双差定位法在小湾水库库区地震精确定位中的应用

高 洋，闵照旭，叶建庆，何家斌

（云南省地震局，云南 昆明 650224）

双差定位法在小湾水库库区地震精确定位中的应用

高 洋，闵照旭，叶建庆，何家斌

（云南省地震局，云南 昆明 650224）

利用双差定位法对小湾水库库区的16个地震台 2011 年至 2012 年的地震目录资料进行重新定位，得到了更精确的震源参数。定位结果显示了小湾水库库区地震震源分布的更加精细的图像；揭示出该地区地震活动与活动构造的密切关系;并对原始目录和重定位后的结果进行比较。应用结果表明, 震源相对位置精度有了明显提高,更加清晰地反映出活动构造图像。

双差地震定位法；小湾水库库区；地震重定位

0 引言

位于澜沧江中游河段的小湾水电站，是澜沧江中下游水电规划“两库八级”中的第二级，上游为功果桥水电站，下游为漫湾水电站。小湾水库总库容约150亿立方米，有效库容近98亿立方米。坝高294.5米，是目前世界最高拱坝。水库于2002年1月20日工程开工，2004年10月25日实现大江截流，2009年9月25日首台机组正式投产开始发电。2008年12月16日导流洞下闸开始初期蓄水，2012年10月蓄水到达最高水位1240m。蓄水期间，水位渐进上升，水位无突升或突降现象。2012年10月到达最高水位后，随着丰水期及枯水期的变化，水位在一定范围内有小幅波动，无剧烈变化。

小湾地区地震基本烈度为Ⅷ度。小湾水电站是在高烈度区建设的高坝大库容的大型水利水电工程，其地震的安全性显得尤为重要。为了更好地为水库地震预测预警服务，建成了小湾水库数字化地震监测台网。台网分两期建成，由十六个子台组成。一期十一个子台于2005年5月建设完成并投入观测；二期五个子台于2009年7月建设完成并投入观测。其中，青华台和昌宁台为长周期记录。图1为小湾水库数字化地震监测台网示意图。

为了对小湾水库库区地震活动性进行更加深入的研究，精确的地震定位是必不可少的。双差地震定位法因其不受空间范围及台站校正等因素的影响，极大程度的提高了数据的精确度，近年来在相关研究领域得到了广泛的应用。本文尝试运用双差地震定位法对小湾水库库区2011至2012年间ML≥1.0的地震进行重新定位。

1 研究方法

双差地震定位法是一种相对地震定位方法,它是在主事件地震定位法基础上发展起来的,改进了主事件地震定位法的缺点。作为相对地震定位方法的主事件地震定位法和双差地震定位法都消除了地震传播到台站时共同路径的影响,因而提高了地震定位的精度。本方法不要求有主事件, 因此适用于比主事件地震定位法空间跨度大的地震群体。杨智娴等及李志海等[1-2]，将此方法应用于中国中西部地区及北天山地的地震精确定位，取得了良好的结果。

双差地震定位法原理如下：

地震事件i到地震台站k的到时，根据射线理论可表示为：

式中，iτ为事件 i的发震时刻，u为慢度场，ds为积分微元。

将（1）式作泰勒展开得：

然而，作为结论，公式（2）无法直接使用。通过对两个事件的（2）式做差得到如下方程：

式中，x，y，z为震源东西、南北和垂直方向的坐标，τ为发震时刻。公式（4）被定义为双差，即两个地震i和j到台站k的观测走时差和理论计算走时差之差。双差可以使用通过读取震相到时差（绝对走时），也可以是互相关相对走时差。对地震到时t求震源参数的偏导数，联立双差就可确定两个事件i和j的相对位置。

将各台站的所有地震对形成的方程（5）联立得到如下的线性方程组：

式中，G是一个包含偏导数M×4N的偏微商矩阵，M是双差的观测数，N是地震数；d是包含双差的资料矢量；W是对每个方程加权的对角线矩阵；m是由待定的震源参数改变量，构成的维数为4N的矢量。

