2020年云南東川ML4.2地震序列精定位研究

高方鴻 劉志坤 耿傳濤

摘要：利用云南東川地區(qū)10個(gè)寬頻帶流動(dòng)臺(tái)站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，采用基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)震相拾取方法和震相關(guān)聯(lián)技術(shù)，對(duì)2020年?yáng)|川ML4.2地震序列分別進(jìn)行絕對(duì)定位和相對(duì)定位，獲得了該地震序列的高精度地震定位結(jié)果，得到東川ML4.2地震序列的212個(gè)余震事件，約為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄給出的余震數(shù)目的5倍，豐富了ML≤3.0余震;精定位結(jié)果表明東川ML4.2主震震源深度為5.19 km，余震震源深度集中在3～6 km，余震序列分布長(zhǎng)軸呈NNE向展布;此次地震發(fā)生在小江斷裂帶西支，發(fā)震構(gòu)造與烏龍拉分盆地的構(gòu)造演化有關(guān)。

關(guān)鍵詞：地震定位;微震檢測(cè);小江斷裂帶;雙差定位法;拉分盆地;東川ML4.2地震

中圖分類號(hào)：P315.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2022）01-0048-06doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2022.0006

0 引言

2020年7月8日10時(shí)39分，在云南省昆明市東川區(qū)（25.995°N，103.132°E）發(fā)生ML4.2地震，震源深度為8 km。該地震震感強(qiáng)烈、影響范圍較廣，主震后又發(fā)生了一系列余震，未造成人員傷亡和嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失。中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定結(jié)果顯示，東川ML4.2主震位于小江斷裂帶附近，但由于東川 ML4.2地震序列附近僅有一個(gè)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)固定臺(tái)站（DOC），其它區(qū)域臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站距該地震序列均大于50 km，且分布較為稀疏，不利于精細(xì)地震定位，特別是難以測(cè)定地震序列中大量的微震。而精細(xì)的微震定位結(jié)果（廖詩(shī)榮等，2021）不僅可以用來(lái)確定發(fā)震構(gòu)造，揭示隱伏斷層（Xu et al，2009），還可以理解震源機(jī)制（姜金鐘等，2021）、分析強(qiáng)震危險(xiǎn)性（劉自鳳等，2019）、研究震源區(qū)地殼的三維速度結(jié)構(gòu)（王月等，2020）等。因此有必要對(duì)東川ML4.2地震序列開(kāi)展更為精細(xì)的地震定位工作。

小江斷裂帶是我國(guó)地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地震帶之一，自1500年以來(lái)，斷裂帶曾多次發(fā)生破壞性地震，其中6.0～6.9級(jí)地震11次、7.0～7.9級(jí)地震3次、8級(jí)地震1次（李樂(lè)等，2013）。小江斷裂帶作為青藏高原的東邊界，在青藏高原物質(zhì)逃逸過(guò)程中起到了十分重要的作用（白志明等，2004;黃周傳等，2021）。小江斷裂帶在東川以南分為東、西兩支斷裂，在兩支斷裂內(nèi)部形成多個(gè)不連續(xù)段，次級(jí)斷層呈左行左階排列，在不連續(xù)部位形成拉分盆地，而次級(jí)剪切斷層從拉分盆地的一側(cè)邊界斷層拐向另一側(cè)邊界斷層，成為能量從拉分盆地一側(cè)邊界斷層向另一側(cè)邊界斷層傳遞的通道（宋方敏等，1997）。

現(xiàn)有的地震定位方法主要分為基于到時(shí)定位和基于波形定位兩種。基于到時(shí)的地震定位方法依賴于震相到時(shí)拾取的精度，相對(duì)于傳統(tǒng)方法的人工挑取震相到時(shí)信息和長(zhǎng)短時(shí)窗比法（Stevenson，1976），近年來(lái)發(fā)展的基于深度學(xué)習(xí)（Zhu，Beroza，2018;Ross et al，2020）的定位方法日益受到關(guān)注。雙差定位法是Waldhauser和Ellsworth（2000）在前人的基礎(chǔ)上提出的一種利用走時(shí)數(shù)據(jù)或走時(shí)互相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震相對(duì)定位的方法，它對(duì)速度模型的依賴小且定位誤差小，已在2012年云南彝良5.7級(jí)地震（王清東等，2015）和2021年青海瑪多7.4級(jí)地震（王未來(lái)等，2021）等精定位研究中展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

