2014年金寨ML3.9震群序列遺漏地震檢測及發震構造分析

倪紅玉 譚毅培 鄧莉 汪小厲 鮑子文 方震 洪德全

1)安徽省地震局，合肥 230031 2)安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站，安徽蒙城 233500 3)天津市地震局，中國地震局地震工程綜合模擬與韌性抗震重點實驗室，天津 300201

0 引言

震群活動指在較小區域內發生的無明顯主震的地震序列(Yamashita，1998)。相對于孤立地震事件，地震序列攜帶的震源體及構造信息更為豐富，其震源參數的時空變化圖像能夠反映震源破裂過程和發震構造特征。根據其震源參數的時空變化特征，結合地質資料研究地震的破裂過程和發震構造，是地震工作者歷來關注的問題之一(呂堅等，2008；鄭勇等，2009；孫長虹等，2012；崔子健等，2012；譚毅培等，2016；Ross et al，2019；李炎臻等，2020；趙明等，2021)。

地震目錄是區域地震活動性研究和地震危險性分析的重要基礎資料，編目是否完整、震源參數是否精確，直接影響后續研究結果的可信性和科學性(Woessner et al，2005；馮建剛等，2012)。震群活動時，短時間內在局部小區域發生大量地震，不同地震事件波形相互交疊，微地震震相難以清晰識別，造成地震編目遺漏一定數量的地震，給震后趨勢判定和發震構造分析等工作帶來一定困難。

目前常用的地震識別方法有2種：一種是基于震相拾取的方法，其中最常用的為長短時間平均法(STA/LTA)(Stevenson，1976；Earle et al，1994)，此類方法在數據信噪比較高時能夠可靠準確地識別震相(劉希強等，2009)；另一種方法是基于波形的方法，其中被廣泛利用的是基于互相關的模板匹配濾波技術(Schaff et al，2005；Gibbons et al，2006；Peng et al，2009)，該方法基于滑動窗互相關檢測技術，能有效地壓制噪聲干擾，在數據信噪比低時仍然能夠提取微弱信號。Shelly等(2007)將波形匹配技術應用到地顫動中的低頻地震檢測；Peng等(2009)利用匹配濾波法，提升了2004年帕克菲爾德地震余震目錄的完備性；Schaff(2010)通過對1999年岫巖5.4級地震序列的研究，指出相比于長短時窗比法，波形匹配技術將完備震級提高了1.3個震級單位；呂鵬等(2011)將波形匹配技術與雙差定位結合應用在2008年汶川地震余震序列搜索工作中；鄭晨等(2015)在灌縣-安縣斷裂的精細結構研究中應用了匹配濾波法；譚毅培等(2014a、2014b、2016)將匹配濾波法應用到2013年河北蔚縣小震群、2013年涿鹿微震群和2015年河北灤縣震群的檢測及精定位，均獲得了較好的結果；Zhang等(2015)利用匹配定位法實現了對朝鮮地區小當量核爆的檢測和定位；Liu等(2020)基于GPU(Graphics Processing Unit)對匹配定位技術進行加速，提高了運算速度，且在檢測能力上也具有明顯優勢。近年來，隨著地震數據量的快速增長，自動化、深度學習和人工智能技術在小震自動識別、震相挑選、震相關聯和定位等方面均取得比較明顯的進展(趙明等，2019；劉芳等，2020；Yang et al，2021；Ross et al，2019；Zhang et al，2020)。這些研究的共同點在于，將深度神經網絡用于復雜地震波形抽象特征的自動提取，在使用大量標簽數據進行監督學習之后，訓練好的模型通常在一些與訓練數據相似的測試數據集或研究區域具有可媲美甚至超過傳統方法的效果。然而深度神經網絡方法能否達到比較高的泛化能力，即是否能在訓練樣本以外的數據上也取得較好的效果，還有待進一步的驗證。

