辽宁海城及其邻区地震活动性研究

刘 财，郑 确，田 有，柳云龙，冯 晅

吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

辽宁海城及其邻区地震活动性研究

刘 财，郑 确，田 有，柳云龙，冯 晅

吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

由于受到台站分布不理想、速度结构研究不准确以及震相拾取误差等因素的影响，常规地震定位结果精度较低。因此，研究收集了辽宁省地震台网的地震目录及震相数据，采用双差地震定位方法，对海城及其附近地区（39°N—43°N，120°E—126°E）20a的1 400多次地震进行重新定位。与原始定位结果相比，双差定位结果表明：1）震中更加呈条带状集中，尤其在40.5°N—41.0°N，122.0°E—123.0°E区间，与该地区的海城河—大洋河断裂带走向相一致；2）该地区地震多发生于地下5～20km，与该区中地壳存在的低速高导层相对应；3）深度剖面图显示，大部分地震沿垂直向下柱状分布，原因是该处有粉碎性破裂带，从地下25km处延伸到近地表。双差定位算法使得定位后均方根残差的平均值由0.74s下降到0.26s。辽宁地区的地震震级与发生地震数量有关，地震数量陡然增多，大地震发生概率增大。

双差定位方法；断裂；地震预测；辽宁海城

0 前言

地震定位是地震预报、获得地球内部地质构造的基础，精确的地震定位对于震前应急、震后减灾工作至关重要。研究地震定位方法和提高定位精确度是地震科学中最重要的课题。辽宁省大部分地区（图1）位于中朝准地台，喜马拉雅运动形成了辽宁境内东、西部大型隆起和中部凹陷的构造格局［1］。该地区有很多断裂：北东—北东东向断裂以张扭性右旋正走滑活动为主，规模较大，多期活动，往往控制构造演化和地貌形态，如郯庐断裂辽东湾—下辽河段；北西向断裂行迹显示以压扭性左旋走滑活动为主，规模较小，多呈隐伏状态，但活动时代较新，往往构成断续展布的活动构造带，如海城河—大洋河断裂带［2］，是海城7.3级地震的发震构造。

图1 研究区域及台站分布图Fig.1 Map showing locations of seismic stations in the study area

海城市坐落于辽宁省辽东半岛东南部，位于辽河下游，地质构造属于辽东地块与下辽河断陷，东侧上升，西侧阶梯状下降，区内新构造运动强烈，表现为明显的间歇性抬升运动［1］。因此，海城市存在多种构造行迹，地质构造较为复杂，各种断裂和褶皱构造发育。海城市地壳区域稳定性较差，整个地区地震频发，1975、1999、2000年分别发生过MS4.0、7.3、5.4、5.1级地震，最大的一次海城地震（1975年，MS7.3级）发生在北北东、西北西向2组构造交汇的部位［3］。1970年1月—2008年4月共发生ML＞1.0级地震18 400多次，震源分布与海城河—大洋河断裂带走向一致，形成密集的北西西向地震活动条带。因此，该地区震源的精确位置以及对地震的空间分布和变化的分析，是进一步研究该地区地震活动性的基础，对以后的震前预测、预警工作意义重大。

笔 者 利 用 双 差 地 震 定 位 方 法［4－5］，对 1981—2001年在海城及其附近发生的震级大于ML2.0的1 400多个地震进行重新定位（2002—2003年数据缺失），比较重新定位前后的震源位置分布特征变化，分析该区地震成因与地下构造的关系。

1 原理

双差地震定位算法（double-difference location algorithm）是2000年 Waldhauser和Ellsworth提出的一种相对定位算法［6－8］。该算法中，当2个震源之间的距离小于其到台站的距离以及速度结构不均匀体的尺度时，认为这2个地震到同一个台站的路径几乎相同，将这2个震源分为一对，通过计算地震对到同一个台站的走时差，消除速度模型不准确导致的误差，从而获得较高精度的震源空间分布位置。目前该方法已经被国内外地震学家广泛应用到地震定位研究中［9－14］。