本文利用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院在2020年云南東川ML4.2地震序列附近布設(shè)的云南東川流動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用基于深度學(xué)習(xí)算法的PhaseNet程序進(jìn)行震相到時(shí)拾取。基于震相關(guān)聯(lián)算法（REAL）、絕對(duì)定位算法（VELEST）和雙差定位算法（HypoDD），對(duì)東川ML4.2地震序列進(jìn)行精細(xì)地震定位，分析地震分布特征，探討其發(fā)震構(gòu)造。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 臺(tái)站分布和數(shù)據(jù)概況

2018年中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院在小江斷裂帶中段布設(shè)了一個(gè)小孔徑寬頻帶臺(tái)陣進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，圖1給出了中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)公共模型提供的小江斷裂帶及其東、西支位置（劉靜等，2019）和臺(tái)陣位置分布。臺(tái)陣包括10臺(tái)寬頻帶地震臺(tái)，平均臺(tái)間距約為4 km，采樣率為100 Hz。本文使用2020年3—12月該臺(tái)陣記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本文的主要數(shù)據(jù)處理流程及所用方法如圖2所示。對(duì)于寬頻帶臺(tái)陣的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，首先去除儀器響應(yīng)并進(jìn)行0.02～30 Hz的帶通濾波，然后利用基于深度學(xué)習(xí)算法的PhaseNet程序（Zhu，Beroza，2018）進(jìn)行震相到時(shí)拾取，接著使用震相關(guān)聯(lián)算法（Zhang et al，2019）進(jìn)行震相的快速關(guān)聯(lián)與初步定位;再使用絕對(duì)定位算法（Kissling et al，1994）進(jìn)行定位，得到絕對(duì)地震定位結(jié)果及改進(jìn)的研究區(qū)最小一維速度模型;最后采用雙差定位法（Waldhauser et al，2000）進(jìn)行地震精定位。

1.2.1 基于深度學(xué)習(xí)的震相拾取

近年來(lái)隨著天然地震觀測(cè)與研究的發(fā)展，記錄到的連續(xù)波形數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，這使得人工拾取P波和S波震相成本變高，Ross 等（2018）提出了基于深度學(xué)習(xí)的簡(jiǎn)單、快速地震震相到時(shí)拾取方法。其基本思路是：將大量人工標(biāo)注的波形數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行訓(xùn)練，得到具有與人工經(jīng)驗(yàn)同等判斷力的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，讓算法達(dá)到與人工拾取P波和S波相近的效果。近幾年來(lái)，基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)震相拾取的誤差已與人工拾取相差無(wú)幾，其工作效率極高，且對(duì)復(fù)雜波形的震相識(shí)別有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

本文采用深度學(xué)習(xí)算法（PhaseNet）進(jìn)行震相到時(shí)拾取。為了避免移動(dòng)窗選取時(shí)邊界數(shù)據(jù)間斷導(dǎo)致拾取的震相缺失，本文從每天數(shù)據(jù)起點(diǎn)開(kāi)始將數(shù)據(jù)每隔15 s切割成長(zhǎng)為30 s的一段，進(jìn)行震相識(shí)別。選取PhaseNet中P波和S波的經(jīng)驗(yàn)性拾取概率閾值均為0.3，總計(jì)拾取到了737 701條P波和445 334條S波震相到時(shí)。

1.2.2 震相快速關(guān)聯(lián)與初步定位

基于各臺(tái)站P波和S波震相到時(shí)數(shù)據(jù)，利用震相關(guān)聯(lián)的方法可以粗略定位地震。本文采用Zhang等（2019）提出的快速震相關(guān)聯(lián)算法，通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)P波和S波數(shù)目最大、且走時(shí)殘差最小來(lái)確定地震事件的位置。設(shè)置水平搜索范圍為0.3°、步長(zhǎng)為0.02°，深度搜索范圍為0～40 km、步長(zhǎng)為2 km。考慮到震相拾取時(shí)可能存在誤拾取，為了提高定位的可靠性，將相應(yīng)的關(guān)聯(lián)閾值設(shè)置為：至少需要5條P波震相到時(shí)、0條S波震相到時(shí)，并且P波和S波震相到時(shí)總數(shù)要達(dá)到10條，才能定位一個(gè)地震。初步定位得到了1 020個(gè)地震事件，共計(jì)有8 727條P波和7 065條S波的震相到時(shí)參與了定位，其P波和S波震相到時(shí)在時(shí)距圖（圖3）上有很好的線性分布特征，并無(wú)離散點(diǎn)。

