2013年8月河北蔚县小震群遗漏地震检测与发震构造分析

谭毅培 曹井泉 卞真付 刘文兵2， 邓 莉 许 可

1）中国天津300201天津市地震局

2）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

引言

2013年8月22—25日，河北省蔚县地区发生小震震群活动，其震中所在位置如图1所示.该震群所在蔚广盆地位于晋冀蒙盆岭构造区的山西北部与河北西部交接地带，历史资料中记录到6次5级以上地震，包括1581年蔚县5■⁴级和1618年蔚县6⅟²级地震（国家地震局震害防御司，1995）.如图1所示，该盆地地区地质构造复杂，主要发育有北东向和北西向两组活动断层，包括北西向松枝口—左所堡断裂，北东向蔚广盆地南缘断裂和壶流河断裂，以及震群震中位置以北为北东向的六棱山北麓断裂（徐锡伟等，2002）.

根据国家地震科学数据共享中心给出的地震目录，此次震群共发生地震13次，震级为ML0.4—3.2，其中ML≥1.0地震7次（8月22—25日河北省蔚县实际共发生地震14次，其中发生于24日03时33分39.8秒的ML0.4地震与其它13次地震波形相关性较差，本文判定为不属于此次震群活动）.震相到时取自河北省测震台网地震观测报告①http：／／10.5.202.37：8080／JOPENSCat／login.seam.本文选取ML≥1.0地震作为模板，通过波形互相关检测因波形叠加而致使目录遗漏的地震事件，再利用波形互相关震相检测技术（谭毅培等，2014）标定其P波、S波到时，从而估计震中和震级，以补充现有地震目录，进一步利用地震精定位结果分析此次震群活动可能的发震构造.

1 方法

本文使用匹配滤波技术（van Trees，1968）进行遗漏地震检测，该技术已应用于中强地震余震序列分析（Peng et al，2007；Peng，Zhao，2009；Schaff，2010；Meng et al，2012）、低频地震（Shally et al，2007；Tang et al，2010）及微震震群发震构造（谭毅培等，2014）等方面的研究.选取ML≥1.0地震事件作为模板地震（template event），根据观测报告以直达S波到时为中心，截取其前2s至后2s波形，挑选三分量波形信噪比平均值大于3的作为模板.噪声能量水平由P波到时前6—2s的波形计算得到.本文共挑选出满足条件的模板地震7次，波形模板42条，见表1所示.

图1 蔚县震群观测台站（三角形）和震中位置（八角形）.右下角为震中周边主要断层的分布示意图F1：松枝口—左所堡断裂；F2：壶流河断裂；F3：蔚广盆地南缘断裂；F4：六棱山北麓断裂Fig.1 Epicenter of Yuxian earthquake swarm，seismic stations and faults distribution of Yuguang basin The lower right corner gives the distribution of main faults surrounding the earthquake swarm.Triangles are stations used in this paper，and the octagon is the epicenter location of the swarm.F1：Songzhikou-Zuosuobao fault；F2：Huliuhe fault；F3：Yuguang basin south edge fault；F4：Liulengshan north edge fault.Dashed line denotes buried fault

表1 本文选取的模板地震Table 1 Selected template events in this paper

在8月22—25日的连续记录波形上进行波形互相关扫描.为提高计算速度，连续波形与模板分别经过重采样，采样间隔由100sps变为20sps.扫描窗长为模板长度，扫描间隔为0.05s.取三分向互相关系数平均，再将同一模板地震各条模板的互相关系数值相加，通过计算序列的绝对离差中位数（median absolute deviation，MAD）检测遗漏地震.绝对离差中位数表达式为MAD＝median（｜Xi｜－X），式中，Xi为第i个互相关系数序列，X 为其平均值.

本文取9倍绝对离差中位数作为判别地震的阈值.图2展示了模板地震Eq08231657在8月23日16—24时连续波形上进行互相关扫描的结果.计算MAD得到阈值为0.167 1，8小时内共有7个互相关系数大于阈值的点.其中互相关系数值为1的点即为模板地震本身，另有3个点（灰色圆点）为目录已有的地震，共检测到3次遗漏地震（黑色圆点）.

