结合波形互相关的双差定位方法在广西北流——广东化州5.2级地震序列中的应用

马晓静,康 英,杨 选

(1.广东省地震局,广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室,广州 510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室,广州 510070）

0 引言

2019年10月12日22时55分,根据中国地震台网中心报告,在广西北流—广东化州发生MS5.2级地震。广东地震台网正式编目分析结果,主震发震时刻22:55:26.7,震中为22.149°N,110.541°E ,震源深度9 km ,主震前有一前震,发震时刻22: 55: 24.6,震中为22.155°N,110.535°E ,震源深度13 km。据广东地震台网统计,截至10月26日24时,在震源区记录到余震共182次,最大余震震级为ML2.5。

地震定位结果可以提供有关地震活动、地球内部构造、震源机理等的重要信息。常规地震定位方法一般分为绝对定位和相对定位方法。震源绝对位置的精度主要受几个因素的影响,包括台网的分布、是否有近台数据、可利用的震相、到时读数的精度和地壳速度结构的精细程度等。

双差定位方法是一种相对定位方法,由Waldhauser和Ellsworth[1]提出,基本原理为：如果两个地震震源之间的距离远小于事件到台站的距离和速度不均匀的尺度,那么震源区和这个共同台站之间的整个射线路径几乎相同,所以事件间绝对误差主要来源于震源附近小范围内射线路径的不同,在某一台站观测的两个事件的走时差来自于事件之间高精度的空间偏移。该方法可以有效地减小由于对地壳结构了解不够精细而引起的误差,再加上可以利用互相关分析法读取事件间的到时差,很大程度提高了震相到时读数的准确度。双差法已在国内外很多地区得到应用,并取得了很好的效果[1-3]。

1 数据和计算

此次地震序列位于广东与广西省的交界地区,周围台站分布比较稀疏。12日晚地震发生后,广东省地震局应急人员连夜前往化州,13日先后架设了流动台站L4401、L4405、L4407,到21日余震明显减少后流动台站才停止观测。期间还共享收取了广西省在震后架设的流动台站L4502、L4503的数据。根据广东地震台网地震监测能力分析结果[2],该地区的最小监测震级为ML1.9 ,加入流动台站后,观测到的地震数目明显增多,监测震级显著降低,而且近台资料的使用有助于给出更稳定的绝对位置和更准确的震源深度[2]。

分析广东地震台网观测报告中的定位结果（图1）,余震序列近似南北方向分布。观察台站分布,在发震区的北侧台站只有YLS台站可用且震中距较远,使得在大部分地震的定位时有个较大的空隙角,可能对定位精度有一定的影响。

图1 双差定位中所用的台站和广东地震台网观测报告中的震中分布,Fig.1 Distribution of the stations used in the relocation and epicenter of earthquakes in the observed report by Guangdong Seismic Network

本文采用广东地震台网10月12日到26日的观测数据,选取在3个以上地震台有记录的余震事件,包括151个地震的观测报告数据和三分量波形数据。其中包括1次MS5.0～5.9 ,1次ML4.0～4.9 ,1 次ML2.0～2.9 ,5 次ML1.0～1.9,39次ML0.0～0.9 ,73次ML-0.9～-0.0 ,31次ML-1级以下地震。从地震序列的M-T图和N-T图（图2）可以看出,主震后24 h内的余震活动频次最高,除22:55的前震和主震外,在23:31还发生了1.6和2.5级的双震。之后在15日和17日分别发生ML1.8和ML0.9余震后,活动频次有两次短暂上升,随后逐渐减弱。从时间分布来看,地震序列总体呈显著衰减趋势,衰减过程中伴随较大余震的发生会出现短时间内余震频次增强,为一个较完整的主余震序列。

图2 震级和每日发震个数的时序图Fig.2 Magnitude-time plot and daily number of the earthquake sequence

对记录到的151个地震事件,编目报告共包含1638条P和S震相,其中P震相754条,S震相884条。采用hypoDD方法对事件进行走时差计算,根据震相报告记录,选取震中矩在200 km以内的震相到时,组成P波事件对2647, S波事件对3075。

在预处理过程中,首先对波形数据进行去倾斜、去均值,然后通过坐标变换将E、N分量数据转换为径向(R)和切向(T)数据。计算中发现,对于信噪比低的波形,互相关时容易产生错误的高互相关系数,所以又进一步筛选出信噪比大于1.5的台站记录。进一步人工检查去除波形质量较差的台站。利用垂直和切向分量波形数据分别对P波与S波段作互相关分析。考虑到该序列事件的震级绝大部分在ML1.0以下,震相的频率和噪声频率有较多重叠的部分,经过试验,决定采用频段较高的巴特沃斯滤波,既可以滤除大部分噪声,又可以保留尽可能多的事件信息。对台站垂直向记录的波形作3～20 Hz带通滤波, P波窗长取Pg起始至到时后1 s段波形,时移0.2 s。对T分量波形作2～12 Hz带通滤波,S波窗长取Sg起始至到时后1.5 s ,时移0.4 s。计算得到互相关系数在0.7以上的P波到时差数据3970条, S波5056条。对互相关系数相对较低或到时差较大的波形对,再进行一次人工筛查,以尽可能确认互相关数据的可靠性。图3给出了13日00:38和07:05发生的两个地震在信宜台的互相关结果,图中为滤波处理并按照走时差对齐后的波形, P波段互相关系数0.92 , S波段相关系数0.75 , P和S震相的走时差分别为-0.01 s和-0.09 s。