1.2.3 震級(jí)測(cè)定

本文采用中國(guó)地震局發(fā)布的《地震震級(jí)的規(guī)定》（GB 17740—2017），進(jìn)行了地方震震級(jí)ML的測(cè)定：

ML=lg（A）+R（Δ）（1）

式中：A為南北向和東西向最大振幅的平均值;R（Δ）為地方震級(jí)的量規(guī)函數(shù)，通過(guò)查閱《地震震級(jí)的規(guī)定》（GB17740—2017）附錄D獲得。先計(jì)算各臺(tái)站對(duì)于同一地震所測(cè)得的震級(jí)值，再通過(guò)求取其平均值來(lái)獲得最終震級(jí)。

1.2.4 地震精定位

精確的殼幔速度模型對(duì)于地震定位非常重要，即便是使用相對(duì)地震定位方法，如雙差定位法，不同的速度模型也會(huì)引起一定程度的定位誤差（呂作勇等，2016;陳雯，2018）。本文選用中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)給出的本文研究區(qū)地殼速度模型（Yao et al，2018）作為初始速度模型，通過(guò)初始速度模型、震源參數(shù)和臺(tái)站矯正聯(lián)合反演的VELEST算法得到更為精準(zhǔn)的最小一維速度模型（圖4），然后應(yīng)用更新后的最小一維速度模型，對(duì)所有地震事件進(jìn)行了絕對(duì)定位（圖5），得到絕對(duì)定位后的1 020個(gè)地震事件，其均方根殘差的平均值為0.3 s。

對(duì)上述1 020個(gè)事件，使用到時(shí)數(shù)據(jù)和波形互相關(guān)數(shù)據(jù)，利用HypoDD算法進(jìn)行了相對(duì)地震定位。筆者將震中距上限設(shè)置為50 km，地震對(duì)的最大距離為10 km，同一個(gè)地震事件最多與10個(gè)地震事件組成地震對(duì)，并且每一個(gè)地震對(duì)至少包含8個(gè)相同震相，最終獲得了678個(gè)事件的高精度相對(duì)地震定位結(jié)果（圖5），其均方根殘差平均值為0.06 s。筆者根據(jù)地震發(fā)生前后各5 d和地震可能影響的范圍（5 km）對(duì)地震事件進(jìn)行篩選，最終得到東川ML4.2地震主震附近的212個(gè)地震事件。

2 結(jié)果與討論

2.1 與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄對(duì)比

本文獲得的東川ML4.2地震的精定位位置為（26.007 0°N，103.093 1°E），震中位于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)定位結(jié)果的NWW方向約5 km處（圖6）。本文確定的主震震源深度為5.19 km，淺于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)給出的8 km，正是由于此次地震震源較淺，導(dǎo)致了當(dāng)?shù)卣鸶休^為強(qiáng)烈。東川ML4.2地震序列的余震事件共有212個(gè)，無(wú)前震發(fā)生，為典型的主震-余震型地震。

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄中東川ML4.2地震序列共有41個(gè)地震事件（圖6），最小完備性震級(jí)為ML1.7;而本文構(gòu)建的該地震序列包含212個(gè)地震事件，最小完備性震級(jí)達(dá)到ML0.53。可見(jiàn)，利用地震序列附近的臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)可以獲得約為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄數(shù)量5倍的地震事件，補(bǔ)充了大量漏計(jì)的微震事件，大大提高了地震目錄的完備性。

通過(guò)對(duì)比本文地震精定位結(jié)果與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄（圖6）可以看出：中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄余震位置較為分散，東西向分布超過(guò)10 km，這已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)4級(jí)地震的余震帶范圍（韓曉飛等，2017），而本文定位得到的地震密集分布于一個(gè)NNE向破裂帶內(nèi)，其寬度約為3 km;中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄給出的主震震中位于小江斷裂帶兩支之間，靠近西支一側(cè)，而本文得到的主震位置恰好位于小江西支斷裂帶下方。