2014年8月22日以來安徽金寨地震活動明顯增強，出現震群活動，10月22日之后活動水平進一步增強，發生了多次ML≥3.0地震，最大為10月26日ML3.9地震，2015年1月之后震群逐漸衰減。2014年金寨ML3.9震群發生在大別山北麓，該地區斷裂構造復雜(姚大全等，2006)，震中附近分布NW向青山-曉天斷裂、NW向梅山-龍河口斷裂、NNE向商城-麻城斷裂和位于震中東側的NE向落兒嶺-土地嶺斷裂(圖1)。其中青山-曉天斷裂距離震群最近，僅約2km，該斷裂在震區附近被NNE向斷裂F切割(鄧起東等，2003)，但是目前針對斷裂F的研究較少。有現代儀器記載以來，震區周邊從未記錄到像本次震群這樣頻度高、持續時間長的地震序列活動，并且本次震群的震源深度淺，有感程度強，地聲現象明顯，造成了較大的社會影響。本文通過模板匹配濾波方法(Peng et al，2009)補充臺網目錄遺漏的地震事件，再利用波形互相關震相檢測技術(譚毅培等，2014b)標定P波、S波到時，進一步采用雙差定位方法對震群進行重定位，并結合震源機制解等分析此次震群活動可能的發震構造。

圖 1 金寨震群震中位置與重定位所用的測震臺站分布F1：商城-麻城斷裂； F2：青山-曉天斷裂； F3：梅山-龍河口斷裂； F4：落兒嶺-土地嶺斷裂； F：斷裂F

1 資料與數據

資料來源于安徽省測震臺網，涉及安徽省、湖北省、河南省等11個臺站在2014年8月—2015年1月的連續地震波形記錄，臺站分布如圖1 所示。據安徽省測震臺網地震觀測報告，2014年8月—2015年1月金寨震群共發生ML≥0地震585個，其中ML≥1.0地震364個，ML≥2.0地震74個，ML≥3.0地震15個。

2 遺漏地震檢測

采用模板匹配識別方法(Peng et al，2009)進行遺漏地震檢測。首先選取71個ML≥2.0的地震事件，對連續波形和事件波形記錄進行4階零相位Butterworth濾波器2～8Hz濾波，根據觀測報告的到時信息截取距離震中最近的3個臺站(金寨臺(JZA)、商城臺(SC)和麻城臺(MCH))三分量直達S波到時前2s至后2s的波形，挑選其中三分量平均信噪比大于3的作為備選波形模板，噪聲能量水平由P波到時前6s至前2s的波形計算得到。本文共挑選出滿足條件的模板地震69次，波形模板207條。在2014年8月—2015年1月的連續記錄波形上進行波形互相關掃描，為提高計算速度，對連續波形與模板分別經過5倍重采樣，掃描窗長為模板長度，掃描間隔為0.05s。對三分向互相關系數取平均，再將同一模板地震各條模板的互相關系數值相加，通過計算序列的絕對離差中位數(Median Absolute Deviation，MAD)檢測遺漏地震。其中，絕對離差中位數表達式為

(1)

圖 2 利用波形互相關震相檢測技術搜索遺漏地震事件P波、S波到時示意圖黑色表示連續波形；紅色表示模板波形；波形模板為2014年10月26日01時26分23.6秒 JZA臺記錄的ML3.9地震；遺漏地震發震時刻為2014年10月29日23時30分32.6秒；地震波形下方藍色曲線為波形互相關系數，并標注互相關最大值Cmax

對采用模板匹配識別方法得到的地震事件震級與臺網目錄中震級的差值進行統計，結果如圖3 所示，可以看出93%的震級差在-0.2～0.3內，表明本文得到的震級較為可靠。

圖 3 采用模板匹配識別方法得到的震級與臺網目錄中震級的差值分布

圖 4 補充遺漏地震前后地震目錄的震級-頻度關系N為M≥ML(對應橫坐標值)的地震事件個數

圖 5 臺網目錄和遺漏地震的M-t圖

3 重定位與發震構造分析

3.1 重定位

區域臺網提供的震相到時由人工量取得到，存在一定的誤差，影響定位結果的可靠性。本文采用波形互相關震相檢測技術對震相到時進行校正，可有效降低到時拾取中人工誤差的影響(黃媛等，2006)。

