2023年甘肃积石山MS6.2地震目录完备性研究

摘要：2023年积石山MS6.2地震是典型的“主-余震”型地震，主震后存在大量余震，余震波形相互重叠、难以区分，造成地震目录不完善。为完善该地震的目录，选取震中附近流动台站和固定数字测震台站震后21 d观测到的波形数据，利用模板匹配方法对地震序列重新检测，共得到1 412个地震事件，是测震台网地震数量的1.8倍。根据补充后的地震目录，计算出积石山地震目录最小完整性震级为ML1.0，b值为0.74左右。对积石山震源区地震目录的完备性进行补充，有助于分析该地区地震活动的时空分布特征，并为地震危险性、地震活动性和地震预测等研究提供基础资料。

关键词：积石山MS6.2地震; 模板匹配; 地震目录完备性; b值

中图分类号： P315文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0924-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240307003

Completeness of the earthquake catalog of the 2023 Jishishan

MS6.2 earthquake in Gansu ProvinceWEN Shulin LIU Xuzhou QIN Manzhong LIU Baiyun KANG Binlong WU Baichen

（1.Lanzhou Institute of Seismology， CEA， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2.Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China）Abstract：

As a “main-aftershock” type earthquake， the 2023 Jishishan MS6.2 earthquake induces numerous aftershocks after the mainshock. The overlapping waveforms of aftershocks increase the difficulty of their classification， resulting in an incomplete seismic catalog. Waveform data within 21 days after the Jishishan MS6.2 mainshock were selected from seismic and digital seismograph stations near the epicenter to complete the seismic catalog of this earthquake. The earthquake sequence was re-detected using the template-matching method， and a total of 1 412 seismic events were obtained， which was 1.8 times the number of earthquakes recorded by the seismic network. Based on the template-matching detected seismic catalog， the minimum magnitude of completeness （Mc） of the aftershocks in Jishishan was estimated to be ML1.0， and the calculated b-value was around 0.74. The completeness of the seismic catalog in the Jishishan area will help analyze the spatial and temporal distribution characteristics of seismicity， thus providing basic information for investigating the seismic hazard， seismic activity， and earthquake prediction in this area.

Keywords：Jishishan MS6.2 earthquake; template matching; completeness of earthquake catalogs; b-value

0引言

地震目录按照时间顺序收录了地震的发震时刻、震中经纬度、震源深度、震级和事件类型等参数［1］，为地震活动性分析、地震危险性评估等提供基础资料［2］。受背景噪声水平、观测台站分布等影响，许多微弱地震信号在噪声中无法有效观测到［3］。强震后短期内余震事件被振幅较大的尾波所掩埋，早期余震往往以震群形式频繁出现，波形相互重叠，难以通过人工或长短时窗法拾取。上述原因使得地震目录不完整，不能真实反映一个地区的地震活动性。因此，强震后的余震检测及识别工作是开展余震迁移、地壳速度结构、地震序列重定位、地震活动性、断层结构分析等研究的基础［4-9］。

据中国地震台网正式测定，北京时间2023年12月18日23时59分30秒，在甘肃省临夏州积石山县发生了MS6.2逆冲型地震（https：//www.cenc.ac.cn）。该地震发生在青藏高原东北缘祁连活动块体拉脊山北缘断裂带（图1），位于南北地震带北部。杨攀新等［10］将发震断层初步确定为拉脊山北缘断裂带东南段的积石山东缘断裂。此区域内构造较为复杂，拉脊山断裂带由拉脊山北缘断裂和南缘断裂两条弧形逆冲构造带组成，运动性质以挤压逆冲为主，兼局部左旋走滑，是调节日月山右旋走滑断裂带与西秦岭北缘左旋走滑断裂带之间的构造转换带。晚第四纪以来该断裂带有新活动，不断向盆地内部挤压逆冲，产生局部应力积累，存在发生中强地震的构造条件［11］。积石山MS6.2地震是祁连块体内部继2016年门源MS6.4和2022年门源MS6.9地震后发生的又一次6级以上地震（图1），也是甘肃省继2013年岷县—漳县MS6.6地震之后震级最大的破坏性地震。同时，它还是中国大陆2023年发生的最大地震，造成151人死亡，直接经济损失146.12亿元，并引发了黄土液化、滑坡等严重的次生灾害 ［12］。左可桢等［13］利用测震台网震后4 d的观测报告和事件波形，采用双差定位法对积石山地震序列进行精定位，重定位结果表明此次地震震中为102.827°E，35.745°N，主震震源深度约12.5 km;余震序列整体呈NW向分布，总长约15 km，深度主要集中在5～15 km;余震主要分布在主震西侧，呈NW向展布，主震北侧余震呈NNW向展布，数量较少。

鉴于研究区（101.9°～103.2°E，35.4°～36.2°N）复杂的构造背景和发震机制，本文拟利用甘肃和青海固定测震台网及地震应急流动台站的观测数据，通过模板匹配方法对积石山震源区地震目录进行完备性补充。这对于该地区的地震活动性分析及地震危险性评估具有重要意义，也可为祁连块体南缘地震活动性分析提供补充资料。

