利用重复地震研究山东乳山地区地壳介质波速变化*

王　鹏　郑建常　谭毅培

1) 中国济南250102山东省地震局2) 中国天津300201天津市地震局



利用重复地震研究山东乳山地区地壳介质波速变化*

王鹏1),*郑建常1)谭毅培2)

1) 中国济南250102山东省地震局2) 中国天津300201天津市地震局

利用2013年10月—2015年6月山东乳山震群的地震波形资料，基于距离乳山震群最近的3个台站所记录的地震波形互相关系数c≥0.9的地震即为重复地震的原则，识别了乳山震群的重复地震． 利用波形互相关时延法，计算分析了文登台和招远台这两个固定台站的走时差随时间的变化特征． 结果表明： 乳山震群的地震相似性很好，且震中位置较为集中，重复地震的时间跨度较大，有利于提高观测结果的时间分辨率； 乳山震群中3次MS>4.0地震前均出现了短期的走时差低值异常现象，反映了乳山震群震源区在中强震前会出现短期地壳介质速度明显升高的过程，可以为该区域的中强震预测提供一定依据．

波形互相关重复地震乳山震群地壳介质变化

引言

震群是指在小区域内集中发生并且没有明显主震事件的地震序列，是区域构造应力场调整的一种表现方式，也是区域地震活动性和地震危险性分析研究的重要基础资料． 因此，对乳山震群及其附近地区地壳介质变化特征的研究可在一定程度上弥补山东地区有数字波形记录以来中强震资料的不足，也可为环渤海地区潜在强震危险性和地震地质的研究及震情趋势的判断提供有效依据．

山东省乳山地区位于华北克拉通地块东缘，该地区内活动断裂展布方向主要为NE向和ENE向，其中以乳山断裂最为显著(吴小雷等，2009)． 2013年10月以来，乳山地区小震活动一直活跃，出现了密集的震群活动，目前仍在继续． 据山东测震台网测定，乳山震群共发生地震1万多次，其中可定位地震2800多次，ML≥1.0地震1200多次，最大的地震为2015年5月22日乳山MS4.6地震． 乳山震群的持续时间和小震频度是该地区自有仪器记录以来从未出现过的，甚至在山东地区也属历史罕见． 关于乳山震群已有一些研究成果，例如： 王鹏和郑建常(2014)研究了乳山震群所在的胶东半岛东部地区的视应力时空变化特征； 郑建常等(2015)利用CAP(cut and paste)法反演计算了2014年1月7日乳山MS4.3地震的震源机制，并讨论了使用CAP法反演震源机制时的误差估计，展示了反演结果的不确定性分析过程； 曲均浩等(2015)采用双差定位法对乳山地震序列进行了精定位分析，利用CAP法以及P波初动法确定该序列中较大地震的震源机制，并在此基础上初步探讨了乳山地震序列的发震构造．

关于重复地震的研究已经成为目前地震学研究的热点问题之一． 虽然重复地震的概念提出较早(Isacksetal，1967)，但目前对其尚无统一的定义． 通常情况下，重复地震定义为发生在断层同一位置上，具有近乎相似的震级和震源机制解，并且在同一台站上的波形记录高度相似的一组天然地震(Poupinetetal，1984; Nadeauetal，1995)． Schaff和Richards(2004)用波形互相关系数阈值定义了重复地震，将固定台站记录到的波形互相关系数c≥0.8的地震对定义为重复地震． 依据该定义，有些余震的波形同样具有较高的相似性，而Rubin和Gillard(2000)则给出了更为严格的定义，重复地震事件不仅波形上具有很高的相似性，而且破裂面积必须是相互重叠的，这可能是在波形意义上与重复余震的区别．

重复地震在中国大陆地区普遍存在(Li，Richards，2003； Schaff，Richards，2004，2011； Lietal，2007)． 一般认为，可以用断层内凹凸体理论来解释重复地震的发生(Nadeauetal，1995； Nadeau，Johnson，1998； Li，Richards，2003)． 当断层上存在蠕滑物质时，断层面上相互独立的凹凸体在外围压力稳定加载下可能会重复破裂，从而产生重复地震． 大地震的断层破裂尺度较大，原地再次发生破裂的可能性很小，因此重复地震对(组)的震级一般小于M3.0．