2 区域活动构造特点

本文研究的小湾水库库区为98.5o～101.4oE，24.0o～26.1oN范围内的区域。小湾水库主要的水库区有两个: 其一为澜沧江主干河库区, 坝前库水水位为1240m , 库尾水位1276m , 库区长17916km;其二为黑惠江库区, 库尾在徐村电站附近, 库尾水位是1252m, 库区长125km。在小湾库区通过的主要活动断裂有澜沧江断裂带、无量山断裂带及南汀河断裂带。其中澜沧江断裂带和无量山断裂带均是第四纪活动断裂，如图2所示。澜沧江断裂带纵贯近180km长的澜沧江主干河库区，是纵贯小湾电站主要构造。从小湾库区通过的澜沧江断裂从走向上可分为两段: 在小湾坝址附近为近东西走向段; 坝址西永新以北至功果桥,为北西走向段。主断裂旁侧发育2～3 条平行断裂, 共同构成澜沧江断裂带。澜沧江断裂具压扭性质, 以挤压逆冲为主,破碎强烈, 错动、变质现象极为普遍, 破碎带宽50～150m。断裂倾向变化较大, 总体西倾, 倾角70o～80o。断裂两侧发育有一系列规模不大的北东向张性断层。无量山断裂带其北段在牛街一带穿过了黑惠江库区，总体走向为北北西—南南东。无量山断裂带北起无量山北麓, 向南东经镇源、普洱、漫汤, 顺营盘山入老挝, 总体走向北北西—南南东, 省内长220km 以上[2]。

3 数据及资料

小湾电站水库诱发地震监测台网共有16个地震观测台站，所有台站均安装了数字化三分向数据采集器, 采样频率100Hz。下表为小湾台网各子台参数。

本文选取了小湾台网2011年1月至2012年12月间记录到的ML≥1.0，且记录台站ML≥5个的地震事件，总计4445个。共处理震相41111个，处理 P波震相30425条，S波震相10686条，经双差定位法重新定位后，得到了3459个地震的精确定位结果。在定位过程中, 由于定位的地震个数比较多,选用双差算法的中的共轭梯度法。由于P波到时精度较Sg 波到时精度高，设P 波权值为1 、S 波权值为0. 5 进行计算。

表1 小湾台网台站主要参数

重定位时, 使用的分层速度模型参考了胡鸿翔等[1]和张中杰等[7]的人工地震测深结果. 模型共分4 层, 每层的顶界面深度分别是0 、1 、14、18 km , 对应的层速度分别为5.0、6.1、6.4、6.6km/ s，根据附近台站的接收函数h-k 扫描结果, 波速比设定为1.76。

4 重定位结果及分析

通过双差定位法对所选地震进行了计算，我们得到了库区地震事件的重定位结果。重新定位后，获得了3459次地震的基本参数，精定位后结果残差都比较小，主要分布在0.01～0.04之间，最大残差是0.044。均方根残差的平均值由0.17s降为 0.01s。震源位置的测定误差（2倍标准偏差）在EW方向平均为0.68km，在NS方向平均为 0.88km ， 在垂直方向平均为1.16 km。我们将重定位结果与水库台网原定位结果进行了对比，分析了重定位前后地震震中分布、震源深度分布的变化，并对库区的地震活动情况进行了研究探讨。

4.1重定位前后地震分布对比

对比重定位前后的震中分布图可见图3，地震分布格局有一定的变化。重定位前，1.0≤ML＜2.0的小震由于台网台站间距过大以及常规定位方法所给出的震中位置精度不够，具有分布离散化、网格化的特点，无法真实体现地震震源空间分布图像的特征，如图3（a）所示。重定位后1.0＜ML≤2.0的小震具有明显的收敛性，有向构造带趋近的变化，从图3（b）可以看出澜沧江断裂及南汀河断裂附近的小震更为集中，地震分布与断裂带的吻合程度更为提高。而ML≥2.0的地震重定位前后，空间位置总体分布格局变化不大，但也有向构造带趋近的变化，这一特征说明库区地震活动主要受区域内活动构造的影响。