如图2所示，两震源i，j到同一台站k的理论走时与实际走时差分别为

其中，为2个震源的走时差的差。公式（3）被称为双差方程。在理论走时差中，已经将共同的速度模型差异减掉了。将式（3）用泰勒公式展开为

式中：x，y，z是震源东西、南北和垂直方向的坐标；t为走时；（Δxi，Δyi，Δzi，Δti）为震源i的震源参数（xi，yi，zi，ti）的扰动量。

图2 双差定位原理简图Fig.2 Sketch of double-difference location theory

通过限制所有震源的平均偏移量和为0，将所有台站所有事件的方程联立为方程组，用奇异值分解法或共轭梯度法解方程组得出每一个震源的位置。

2 数据与参数选择

笔者选用国家地震科学数据共享中心（CEDC）1981—2001年震中分布在39°N—42.5°N，120°E—124.5°E范围内，震级大于ML2.4的P波和S波到时数据。设置地震对之间最大距离为10km，选择距离台站500km范围内的地震［15］，接收到这些地震的台站有53个，台站分布范围为39°N—43°N，120°E—126°E（图1），震中位置基本都在台网包围的范围内，接收的地震为1 431个。地震震中及震级分布如图3与图4所示。

图3 震中分布图Fig.3 Distribution of epicenter

图4 震级分布直方图Fig.4 Statistics of magnitude

由图4可知，地震发生频率较高的震级为ML2.4～3.0，部分地震震级达到ML5.0以上。采用双差定位法对接收到的地震进行精确定位。定位时采用的是水平层状速度模型［16－18］（图5）。参与最终反演的P波震相为37 275个，S波震相为37 205个。P波震相数与S波震相数利用率为1.0∶0.9。由于读取到时的S波精度比P波低，因此设定P波震相权值为1.0，而S波权值为0.5。定位过程中，采用共轭梯度法，进行阻尼最小二乘求解。双差算法在预处理时舍弃不满足配对条件的事件，比如事件之间的距离超出限制范围，或者到共同台站的震相数少于设定值；因此，预处理后剩余1 104个地震事件。而在运算的迭代过程中又会将联系不紧密的事件排除，所以实际重新定位的地震数为1 040个。

图5 一维速度模型（据文献［16-18］）Fig.5 1-D velocity model（after references［16-18］）

3 定位结果

3.1 地震分布特征

图6 双差方法重定位前（a）后（b）震中分布Fig.6 Epicenter distribution of location（a）and relocation results（b）by the double-difference method

图6a是参与重定位的地震震中分布，与图3相比，部分较为分散的地震已经被舍弃。同时可以看出，辽宁地区的地震主要集中在海城河—大洋河断裂带上，总体分布呈西北西方向。图6b是同一事件利用双差算法重定位后的震中分布。重定位前后的震中分布有比较明显的变化。重定位后震中位置汇聚呈现清晰的条带状分布和点状分布，更加沿发震构造两侧收敛，与区域构造关系更加紧密。在122°E—124°E之间排列长约270km的西北方向的断裂 带，尤 其 在 40.5°N—40.8°N、122.4°E—123.1°E范围内，震源沿 NW290°排列，与已有的资料海城河—大洋河断裂带［8］走向一致。在124°E与42°N附近，即浑河断裂，也多次发生小震群活动，多与煤矿开采采空区诱发矿震有关。

3.2 震源深度分布特征

在重新定位中，双差算法可以改善地震之间的相对位置，对震源深度提供更有效的约束。图7是重定位前后的深度剖面图。由图7可知，双差定位后的震源深度方向具有近垂直分布的特征，呈现狭窄的垂向断裂，震源在深度0～25km成簇分布，更多集中在8～17km。

从图7b中可以看出：重定位后依然有大量的震源是无序的，表明该震源区存在变形的破碎带；也存在小范围连续的近乎无震区域；在123.9°E—124.2°E之间，大量地震呈垂直状排列（图7b中画圈位置）。