目前重复地震的应用范围比较广，主要有两方面. 一方面是利用重复地震研究其本身的特性，例如利用重复地震估算断层深部的滑动速率． 断层滑动速率是度量断层活动水平的重要参数，反映了构造变形的程度，利用断层上重复地震的复发间隔可以近似推断出孕震断层深部的滑动速率(Nadeau，McEvilly，1999； Igarashietal，2003； Lietal，2009)； 此外，诸多研究人员发现强震具有准周期性，而且具有原地复发的特点，因此对强震复发模式的研究可以在中长期尺度上预测未来强震发生的地点(Wallance，1970； Savage，Cockerham，1987； 马瑾，许秀琴，1989； 冉勇康，邓起东，1999； 闻学泽，1999)． 另一方面是利用重复地震激发出的近乎相似的波形信号，以重复地震作为震源来开展地震学研究，例如利用重复地震评估测震台网的定位精度． 蒋长胜等(2005，2008)基于Schaff和Richards(2004)提出的重复地震的定义，以重复地震的误差范围应控制在1 km以内作为依据，评估了测震台网的定位精度，该技术也引起了越来越多的关注，并得以推广应用(李宇彤等，2008)．

此外，由于重复地震对(组)相对于固定地震台站而言，震源位置相近，传播路径也高度一致，因此可以利用重复地震的这一特性来检测介质的波速变化． Poupinet等(1984)利用重复地震研究了1979 年美国加州凯奥特湖(Coyote Lake)MS5.9地震前后震源区附近地壳介质的变化； Roberts(1991)和Roberts等(1992) 在实验室中利用人工重复地震验证了介质中波速的变化和衰减与温度具有很好的相关性； Schaff和Richards(2004)的研究得出重复地震的震源位置和传播路径是近似相同的，地震波之间的差异是由介质变化所造成的结论； 林建民等(2006)利用人工可控震源激发的信号作为“重复地震”，对地下介质的变化进行了重复测量，并通过野外气枪试验分析了人工“重复地震”的应用前景； 周龙泉等(2007)利用伪弯曲射线追踪法消除了震源位置的差异，得到了大姚地区的重复地震，并观测到大姚地震前后该地区地壳介质的变化特征，该方法也被叶秀薇等(2008，2011)、武敏捷等(2011)及张致伟等(2010)应用于广东、河北和四川等地区的地壳介质变化研究中．

本文基于Schaff和Richards(2004)规定的重复地震定义，取乳山震群周围3个台站(RSH，WED，HAY)记录的波形互相关系数c≥0.9的地震为“重复地震”． 在此基础上，采用波形互相关法，利用“重复地震”之间的波形互相关系数最大值所对应的时延值即为两次地震走时差的方法，以第一次“重复地震”为参考地震，计算“重复地震”与参考地震的走时差，即可得到乳山震群相对于某一固定台站的走时差变化，并以此来分析传播路径上的介质变化特征； 再与周龙泉等(2007)利用射线追踪法计算乳山震群得到的结果进行对比，综合分析乳山及附近地区地壳介质随时间的变化特征．

1　资料和方法

山东省数字测震台网共记录到乳山震群2013年10月—2015年6月期间1万多次小震，其中ML≥1.0地震1290次，最大的地震为2015年5月22日MS4.6地震． 乳山震群周围台站比较密集，很好地记录到了乳山震群的波形，为开展相关研究提供了数据基础． 其中离乳山震群最近的3个台站分别为乳山台(RSH)、海阳台(HAY)和文登台(WED)，距离该震群中心分别为14，33和44 km． 本文以乳山震群ML≥1.0地震为研究对象，利用这3个台站记录到的ML≥1.0地震波形进行波形互相关计算，识别重复地震． 同时整理了乳山震群4656次地震(包括单台记录)的观测报告，用于双差法精确定位． 乳山震群地震和台站分布如图1所示．