2.2 發(fā)震構(gòu)造分析

本文得到的東川ML4.2地震余震序列總體呈NNE向展布。為了更好地研究地震在深度方向的分布，本文分別沿平行和垂直于余震帶長(zhǎng)軸方向建立了AA和BB 2個(gè)地震深度剖面，這2個(gè)剖面均穿過(guò)主震的震中位置，將剖面兩側(cè)2 km內(nèi)的地震事件投影到剖面上（圖7a）。

從剖面AA（圖7b）可以看出，余震震源深度集中在3～6 km處，大部分余震都位于主震上方（圖7b），說(shuō)明余震主要是由主震后斷層淺部應(yīng)力調(diào)整所致。從剖面BB（圖7c）可以看到，東川 ML4.2主震位于小江斷裂帶西支地表斷層的正下方，余震大體均勻分布于主震兩側(cè)，由此可以推斷發(fā)震斷層是近乎垂直的，如圖7c中紅色實(shí)線所示。

本文得到的東川ML4.2地震序列發(fā)震構(gòu)造與小江斷裂帶的地質(zhì)特征是一致的。小江斷裂帶是青藏高原東緣的大型走滑斷裂，斷層傾角通常超過(guò)70°，其中段處于弱剪切擠壓的活動(dòng)特征，可能存在閉鎖特征（張勇等，2018;高原等，2020）。本文研究區(qū)內(nèi)的小江斷裂帶西支存在不連續(xù)段，次級(jí)斷裂呈左行左階排列，在不連續(xù)部分形成了烏龍拉分盆地（宋方敏等，1997）。東川ML4.2地震發(fā)生在烏龍拉分盆地西南側(cè)，可能由于沿盆地

3 結(jié)論

本文基于云南東川流動(dòng)臺(tái)陣的10個(gè)寬頻帶地震臺(tái)的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，采用基于深度學(xué)習(xí)的到時(shí)拾取方法和快速震相關(guān)聯(lián)、雙差定位方法，對(duì)東川ML4.2地震序列進(jìn)行了高精度的地震定位，得出以下主要認(rèn)識(shí)：

（1）利用近場(chǎng)的流動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得了212個(gè)地震的精定位結(jié)果，約為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄數(shù)量的5倍，完備震級(jí)由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)給出的 ML1.7下降至ML0.53。

（2）東川ML4.2地震為主震-余震型地震，主震震源深度為5.19 km，余震集中在3～6 km深度，余震序列總體呈NNE方向展布。

（3）東川ML4.2地震序列的發(fā)震構(gòu)造為小江斷裂帶西支，其成因可能與2個(gè)次級(jí)斷裂間的烏龍拉分盆地的構(gòu)造演化有關(guān)。

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GB 17740—2017，地震震級(jí)的規(guī)定[S].

Accurate Location of the 2020 Dongchuan，Yunnan ML4.2 Earthquake Sequence

GAO Fanghong，LIU Zhikun，GENG Chuantao

（School of Geophysics and Information Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Abstract

Selecting the continuous waveform data from 10 temporary broadband seismic stations in Dongchuan，Yunnan Province，and using the automatic seismic phase detection and correlation based on deep learning，we conduct absolute and relative locations of the July 8th，2020 Dongchuan ML4.2 earthquake sequence，and obtain high-resolution results：the ML4.2 earthquake sequence contains 212 events，about five times of the events from the catalogue of China Earthquake Networks Center，enriching the ML<3.0 aftershocks.The focal depth of the ML4.2 mainshock is 5.19 km and the aftershock sequence concentrates in the depth of 3—6 km.The Long axis of the aftershock zone is in the NNE direction.The earthquake sequence occurs in the west branch of the Xiaojiang Fault Zone and its seismogenic structure may be related with the tectonic evolution of the pull-apart Wulong Basin.

Keywords：earthquake location;microseismic detection;the Xiaojiang Fault Zone;double-difference earthquake location;pull-apart basin;Dongchuan ML4.2 earthquake