图2 匹配滤波技术波形互相关扫描结果示意图.波形模板为Eq08231657涞源台（LAY）记录，扫描时间段为2013年8月23日16—24时Fig.2 Cross-correlation scanning result based on matched filter.Template is Eq08231657waveform recording of the station LAY，scanning time was from 16：00to 24：00on August 23rd，2013

在得到疑似遗漏地震事件后，使用原始连续波形（采样率为100sps）和模板波形，同样通过互相关扫描确认遗漏地震，并搜索遗漏事件的P波和S波到时.图3给出了搜索过程示意图.利用垂向波形检测P波，水平向波形检测S波.鉴于区域测震台网手动拾取震相到时存在一定误差，为截取比较完整的P波、S波波列，在连续波形垂直向截取P波到时前1.5s至到时后2.5s，模板垂直向截取P波到时前0.5s至到时后1.5s波形进行互相关扫描（图3a）；在连续波形两个水平向分别截取S波到时前2s至到时后3s，模板水平向截取S波到时前1s至到时后2s波形进行互相关扫描（图3b）.扫描得到的互相关序列中互相关系数最大值位置即为遗漏事件P波、S波到时.

本研究使用双差定位法（Waldhauser，Ellsworth，2000）对加入遗漏事件后的新地震目录进行地震精定位.所使用数据包括观测报告给出的震相到时，利用波形互相关震相检测技术得到的遗漏事件震相到时，以及通过互相关扫描得到的震相互相关系数和相对到时差.利用遗漏事件水平向S波到时后4s内最大振幅与模板地震水平向波形S波波列最大振幅之比估计遗漏事件的震级.

(2)超前单动双管钻具方面，根据现场描述，取心钻具经常会出现钻进0.3 m左右就会出现钻压有所升高，但是泥浆泵压力还是很稳定的情况。因此，大致可以判断取心过程中岩心在取心内筒中出现了堆积、堵塞的情况。这是因为取心过程中随着岩心进入取心筒中高度增加，筒内的岩心与取心筒内壁的摩擦阻力增加，当总摩阻力达到一定数值时，取心筒下部的岩层受力达到极限状态，不再进入取心筒内。进入取心筒的岩心像“瓶塞”一样阻止下部的岩层进入岩心筒，就出现了“桩效应”[3]。对于松软泥砂地层来说，由于岩层本身相对松散，产生“桩效应”后机械钻速变化很小，不易被发现，容易造成岩心丢失。

2 检测结果与发震构造分析

2.1 遗漏地震检测结果

利用匹配滤波技术在8月22—25日共检测到地震观测报告中遗漏地震事件18个，约为目录给出地震事件数量的1.38倍.其发震时刻和震级估计结果见表2.

图3 利用波形互相关震相检测技术搜索遗漏地震事件P波、S波到时方法示意图灰色表示连续波形，黑色表示波形模板.波形模板为事件Eq08231657涞源台（LAY）记录，扫描出遗漏地震发震时刻为2013-08-24 13：38：37.92.波形经过4阶零相移Butterworth滤波器2—8Hz滤波；地震波形下方为波形互相关系数，标注互相关最大值Cmax（a）通过垂直向波形互相关检测P波到时；（b）通过水平向波形互相关检测S波到时Fig.3 Detecting the P-and S-wave arrival times of missing events using cross-correlation phase detection technique.Gray curves are continuous waveforms filtered in 2—8Hz by 4th-order zero-phase Butterworth filter，black curves are filtered template waveforms.Template is the waveform recording of Eq08231657from LAY station，origin time of the missing event is 2013-08-24 13：38：37.92.The curve below the waveforms is cross-correlation coefficient sequence，and its maximum value（Cmax）is indicated.（a）P-wave wavefrom of vertical component；（b）S-wave wavefrom of two horizontal components added

表2 测震台网给出的地震事件和检测到遗漏地震事件的发震时刻与震级Table 2 The origin time and magnitude of the catalog and detected events

如表2所示，若将模板地震分为两组：第一组为地震A，E；第二组为地震B，C，D，F，G.目录中任何一次地震不能被两组中的模板地震同时检测到，即根据互相关检测结果，此次震群地震事件可划分为两组：第一组可被模板地震A，E检测到，共7次地震，最大震级为ML2.2，ML≥1.0地震2次；第二组可被模板地震B，C，D，F，G检测到，共26次地震，最大震级为ML3.2，ML≥1.0地震5次.第二组的地震频度和强度均高于第一组.