图1　乳山震群位置及台站分布F1： 乳山断裂； F2： 海阳断裂； F3： 桃村—东陡山断裂； F4： 神道口断裂；F5： 海西头—俚岛断裂； F6： 凤仪店断裂Fig.1　Location of Rushan earthquake swarm (circles) and distribution of seismic stations (triangles)F1： Rushan fault； F2： Haiyang fault； F3： Taocun-Dongdoushan fault； F4： Shendaokou fault； F5： Haixitou-Lidao fault； F6： Fengyidian fault

一组地震往往震源位置相似，破裂面积重合，震源机制解相近，才会在同一台站上记录到相似的地震波形，因此重复地震的识别首先要利用波形互相关技术进行分析，这一方法在识别重复地震的应用上已经成熟． Luo和Schuster(1991)利用该技术测量了观测波形与理论波形的地震波走时差，Marquering等(1999)则利用该技术计算了两个观测波形之间的走时差． 因此通过两个观测波形的互相关计算不仅可以识别重复地震，还可以测量相对走时扰动．

本文对重复地震的识别和走时差的计算所用的波形资料为包含P波和S波在内的部分波段． 利用地震观测报告中的震相到时，选取Pg震相到时前1 s至Sg震相到时后4.5 s的时段为时间窗，进行互相关计算． 波形互相关系数可由下式计算得出(Bath，1974)：

(1)

此外，为了消除环境噪声以及测震仪器平坦频带范围对记录波形的影响，在波形互相关计算前对波形统一进行带通滤波处理． 考虑到乳山震群全是近台记录，因此尝试选用不同的带通滤波范围对指定时段内的重复地震进行滤波试验，然后选取识别率相对较高的滤波范围，之后再进行波形互相关分析． 试验结果表明(图2)，对于1—5 Hz和0.5—5 Hz范围的带通滤波，两次地震的波形互相关系数基本相等，均在0.98以上，重复地震的识别率也基本相同，1—5 Hz滤波范围内重复地震的波形互相关系数相对较高． 如果提高滤波上限，选取1—10 Hz的滤波范围时，可能由于高频噪声成分的加入，降低了波形互相关系数，使得S波段及尾波段的匹配性略差，降低了重复地震的识别率，故最终选定1—5 Hz频带范围进行滤波． 山东东部地区台站采用的是宽频带地震计，采样率为100 Hz，地震计的地动速度频率响应曲线在该滤波频段内为平坦段．

图2　不同频带范围带通滤波计算波形互相关系数c示例图 红色和黑色曲线分别为乳山2013年10月1日ML1.3地震和2013年10月9日ML1.5地震的波形记录Fig.2　Sketch map of waveform cross-correlation coefficient c with band pass filtering for different frequency ranges Red and black curves represent waveforms of the Rushan ML1.3 earthquake on October 1，2013 and the ML1.5 earthquake on October 9，2013，respectively

图3　乳山台(RSH)(a)，海阳台(HAY)(b)和文登台( WED)(c)记录的重复地震波形Fig.3　Waveforms of repeating earthquakes recorded by the three stations RSH (a)，HAY (b) and WED (c)

通过整理乳山台、海阳台和文登台的观测报告和数字波形资料，获得了这3个台站均记录较好的945次ML≥1.0地震的波形资料． 首先对每条地震记录进行1—5 Hz的带通滤波，然后再进行波形互相关计算，选取波形互相关系数c≥0.9的地震为重复地震． 图3给出了一组由3次地震组成的重复地震组． 可以看出，这3次地震的三个分量的重复性均很好。

2　结果分析

通过对乳山震群重复地震的识别可以看出，乳山震群的地震具有很好的相似性，在参与检验的945次地震中，有499次地震达到了3个台站记录的地震波形互相关系数c≥0.9的标准． 图4为重复地震的频次-时间图及频次-震级图． 可以看出，重复地震贯穿于震群的整个发展过程中，其中ML1.5左右震级的重复地震最多，最大的重复地震震级为ML3.3．

图4　乳山震群重复地震的频次-时间图(a)及频次-震级图(b)Fig.4　The frequency versus time and frequency versus magnitude plots for repeating earthquakes of Rushan earthquake swarm