1研究数据

研究数据为积石山MS6.2主震后21 d内甘肃、青海固定数字测震台站和地震应急流动台站观测数据。截至2024年1月9日0时，中国地震台网中心共记录到余震800次，其中，ML4.0以上地震6次，ML3.0～3.9地震18次，ML2.0～2.9地震140次，ML1.0～1.9地震516次，ML0.0～0.9地震120次;最大余震震级为ML4.4。积石山测震台网地震目录的震级-时间分布图（图2）显示，余震序列呈现衰减趋势，余震的震级和频度均随时间而降低。

2研究方法及数据处理

模板匹配是一种有效的余震事件识别方法。基于互相关的模板匹配方法可在低信噪比的情况下提取微弱信号，在连续波形数据中自动识别出与模板波形相似的地震事件［3］。Peng等［5］使用模板匹配方法检测Parkfield地震后3 d内的余震，确认的余震数量比美国地质调查局官方地震目录多11倍。Meng等［6］使用GPU并行计算来加速模板匹配进程，在2010年El Mayor-Cucapah地震后90 d内获得的索尔顿湖地热田区域的地震比南加州地震网络官方目录多70倍。Ross等［7］使用QTM （Quake Template Matching）方法对南加州地震台网记录的2008—2017年间连续波形数据进行模板匹配，检测出来的地震数量比南加州台网地震目录增加了110倍。Shelly［8］利用模板匹配技术对2019年7月4—16日共12 d的Ridgecrest地震序列进行检测，获得了包含34 091个地震事件的高分辨率地震目录，是原地震目录地震数量的1.7倍。尹欣欣等［9］利用模板匹配方法完备了2017年九寨沟MS7.0地震后16 d的地震目录，检测到的地震数量是台网目录的1.18倍。由此可见，利用模板匹配方法可以对地震序列目录进行有效补充，提高地震事件检测的精度。

2.1模板匹配原理

2.2数据处理

2.2.1数据准备

如图3（a）所示，选取积石山主震震中100 km范围内10个固定数字测震台站和9个地震应急流动台站震后21 d的连续观测波形数据。震级和震源深度的差异会导致不同模板事件波形的变化，选择的模板类型和数量越多，地震事件的检测率越高。在实际计算过程中需考虑地震序列的震级、持续时间和硬件计算能力等，尽可能选取一些信噪比高、波形记录清晰、具有不同震级和波形特征的模板事件［9］。本研究选取所有ML2.0以上地震作为模板地震事件［图3（b）］，利用各台站的模板波形对其连续波形进行互相关余震扫描。模板波形长度设置为4 s，即垂直分量P波到达前1 s和到达后3 s，水平分量S波到达前2 s和到达后2 s。各模板均包含了相应波形的最大振幅信息。

2.2.2数据预处理

为了抑制低频噪声的干扰，对模板事件、连续波形进行1～8 Hz的带通滤波，标定P波、S波到时，并计算信噪比。信噪比大于5的模板才能与连续波形数据进行匹配，最终挑选出159个地震事件作为模板。为了提高互相关效率，将模板波形和连续波形的采样率从100 Hz降为20 Hz。

2.2.3互相关系数滑动扫描

将各个台站的模板事件与连续波形进行滑动窗互相关，滑动窗长为4 s，扫描间隔为1个采样点。对三个分量的互相关系数取平均，选择合适的互相关系数阈值检测地震事件。互相关系数阈值一般设为绝对离差中位数（Median Absolute Deviation，MAD）的9倍或12倍［5-6，9，14-16］，参考前人研究结果并经过多次测试后，最终选取检测阈值为9MAD（不同台站的检测阈值在0.5～0.7之间）。图4是互相关扫描结果示例，将临夏台（LXA） 2023年12月18日20：00：00—20：30：00 （UTC时间）连续波形与模板波形进行滑动互相关，当4 s滑动窗内三分量平均互相关系数大于对应的检测阈值（0.531，图中蓝色线条）时，将初步检测出的地震事件标亮显示。

图5是模板匹配检测地震实例。模板为 2023年12月19日0时8分54秒的ML3.2地震，通过模板匹配检测到的对应地震是2023年12月19日4时55分25秒发生的ML0.8地震，有11个台的检测结果超过对应阈值，平均互相关系数均大于0.6。图5展示了其中4个互相关较好台站的模板波形与对应的检测地震连续波形，分别是循化台（XUH）、临夏台（LXA）、化隆台（HUL）和民和台（MIH）。图中波形经过归一化处理，左侧字母表示台站及分量名，右侧数字是对应台站的三分量平均互相关系数。

2.2.4输出最终的地震目录

联合所有模板检测出的地震事件，删除重复检测;根据模板匹配方法的前提假设，认为新检测的地震事件与模板地震事件走时相同，计算出新检测地震事件的发震时刻。当至少被4个台站检测到且发震时刻偏差在3 s内时（图5），认为该事件为地震，输出这个地震事件并估算检测地震的震级。对模板匹配检测初步估算地震的震级M0与测震台网地震目录中的震级M进行线性拟合，根据震级线性拟合关系式M=0.933M0+0.127，重新计算模板匹配检测目录中地震的震级。