图4给出了补充遗漏地震前后震群活动的震级－频度关系对比，震级分组间隔取为0.5.本文检测到的遗漏地震事件最大震级为ML0.8，因而在M≥ML1.0地震目录中没有变化.结果显示，增加了遗漏地震后震级－频度关系与台网所给目录相比呈现更好的线性特征，表明ML0.0—1.0之间地震目录的完整性有较明显的改善.

2.2 精定位结果与发震构造分析

精定位使用观测报告给出的以及通过互相关检测出的震相共553个，所使用的一维速度模型如图5所示（张成科等，1997；刘宝峰等，2000）.遗漏地震事件精定位结果及通过互相关检测出的震相见表3.有4个以上台站检测出震相的遗漏事件用双差定位方法给出震中，其它遗漏地震事件震中置于互相关系数最大的模板地震震中位置（Peng，Zhao，2009）.

图4 补充遗漏地震前后地震目录的震级－频度关系对比图.N为M≥ML（对应横坐标值）的地震事件个数Fig.4 Comparison of magnitude-frequency relationships before and after adding the missing events.Nis the number of events with M≥ML（magnitude in x-axis）

图5 地震精定位所使用的速度模型Fig.5 Velocity structure used in earthquake relocation

图6 给出了目录地震与遗漏地震事件的精定位结果.精定位后的震中分布呈现较为明显的条带状分布.根据震中位置将地震分为两组，一组为在震群北西侧呈北东向分布的7次地震，另一组为震群南东侧呈北西向分布的26次地震.该分组与2.1节中利用波形互相关对震群地震的分组结果一致.由此推测此次蔚县震群的发震构造有两组，分别为一组北东向断裂和一组北西向断裂.

如图6所示，蔚县震群震中区内存在两条主要的活动断裂，分别为北东向的壶流河断裂和北西向的松枝口—左所堡断裂.壶流河断裂是蔚广盆地中部一条隐伏活动断裂，倾向南东（徐锡伟等，2002）.蔚县震群第一组地震呈北东向分布与壶流河断裂走向基本一致，但其震中位置在推测断裂出露位置的北西侧方向，断裂倾向为南东向，因而该震群第一组地震发生在壶流河断裂上的可能性较小，更可能是发生在更加靠近蔚广盆地北缘的北东向断裂上.

表3 遗漏地震事件精定位震中结果及检测到震相的台站Table 3 Relocation results for the missing events and the stations with detected phases

图6 蔚县震群地震精定位及震源机制结果图灰色空心圆为2008年1月至蔚县震群发生前震群所在区域发生的地震Fig.6 Relocation result and focal mechanics of Yuxian earthquake swarm Open circles represent catalog events，solid circles represent detected missing events in this study，blue and red open circles represent the earthquake occurred before and after 16：00on August 23rd，respectively.Gray circles are earthquakes from January，2008to August 21st，2013.Black crosses are the epicenters of earthquakes in the catalog，dashed lines indicate the strike of supposed seismogenic faults.Songzhikou-Zuosuobu fault and Duhuliu fault are indicated

松枝口—左所堡断裂是蔚广盆地内部较为重要的一条北西向断裂，除此以外该盆地内部还存在多条北西向活动断层（徐锡伟等，2002）.蔚县震群第二组地震呈北西向分布，与松枝口—左所堡断裂N40°W走向存在一定差异，因而该震群第二组地震可能发生在盆地内部其它北西向活动断层上.

以8月23日16时为界，在此之前北东向断裂上发生地震5次，最大震级为ML2.2，北西向断裂只发生地震2次，最大震级为ML0.5；16时之后地震多发生于北西向断裂，共有24次，最大震级为ML3.2，北东向断裂发生地震2次，最大震级为ML0.5.结合区域地质构造和2008年以来该区域小震活动分布，本次蔚县震群的发震过程可描述为震群活动前期以北东向构造活动为主，后期地震主要发生在北西向构造，其活动频度和强度均高于北东向构造.图6中灰色空心圆表示2008年1月至此次震群发震前的地震分布，显示近年来北东向断裂的地震活动频度较高，北西向断裂发生地震较少，与此次震群中地震频度分布特征相反.