重定位结果初步表明，对于小湾库区ML≥2.0的地震，小湾水库数字化地震监测台网在小湾库区台网分布是合理的，定位结果是较为可靠的。同时也为地震活动图像的深入分析提供了新的资料基础。而对于1.0≤ML＜2.0的地震，双差地震定位法给出了地震震中分布的更加清晰、准确的结果。

4.2重定位前后震源深度沿经度及纬度方向分布对比

图4为重新定位前、后地震的震源深度沿经度方向变化的剖面图。由此图可直观的看出，重定位前后的震源深度分布有较大的差异。如图4（a）所示为地震目录深度结果沿经度方向的分布情况，重定位前的震源深度呈有规律的网格状、线状分布，说明原定位方法对震源深度的测定精度较低，无法体现真实的震源深度分布状况。重定位后的震源深度范围为0～40 km，地震震源深度主要分布在5～15 km 这个优势深度范围内，且在10～15km附近有明显的分层，证实了研究区域的地震活动主要集中于上地壳范围，这一特征与云南地区地震活动主要为浅源地震的震源深度特征相一致。在下地壳范围存在少量地震活动, 位于下地壳的地震活动呈现由东向西逐渐增加的趋势，说明研究区域内有部分活动构造深入到下地壳范围，这些活动构造主要集中于研究区域的西部地区。

从图4（b）中可以看出沿东经98.7o、99.2o、100.0o有三条明显的震源深度较深的地震活动带。这三条地震活动带明确显示了断裂带上的主要地震活动，其中98.7o地震活动带对应的是2011年6月20日及8月9日ML＞5.0的腾冲地震；99.2o地震活动带对应的是2012年9月11日ML＞5.0的施甸地震；100.0o地震活动带对应的是无量山断裂的小震密集带。

图4（c）地震目录深度结果沿纬度方向的分布，其分布情况与图4（a）中沿经度方向分布类似，呈有规律的网格状、线状分布，精度较低，未明显显示出震源深度的分布特征，无法体现真实的震源深度分布状况。图4（d）为重定位深度结果沿纬度方向的分布情况，从中可以看出在北纬24.5°至25.2°的区域有地震集中分布的情况，同样对应于腾冲、施甸中强地震序列及无量山断裂的密集小震。

如图4中的对比可以看出，从原始目录得到的震源深度分布图中可以看出震源分布相对均匀，呈不真实的网格状和层状，没有明显的指示特征与研究区域中的中强地震活动及活动构造的小震活动情况对应，而重定位后的震源深度分布图与实际地震活动很好的吻合，说明重定位结果更为可靠，双差定位法较原定位方法在震源深度测定方面具有明显优势。

4.3 库区地震活动

图5为小湾库区的活动构造及重定位震中分布图。重定位后，库区范围内小震活动在空间分布上具有明显的成带性。较密集的小震群有两个，呈北东走向的施甸地震群及位于水库北沿着无量山断裂，走向为北北西向的小震密集带，两个小震群的走向分布特征与所处位置的活动断裂走向特征相一致。无量山断裂带的小震群地震分布较为集中，而施甸地震群较为分散，其中施甸地区的小震群主要是受2012年9月发生的ML＞5.0的施甸地震的影响。同时，沿澜沧江断裂、南汀河断裂及两断裂之间也有部分地震活动分布，而其他区域地震活动并不明显。

小湾水库蓄水前从空间分布上看，库区主要以2、3级地震为主，2、3级地震分布较散，主要分布于澜沧江断裂、无量山断裂附近与南汀河断裂以西的区域[7]；1993年漫湾水库蓄水后澜沧江断裂与南汀河断裂之间的地震频次明显增强，而南汀河断裂以东的区域为弱震区。对比2011年至2012年小湾库区地震重定位结果可以看出，小湾水库库区的地震活动集中在无量山断裂及澜沧江断裂与南汀河断裂之间的区域，库区内的地震活动主要受到澜沧江断裂、无量山断裂、南汀河断裂及区域内的活动构造的影响。