由于金寨震群的波形相似程度較高，首先人工校核震群中最大地震的震相到時，并以此震相到時為模板，使用波形互相關震相檢測技術(譚毅培等，2014a)標定其他地震事件的震相到時。為了避免Pn震相的干擾，只選擇震中距在160km以內的11個臺站記錄，其中L01臺為2014年8月28日之后架設的流動臺(圖1)?；谏鲜鲋匦聵硕ê蟮恼鹣?，采用HypoDD方法對包含4個以上臺站震相到時的共計435次ML≥1.0地震事件進行重定位。重定位和震源機制解計算時所采用的速度結構模型，見表1。

表1采用的地殼速度模型(據劉澤民等(2015))

在地震組對時，設最小連接數和最小觀測數為8，震源間距小于10km，事件對到臺站的距離小于200km。經篩選最終得到符合條件的地震共435次，參加反演的P波絕對到時4001個，S波絕對到時4117個，相對到時資料P波震相20754個，S波22930個。設P波到時權重為1.0，S波到時的權重為0.5，地震定位初始值為臺網目錄給出的定位位置，迭代計算時采用共軛梯度法求解方程。

臺網觀測報告中364次ML≥1.0地震事件的定位結果如圖6(a)所示，采用HypoDD方法對基于波形互相關震相檢測技術重新標定震相的435次ML≥1.0地震事件重新定位的結果如圖6(b)所示。對比結果顯示，重定位后走時差的殘差大幅降低，平均定位殘差由重定位前的0.12s減至重定位后的0.004s；重定位后的震源深度為4～8km，主要集中在5～6km，相對于地震臺網觀測報告中的定位結果，在5km以上的比例大大增加；重定位后的震群序列水平位置更加集中，主要位于青山-曉天斷裂的北側、斷裂F的東側，震群中心點距離斷裂F約1.1km，距離青山-曉天斷裂約1.4km。

圖 6 金寨震群重定位前(a)、后(b)的震中、震源深度及定位殘差分布

為分析斷裂在深部的展布形態，繪制2條震源深度剖面，分別為垂直于青山-曉天斷裂的剖面AA′和垂直于斷裂F的剖面BB′。剖面AA′顯示在6km以上呈現出近似直立的條帶狀分布，而6km以下則呈現25°左右的傾斜(圖7(a))；剖面BB′上的震源深度投影顯示近直立的條帶狀分布，在6km以下的深部橫向展布范圍有所變寬(圖7(b))。

圖 7 重定位后的震源在剖面AA′和BB′上的投影

3.2 發震構造分析

震源機制解揭示了地震破裂的力學特征，對研究地震孕震機理具有重要作用。Snoke方法是一種常見的反演震源機制解的方法，該方法采用直達P波、SV波和SH波的初動以及SV/P、SH/P或SV/SH的振幅比資料聯合求解震源機制(Snoke et al，1984；Snoke，1989)。其優點是充分利用了P波、SV波和SH波的初動以及SV/P、SH/P或SV/SH的振幅比資料，與P波初動法相比，約束量由1個增至5個，降低了對臺站分布的要求，反演結果更加可靠。金寨震群中最大ML3.9地震的震源機制解為：節面I走向125°、傾角79°、滑動角17°；節面Ⅱ走向32°、傾角74°、滑動角168°；P軸的方位角、傾角分別為258°、3°；T軸的方位角、傾角分別為349°、20°；N軸的方位角、傾角分別為158°、70°。其余較大地震的震源機制解與最大地震震源機制解的一致性較好(黃顯良等，2015；倪紅玉等，2015)。

