安徽霍山窗中小地震活动与精定位研究①

黄显良, 郁建芳, 戚　浩, 张　炳, 夏仕安, 韩成成

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031；2.蒙城地球物理国家野外科学观测研究站,安徽 蒙城 233500)



安徽霍山窗中小地震活动与精定位研究①

黄显良1,2, 郁建芳1,2, 戚浩1,2, 张炳1,2, 夏仕安1, 韩成成1

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031；2.蒙城地球物理国家野外科学观测研究站,安徽 蒙城 233500)

摘要：采用双差地震定位方法对安徽省霍山地区2009年1月1日至 2014年6月13日发生的2 679个ML≥0.0地震进行重新定位研究。对同一地震事件定位前后位置进行比较,得到各个地震在E-W、N-S及U-D三个方向的偏差平均值分别为0.05 km、0.06 km及0.07 km。重新定位后,原震源位置的定位精度大大提高,由定位误差所引起的原震源位置呈现的“网格状”假象分布现象得到明显改善,震中在空间上分布更加紧凑,丛集性明显,且呈现出3条NE向分布的地震密集带,与落儿岭—土地岭断裂方向大致一致。同时震源深度的分布更加精确,且在4～9 km处存在明显的优势分布现象,占总数的88%以上。霍山地区浅源地震发育,表明该地区地壳中上部地震波速度较高。

关键词：安徽霍山地区; 地震活动； 双差定位； 震源深度

0引言

地震定位是地震学最基本的问题之一,地震活动性、地震与活动构造的关系等诸多研究都以地震定位的结果为基础和依据,为此地震学家们一直致力于改进和提出新的地震定位方法,以提高定位精度[1-4]。

在台站布局合理的前提下,震源参数测定的误差主要来源于两方面：一是初至震相到时拾取引起的误差；二是定位过程中选取的速度结构模型引起的误差。通常后者是造成定位精度不高的重要原因。近年来,旨在弥补速度模型简化所引起误差的相对地震定位方法发展迅速,其利用多个地震事件联合定出多个震源参数,提高相对位置精度,而且大量事件的同时定位也使得定位效率有所提高[5]。

双差地震定位方法[6](Double-Difference Algorithm,简称DD)是目前应用较多的一种相对定位方法。该方法反演的是一组丛集地震中每个地震相对于该丛集矩心的相对位置,不依赖主事件位置,不仅能有效减小地壳结构所引起的误差,而且同样适用于空间跨度较大的丛集地震。因其独到的优点,双差定位方法自被提出后在国内外得到广泛应用,并取得了较好效果[7-11]。

1双差定位方法

双差地震定位的基本思想是：如果两个地震震源之间的距离小于事件到台站的距离和速度不均匀的尺度,那么震源区和这个台站之间的整个射线路径几乎相同。这时在某个台站观测到的两个事件的走时差来自于事件之间的空间偏移。

双差定位中,使用两个地震走时差的观测值与理论值的残差(“双差”)确定其相对位置：

(1)

(2)

WGm=Wd

(2)

反演中引进一个表示所有地震经重新定位后其平均“位移”为零(也即其“矩心”不动)的约束条件：

(4)

以阻尼最小二乘法求解式(3),问题归结为：

(5)

式中：λ为阻尼因子;I为单位矩阵。

2霍山地区历史地震重定位

自20世纪70年代安徽地震监测台网建成以后,监测到霍山县以西的落儿岭—诸佛庵一带频频发生中小地震,活动的频次和强度在安徽省及其邻区显得尤为突出。该地区具有中强地震集中成带、小震密集、震源深度浅、多以震群方式活动等特征,一直以来都是安徽省重点监测和关注的地区,在该地区加密了地震网点的布设,如图1所示。

图1　安徽霍山地理位置及台站分布Fig.1　　　Geographycal location of Huoshan area in　　　Anhui province and stations distribution

