辽宁灯塔M5.1地震序列重新定位研究

孙素梅，马 莉，许振峰，李铁亮

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.沈阳市勘察测绘研究院，辽宁 沈阳 110004）

0 引言

北京时间2013年1月23日12时18分，在辽宁省灯塔市与沈阳市苏家屯区交界（41.50°N，123.20°E） 发生 MS5.1 地震，震源深度7 km，此次地震属于孤立型地震，发生在NE向的营口—佟二堡断裂带东北端附近，属于郑庐断裂带北段。震中位置距离灯塔市约10km，距辽阳市中心约20km，距沈阳市中心约30km。灯塔市、辽阳市及沈阳市震感强烈，持续20 s左右时间，辽宁省内大部分城市及邻省长春市等均有震感。该地震打破了自1999年岫岩5.4级地震序列后辽宁地区长达13年的5级地震平静，更重要的是它处在长期无震的辽北地区。

目前在我国地震定位中研究推广应用双差地震定位方法。双差定位法最初由Waldhauser和 Ells鄄worth 提出［1-2］，目前在国内外广泛应用。杨智娴等［3］把我国中西部地区的地震利用双差地震定位法重新定位，得到了中西部地区地震震源分布的更加精细的图象；刁桂苓［4］通过对中小地震震源机制解及其反演的应力场得到逆断层类型构造的性质；黄媛［5］对于新疆巴楚—伽师MS6.8强震及其余震利用双差定位法重定位精定位后定位，结果与传统定位方法的原始定位结果震中分布图像更加集中，与当地的烈度考察和震源机制解结果更加协调；吕坚等［6］采用双差定位方法对汶川8.0级地震重新定位，得到地震发震过程中断裂的破裂过程；郑勇、陈九辉等［7］通过利用P波到时数据对M3的余震进行重新定位，做出汶川地震强余震震源机制解及其与发震构造的关系。由此可见双差地震定位方法的研究辽宁地区地震发展趋势具有一定的指示意义。

地震的精定位研究［8-9］可以在一定程度上反应地震空间的走向分布，对地震发生所处的断裂进行研究与探讨［10-13］。本文对辽宁灯塔地震序列中的事件利用双差定位方法进行重新定位。对该地震本身和地震序列的研究可以在一定程度上反应辽宁中北部地区所处的应力背景，及该区发生地震活动的特点。

1 使用的方法及原理

在双差定位法［14］中，使用两个地震的走时差的观测值与理论值的残差即为双差来确定它们的相对位置［15］：

在公式（1） 中，drijk为双差，可用于观测量是绝对走时的目录震相到时和互相关的相对走时差两种情况。由于在双差定位算法中地震丛的绝对位置误差影响结果，通常在反演时对方程（2）做减权处理，使地震丛质心允许做微小的移动，用来校正初始绝对位置中可能存在的误差。

由当前的震源以及记录的第k个震相的台站位置可求出事件 i和j的走时，分别对震源位置（x，y，z） 和发震时刻t求偏导数。震源参数将变化Δx，Δy，Δz，Δt四个参数值，用以更好的模型来拟合数据。我们将所有的台站方程组成线性方程组：

（4） 式中，d为含双差的数据矢量，G为含偏导数的M×4N阶（M是双差的观测数，N是地震数）偏导数矩阵，W为对每个方程加权后对角矩阵。m 为长度 4N ［Δx，Δy，Δz，ΔT］的包含特定的震源参数变化矢量。将4个方程展开，在重新定位时加将所有地震平均位移约束为0的约束条件，对每个坐标方向和发震时刻都分别有：

本方法虽然为施加约束的原始方法，但是适合最小二乘法的共轭梯度法加约束来求解更精确的解（Lawson and Hanson，1974）。

2 资料准备

2.1 资料选取范围

灯塔地区1998年之前属于地震活动较弱地区，但1998年以来该区小震活动逐渐增多。从2001年开始本地区发生地震震级较小多为1至2级地震。灯塔震群活动从2008年后开始活动。从M-t图（图1） 上看该区2001年地震频次较高，2002至2008年地震活动并不明显，2009年地震震级和频次比之前显著增强。因此我们选择资料从2008年开始的地震事件记录为研究对象。

图1 辽宁灯塔地区M-t图Fig.1 M-t Map of Liaoning lighthouse area

本文的研究区域范围为辽宁灯塔地区（123.0～123.9°E，41.0～41.6°N），为了尽可能的提高数据量，我们计算时选取更大区域范围内（122～124°E，40～43°N） 的 2008年 1月1日至2013年12月1日辽宁灯塔及邻近地区小震震相资料。震相报告中所涉及台站包括：5个国家地震台，30个区域地震台（图2）。

图2 辽宁地震台网分布图Fig.2 Distribution map of Liaoning seismic network

2.2 一维速度模型建立

双差定位方法虽然能够在最大程度地消除由地壳速度结构横向不均匀性引起的定位误差，但地震定位中选取所在区域的速度结构依然影响定位结果，因此我们需要选用尽力接近郯庐断裂带灯塔区域的速度模型，本文参考中朝地台东北缘地区得地震层析成像的研究结果［16］，利用其初始速度模型和层析成像结果图，计算出灯塔地区的一维速度模型，通过试算结果验证速度模型的合理性，最后确定出最终的速度模型，具体结果如表1所示。

