2019-07 Ridgecrest地震及其余震的雙差重定位分析

黃小梅 陳 強 張一君 楊瑩輝 靳 鑫 蔣子琴

1 西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都市犀安路999號，611756 2 成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都市二仙橋東三路1號，610059 3 西南石油大學地球科學與技術學院，成都市新都大道8號，610500

2019-07-04、06美國加利福尼亞州Ridgecrest分別發生MW6.4前震及MW7.1主震。MW6.4前震發生在加利福尼亞州板塊邊界側面的東加利福尼亞剪切帶(ECSZ)，震中位于圣安德烈亞斯斷層東北約150 km處，距加州塞爾斯谷西南約12 km，發震斷層可能為走向NE-SW、具有左旋走滑趨勢的斷裂帶或走向NW-SE、具有右旋走滑趨勢的斷裂帶[1-3]。MW7.1主震的余震呈NW-SE向展布，向北延伸至中國湖(China lake)，東南向加洛克斷層(Garlock fault)延伸，在距斷層約5 km處停止。據歷史資料記載，Ridgecrest地震序列50 km范圍內共發生8次M>5地震[4-6]，對東加利福尼亞剪切帶造成嚴重破壞(圖1)。

圖1 震中區域構造背景

對地震進行精定位，有助于準確描繪震后震源區的地震時空分布圖像，并確定發震斷層的空間分布。本文基于雙差地震定位方法[7-8]，利用近震P波目錄走時差數據和互相關走時差數據，反演Ridgecrest地震及震后1個月內MW≥2.5余震的震源參數，并以此為基礎反演斷層在地殼深部的分布，分析震源時空分布特征，探討本次地震序列的斷層構造，為后續研究提供參考。

1 數據和方法

1.1 數據和速度模型

南加州地震臺網(SCSN)擁有400多個分布密集的地震臺站，負責監測美國與墨西哥邊界以北至圣路易斯-奧比斯波(San Luis Obispo)和大派恩(Big Pine)地區的地面運動。選取南加州地震數據中心(SCEDC)發布的2019-07-04～08-06 MW7.1主震震中500 km范圍內的295個臺站記錄的震相觀測報告及160個CI臺網記錄的寬頻帶數字波形數據，對地震序列進行精定位。

選用基于AK135全球參考模型[9]的一維地殼速度結構模型，并使用Crust1.0模型進行修正，具體參數見表1。

表1 Ridgecrest震源區一維速度模型

1.2 雙差定位方法

選用雙差定位方法對Ridgecrest地震序列進行精定位。與傳統定位方法相比，該方法能夠在較大范圍內高分辨地確定震源位置，其原理是通過對地震事件對到同一臺站的理論到時差和實際到時差的殘差(雙差)進行反演獲得震源位置信息，當事件對間距較近時可有效減小地殼速度模型不夠精細而造成的定位偏差[10]，具體步驟見文獻[7-8]。

1.3 走時差計算

利用研究區的震相觀測報告繪制震相走時曲線(圖2(a))，剔除偏離較大的走時值后，共得到70 167條P波走時目錄數據(圖2(b))，匯編成雙差定位地震目錄文件。在地震匹配中，采用震中距小于500 km的震相數據，事件對之間的間距小于10 km，確保每個事件有不少于8個震相數據。經篩選后共得到274 138對P波震相對，占總震相對的90%，弱連接事件為30個，僅占總事件數的1.43%。震相走時曲線及弱連接事件數表明本文所用數據精度較好。

圖2 Ridgecrest地震序列走時曲線

在雙差地震定位中，聯合使用波形互相關技術得到的相對走時差可提高事件對之間的到時差精度，增加雙差觀測數，從而提高地震定位的精度。本文依據目錄事件對的匹配信息，挑選信噪比較高的波形數據，對其帶通濾波到0.25～0.5 Hz，并使用Schaff等[11]提出的相關檢測函數(correlation detector)，選擇P波前2 s和后4 s的時間窗，對2個相似波形進行互相關計算，得到部分波形互相關結果(圖3)。通過波形互相關計算，共獲得250 704對互相關走時差，相關性系數在0.6以上。