利用P／S振幅比和P波初动极性（胡新亮等，2004）求取本次震群中震级最大的两次地震Eq08231855 ML3.2和Eq08231657 ML2.6的震源机制解（图6）.结果显示Eq08231855地震节面Ⅰ走向292°、倾角62°、滑动角－73°，节面Ⅱ走向79°、倾角32°、滑动角－119°；Eq08231657地震节面Ⅰ走向282°、倾角44°、滑动角－65°，节面Ⅱ走向69°、倾角51°、滑动角－112°.两次地震属于蔚县震群第二组，推测发震构造为北西向，所以判断节面Ⅰ为真实发震面，其震源机制均以正断为主兼有少量左旋走滑分量.该结果与华北区域应力场估计结果（陈连旺等，1999）基本一致.蔚县震群第二组26次地震的波形相似度较高，说明其震中位置相近且震源机制相似，因而推测此次震群活动较强的北西向构造发震机制以正断拉张为主.

3 讨论与结论

本文利用匹配滤波技术对2013年8月河北蔚县小震群目录遗漏地震进行了检测，发现震群活动期间共有18个遗漏地震事件；通过波形互相关震相检测技术检测遗漏地震事件直达P波、S波到时从而给出其震中震级估计结果.震级－频次统计分析表明，检测遗漏事件在ML0.0—1.0范围内对地震目录完整性的改善有较明显的贡献.通过对蔚县小震群精定位结果分析认为，此次震群活动发震构造存在北东向和北西向两组断裂，震群活动前期以北东向构造活动为主，后期地震主要发生于北西向构造，北西向构造在此次震群活动中地震频度和强度均高于北东向构造.根据震群中震级最大的两次地震震源机制计算结果，认为北西向构造发震机制以正断拉张为主.

本文应用匹配滤波技术检测蔚县震群目录中遗漏的地震事件，遗漏地震数目多于目录中地震的数量.一方面，地震目录不完整会直接影响地震活动性研究结果的科学性和可信度，另一方面，地震数量的大幅增加有利于发震构造的分析识别.因而以小震震群为基础数据的各项研究中，目录遗漏地震的检测拾取对促进研究结果可信度的提高有重要作用，有望成为小震震群研究过程中不可或缺的重要环节.

除本文采用的匹配滤波技术以外，利用波形互相关识别地震信号还有另外一些方法（Schaff，Richards，2004；Schaff，Waldhauser，2005；Gibbons，Ringdal，2006；Stankova et al，2008；Yang et al，2009）.其具体算法和数据处理过程不尽相同，但利用已知地震事件作为模板在连续波形上进行互相关扫描的基本思想一致.与人工识别地震信号相比，利用波形互相关能够比较有效地抑制低频干扰，从而可以检测出较多的遗漏地震事件.另一方面，地震模板的选取需要存储大量数据，且互相关扫描计算时间较长，是制约波形互相关识别方法应用于测震台网实时分析工作中的重要因素.随着计算技术的快速发展和数字化波形资料的不断积累，波形互相关识别方法的应用范围将会不断扩展.

不可否认，由于震群中震级较小的地震波形信噪比低，本文方法难以检测到目录遗漏的全部地震.蔚广盆地覆盖层下存在多条活动隐伏断裂，地质构造复杂，仅凭地震精定位和震源机制结果对发震构造的分析存在较大的不确定性，尚无法确认震群的发震断层，需要区域地震地质和地震活动性等领域进一步的精细研究.

审稿专家对本文提出建设性的意见，中国地震局地震预测研究所王伟君副研究员、李乐副研究员、杨峰博士等与作者进行了有益的讨论，天津市地震局地震应急信息中心为本研究提供计算系统支持，本文部分图件采用GMT软件包绘制.作者在此一并表示感谢.

陈连旺，陆远忠，张杰，许桂林，郭若眉.1999.华北地区三维构造应力场［J］.地震学报，21（2）：140-149.