为了更直观地看出重定位前后的深度变化，本研究给出重定位前后地震震源的深度分布直方图（图8）。定位后，更多的地震分布在中地壳（深度15～23km）上部。这样的分布特征比较合理，因为海城震区位于辽宁南部上地幔隆起东部斜坡带上的一个局部凸起东侧。地壳可分为3层，即上地壳、中地壳和下地壳，中地壳上部存在明显的低速高导层，厚度4～5km［19］。低速高导层是比较软的层位，具有转移地壳内应力的作用。当地壳受区域构造应力作用时，该层容易发生蠕变，将应力传递给上部脆性地壳并在中、上地壳积累应力。因此，该研究区地震易发生在低速高导层之上［9－10］，推断辽宁地区地震活动的下界面在20～25km之间。

图7 重定位前（a）后（b）震源深度剖面Fig.7 Depth profile of seismic location（a）and relocation results（b）

图8 重定位前（a）后（b）震源深度分布直方图Fig.8 Statistics of focal depth（a）and relocation results（b）

3.3 海城震区地震沿断裂带纵向剖面特征

从地震的平面分布图（图6）可以看出，震源分布集中在2个断裂带上。在此基础上，为了更清楚地分析断裂处震源在深度上的分布特征，本研究分别在震源最集中的2条断裂带——北西—南东向海城河—大洋河断裂带（AB方向）和北西方向海城营口断裂带（CD方向），获得沿2个断裂带的震源重定位前后的分布（图9）。

沿海城河—大洋河断裂带方向的地震数量众多，在7～15km深度处走势与断裂带趋势一致，分布于海城地震上方，认为海城地震对地下结构产生向上发散状影响；但是沿该断裂带的地震具有横向不均匀性，自东向西方向地震数量减小；沿海城营口断裂带方向的震源只在2个断裂带交汇处密集，大部分震源的分布体现了构造近垂直分布的特征。1975年海城MS7.3级地震和1999年海城—岫岩地区的MS5.4级地震都发生在海城河—大洋河断裂带上，从它们的震源机制看，地壳深部的北西西向断裂仍在活动［1－2］。2次地震都是发生在中国东北—华北地区近ENE—WSW向、几乎水平的压应力场作用下产生的断裂［19－21］。

3.4 地震数量与震级随时间的趋势

沿海城河—大洋河断裂地震数量随时间的走势如图10a所示。可以看出，近些年来该断层的地震数量整体在增加。震级大小与当年发生地震数量的相关系数为

图9 震中重定位前（a，b）后（c，d）沿断裂方向横截面图Fig.9 Location（a，b）and relocation（c，d）of epicenter along the faults

其中：xi和yi分别是2个事件的第i个样本值；n为样本数量。由式（5）计算得，震级大小与当年发生地震数量的相关系数为0.53，为显著性相关。震级走势图（图10b）表明，在小震级地震发生一定数量后就会发生大地震，大地震发生后又会恢复小震频发状态，在1999年大地震之后有一段平稳期，为后来的地震发生储存能量。

震级走势符合这样一个特点：海城，包括鞍山附近、辽宁中部等地区的地震，在强震发生之前，往往会出现十分密集的小震级地震群。当小震又突然停止的时候，往往发生强震。在小震频繁发生的时候，大地震发生的概率将会增大，可以起到预警作用［22］。从国家地震科学数据共享中心查到2006－2013年间的地震数据，走势图（图11）基本符合以上规律。

4 讨论与结论

双差定位法消除了2个震源至同一个台站的传播路径效应，震源之间相对位置的误差主要来源于它们之间较短距离上的介质不均匀性，这个误差要比单一震源定位中由震源区到地震台站之间较长距离上的介质不均匀性引起的误差小得多。因此，由双差地震定位法所确定的震源相对位置比常规地震定位方法中的结果更加精确［23－24］。根据地震之间的相对位置关系，可以判断地下断裂走势，对于过去的结论起到验证作用，也对预测未来地震发生有一定的帮助。双差定位算法不需要主事件［8］，适用于本研究的空间跨度比较大的地震丛集定位。