圖3 部分P波波形互相關結果

2 地震重定位結果

利用雙差重定位方法對Ridgecrest地震序列的2 098個事件進行重定位，采用共軛梯度法(LQSR)分別獲得2 069個目錄數據、2 073個互相關數據和2 037個目錄與互相關數據聯合反演的地震重定位震源參數，重定位率高達97%。圖4(b)為僅使用地震目錄數據重定位結果，與原始定位結果(圖4(a))相比，震源沿斷層分布的線性趨勢更為集中。地震群分為4個事件簇，余震分布與小湖斷層展布方向一致，在帕納明特山谷斷層附近和加洛克斷層西南方向末端分別形成一個小型事件簇，而在Coso地熱區附近存在一個缺震帶，地震越過該處向更北方向形成一個事件簇，前震、主震及大部分余震形成一個大型事件簇，表明Ridgecrest地震序列斷層構造的復雜性。MW6.4前震及余震呈“L”形分布，MW7.1主震發生后余震展布從“L”形變為“T”形。在深度方向上，重定位后震源深度主要分布在4～8 km，經2輪迭代后，加權均方根殘差由171 ms降至65 ms，其東西、南北和深度方向的平均相對誤差分別為0.271 km、0.266 km和0.404 km。

各分圖中，上圖為平面圖，下圖為震源深度沿經度方向剖面

由僅使用互相關數據進行重定位的結果(圖4(c))可知，震源分布沿斷層的線性趨勢更加顯著，可提高深度方向的定位精度，前震和主震的震源深度與USGS結果相似，余震在36°N、117.8°W附近的地震空缺帶表現更為明顯；在深度方向上，重定位后震源深度呈分段條帶特征。經2輪迭代后，加權均方根殘差為57 ms，其東西、南北和深度方向的平均相對誤差分別為0.215 km、0.200 km和0.233 km。

聯合使用地震目錄和互相關走時差進行重定位(圖4(d))獲得的震源分布特征與僅使用互相關數據進行重定位的結果類似。經4輪迭代后，相互關走時殘差和目錄走時殘差分別為55 ms和72 ms，其東西、南北和深度方向的平均相對誤差分別為0.139 km、0.130 km和0.159 km，震源深度結果(圖5(d))表明，重定位后震源深度的分布更趨向于正態分布。

圖5 震源深度直方圖

3 Ridgecrest地震活動性和斷層構造分析

3.1 地震活動與斷層構造分析

由于Ridgecrest地震的發震及破裂過程較復雜(圖6)，地震的發生觸發了該處規模不一的復雜“斷層系”，因此應結合余震分布的線性特征、震源機制解、地震構造和野外調查報告[1]，分析探討地震活動性和斷層構造的關系。Ridgecrest地震序列開始于MW6.4前震，短時間內在空間分布上呈“L”形，重定位后余震分布呈現出2個方向的展布，其中沿NW-SE方向約142°，沿NE-SW方向約227°，傾角約為87°，這與GFZ公布的震源機制解相吻合。結合余震分布、震源機制解、震源區地質構造背景和野外調查報告推斷，發震斷層應為一條走向NW的活動斷層，與震源區小湖斷裂帶產狀相似，由此推斷小湖斷裂帶為前震的發震斷層。Ridgecrest地震序列的深度剖面(圖7)表明，斷層在較深處開始破裂，余震往更淺區域移動，破裂向淺層區域延伸。

圖6 Ridgecrest地震序列重定位結果

前震發生34 h后，MW7.1主震被激發，引起更大的能量釋放，這可能是由于前震近似位于構造應力和地應力集中的斷層轉折處[10]，而主震的余震不僅往西北方向延伸，也往東南方向延伸，迅速將前震的“L”形展布變為“T”形展布。余震的傳播是一個“雙向”延伸的過程，這與走滑型地震分布特征一致[12]。Kendrick等[1]的現場調查報告顯示，該破裂沿2個方向延伸，Zhang等[13]在反演震源破裂的過程中發現，主震的破裂具有不對稱性雙向特點。主震及余震的分布呈NW-SE向展布，走向約142°，重定位后震源深度在BB′剖面上(圖7)顯示出地震序列傾角近似垂直的特征，結合主震及其較大余震的震源機制推斷，主震為右旋走滑事件，斷層走向應為NW-SE。而震源區附近發育有右旋走滑機制的小湖斷裂帶及左旋走滑機制的加洛克斷層，加洛克斷層發生淺層蠕變，但蠕變未向西延伸至地震活動區，小湖斷裂帶右旋走滑的平均速率約為0.6～1.3 mm/a，比加洛克斷層快數倍[3,14-15]，由此推斷小湖斷裂帶應為地震序列的發震斷層。此外，加洛克斷層西南方向末端形成事件簇，今后是否會發生更大的地震值得密切關注。