表1 一维速度模型表

3 定位结果概述

地震序列发生在辽宁省辽阳市灯塔县与沈阳市苏家屯区交界区域，为2008年起开始活跃发生的小震序列。本地区尽管在2001年开始有小震记录，但是地震并不活跃，到2008年1月该地区才出现地震加强出现态势，2012年出现最大前震为MS4.1级；其中3级以上地震有9条。本次5级地震为弱震区发生的中强震，具有极大的研究意义。

经过双差地震定位法计算，在挑选出的102个地震重新定位，得到101个地震（占选取地震事件总数的99%）的震源位置参数。本文选取主要地震事件周边10 km范围内的58个地震进行研究。

3.1 误差分析

结果展示出经过重新定位后的位置和深度的情况，也就是dN，dE，dZ三个参数的效果。重新定位后水平和垂直方向标准差分别为±0.07km和±0.09 km，其中东西向和南北向如图3所示，最大为70 m，误差较小；垂直向误差为90 m，误差略大。由于深度的确定一致为地震研究中较为困难的问题。所以认为整体定位后的误差，还是在可以接受的范围内的。图中横轴坐标为误差值，单位为m，纵轴坐标为地震数量。

图3 水平向和垂直向误差结果图Fig.3 Horizontal and vertical error results

图4 定位前后空间分布对比Fig.4 Comparison of spatial distribution before and after positioning

3.2 定位前后空间对比分析

图4（a） 为定位前震中分布，4（b） 为定位后震中分布，对比定位前后地震的空间分布发现，定位后地震更为集中，且地震整体呈北南向展布。地震活动主要可以分为两丛，主震发生在地震序列的南端。重新定位后，地震比较密集分布在主震周围位置和主震北部两个地方．与定位前基本一致，而四周小震分布有着明显变化，改变定位前小震偏东分布的格局，去除小部分散乱分布地震外，整体趋势还是沿郯庐断裂带方向大致南北展布。

3.3 定位前后深度对比分析

图5为定位前后地震深度分布图，其中（a）为定位前深度分布，（b）为定位后深度分布，可以看出重新定位前的余震震源深度主要分布在6～11 km，部分为12～14 km。重定位后地震的集中震源深度为6～10 km，少量集中在2～5 km，占参加定位事件总数的91%。符合本地区浅源地震历史规律。但相较而言，深度的结果比较一般，虽然有收敛，但和震相报告做出深度大体一致，没有明显的变化。从重定位后的震源深度数据结果来看，灯塔地震及前震和余震都是发震位置非常浅，大部分余震发生在上地壳，体现出郯庐构造带营口—佟二堡断裂带为薄皮构造。

图5 定位前后深度对比图Fig.5 Depth comparison before and after positioning

图6 定位前后深度随纬度和经度分布Fig.6 Distribution of depth with latitude and longitude before and after positioning

经过双差重新定位后，2013年1月23日MS5.1级主震的震中位置为 （41.475°N、123.223°E），震源深度9.3 km。震前最大地震2012年4月4日4.1级最大前震的震中位置为41.483°N，123.234°E，震源深度 8.9 km。

3.4 定位前后经纬度对比分析

图6给出了定位前后，深度与经纬度的相关分析，首先从深度随纬度分布可以看出，定位前（图6a），地震活动主要集中在6 km，且部分小震活动较深，而定位后（图6c）主震较深，小震活动较前（更加符合地震自然分布规律），定位后显示出了该序列在纬度上展布大约为0.1度左右与定位前类似，主要地震分布在6～12 km。其次从深度随经度分布可以看出，定位前（图6b），地震活动主要集中在5～10 km，部分小震活动较深，地震展布尺度为0.1度，而定位后（图6d） 地震深度分布在6～12 km。序列在经度上展布尺度大约为0.05度左右。所以定位后（图6c，d） 深度随经纬度的展布显示了，该地震序列整体地震活动是沿纬度（北南向）方向展布的。

3.5 地震序列的总体特征分析

重新定位后，地震分布图像显示出收敛的效果见图7，图中地震比较密集分布在主震周围位置（图中下圈位置）和主震北部（图中上圈）两个区域，而四周小震分布有着明显变化，改变定位前小震偏东分布的格局，去除小部分散乱分布地震外，整体趋势还是沿郯庐断裂带方向大致南北展布。

图7 双差定位后震中分布图Fig.7 Epicenter distribution after double difference location

从图8可以看出，从2008年开始，以月为单位记，地震分布开始为北端发震（最北端小圈）然后跳到南端（白圈），震前又在北端附近（北端深灰圈） 发生几次小震后在南端（黑圈）发生主震及余震，呈现地震群北（北端小圈）—南（白圈）—北（深灰色圈）—南（黑圈） 迁移活动态势，并明显呈现出“中间稠密，左右即东西两边相对稀疏”这样一种分布特征。