图10 1981—2005年地震数与震级随时间的走势图Fig.10 Graph of earthquakes with magnitude over time between the year of 1981-2005

图11 2006—2013年地震数与震级随时间的走势Fig.11 Graph of earthquakes with magnitude over time between the year of 2006-2013

利用双差定位方法对1981—2001年海城附近地区的1 400多个地震进行了重新定位，得到了满足条件的1 040个地震的震源位置，精度总体上较重定位前有很大的提高，使得重定位后的均方根残差的平均值由0.74s下降到0.26s。重定位后的震源整体在空间分布上更加集中，震中呈现更加明显的条带状分布特征，与地质构造上断裂的走向及分布一致；还有较多的震源成簇状出现在多条断裂的交汇位置。地震深度分布的特点说明海城营口周边地区的地震主要发生在中、上地壳，深度分布约在地下5～25km，而尤以5～15km为主，占总数的83%，反映了地震活动与地质构造之间的关系。这对于确定该地区地壳内发震层的厚度，确定活动地块的下部边界，阐明地震的成因和机制以及地震危险性分析提供了重要的约束条件。

辽宁省地震局提供了地震波走时数据，CLEG研究组全体老师和同学提供了帮助。在此一并致谢。

（References）：

［1］雷清清，廖旭，董晓燕.辽宁省地震构造研究［J］.东北地震研究，2008，24（4）：1-10.

Lei Qingqing，Liao Xu，Dong Xiaoyan.Seismotectonic Study on Liaoning Province ［J］. Seismological Research of Northeast China，2008，24（4）：1-10.

［2］高常波，钟以章.1999年辽宁海城—岫岩5.6级地震的地质构造背景和发震构造［J］.地震地质，2000，22（4）：405-412.

Gao Changbo，Zhong Yizhang，Geological Background and Seismogenic Fault of the Haicheng-XiuyanM5.6 Earthquake of November 29，1999［J］.Seismology and geology，2000，22（4）：405-412.

［3］顾浩鼎，陈运泰，高祥林，等.1975年2月4日辽宁省海城地震的震源机制［J］.地球物理学报，1976，19（4）：270-285.

Gu Haoding，Chen Yuntai，Gao Xianglin，et al.Focal Mechanism of Haicheng Liaoning Province，Earthquake of February 4，1975［J］.Chinese Journal of Geophysics 1976，19（4）：270-285.

［4］Waldhauser F，Ellsworth W L.Fault Structure and Mechanics of the Hayward Fault，California，from Double-Difference Earthquake Locations［J］.Journal of Geophysical Research，2002，107：2054-2070.

［5］Waldhauser F，Ellsworth W L.A Double-Difference Earthquake Location Algorithm：Method and Application to the Northern Hayward Fault，Califomia［J］.Bull Seism Soc Am，2000，90（6）：1353-1368.

［6］姚运生，李井冈，廉超，等.双差地震定位程序的改进［J］.大地测量与地球动力学，2007，27（3）：76-79.

Yao Yunsheng，Li Jinggang，Lian Chao，et al.Improvement of Relocation Program Based on Double-Difference（DD）Algorithm［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，27（3）：76-79.

［7］田玥，陈晓非.地震定位研究综述［J］.地球物理学进展，2002，17（1）：147-155.

Tian Yue，Chen Xiaofei.Review of Seismic Location Study［J］.Progress in Geophysics，2002，17（1）：147-155.

［8］郑钰，杨建思.双差算法的剖析及参数对定位的影响［J］.地震地磁观测与研究，2008，29（3）：85-93.

Zheng Yu，Yang Jiansi.Analysis of Double-Difference Algorithm and the Affect of Its Parameter in Location［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2008，29（3）：85-93.

［9］黄媛，杨建思，张天中.2003年新疆巴楚伽师地震序列的双差法重新定位研究［J］.地球物理学报，2006，49（1）：162-169.