小圖中，橫坐標為時間，單位d,縱坐標為余震震源深度與主震或前震震源深度差值，單位km

從圖6可以看出，余震分布的東南和西北末端呈“V”形和三角形特征，尤其在東南端呈現數條近似平行的斷層構造，而在西北末端出現缺震帶，地震越過該區域往更北方向傳播，這可能是由于Coso地熱區影響地震活動的傳播。不連續和多種形態的余震分布揭示了Ridgecrest地震序列斷層構造的復雜性，在MW6.4前震發生后，震源區積累的能量未能完全釋放，余震沿斷層面不斷向上傳播的過程受到影響，進而觸發MW7.1主震，激活該處存在的共軛斷層，小湖斷裂帶為此次地震序列的發震斷層。

3.2 不同剖面震源深度與地質活動的關系

為顯示不同剖面震源深度分布特征與地質活動的關系，分別將震源投影到地震剖面(圖7)上，圖中AA′剖面走向與主震一致，BB′剖面與AA′剖面近似正交。在AA′剖面上，地震到剖面軸線的距離為40～50 km，以坐標橫軸原點為界，右側余震數量相對較多，地震分布呈西北少、東南多的特征。從MW6.4前震的余震剖面(圖7)可以看出，地震始于深處，余震往淺部移動，斷層破裂向淺層區域傳播，震中位置大致向南東方向移動，表明MW6.4前震的活動與走向NE、傾向NW的斷裂活動有關。余震在AA′剖面上無擁簇現象，呈分段條帶特征，揭示該處存在由5條以上復雜斷層構造組成的斷層系。Ridgecrest地震序列在BB′剖面方向展布約15 km，近似垂直于剖面，傾角約87°，表明地震序列與走滑型斷層構造有關。

4 結 語

本文基于雙差地震定位方法，利用近震P波目錄走時差數據和互相關走時差數據反演2019-07兩次Ridgecrest地震及主震后1個月內MW≥2.5余震的震源參數。重定位結果顯示，2 098個事件形成4個事件簇，可獲得高達97%重定位率的震源參數，其中僅使用目錄數據的重定位地震數量為2 069，僅使用互相關數據的重定位地震數量為2 073，同時使用目錄數據和互相關數據進行重定位得到2 037個精定位震源參數。重定位后目錄走時殘差為65 ms，互相關走時殘差為57 ms，雙差定位可提高地震重定位精度，運用互相關技術可提高人工拾取到時的精度，引入互相關走時差可使重定位精度提高。由重定位后深度剖面可知，地震位置在水平方向變化較小，但在震源深度上存在明顯波動，可能是在震中距和速度模型相同的情況下，深度定位誤差與走時差有關，走時差越大深度定位誤差也越大[16]。將精定位后的余震分布特點和震源機制解、地震構造及野外調查報告相結合，可有效分析地震活動性和斷層構造的關系。重定位后余震分布長約90 km，寬約25 km，東南部余震較多，西北部余震較少，由此推斷前震破裂往西南方向擴展，最大滑動量在NE-SW方向上，而主震為雙邊破裂，最大滑移量在NW-SE方向上。重定位后震源空間分布的線性趨勢更加明顯，地震序列表現出多斷層組成的斷層系特征，震源深度的優勢分布為4～8 km，“L”形和“T”形震源空間分布特征揭示了共軛斷層的存在，推測小湖斷裂帶為地震序列的發震斷層。

與前人的研究相比，本文對地震活動與斷層構造的關系進行了定量分析，推斷了地震序列的發震斷層，可為今后復雜斷層研究和風險性評估提供信息，同時為該地區層析成像研究提供參考。