2022年1月8日青海门源MS6.9地震余震序列自动处理结果探讨

王祖东, 杨晓鹏, 尹欣欣, 蒲 举, 王维欢, 陈晓龙

(甘肃省地震局, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

据中国地震台网中心正式测定,2022年1月8日1时13分在青海省海北州门源县(37.77°N,101.26°E)发生6.9级地震,震源深度10 km。截至2022年1月15日,甘肃地震台网编目余震886条,其中ML≥2.0地震236次,最大余震为1月12日的MS5.4地震。震源周边震感明显,造成海北州门源、祁连、刚察县共1 662户5 831人受灾,9人受伤,4 052间房屋损坏(http://www.qhio.gov.cn/system/2022/01/10/013506168.shtml)。

地震编目作为地震台网观测数据处理的重要环节,主要内容包括地震目录、震相类型、震相到时、震幅类型、震幅大小等。对地震进行编目最终形成的观测报告,可广泛应用于基于震相走时的层析成像、地震精定位等研究[1-3]。较大地震发生后,通常伴随着密集且高频次的余震,能否快速准确地处理余震序列对于地震应急及救援至关重要,而且快速准确的余震序列也可以为地震破裂过程快速反演[4]、发震构造研究[5]提供第一手资料。因此,强震过后的余震序列产出对震后趋势判断至关重要,如何快速准确地产出余震目录是地震监测工作的重要内容。

甘肃测震台网日常处理本省49个台站及邻省共享的37个台站数据,每年需分析地震几千个、震相数十万条,具体处理过程包括震相到时拾取、地震定位、震级测量、震源机制计算等,且主要通过人工完成。随着台网密度的不断加大,尤其是国家预警工程甘肃子项目的建设完成之后,甘肃省将有165个观测台站[6],届时地震编目工作量将呈指数级增加。为了解决强震后地震序列的快速产出,廖诗荣等[7]于2021年开发了一套自动编目系统,在云南地震台网试用,并在2021年漾濞MS6.4地震中起到重要作用。试用结果显示自动编目系统可在2～4 min内产出地震目录,具备处理密集地震序列的能力,自动检测地震数量是人工目录的2～3倍,且定位精度符合预期,震级处理下限可达ML0.0左右。

本文基于自动编目系统,结合人工编目结果,从震中分布、震级分布、震相拾取精度、定位精度等维度分析讨论自动编目系统在此次门源MS6.9余震序列中的优势及缺点,以期为今后自动编目系统改进及正式运行提供依据。

1 地震信号自动分析处理

1.1 处理方法

研究使用廖诗荣等开发的地震编目实时处理系统[7]。该系统基于深度学习技术[8],利用PhaseNet模型[9]和EQTransformer模型[10]实现地震目录的实时处理和产出。自动编目系统首先从JOPENS系统中调取实时地震波形,利用PhaseNet算法和EQTransformer算法对数据进行预处理,快速识别震相类型并标注到时;然后通过组触发和等时差八叉树搜索相结合的方法实现震相关联,使用一维或三维速度模型,结合多种定位方法对地震进行定位;最后仿真完成的事件波形,自动量取振幅并计算震级。

由于甘肃地震台网台站分布较为稀疏,自动处理过程中漏检率略高,因此在保证较低误检率条件下,将事件触发最小阈值设置为6个震相,地震检测和震相到时拾取使用PhaseNet方法,检测窗口长度设置为30 s,重叠20 s,滑动窗口10 s;使用NLLoc定位方法[11]对地震事件进行定位,速度模型采用甘肃一维速度走时模型[12];震级按照国家标准《地震震级的规定(GB 17740—2017)》[13],将检测到的事件波形仿真到DD-1型地震仪记录类型[14],计算ML震级。

1.2 数据

研究选取2022年1月5日1时45分—2022年1月15日1时45分甘肃地震台网49个台站及甘肃邻省台网共享的37个台站记录到的连续地震波形,人工编目与自动编目系统使用的台站一致(图1)。本文研究区划定为:37.50°～37.9°N,101°～101.7°E。甘肃地震台网在研究区内编目余震共886条(以下简称人工编目),分析震相10 307个;自动编目系统共产出余震目录1 273条(以下简称自动编目),拾取震相18 992个。