Chen L W，Lu Y Z，Zhang J，Xu G L，Guo R M.1999.Three dimensional tectonic stress field in North China［J］.Acta Seismologica Sinica，21（2）：140-149（in Chinese）.

崔子健，李志雄，陈章立，赵翠萍，郑斯华，周连庆.2012.判别小震群序列类型的新方法研究：谱振幅相关分析法［J］.地球物理学报，55（5）：1718-1724.

Cui Z J，Li Z X，Chen Z L，Zhao C P，Zheng S H，Zhou L Q.2012.A study on the new method for determining small earthquake sequence type：Correlation analysis of spectral amplitude［J］.Chinese Journal of Geophysics，55（5）：1718-1724（in Chinese）.

国家地震局震害防御司.1995.中国历史强震目录（公元前23世纪—公元1911年）［M］.北京：地震出版社：475-477.

Department of Disaster Prevention，China Earthquake Administration.1995.China Historical Earthquake Catalog（23rd Century BC—1911 AD）［M］.Beijing：Seismological Press：475-477（in Chinese）.

胡新亮，刁桂苓，马瑾，李雪英，高景春，王勤彩.2004.利用数字地震记录的P，S振幅比资料测定小震震源机制解的可靠性分析［J］.地震地质，26（2）：347-354.

Hu X L，Diao G L，Ma J，Li X Y，Gao J C，Wang Q C.2004.Reliability analysis of focal mechanism solutions of microearthquakes determined from amplitude ratio of P and S recorded by digital seismograph［J］.Seismology and Geology，26（2）：347-354（in Chinese）.

姜秀娥，陈非比.1983.区域震群与唐山大震［J］.地震学报，5（2）：145-157.

Jiang X E，Chen F B.1983.Regional earthquake swarms and the 1976Tangshan earthquake［J］.Acta Seismologica Sinica，5（2）：145-157（in Chinese）.

刘宝峰，张先康，张成科，宋松岩，周雪松.2000.华北文安—蔚县—察哈尔右翼中旗剖面S波资料的地质解释［J］.地震地质，22（1）：81-88.

Liu B F，Zhang X K，Zhang C K，Song S Y，Zhou X S.2000.Geological interpretation of S wave data along the Wenan-Yuxian-Cahayouzhongqi profile in North China［J］.Seismology and Geology，22（1）：81-88（in Chinese）.

全国7级地震与地震形势跟踪组.2013.中国大陆地震大形势跟踪与趋势预测研究报告［M］.北京：地震出版社：86-88.

Tracking Group of National M7Earthquake and Earthquake Situation.2013.The Tracking and Trend Forecasting Research Report of Earthquake Situation in China［M］.Beijing：Seismological Press：86-88（in Chinese）.

谭毅培，曹井泉，刘文兵，卞真付，孙安辉，邓莉，柳艳丽.2014.2013年3月涿鹿微震群遗漏地震事件检测和发震构造分析［J］.地球物理学报，57（6）：1847-1856.

Tan Y P，Cao J Q，Liu W B，Bian Z F，Sun A H，Deng L，Liu Y L.2014.Missing earthquakes detection and seismogenic structure analysis of the Zhuolu micro-earthquake swarm in March，2013［J］.Chinese Journal of Geophysics，57（6）：1847-1856（in Chinese）.

徐锡伟，吴卫民，张先康，马胜利，马文涛，于贵华，顾梦林，江娃利.2002.首都圈地区地壳最新构造变动与地震［M］.北京：科学出版社：71-74.

Xu X W，Wu W M，Zhang X K，Ma S L，Ma W T，Yu G H，Gu M L，Jiang W L.2002.Recent Crustal Tectonic Movement in the Capital Region and Its Associated Earthquakes［M］.Beijing：Science Press：71-74（in Chinese）.

张成科，张先康，盖玉杰，祝治平，张建狮，阮虹.1997.华北文安—蔚县—察右中旗剖面地壳上地幔速度结构与构造研究［J］.华北地震科学，15（3）：18-28.

Zhang C K，Zhang X K，Gai Y J，Zhu Z P，Zhang J S，Ruan H.1997.A study of crust and upper mantle structure on Wen’an-Yuxian-Chayouzhongqi profile［J］.North China Earthquake Sciences，15（3）：18-28（in Chinese）.