以2013年10月1日12时12分ML1.3地震为参考地震. 为了研究某个台站至乳山震群地震波传播路径上的介质变化，对所有识别出的重复地震与参考地震作波形互相关计算，两个地震事件的波形互相关系数达到最大值的位置所对应的走时偏移即为两次地震的走时差，然后根据走时差的变化分析相对波速的变化，进而分析地壳介质的变化特征．

利用波形互相关技术可以消除地震观测报告中人为的震相读取误差，提高了震相读取精度． 图5a给出了文登台记录的乳山震群的走时差随时间的变化曲线． 文登台距离乳山震群40 km，涵盖了胶东半岛大部分地区，可以分析文登台至乳山震群之间传播路径上的介质变化特征． 取该台站记录到的地震波形互相关系数c≥0.8的重复地震进行分析，满足条件的重复地震相对于参考地震的走时差有一定的起伏变化，所得结果的1倍均方差为0.032 s，部分地震的走时差超过了1倍均方差，尤其是在3次MS>4.0地震前均出现了明显的低值异常，最大走时差的绝对值为0.07 s，远超过1倍均方差． 文登台距离乳山震群较近，且波形互相关系数高，故走时差的绝对值较小，分析时仅比较相对变化．

图5　文登台(WED)(a)和招远台(ZHY)(b)记录的乳山震群重复地震的走时差随时间的变化 灰色虚线为均值m，黑色虚线为一倍均方差1σ, 图6说明同此Fig.5　Temporal variation of travel-time difference for repeating earthquakes of Rushan earthquake swarm recorded by the stations WED (a) and ZHY (b)Gray dashed line represents the mean value m, black dashed lines represent the one time mean square deviation 1σ，the same in Fig.6

对于距离乳山震群130 km的招远台(图5b)，也可以分析该台至乳山震群之间的介质变化特征． 因招远台距离乳山震群较远，地震波形的相似性较差，故取波形互相关系数c≥0.5的重复地震进行分析． 相对于参考地震，乳山震群重复地震的走时差变化较为平稳，仅有几次大的扰动，恰好与MS>4.0地震对应． 3次MS>4.0地震前也出现了低值异常，其中2014年4月4日MS4.2地震和2015年5月22日MS4.6地震前的低值异常尤其明显，异常幅度的绝对值分别为0.74和0.44，而得到的走时差的1倍均方差为0.15 s，异常幅值已远超过1倍均方差，且这些低值异常均是在震前短期内出现的．

3　讨论与结论

中强震前震源区的波速会出现短时快速升高的现象(李金等，2015； 张致伟等，2015)； 周龙泉等(2007)对云南地区的研究结果也显示大姚MS6.2和MS6.1地震前出现过短时的P波走时差低值异常，即波速短时的快速升高现象； 叶秀薇等(2008)从2004年阳江MS4.9地震前部分台站记录也观察到广东阳江地区短期的地壳介质速度明显增大的现象； 张致伟等(2010)同样发现鲜水河断裂带南段中强震前走时差出现短时的低值异常现象． 上述研究多基于震相观测报告，消除了由于重复地震位置不同和读取误差的影响，得到了走时差的变化曲线． 本文也利用相同的方法对乳山地区的介质变化特征进行分析，并与基于波形互相关的结果进行对比讨论．

利用识别出的重复地震的震相报告，消除了由于重复地震位置不同的影响后得到文登台(图6a)和招远台(图6b)P波走时差随时间的变化曲线． 可以看出: 文登台和招远台仅在2015年5月22日MS4.6地震前存在P波走时差的低值异常，且低于1倍均方差，但该特征不是很明显，无法合理区分是震前还是震时的变化； 在震前一个月左右也出现了走时差突跳增大过程，可能是由于随着应力的积累，小震频次增加，地壳产生微破裂，波速降低所致．

图6　文登台(WED)(a)和招远台(ZHY)(b)记录的乳山震群重复地震的P波走时差随时间的变化Fig.6　Temporal variation of P-wave travel-time difference for repeating earthquakes of Rushan earthquake swarm recorded by the stations WED (a) and ZHY (b)