Huang Yuan， Yang Jiansi， Zhang Tianzhong.Relocation of the Bachu-Jiashi Xinjiang Earthquake Sequence in 2003using the Double-Difference Location Algorithm［J］.2006，49（1）：162-169.

［10］罗文行，胡祥云，李德威，等.南北地震带南段震源空间分布特征及其构造意义［J］.吉林大学学报：地球科学版，2012，42（6）：1944-1959.

Luo wenxing， Hu xiangyun，Li dewei，et al.Hypocentres Spatial Distribution and Its Tectonic Sinificance in Southern Section of the North-South Seismic Belt，China［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2012，42（6）：1944-1959.

［11］刘劲松，Chun K Y，Enderson G A，等.双差定位法在地震丛集精确定位中的应用［J］.地球物理学进展，2007，22（1）：137-141.

Liu Jinsong，Chun K Y，Hnderson G A，et al.Relocation of Earthquake Clusters Using the Double Difference Technique［J］.Progress in Geophysics，2007，22（1）：137-141.

［12］莘海亮，刘明军，张元生，等.甘东南地区地震重新定位研究［J］.地震研究，2010，33（3）：292-299.

Shen Hailiang，Liu Mingjun，Zhang Yuansheng，et al.Relocation of the Earthquakes in the Southeast Area of Gansu［J］.Seismic Research，2010，33（3）：292-299.

［13］杨智娴，陈运泰，张宏志.张北—尚义地震序列的重新定位［J］.地震地磁观测与研究，1999，20（6）：6-9.

Yang Zhixian， Chen Yuntai， Zhang Hongzhi.Relocation of the Zhangbei-Shangyi Earthquake［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，1999，20（6）：6-9.

［14］杨智娴，陈运泰，郑月军，等.双差地震定位算法在我国中西部地区地震精确定位中的应用［J］.中国科学：D辑，2003，33（增刊）：129-134.

Yang Zhixian，Chen Yuntai，Zheng Yuejun，et al.The Accurate Application of Double-Difference Algorithm in the Central and Western Regions in Our Country［J］.Science China：Series D，2003，33（Sup.）：129-134.

［15］赵云峰.双差地震定位法及其应用研究［D］.西安：长安大学，2011：19-36.

Zhang Yunfeng. Double-Difference Earthquake Location and Its Application［D］.Xi’an：Changan University，2011：19-36.

［16］潘科，蒋秀琴，卢造勋，等.辽宁及邻区地壳上地幔三维速度的地震层析成像［J］.地震地磁观测与研究，2001，22（2）：92-98.

Pan Ke，Jiang Xiuqin，Lu Zaoxun，et al.Three Dimension Velocity Image of the Crust and Upper Mantle in Liaoning and Its Neighbor Regions［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2001，22（2）：92-98.

［17］廖旭，赵伯明，黄河，等.沈阳地区地下速度结构模型建立及优化［J］.世界地震工程，2008，24（4）：64-69.

Liao Xu， Zhao Boming， Huang He， et al.Establishment and Optimization of Underground Velocity Structure Model in Shenyang Area［J］.World Earthquake Engineering，2008，24（4）：64-69.

［18］冯晅，迟唤昭，刘财，等.长白山及邻区地壳、上地幔顶部三维速度结构［J］.吉林大学学报：地球科学版，2013，43（3）：983-992.

Feng Xuan，Chi huanzhao，Liu Cai，et al.Three-Dimension Velocity Structure of the Crust and Upper Mantle in Changbai Mountain and Its Adjacent Area［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2013，43（3）：983-992.

［19］雷清清，廖旭，董晓燕，等.辽宁省主要活动断层与地震活动特征分析［J］.震灾防御技术，2008，3（2）：111-125.

Lei Qingqing，Liao Xu，Dong Xiaoyan，et al.Main Active Faults and Their Seismic Activities in Liaoning Province［J］.Technology for Earthquake Disaster Prevention，2008，3（2）：111-125.