图1 门源MS6.9地震余震序列人工编目与自动编目所用台站分布图Fig.1 Distribution map of stations used in manual and automatic cataloging of Menyuan MS6.9earthquake aftershock sequence

本文将两种目录中发震时刻差值在3 s内、震中位置差在10 km内的地震事件认定为匹配成功,如果有多条事件符合匹配条件,则以发震时刻接近程度为依据判断匹配事件。自动编目中无法从人工编目中找到匹配结果的地震条目,认为是多检测的地震;反之,人工编目中无法在自动编目中找到匹配结果的地震条目,则认为是自动编目系统漏检测事件。

2 结果分析

图2是人工编目和自动编目震中及深度分布图。从图中可以看出,自动编目地震数量(蓝色圆点)明显多于人工编目地震数量(红色圆点)。基于观测报告统计,研究时段内人工编目地震事件886个,余震震级分布范围为ML0.3～ML5.4;自动编目生成地震目录1 273条,震级分布范围为ML-0.2～ML5.1,比人工地震目录多出387条。自动目录中有769条余震与人工目录匹配,剩余117条无法匹配,匹配率86.8%。图2中显示自动编目震群序列较为聚集,与人工编目生成序列基本一致,但是自动编目存在个别余震定位不准确现象。经计算,4次较大余震中有3次余震震中位置误差在3 km内,1次余震震中误差7 km。

图2 门源MS6.9地震余震序列人工编目与自动编目震源位置及深度分布Fig.2 Source location and depth distribution of manual and automatic catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake

通过图2中震源深度的分布可以看出:人工编目对震源深度进行取整处理,余震深度基本为5～15 km;自动编目结果深度分布主要集中在0～20 km,并且有大量余震深度为0的情况。其可能原因有:自动检测的震相类型单一,缺少深度敏感震相;定位方法在震源深度方面精度略差;震中50 km内台站较少。

震级是地震的基本参数之一,对于地方震和微震,通常使用ML震级。ML震级是依据现行量规函数,积累了大量近震震级资料计算得到的。测震台网地震目录里ML震级计算方法是将所有近震震级均仿真成短周期地震仪后,在位移记录上量取两水平分向最大位移值,最后采用式1来计算:

ML=lgAμ+R(Δ)

(1)

式中:Aμ表示两水平分向地动位移记录的最大算术平均值(μm);R(Δ)表示我国常用短周期地震仪测定ML的量规函数,甘肃地震台网人工编目计算ML震级使用校正后的量规函数[15]。

图3表示自动编目与人工编目ML震级对比结果。由图3可知,自动编目与人工编目地震震级基本在ML0.3～ML4.8之间。当ML<1.6,自动编目个数明显多于人工编目,其中有自动编目多识别出来的地震,也有将震级算低的地震,以及个别错检测的地震,这在后续研究中需要精细统计分析。对于ML≥1.6的地震,自动编目与人工编目产出的地震震级基本一致。由此可以看出,对于微小地震的编目工作,自动编目系统具有明显优势。

图3 门源MS6.9地震余震序列自动编目和人工编目震级分布Fig.3 Magnitude distribution of automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake

图4(a)为2022年1月5日—15日门源MS6.9地震余震序列自动编目与人工编目的M-T图,其中蓝色为自动编目地震目录,橙色为人工编目地震目录。由图4(a)得出,在1月8日主震发生前3天人工目录仅处理了1条与门源地震相关的地震事件,而自动编目系统则处理了7条相关地震;主震发生当天人工目录与自动目录记录到的余震数量均最多,随后依次递减,符合大森定律[16]。在主震发生3天后[图4(a)中绿色虚线)],余震明显减少,但随后又发生了强余震事件,说明该时间段断层处于应力累积阶段。由此可以得出,强震发生后的余震发生频率与分布对后期强余震的研判有一定指导意义。图4(a)中还可以看出,自动编目相较于人工编目普遍存在震级略小的情况,这是因为自动编目系统未使用校正后的量规函数R(Δ)来计算ML震级,同时自动编目系统未能在最大振幅处量取振幅也是造成震级略小的原因,这也体现出人工编目在震级测定方面具有一定优势。