2.1资料选取

所选研究区域范围为31.0°～32.0°N,116.0°～117.0°E,收集整理了2009年1月1日至 2014年6月13日期间安徽地震台网记录到的霍山地震资料,剔除震相不清楚或数据有差错的,仅挑出不少于3个台站记录到的ML≥0.0地震共计2 679个,其中4.0～5.0级地震1次,3.0～3.9级地震2次,2.0～2.9级地震55次,1.0～1.9级地震459次,0～0.9级地震2 162次。共整理出21 450条震相数据,包括直达波Pg、Sg,首波Pn、Sn,反射波PmP、SmS到时。使用安徽台网的数字记录波形资料进行重定位,数字记录每秒100个采样点。

图2　安徽霍山地区主要断裂展布图Fig.2　　　Main faults distribution in Huoshan area,　　　 Anhui province

2.2地壳速度结构模型

安徽霍山地区因其复杂的地质构造和频繁的地震活动,一直以来都是地震学家研究的重点区域之一[13-16]。该区域的人工地震研究也较丰富,黄耘等[17]运用多震相地震走时成像法获得了该地区的三维地震速度结构成像结果；王椿镛等[18-19]在大别山区域沿测线布设了8个炮点,给出了相对精细的速度结构图(图3)。本文在充分吸收前人研究成果的基础上,结合接收函数H-K扫描结果,给出了研究区域的一维速度结构模型,将地壳分为6层,波速比取1.73,每层厚度和速度值如表1所列。

2.3双差定位过程和结果

对研究区域2 679个地震进行双差重定位,选取震相观测记录数≥7、震源间距<10km、震源距台站300km范围内的地震事件进行组对,经筛选后有2 148个地震事件组成震群参与了定位。利用共轭梯度法反复迭代后得到2 069次地震的高精度震源位置,约占总数的77.2%。造成地震部分缺失的原因是重定位组对过程中某些地震因不满足条件而被剔除。

重定位前后震中分布对比如图4所示:定位前后地震震中分布的整体位置没有太大改变,基本都位于NE向落儿岭—土地岭断裂西侧与NW向子潭—晓天断裂的交汇处。定位前震中分布较零散[图4(a)],出现由定位误差造成的假象径向排列;重定位后,震中分布形态更清晰、更密集,条带状分布明显,主要可划分为3个呈NE向分布的地震密集带[图4(b)中方框],与落儿岭—土地岭断裂方向大致吻合。

图3　大别山地区地壳二维速度模型[19]Fig.3　2-D crustal velocity model of the Dabie Shan[19]

深度/km层厚/km纵波速度值/(km·s-1)004.10336.101076.2020106.5530106.8540108.10

对同一地震事件定位前后位置进行比较,可得到各个地震在E-W、N-S和U-D三个方向的偏差(图5),其平均值分别为0.05 km、0.06 km及0.07 km。误差分析表明：霍山地震经双差重定位后水平和垂直向的定位精度较高,其误差较小。对比三个方向的定位误差,垂直向的偏差最大,这也表明了震源深度的确定在地震定位过程中比较困难。

图4　安徽霍山地区2009—2014年地震经双差定位法重新定位前、后震中分布图Fig.4　　　Map view of epicenter distribution before and after the DD relocation　　　from 2009 to 2014 in Huoshan area,Anhui province

重定位前后地震震源深度的分布情况如图6所示。重定位前有近2%的地震未给出震源深度,重新定位后只有2次地震未给出震源深度；双差定位后,震源深度的分布更加精确,主要分布在4～10 km,占总数的95%,表明霍山地区中小地震在地壳中上部的一定深度范围内呈优势分布现象。

图5　　　震源位置经双差定位法重新定位后的　　　相对误差统计图Fig.5　　　Statistics histogram of the relative errors of　　　hypocentral location after the DD relocation

图6　双差定位法重新定位前、后震源深度分布统计Fig.6　Statistics distribution of focal depth before and after the DD relocation

重定位前后震源深度沿经纬度方向的分布如图7所示。重定位前,由于给出的震源位置参数精度较低,所以图7(a)中呈现出“网格状”的假象分布；重定位后,这种由定位误差引起的假象径直分布得到明显改善,震中分布更加紧凑,丛集性明显。

图7　双差定位法重新定位前后震源深度沿经度、纬度方向的分布Fig.7　Cross-sectional views of seismicity along longitude and latitude before and after the DD relocation