在震群附近有NW向的青山-曉天斷裂，鄧起東等(2003)給出的1︰50萬活動斷裂構造圖顯示該斷裂在震區附近被NNE向斷裂F切割，但是針對斷裂F的研究較少。重新定位結果顯示，金寨震群位于青山-曉天斷裂的北側、斷裂F的東側，沿NNE向和NWW向呈現近直立的條帶狀分布。震源機制解結果表明金寨震群兩組節面的走向分別呈NWW向和NNE向，傾角均較高，但是無法區分哪個節面為發震斷層面。因此，金寨震群可能是NW向青山-曉天斷裂與NNE向斷裂F在交匯區域共同作用的結果，同時也表明在區域構造應力場的作用下，這2條斷裂有活動的跡象。

金寨震群周邊存在4個建于20世紀的大型水庫(圖1)以及2座小型水電站(分別為2007年建成的黃谷灘電站(庫容約100萬m3)和2012年建成的關廟電站(庫容約400萬m3))(黃顯良等，2015)。汪小厲等(2017)利用sPL深度震相計算得到震群序列中較大地震的震源深度分布在3～4.2km范圍，相對較淺。因此，金寨震群具有震源深度淺、發震時間緊密、空間叢集以及震區距離庫區較近等特點，推測金寨震群可能與周邊水庫水下滲有關。綜合重新定位、震源機制解和水庫影響分析等結果，認為2014年金寨ML3.9震群可能是由流體滲透引起NW青山-曉天斷裂與NNE向斷裂F慢滑動而觸發的。

4 討論與結論

本文利用匹配濾波技術對2014年8月—2015年1月的金寨ML3.9震群中臺網目錄遺漏的地震進行了檢測拾取，通過檢測發現了1376次遺漏地震事件，并給出其震中位置和震級估計結果。通過對比地震臺網目錄給出的參數，認為本文對遺漏地震事件的震級估計基本可靠。震級-頻次統計分析表明加入遺漏事件后，地震目錄的完整性在ML0～1.5范圍內有較為明顯的改善。

在利用三分量波形互相關檢測遺漏地震后，進一步使用波形互相關標定遺漏事件的P波、S波到時，并采用雙差定位方法對震群進行重定位，重定位后走時殘差更小，水平位置更加集中，沿NNE向的斷裂F和NW向的青山-曉天斷裂呈現近直立的條帶狀分布，結合地質構造和震源機制解，推測金寨震群可能是NW青山-曉天斷裂與NNE向斷裂F在交匯區域共同作用的結果。同時，根據震群震源深度淺、擴展系數較小及時間叢集、空間緊密等特征，推測金寨震群可能與周邊水庫水下滲有關。綜合重新定位、震源機制解和水庫影響分析等結果，認為2014年金寨ML3.9震群可能是由周邊水庫水下滲引起NW向青山-曉天斷裂與NNE向斷裂F慢滑動而觸發的。

利用匹配濾波技術拾取微震震群遺漏事件，能夠改善震群目錄的完整性，為進一步利用震群目錄開展深入研究工作提供基礎。與人工識別地震信號相比，匹配濾波技術能夠有效抑制背景噪聲、降低地震面波和振蕩等造成的低頻信號干擾，從而檢測出較多的遺漏事件。同時，需要注意的是，由于存在波形信噪比較低的微震，以及不與任何模板地震波形高度互相關的地震，故匹配濾波方法也難以檢測到全部的遺漏地震事件(譚毅培等，2014b)，這是匹配濾波方法的不足之處。

在研究中強地震余震序列的遺漏地震時，前人多將模板地震震中位置直接置于遺漏地震震中(Peng et al，2007、2009)，該方法簡單易行，但遺漏地震的加入對地震序列空間分布沒有任何影響，因此無法對發震構造分析等后續研究做出貢獻。本文所用方法的一個顯著特點是在利用三分量波形互相關檢測遺漏地震后，進一步采用震相波形互相關對遺漏事件進行重定位，使得遺漏地震的拾取對發震構造的推測和分析工作起到了積極作用。