朱传镇，傅昌洪，罗胜利.1981.震群与大地震关系的研究（华北地区）［J］.地震学报，3（2）：105-117.

Zhu C Z，Fu C H，Luo S L.1981.Study of earthquake swarms in relation to large earthquakes（North China area）［J］.Acta Seismologica Sinica，3（2）：105-117（in Chinese）.

Bisrat S，DeShon H R，Rowe C.2012.Microseismic swarm activity in the New Madrid seismic zone［J］.Bull Seismol Soc Am，102（3）：1167-1178.

Blakely R J，Sherrod B L，Weaver C S，Rohay A C，Wells R E.2012.Tectonic setting of the Wooded Island earthquake swarm，eastern Washington［J］.Bull Seismol Soc Am，102（4）：1786-1795.

Evangelidis C P，Konstantinou K I，Melis N S，Charalabakis M，Stavrakakis G N.2008.Waveform relocation and focal mechanism analysis of an earthquake swarm in Trichonis Lake，western Greece［J］.Bull Seismol Soc Am，98（2）：804-811.

Gibbons S J，Ringdal F.2006.The detection of low magnitude seismic events using array-based waveform correlation［J］.Geophys J Int，165（1）：149-166.

Kurz J H，Jahr T，Jentzsch G.2004.Earthquake swarm examples and a look at the generation mechanism of the Vogtland／western Bohemia earthquake swarms［J］.Physics Earth Planet Inter，142（1／2）：75-88.

Meng X，Yu X，Peng Z，Hong B.2012.Detecting earthquakes around Salton Sea following the 2010 MW7.2El Mayor-Cucapah earthquake using GPU parallel computing［J］.Procedia Computer Science，9：937-946.

Peng Z G，Vidale J E，Ishii M，Helmstetter A.2007.Seismicity rate immediately before and after main shock rupture from high-frequency waveforms in Japan［J］.J Geophys Res，112：B03306.doi：10.1029／2006JB004386.

Peng Z，Zhao P.2009.Migration of early aftershocks following the 2004Parkfield earthquake［J］.Nature Geoscience，2（12）：877-881.

Schaff D P，Richards P G.2004.Lg-wave cross correlation and double difference location：Application to the 1999 Xiuyan，China，sequence［J］.Bull Seismol Soc Am，94（3）：867-879.

Schaff D P，Waldhauser F.2005.Waveform cross-correlation-based differential travel-time measurements at the Northern California Seismic Network［J］.Bull Seismol Soc Am，95（6）：2446-2461.

Schaff D P.2010.Improvements to detection capability by cross-correlating for similar events：A case study of the 1999 Xiuyan，China，sequence and synthetic sensitivity tests［J］.J Geophys Res，180（2）：829-846.

Shally D R，Beroza G C，Ide S.2007.Non-volcanic tremor and low-frequency earthquake swarms［J］.Nature，446（7133）：305-307.

Stankova J，Bilek S L，Rowe C A，Aster R C.2008.Characteristics of the October 2005microearthquakes swarm and reactivation of similar event seismic swarms over decadal time periods near Socorro，New Mexico［J］.Bull Seismol Soc Am，98（1）：93-105.

Tang C C，Peng Z G，Chao K，Chen C H，Lin C H.2010.Detecting low-frequency earthquakes within non-volcanic tremor in southern Taiwan triggered by 2005 MW8.6Nias earthquake［J］.Geophys Res Lett，37：L16307.doi：10.1029／2010GL043918.

van Trees H L.1968.Detection，Estimation and Modulation Theory［M］.New York：John Wiley and Sons：208-210.

Waldhauser F，Ellsworth W L.2000.A double-difference earthquake location algorithm：Method and application to the northern Hayward fault，California［J］.Bull Seismol Soc Am，90（6）：1353-1368.

Yamashita T.1998.Simulation of seismicity due to fliud migration in a fault zone［J］.Geophys J Int，132（3）：674-686.

Yang H，Zhu L，Chu R.2009.Fault-plane determination of the 18April 2008Mount Carmel，Illinois，earthquake by detecting and relocating aftershocks［J］.Bull Seismol Soc Am，99（6）：3413-3420.