通过对比可以看出，乳山地区中强震前均存在走时差低值异常，只是利用波形互相关技术得到的走时差精度更高，所反映的异常特征更为明显，且加入了互相关系数的控制，可以通过调节相关系数，将波形相似的重复地震的更微小变化反映出来．

本文基于波形互相关技术以及乳山台、海阳台和文登台记录的波形互相关系数c≥0.9即为重复地震的原则，利用2013年10月—2015年6月乳山震群的重复地震，通过文登台和招远台记录到的重复地震的走时差变化研究了乳山及其附近地区地壳介质的变化特征. 结果表明，乳山震群的地震相似性很好，且震中位置较为集中，有利于提高走时差的精度和减小走时差所反映的介质变化误差. 另外，通过文登台和招远台的走时差随时间的变化曲线可以看出，乳山震群3次MS>4.0地震震前短期内均出现了明显的走时差低值异常，反映了乳山震群震源区波速在中强震前出现了快速增大的现象． 该现象可以用震源硬化模型加以解释(陈立德，1998，2000)，即中强震前震源区介质围压增大，震源区域的岩石强度随之增大，介质出现硬化变“坚固”，导致波速升高; 随后孕震区随着应力的积累，地壳产生微小破裂而引发小震，随之波速降低; 之后由于小震应力的触发而产生较大的地震，直观上看就是在波速由高到低的过程中，即走时差从低值升高的过程中发生地震． 这一特征可以用于胶东半岛地区中强震的跟踪监视，为中强震的预测提供依据．

本文所采用的基于波形互相关技术计算走时扰动的方法，相对于基于震相报告的计算方法而言，其计算原理比较简单且精度得到极大提高，但对重复地震的要求较高，因此具有一定的局限性．

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Variation of crustal seismic velocity in Rushan region of Shandong Province by using repeating earthquakes

Wang Peng1),*Zheng Jianchang1)Tan Yipei2)

1)EarthquakeAdministrationofShandongProvince，Ji’nan250102，China2)EarthquakeAdministrationofTianjinMunicipality，Tianjin300201，China

In order to explore characteristics of the crustal media variation in Rushan region of Shandong Province, we utilize seismic waveform data of Rushan swarm from October 2013 to June 2015. Based on the principle that the earthquakes recorded by three nearest stations with cross-correlation coefficientc≥0.9 is repeating earthquakes, we firstly identified repeating earthquakes of Rushan earthquake swarm. Secondly，by using the waveform cross-correlation delay method，the position of a double repeat earthquake waveform cross-correlation function reaching the maximum is the travel-time difference. We calculated and analyzed the variation of travel-time difference with time around the stations WED and ZHY. The results show that the waveform similarity of Rushan earthquake swarm is good, and the epicentral locations are concentrated，repeating earthquakes have larger time span, which will improve the time resolution of observations. The short-term low travel-time difference abnormal phenomena appeared before three Rushan earthquakes withMS>4.0, reflecting that epicenter area of Rushan earthquake swarm always appears the process that velocity of crustal media increases significantly in short-time before moderate and strong earthquakes, that have some indication significance for prediction of moderate and strong earthquakes in this region.

waveform cross-correlation; repeating earthquakes; Rushan earthquake swarm; crustal media variation

山东省地震局重点青年基金项目(JJ1607Y)、地震科技星火计划(XH15026)和中国地震局震情跟踪课题(2016010112)联合资助.

2015-09-28收到初稿，2016-01-22决定采用修改稿.

e-mail: wangpengeq@163.com

10.11939/jass.2016.05.007

P315.3+1

A

王鹏，郑建常，谭毅培. 2016. 利用重复地震研究山东乳山地区地壳介质波速变化. 地震学报, 38(5): 728--738. doi:10.11939/jass.2016.05.007.

Wang P, Zheng J C, Tan Y P. 2016. Variation of crustal seismic velocity in Rushan region of Shandong Province by using repeating earthquakes.ActaSeismologicaSinica, 38(5): 728--738. doi:10.11939/jass.2016.05.007.