图3 广东信宜台(XNY)记录到的两个地震的P波与S波波形互相关结果Fig.3 Waveform of the P and S for two earthquakes recorded by XNY

联合使用P波和S波目录震相走时差和波形互相关走时差进行双差定位。对于目录震相P波和S波的走时差数据的先验权重分别为1和0.75 ,对波形互相关的P波走时差数据权重设为互相关系数,S波走时差权重设为互相关系数的平方。

为了保证重定位的精度,经过反复调整参数,当互相关和观测震相数大于9的时候,才将事件联系在一起形成群组。以台网目录给的数据作为定位初值,使用共轭梯度算法,根据华南地区的地壳速度模型进行定位[5],最终得到109个事件的重新定位结果。

重新定位后整个序列呈北西方向展布,震中分布优势方向为NWW走向。主震震中位置为 22.155°N ,110.545°E , 震源深度 7.6 km , 前震位置 22.160°N ,110.529°E, 深度 7.6 km。从图4重新定位后的序列分布图来看,主震双震和35 min后的ML2.5最大余震双震基本处于同一条线AA'上,沿NWW-SEE方向展布约3.5 km ,余震双震深度较深一些。大部分余震分布在AA'的北东侧,且余震分布呈现明显的时空变化：在水平方向上看,前震和主震几乎同时分别在AA'的西侧和东侧发生,早期余震发生在AA'附近区域,后期余震有向北向西方向移动的趋势；在垂直剖面上看,序列沿BB'剖面的倾角约为75°,余震有沿北东方向、向地表迁移的趋势,最小震源深度约4 km。余震震源深度主要分布在6～9 km,平均深度7.5 km。

图4 序列重新定位后的震中分布和沿AA'、BB'两个剖面的垂直分布。Fig.4 Distribution of the relocated epicenters and hypocenters along AA' and BB' profiles

图5 双差定位前后的震源深度分布。Fig.5 Distribution of the depths of earthquakes before and after the relocation

2 结论和讨论

通过查阅文献资料我们发现,前人曾对十九世纪中、末期桂东南和粤西交界地域发生过的破坏性地震进行过研究,发现在粤桂交界的都安—宾阳—高州断裂带上发生过多次五级以上地震,并通过构造带的展布和地震序列分布,认为其中1890年8月29日的5¾级地震,发生在都安—宾阳—高州断裂带的中段（分别用图1中红色圆圈和蓝色实线段表示）[6]。本次地震的震中位置与之十分接近。

根据双差定位结果,我们认为发震断层沿NWW-SEE方向分布。破裂由前震开始,1.8 s后沿断层方向扩展到主震,跨度约3.5 km,破裂深度7.6 km。震后25 h内（包括震后35 min发生的包含最大余震的双震事件）的余震也基本沿断层方向分布。这期间的余震还有沿破裂面向深处发展的迹象。之后的余震有向地表、向北东向发展的趋势,整体沿BB'剖面的倾角约75°。

地震发生后,中国地震台网中心、中国地震局地球物理研究所、中国地震局地震预测所等采用不同的方法和资料计算了主震的震源机制解,万永革课题组[7]整理了这些结果并计算出与所有测定震源机制的差别平方最小的“中心震源机制解”：节面Ⅰ的走向103.12°,倾角77.50°, 滑动角 -179.92°, 节面Ⅱ的走向 13.10°,倾角89.92°,滑动角-12.50°,为一右旋走滑断层,震源机制球见图4,值得注意的是由于双震事件,其震源机制反演结果应该是双震的综合反演结果。节面Ⅰ的产状与定位结果和文献[6]中的卫星影像中地震构造带走向（图1）都比较符合。值得注意的是,从地质构造上看,都安—宾阳—高州断裂是一组活动十分显著的左旋—剪切性活动断裂[6],而震源机制解表明为右旋走滑,有一些矛盾的地方。考虑到该区域还有一组活动较强烈的右旋剪切—引张性的信宜—廉江北东向断裂带,属于断裂交叉部位,地质构造比较复杂,还需要更进一步的现场考察才能得到更好的解释。

综上所述,我们认为此次MS5.2级震的发震断层属于都安—宾阳—高州断裂带的一段,破裂由前震开始, 1.8 s后沿断层方向扩展到主震,跨度约3.5 km,断层为NWW走向,倾角约75°,震源机制上表明为走滑破裂,总体看双震破裂深度在7.5 km左右,发震后序列有先较深到9 km后变浅到4 km的趋势。