5 结论

本文利用双差地震定位法, 对小湾台网2011年1月至2012年12月间ML≥1.0，且记录台站≥5个的地震进行重新定位, 得到3459个重新定位地震的震源参数。

重定位后的地震分布成带性明显，地震沿活动断裂带集中分布，表明该地区地震活动与活动构造有密切的关系；重定位结果显示小湾库区地震震源深度优势分布在5～15km，表面库区地震活动集中于上地壳，区域西部部分活动构造深入到下地壳范围；库区的地震活动集中在无量山断裂及澜沧江断裂与南汀河断裂之间的区域。无量山断裂带北端有较大规模的小震密集带；澜沧江断裂带北端有少量地震分布，澜沧江断裂北西走向段与近东西走向段结合部有小规模的小震密集带；南汀河断裂带也有小震分布。

通过运用双差定位法在小湾水库重定位中的运用，表明该方法的定位精度较传统定位方法有一定优势，尤其对震源深度给予了其更为有效的约束，这使重定位结果能够真实反映库区地震活动情况，对库区范围地震活动及活动构造的深入研究提供了客观有效的数据支持。

[1] 杨智娴， 陈运泰， 郑月军，等. 双差地震定位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）:129-134.

[2] 李志海， 赵翠萍， 王海涛，等.双差地震定位法在北天山地区地震精确定位中的初步应用[J].内陆地震，2004，18（2）:146-153.

[3] 毛玉平，王洋龙，李朝才.小湾库区水库诱发地震的地质环境分析[J].地震研究，2004，27（4）：339-343.

[4] 胡鸿翔， 陆涵行， 王椿镛，等.滇西地区地壳结构的爆破地震研究[J].地球物理学报，1986，29（2）：133-144.

[5] 张中杰， 白志明， 王椿镛，等.冈瓦纳型和扬子型地块地壳结构:以滇西孟连—马龙宽角反射剖面为例[J].中国科学:D辑，2005，35（5）：387-392.

[6] 徐彦， 杨晶琼， 苏有锦，等. 云南地区地震精确定位及其构造意义分析[J].地震研究，2005，28（4）：340-344.

[7] 李永莉，秦嘉政，陈燕,等.澜沧江小湾水库蓄水前的地震活动背景[M]. 云南：云南科技出版社，2006.

Abstrraacctt:: We use double-difference location method and the earthquake catalog data recorded by 16 seismic stations of Xiaowan seismic network from Jan.2011 to Dec.2012 to accurately relocate the earthquakes occurred in the Xiaowan reservoir area. The accurate parameters of 3459 earthquakes have been obtained after the relocation. The results of relocation show the finer earthquake distribution map and reveal that the seismic activity has substantial connection with the active structures in this area. Comparing the original catalog data with relocated results, it indicates more accurate position of the focus and reflects the image of active structures clearly.

APPLICATION OF DOUBLE-DIFFERENCE LOCATION METHOD ON ACCURATE LOCATION OF EARTHQUAKES IN XIAOWAN RESERVOIR AREA

GAO Yang , MIN Zhao-xu , YE Jian-qing , HE Jia-bin

（Earthquake Administration of Yunnan Province, Yunnan Kunming 650224, China）

dss:: double-difference earthquake location method；the Xiaowan reservoir area；earthquake relocation

P315.5

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.04.013

1674-8565（2016）04-0075-06

2016-05-26

2016-07-28

高洋（1980-），男，云南省个旧市人，2005年毕业于中国科学院研究生院（本部），硕士学位，工程师，现主要从事地震监测和地震学研究工作。E-mail: dafang222@sina.com