3结论和讨论

采用双差地震定位方法对安徽霍山地区2009年1月1日—2014年6月13日期间发生的2 679个ML≥0地震进行重新定位研究,给出了2 069次地震较高精度的重新定位结果。

双差重定位结果表明,重定位后震源位置精度较高,由定位误差所引起的原震源位置呈现的“网格状”假象分布现象得到明显改善。位于霍山地区佛子岭—诸佛庵一带的小震震群,经重定位后由一个地震丛集呈现出3条NE向分布的地震密集带,与落儿岭—土地岭断裂方向大致一致。经计算得到重定位后E-W、N-S及U-D三方向的相对误差平均值分别为0.05、0.06和0.07 km,精度较高,且对比得到垂直方向误差最大,说明在地震定位中震源深度的确定较困难。

震源深度的分布在重定位后更加精确,在4～9 km处存在明显的优势分布现象,占总数的88%以上。浅源地震十分发育,表明该地区地壳中上部地震波速度较高。近年来许多地震学家对大别山地区进行了人工地震和构造结构的研究[17-20],根据这些研究结果可见,位于大别山的霍山地区浅源地震发育是合理可信的。

同时,双差方法不能对孤立地震定位,需要满足一定条件组成地震对,且定位过程中反演大型矩阵会出现解的稳定性问题,都使得参与重新定位的地震数目在一定程度上减少。因此,利用其他定位方法或结合波形互相关技术联合反演进行对比研究是下一步研究方向。

致谢:感谢中国地震局地球物理研究所房立华老师在本研究过程中的指导和软件支持。

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Precise Relocation of Small Medium Earthquakes in Anhui “Huoshan Seismic Window”

HUANG Xian-liang1,2, YU Jian-fang1,2, QI Hao1,2, ZHANG Bing1,2, XIA Shi-an1, HAN Cheng-cheng1

(1.EarthquakeAdministrationofAnhuiProvince,Hefei230031,Anhui,China；2.MengchengNationalGeophysicalObservatory,Mengcheng233500,Anhui,China)

Abstract：The frequency and intensity of small medium earthquakes in the Luoerling—Zhufoan area,west of Huoshan county,are particularly prominent in Anhui province and its neighboring areas.The earthquakes in this area are characterized as moderately strong and concentrating into a band,with small ones clustering at shallow focal depth and forming a swarm.Based on the above,it is of critical and urgent importance to strengthen earthquake monitoring and improve location accuracy in the region.The double-difference (DD) location algorithm,as a relative positioning method,has unique advantages in improving the accuracy of earthquake location.From January 1,2009 to June 13,2014,2 679 earthquakes of ML≥ 0.0 occurred in the Huoshan area,Anhui province,and we relocated them in this study using the DD method.The average relative errors in the focal depths were 0.05,0.06,and 0.07 km in the E-W,N-S,and U-D directions,respectively,as compared with the original values after relocation.The positioning accuracy of the original source location was greatly increased and the“grid” illusion distribution phenomenon of the original source location,caused by positioning errors,was significantly improved after relocation.The spatial distribution of the epicenters is more compact and concentrated than previously determined.The relocation results show that there are three dense seismic zones distributed along the NE direction,consistent with the direction of the Luoerling—Tudiling fault.The distribution of the focal depths is more precise and there is a predominant depth range from 4 to 9 km that accounts for over 88% of the total.More shallow earthquakes in the Huoshan area indicate that the upper crust may be in a period of higher seismic wave velocity.

Key words：Huoshan area in Anhui province; earthquake activity; double-difference algorithm; focal depth

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0236

中图分类号:P315.61

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)02-0236-07

作者简介：黄显良(1972-)，男，安徽东至人，硕士，高级工程师，主要从事地震活动性研究、数字地震学研究、地震监测管理等工作。E-mail：hxl818@sina.com。

基金项目：地震科技星火计划“电离层观测系统的研制及其在地震预测中的应用研究”(XH15021);测震台网青年骨干培养专项(20140311);测震台网青年骨干培养专项(20140311/20160513);安徽省地震局科研基金青年项目(20150412)

收稿日期:①2015-11-09