2.3评估地震目录最小完整性震级

最小完整性震级Mc被定义为一个时空范围内所有地震被可靠检测到的最低震级，是地震目录的重要参数［17-18］，能有效评估地震台网的监测能力。在一定的研究区域内，地震的震级与频度遵循震级-频度（G-R）关系式：lgN=a-bM，式中：M为地震震级;N为震级大于M的地震数量;a值表示研究区域的地震活动水平;b值反映了各震级下地震频次间的比例关系。

目前使用地震目录计算Mc的方法有两类：基于G-R关系的定量评估（如最大曲率法、完整震级范围法、拟合度检测法、稳定b值法等）和基于非G-R关系的定性评估（如震级-序号法等）。由于假设不同，不同方法计算的Mc结果存在差异：震级-序号法可在地震发生后短期内有一个相对稳定的Mc结果；最大曲率（Maximum Curvature，MAXC）法是确定地震完备震级的常用方法；完整震级范围（Entire Magnitude Range，EMR）法对理论和实际地震目录的拟合效果较好［18-19］。

2.3.1震级-序号法

根据时间顺序对地震进行排序，用不同震级下的地震密度反映地震目录完整性变化，最小完整性震级Mc为地震密度较大的位置所对应的震级［20］。

2.3.2MAXC法

计算震级-累积频度分布曲线的一阶导数，一阶导数最大值对应的震级为最小完整性震级Mc，即曲率首次发生突变的点。在非震级-累积频度分布曲线中，最小完整性震级为地震数量最多时对应的震级。

2.3.3EMR法

3结果分析

3.1地震目录完备性分析

通过模板匹配方法对积石山地震序列重新检测，在震后21 d内共检测到1 412个地震，是测震台网地震目录的1.8倍，对积石山地震目录进行了完备性补充。在震后8 h内，通过模板匹配检测到136个遗漏地震，比测震台网地震目录报告增加了0.68倍。图6（a）表明模板匹配检测后的当日地震数量高于测震台网记录到的地震数量，地震数量随时间的推移呈现衰减趋势，主震后第一天检测到的地震数量最多，是震后第二天的4倍。从震级-地震数量分布直方图［图6（b）］来看，遗漏地震事件的震级大多在ML1.0以下。

根据积石山震源区模板匹配检测后2023年12月19日—2024年1月9日共21 d的地震目录，通过震级-序号法（图7）和最大曲率法（图8）计算得到积石山地震序列的最小完整性震级为ML1.0，较测震台网地震目录的ML1.4有所降低。

3.2地震活动性分析

G-R关系式（lgN=a-bM）在地震活动性研究中具有普适性，式中的b值反映了各震级下地震频次间的比例关系，b值大小与介质内部应力水平和接近强度极限的程度有关［22］。地震的时空分布、前震和余震、地震数量、震级跨度、最小完整性震级的准确选取都会影响b值计算的精确性［23］。相对准确的b值能为分析应力的空间分布和积累水平、评估活动断裂带地震危险性提供依据，是监视大地震孕育过程的手段之一［24］。

本文起始震级选择模板匹配前后的最小完整性震级，震级间隔为0.1，使用最大似然法计算本次地震发生后21 d内的b值。计算结果表明模板匹配检测后b值从0.75降到了0.74，检测前后b值的差异在误差范围内（图9）。

选取研究区域2013年1月1日—2024年3月26日测震台网目录中的地震，分析b值随时间的变化特征，结果表明：b值在震前略有升高，同震发生降低，震后出现小幅回升（图10）。b值时序特征可能反映了拉脊山断裂带应力积累和释放的过程，今后需继续关注该地区的地震活动。

4结论及讨论

为了对2023年积石山MS6.2地震目录进行完备性补充，本研究选取震中附近流动台站和固定数字测震台站震后21 d内记录的波形数据，利用模板匹配方法对积石山地震序列重新检测。

在主震后21 d内共检测到1 412次地震事件，使得该地震序列相较于原地震目录增加了612个地震，是原地震目录的1.8倍，证明模板匹配方法能有效完善地震目录，并为今后在积石山震源区开展地震活动性分析、研究地下速度三维结构、监测地震破裂之后的地壳形变等提供可靠的基础数据。

本研究利用震级-序号法、最大曲率法计算出积石山地震后21 d内地震目录最小完整性震级为ML1.0，利用最大似然法计算出积石山震源区的b值为0.74，相较于测震台网地震目录的ML1.4和0.75，均有所降低。

模板的选取对于地震检测结果有一定的影响，模板地震的震级跨度、数量和波形特征越多，通过模板匹配方法检测出的地震数量就越多。多种来源的波形观测数据也为模板匹配检测提供了更多的数据补充。本研究得到的地震目录只包含发震时刻和震级，今后将结合积石山震源区高精度三维速度结构，开展地震序列精定位研究，分析地震序列的时空分布特征，进一步探讨积石山地震的发震构造和孕震机理。参考文献（References）

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（本文编辑：赵乘程）