［20］刘国栋，史书林，王宝钧.华北地区壳内高导层及其与地壳构造活动性的关系［J］.中国科学：B辑，1984（9）：839-848.

Liu Guodong，Shi Shulin， Wang Baojun. The Relationship Between High Conductivity Layer and Its Tectonic Activity in North China［J］.Science China：Series B，1984（9）：839-848.

［21］杨智娴，Brian W Stump，陈运泰，等.1999年海城—岫山地震序列的精准定位［J］.地震学报，2011，33（3）：271-278.

Yang Zhixian，Brian W Stump，Chen Yuntai，et al.Precise and Accurate Location of the 1999Haicheng－Xiushan Earthquake Sequence［J］.Acta Seismologica Sinica，2011，33（3）：271-278.

［22］Kagan Y Y，Jackson D D.High-Resolution Time-Independent Gird-Based Forecast forM≥ 5 Earthquakes in California［J］.Seismological Research Letters，2007，78（1）：78-86.

［23］赵博，高原，石玉涛.用双差定位结果分析华北地区的地震活动［J］.地震，2013，33（1）：12-21.

Zhao Bo，Gao Yuan，Shi Yutao.Relocation of Small Earthquakes in North China Using Double Difference Algorithm［J］.Earthquake，2013，33（1）：12-21.

［24］苏金蓉，郑钰，杨建思，等.2013年4月20日四川庐山M7.0级地震与余震精确定位及发震构造初探［J］.地球物理学报，2013，56（8）：2636-2644.

Su Jinrong，Zheng Yu，Yang Jiansi，et al.Accurate Location of the Lushan，SichuanM7.0earthquake on April 2013and Its Aftershocks and Analysis of the Seismogenic Structure ［J］. Chinese Journal of Geophysics，2013，56（8）：2636-2644.

Study on the Activity of the Earthquakes of Haicheng Region in Liaoning Province

Liu Cai，Zheng Que，Tian You，Liu Yunlong，Feng Xuan

CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology，JilinUniversity，Changchun130026，China

Limited by the distribution of stations，velocity structures and the uncertainty of picking arrivals，the precision for the relocation of earthquakes is usually not sufficient.We collected the data of arrival times recorded by the seismic networks and then used the double-difference method to relocate 1 400earthquakes occurred in Haicheng region（39°N-43°N，120°E-126°E）in the last 20years.Comparing to the original results of the earthquake locations，the results obtained by the double-difference method in this study indicate that：1）The earthquake distributions become more convergent，especially in the region between 40.5°N and 41.0°N and between 122.0°E and 123.0°E，and more consistent with the trend of the fault along the Haicheng-Dayang River；2）Most of earthquakes occurred in the depth from 5to 24km，because there exists a low-velocity and high-conductivity zone in the crust；3）From the cross sections，many earthquakes distribute as a shape of columnar along the depth because there exists a comminuted fracture zone which extending from the surface to the depth of 25km.The root-meansquare travel-time residual reduces from 0.74sto 0.26safter the relocation using the double-difference method.The study also indicates that the magnitude is related to the number of earthquakes in this region.If the number of earthquakes increases abruptly，the probability for the occurrence of a large earthquake increases as well.

double-difference relocation method；fault；earthquake prediction；Haicheng，Liaoning Province

10.13278/j.cnki.jjuese.201404303

P631.4

A

刘财，郑确，田有，等.辽宁海城及其邻区地震活动性研究.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1348-1356.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404303.

Liu Cai，Zheng Que，Tian You，et al.Study on the Activity of the Earthquakes of Haicheng Region in Liaoning Province.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1348-1356.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404303.

2013-07-01

国家自然科学基金项目（41174068，41174080）；国家“973”计划项目（2009CB219301）

刘财（1963—，男，教授，博士，博士生导师，主要从事复杂地震波场的正反演技术研究，E-mail：liucai＠jlu.edu.cn

田有（1979—，男，副教授，博士，主要从事地球内部介质属性成像及动力学研究工作，E-mail：tianyou＠jlu.edu.cn。

book=1355,ebook=275