图8 随着时间变化震中分布图Fig.8 Epicenter distribution with time variation

图9 三条剖面走向图Fig.9 Three section strike diagram

为了了解地震序列震源深度的分布特征，以地震集中程度为准则做出沿北南（AA′） 和北东 （BB′） 西北 （CC′） 做三个截面，如图10（a）、（b）、（c） 所示。结果显示这三个截面的地震深度情况大致相同，即大部分地震的震源深度集中在3～12 km之间，发震范围在10 km以内，截面AA′上的震源向北东向倾斜，倾角为5°，截面BB′上的震源向北东向倾斜，倾角为45°，沿北西CC′的地震主要是震后余震分布显示出地震活动较弱。

从CC′深度剖面来看，余震分布较少，并没有出现密集明显分布，而方向性上偏离AA′和BB′方向，从剖面方向上来看与郯庐断裂的支线营口—佟二堡断裂方向明显不同。在地表并未发现破裂，故可推测可能在这个地区存在隐伏断裂，如图10中CC′截面所标识为北西向的。虽然呈现北西方向性的特征，但是地震数目过少，还需要做出进一步研究来加以论证。

图 10AA′、BB′、CC′剖面地震深度图Fig.10 AA′、BB′、CC′Profile seismic depth map

从AA′深度剖面图10中可以看出浅色点为发震时间最早的2008至2010年地震震源深度值整体来看都大于主震的震源深度，而后随着时间的发展，接近于主震及主震发生后的深色部分深度增加，存在明显的下降趋势。而在BB′剖面上的深度值没有AA′刨面深度值的明显变化，震源深度并没有随着时间发展也就是主震的发生而出现趋势性变化，笔者认为这个剖面为主震的响应剖面而不是和AA′剖面一样为主震影响剖面。CC′剖面上的震源深度为蓝色及深蓝色居多，着重表现为主震发生后的剖面性质，其随着时间的发生出现下降—下降—发震—上升的趋势变化，总体来看深度为6～9 km范围内。

按照地震分布剖面来看地震活动的三个方向：北南AA′、北东BB′、西北CC′。其中AA′和BB′为大部分前震方向，CC′为绝大部分余震的方向。主震发生在AA′和BB′的交汇处。结合震源机制一致性结果来说，本次地震序列的前震具有一定的规律性，北南AA′、北东BB′方向影响主震为控震断裂。

4 结论与讨论

通过双差地震定位法在辽宁灯塔地区地震重新定位中的应用，充分说明双差定位是一种定位精度比较高的定位方法。无论是残差、测定误差、震中分布图还是震源深度等方面，都比原定位结果有较大改进。

经过重新定位后，均方根残差精度有了提高，从重新定位前的2.82 ms降到0.8 ms。通过定位得到了辽宁灯塔地震序列主震附近区域的精确的活动图像。重新定位后，2013年1月23日 MS5.1主震的震中位置修正为 41.475°N、123.223°E，震源深度9.275 km。

余震比较密集分布在主震周围位置和主震北部两个地方。与定位前基本一致，而四周小震分布有着明显变化，改变定位前小震偏东分布的格局，去除小部分散乱分布地震外，整体趋势还是沿郯庐断裂带方向大致南北展布。余震密集成北西向线性分布，余震区长约6 km，宽约4 km。震源深度分布在3～12 km间，主要为6～10 km。部分震中位置比定位前明显发生变化与震源深度变化向断裂带靠近。对地震分布做出三条剖面后认为AA′主震影响剖面，BB′剖面仅为地震响应剖面，而CC′剖面为主震发生后的深度剖面，主要深度范围为6～9 km。

结合图10中所示的该段的余震CC′深度剖面来看，余震分布较少，并没有出现密集明显分布，而方向性上偏离AA′和BB′方向，从剖面方向上来看与郯庐断裂的支线营口—佟二堡断裂方向明显不同。在地表并未发现破裂，故可推测可能在这个地区存在隐伏断裂，为CC′截面所标识为北西向的。

辽宁灯塔地震序列地震趋势发展具有一定规律性。地震震中的规律迁移，以小震群形式北—南—北—南的进行迁移，最后主震及余震的发生都集中在最南端。

本次地震序列的前震具有一定的规律性。前震影响主震发生，而主震影响余震发生。地震活动的三个方向：北南AA′、北东BB′、西北CC′。其中AA′和BB′为大部分前震方向，CC′为绝大部分余震的方向。主震发生在AA′和BB′的交汇处。结合震源机制一致性结果图来说，北南AA′、北东BB′方向影响主震为控震断裂。

本文应用双差地震定位法对辽宁灯塔地区地震序列进行了重新定位研究。在双差定位程序使用过程中，不断通过调整双差地震定位法中两个主程序参数对地震序列重新了定位，研究过程中也修改了一维速度模型，最终得到了研究地区较精细的震中分布图像和有所收敛的震源深度剖面图像以及小震精确定位结果，结果显示辽宁灯塔震群大致呈北南向线性分布，初步推断该地区存在一条隐性北西向地震条带。