图4 门源MS6.9地震余震序列自动编目与人工编目M-T图及余震数量统计Fig.4 M-T map of automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake and statistics of aftershocks

图4(b)表示随时间推移余震发生数量的统计,其中蓝色虚线表示自动编目余震数量,橙色实线表示人工编目余震数量。从图中可以看到,自动编目余震数量明显多于人工编目,但在主震发生后的前3小时,人工编目余震数要略高于自动编目,可能是由于人工编目处理了大量只有单台、双台记录的地震,同时自动编目系统存在多震叠加事件较难分离的现象。

图5表示自动编目与人工编目震相到时差,统计结果呈正态分布,识别震相到时误差基本都在±0.5 s内。从图5中可以看到,自动编目和人工编目Pg、Sg震相到时差多数在零轴左侧,说明自动编目在拾取震相时都略早于人工编目。两种目录相同地震相同震相的到时差在-0.125～0 s之间,Pg震相占比高于Sg震相,说明Sg震相识别精度有限。

图5 门源MS6.9地震余震序列自动编目和人工编目震相到时差Fig.5 Phase arrival-time difference between automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 Earthquake

图6为门源MS6.9地震余震序列自动编目与人工编目不同参数对比。从图6(a)可以看出人工编目与自动编目的发震时刻差值基本在±2 s左右,符合预期值;其中大多数在-2 ～0.2 s之间,表明自动编目定位结果普遍比人工编目定位结果略早。这是由于自动编目系统使用的NLLoc定位方法是一种基于三维速度模型的非线性定位方法,其使用八叉树搜索法进行定位;而人工编目使用的单纯型定位方法是一种线性定位方法[17],以走时误差为目标函数,通过拟合到时求得目标函数最小值,从而达到地震定位的目的。因此对于三维高精度速度模型,NLLoc方法或许会得到更好的定位结果,而甘肃地震台网目前使用的是甘肃一维速度模型,这可能造成了自动编目结果略早于人工目录。

图6 门源MS6.9地震余震序列自动编目与人工编目多参数对比Fig.6 Multi-parameter comparison between automatic and manual catalog of the aftershock sequence of Menyuan MS6.9 earthquake

从图6(b)可以看出,两种编目结果的震中差大多在7 km之内,少量在7 ～20 km之间,极个别在20～40 km之间。图6(c)给出了两种编目方式的震源深度差,绝大多数序列的差值在10 km内。而两种编目方式的震级差则在ML-0.5～ML0.4之间,多数序列在ML-0.2～ML0.2之间,个别地震震级差值较大[图6(d)]。

3 结论与讨论

为了更好地量化分析自动编目系统在甘肃地震台网的本地化效果,本文利用2022年1月8日青海门源MS6.9地震主震前3天以及后7天甘肃地震台网记录到的连续波形数据,结合人工编目结果,从震中分布、震级分布、震相拾取精度、定位精度等维度分析讨论自动编目系统的优势及缺点,得出如下结论:

(1) 定位精度方面。自动编目结果与人工编目结果基本一致,两种目录平均震中差5 km。由于自动编目系统与人工编目使用的定位方法不同,导致自动编目结果略早于人工编目结果,但大部分余震序列发震时刻差值在2 s范围内,符合预期值。

(2) 震级计算方面。自动编目的震级计算结果与人工编目震级结果差值在ML-0.2～ML0.2之间,且自动编目结果震级大部分略小于人工目录,这可能是由于人工编目尽可能地在最大振幅处量取,而自动编目系统未能在最大振幅处量取振幅。

(3) 震源深度方面。由于地震震源深度较难准确测定,因此深度方面人工编目结果可信度不高,今后可以利用双差定位等精定位方法与自动编目定位结果进行比较分析。

(4) 自动编目比人工编目目录产出速度快,从产出的余震序列分布来看,基本覆盖了人工编目,并且处理了较多人工未处理的余震序列。快速全面的余震序列对震群序列趋势判断有效可行,亦可对地震速报提供辅助作用。

致谢:感谢廖诗荣团队为本研究提供的自动编目程序;感谢甘肃地震台网提供的地震观测报告。