性。另外，從空間結構分析，剖面中心位置地震較少，這一特征相比于山東臺網精定位結果更加明顯，此處似乎存在一凹凸體，序列地震基本發生在凹凸體的周圍，而中心位置的凹凸體暫時沒有破裂，持續積累能量。圖5（b）為震源截面投影，從B2看向B1方向，整個斷層截面上余震呈現寬約2km近似直立的分布，這一結果與曲均浩等（2014）、鄭建常等（2015b）基于CAP方法計算乳山較大余震的震源機制解傾角（84o、90o、64o等）較大相吻合。如果不考慮左側零星分散的地震，上部、中部斷層截面寬度約1km，下部7—8km處破裂范圍相對較大。

圖5 臺陣精定位結果剖面

上述山東臺網精確定位結果與乳山臺陣精確定位結果（圖3）相對于其絕對定位結果均呈現明顯的線性展布趨勢，位置更加集中，但是在余震展布方向上仍然存在一定的角度差別。距離乳山地震序列最近的有3條斷層（圖2（a）），分別為：乳山斷裂（F3），位于震中西側，走向10°，傾角75°—85°；米山斷裂（F4），位于震中東北側，走向近南北，傾角53°—60°；千里巖斷裂北段（F5），位于震中南側，走向北東，傾角60°—80°。乳山L4.7、4.5、4.1、5.0級地震并無地表破裂，乳山斷裂、米山斷裂和千里巖斷裂產狀與上述乳山地震序列展布方向、基于CAP方法較大地震震源機制解節面方向（曲均浩等，2014；鄭建常等，2015b）均不吻合，因而，上述3條斷裂均不可能為該次乳山地震序列的發震斷層，亦無法用于判斷兩次精定位余震展布方向的準確性。究竟哪一個精定位結果更加準確，更加貼近實際，對比研究如下：

（1）根據鄭建常等（2015b）、曲均浩等（2015）、李鉑等（2016）基于CAP方法對乳山序列較大地震震源機制解的研究，所得到的17個震源機制解中，其中16個節面優勢走向為290o左右，與本文乳山臺陣精定位結果地震展布呈現北西西向趨勢（走向約290o）更加吻合。

（2）山東地震臺網距離乳山序列震中最近的3個臺站分別是乳山臺、海陽臺和文登臺，震中距分別約為13km、33km和42km，其余臺站的震中距均超過75km；而乳山臺陣臨時架設的18個臺站距震中位置最遠不超過10km，一般而言，根據地震波走時關系，臺站離震中（震源）越近，往往得到更為精確的地震定位。

（3）從震源位置的估算誤差（2倍標準偏差）來看，臺網精定位在豎直方向上平均為0.12km，NS方向上平均為0.096km，EW方向上平均為0.066km；臺陣精定位在豎直方向上平均為0.024km，NS方向上平均為0.027km，EW方向上平均為0.026km，其3個方向上的震源位置估算誤差均遠小于臺網精定位結果。另外，從定位殘差的角度來看（圖6），臺網數據精定位的均方根殘差中值約為0.0175，而臺陣數據精定位的均方根殘差中值約為0.0085。由此可見，臺陣數據重定位精度更準確，可信度更高。

圖6 雙差定位均方根殘差

（4）根據現場調查，乳山地震序列主要集中在以小灘舊村、常家莊、洼于家村、白沙灘村為中心的較小范圍，與乳山臺陣定位結果可較好地吻合。

由此，從已有震源機制解、臺站布局、精定位殘差、現場調查等多方面綜合分析認為，乳山臺陣精定位結果更加準確，進一步體現了臺站震中距及臺站布局對定位結果的影響（Gomberg等，1990）。

3 結論

利用膠東半島地殼速度模型作為本文速度模型，采用雙差定位方法對山東地震臺網和乳山臺陣記錄的地震資料進行精定位分析。388次山東地震臺網記錄的L1.5級以上地震經雙差定位后，得到323次地震的基本參數（約83%）；431次乳山臺陣記錄的地震經雙差定位后，得到421次地震的基本參數（約97%）。兩種不同資料來源的定位結果顯示：兩次精定位結果相比于絕對定位結果，地震展布的線性趨勢均更加清晰；剖面上中心部位的地震分布均相對偏少，這一現象在臺陣精定位結果中更加明顯；截面上斷層傾角均近乎直立。另外，臺網、臺陣的精定位結果也存在一定的差別。在震源位置展布方面：臺網精定位地震分布呈北西向（走向約315o），乳山臺陣精定位呈北西西向（走向約290o）。剖面解析方面：臺網精定位結果顯示地震整體上分布較為均勻，震源深度為3—11km；而臺陣精定位結果顯示地震具有明顯的空間叢集特征，在深度上集中分布在4—8km。由于已有的較大地震震源機制解節面方向與臺陣精定位展布方向相近，現場調查震感范圍與臺陣定位結果更加吻合，近臺可更好地確定震源位置，且臺陣精定位比臺網精定位誤差更小，綜合上述原因可推測，乳山臺陣精定位結果更加準確，可信度更高。

致謝：山東省地震局乳山臺陣項目組在臺站架設、數據匯集、資料處理等方面付出辛勤的勞動；山東省地震臺網值班員為本文研究貢獻了高質量的觀測報告；王長在博士在雙差定位軟件使用方面提供了幫助，匿名審稿專家提出寶貴的建議，在此一并感謝！

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Comparision of Location of Rushan Seismic Sequence between Region Network and Array Network

Qu Junhao1), Liu Fangbin1), Zheng Jianchang1), Bo Hui2), Zhang Long3)and Fan Xiaoyi4)

1) Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China 2) Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, Shandong, China 3) CGC Geological and Mineral Construction Co., Ltd, Beijing 100107, China 4) Tai'an Magnetic Observatory, Shandong Earthquake Agency, Tai'an 271000, Shandong, China

Double difference algorithm is used for Rushan swarm, selecting theL≥1.5 earthquake catalogue recorded by Shandong Seismic Network and Rushan Array from May 7, 2014 to December 31, 2015. The results show that the hypocenter location is in NW（about 315o）direction according to the accurate location of network records. The distribution of earthquakes in the section is basically uniform and the focal depth is in the range of 3—11km. Moreover, based on the accurate location of array records, the hypocenter location is in NWW（about 290o）direction. In the section, the earthquake has obvious spatial cluster characteristics, which reflects the heterogeneity of the fault plane, and the focal depth is concentrated in 4—8km. Based on the comprehensive analysis of the focal mechanism solution, the station layout, the location error and the field investigation, it is found that the accuracy of the positioning from the Rushan Array is relative higher.

Seismic sequence; Double difference algorithm；Seismic network；Rushan array

曲均浩，劉方斌，鄭建常，薄輝，張龍，范曉易，2018．乳山地震序列區域臺網及臺陣定位結果對比．震災防御技術，13（1）：149—157．

10.11899/zzfy20180113

中國地震局星火計劃項目（XH16025），山東省地震局青年科研基金（JJ1504Y），山東省自然科學基金（ZR2014 DQ019）

2017-04-11

曲均浩，男，生于1981年。博士。主要從事數字地震學應用研究及余震活動機理研究。E-mail：gisqjh@126.com