浙江珊溪水庫重復(fù)地震事件研究

李 俊，陳智偉，李金龍，鄒振軒，于俊誼，俞鐵宏

(1.浙江省地震局，浙江 杭州 310013；2.溫州地震臺(tái)，浙江 溫州 325015）

0 前言

隨著國家 “九五”、 “十五”和 “十一五”計(jì)劃期間，浙江省完成了幾十個(gè)地震臺(tái)站數(shù)字化建設(shè)，這為地震工作和地震學(xué)研究提供了良好的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)。地震數(shù)字化和地震臺(tái)站的加密建設(shè)對(duì)中小地震監(jiān)測(cè)能力有著很大的提高，也大大的豐富了地震事件的記錄。

巖石物理實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)都表明，斷裂帶在地震前后經(jīng)歷了較大的應(yīng)力變化，會(huì)造成斷裂帶巖石中微裂隙的增加[1～4]。而地震學(xué)研究中對(duì)波速變化測(cè)量對(duì)地震預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作也有有著重要的意義，而波速變化的測(cè)量是往往通過重復(fù)測(cè)量相同路徑上的地震波走時(shí)來實(shí)現(xiàn)的，只有保證震源的重復(fù)性，才能進(jìn)行有效的波速變化測(cè)量。除了利用人工震源之外，近年的研究表明重復(fù)地震也可為我們進(jìn)行波速變化測(cè)量提供了一個(gè)途徑，因此近年來國際國內(nèi)對(duì)重復(fù)地震的研究也越來越廣泛。

1 研究現(xiàn)狀

“重復(fù)地震”很早就已提出[5]，近年來開始引起越來越多的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于地下介質(zhì)物性變化測(cè)量[6]、地震預(yù)測(cè)[7]、斷層結(jié)構(gòu)和震源物理研究等[8、9]。 “重復(fù)地震”對(duì)于地震臺(tái)網(wǎng)定位能力的評(píng)估和改善具有重要的實(shí)際意義[10～13]，不僅可用來估計(jì)臺(tái)網(wǎng)的定位精度，而且在地震"復(fù)發(fā)"和滑動(dòng)速率估計(jì)方面[14～16]，在檢測(cè)地下介質(zhì)性質(zhì)的時(shí)間變化方面[17～22]都顯示出值得關(guān)注的應(yīng)用潛力。尤其值得注意的是，近年來的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是， “重復(fù)地震”在地震活動(dòng)中看來并不是罕見的特例。例如，一個(gè)有代表性的工作是Schaff和Richards[23]給出的中國大陸及周邊地區(qū)1987～2000年的1301次地震組成的950對(duì) “重復(fù)地震對(duì)”，這些地震占同期同地全部地震總數(shù)的10%，而國內(nèi)有人近年的研究結(jié)果則是更多。

重復(fù)地震在地震斷層附近多有發(fā)生，一般具有相似的震級(jí)和極為相似的波形和震源機(jī)制[24、25]。多數(shù)研究人員認(rèn)為，重復(fù)地震的發(fā)生同介質(zhì)穩(wěn)滑區(qū)域內(nèi)的凹凸體有關(guān)[26]。在美國的Parkfield斷層[27]、Calaveras斷層[28]、Hayward斷層[29]、 土耳其的North Aantolian斷層[30]以及日本的的俯沖帶[31、32]都發(fā)現(xiàn)有重復(fù)地震。中國唐山震區(qū)、云南小江斷裂帶以及臺(tái)灣東部地區(qū)也都發(fā)現(xiàn)大量重復(fù)地震[33～36]。Schaff and Richards[25]的研究表明，中國境內(nèi)發(fā)生的地震約有10%為重復(fù)地震，Schaff等對(duì)重復(fù)地震的定義即一對(duì)地震事件被至少一個(gè)臺(tái)站記錄到的波形的相關(guān)系數(shù)不小于0.8。本文與之相關(guān)研究中的重復(fù)地震均采用這一定義，并稱其為波形相似意義上的重復(fù)地震。重復(fù)地震被廣泛應(yīng)用于地下介質(zhì)物性變化測(cè)量,地震預(yù)測(cè)和臺(tái)網(wǎng)定位精度評(píng)估[37～39]。在斷層行為和震源物理研究中，重復(fù)地震也得到了廣泛的應(yīng)用。

2 地震數(shù)據(jù)

珊溪水庫于2000年5月下閘蓄水，2002年7月28日庫區(qū)發(fā)生3.5級(jí) （為ML震級(jí)，下同）地震后，每年都有地震活動(dòng)，到2012年止，庫區(qū)記錄到ML≥1.0級(jí)地震共1 300多次，其中2.0～2.9級(jí)243次，3.0～3.9級(jí)46次，4.0級(jí)以上13次，最大為2006年2月9日4.6級(jí)。根據(jù)浙江省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，地震全部發(fā)生在大壩上游的文成縣珊溪鎮(zhèn)與泰順縣包垟鄉(xiāng)交界處水庫庫區(qū)，震中集中分布在一個(gè)由北西走向和北東走向斷裂圍限的小菱形塊體（約 7×9 km）內(nèi)， 震源深度為 1～10 km(圖 1)[40～43]。

當(dāng)兩個(gè)地震事件在同一臺(tái)站顯示幾乎相同的地震波形圖時(shí)，便構(gòu)成重復(fù)地震，兩者不僅應(yīng)具有相同的震源位置，還要具有一樣的震源機(jī)制，本文認(rèn)為，如果在同一地點(diǎn)發(fā)生，震源深度相當(dāng)，波形又相似，則可以認(rèn)為震源機(jī)制相同或者相近，因此本文只從波形的相似度上來考慮地震的相似性和重復(fù)性。

3 地震對(duì)整理

本文對(duì)珊溪水庫的地震事件進(jìn)行截取、挑選、震相標(biāo)記和濾波處理后，再對(duì)事件波形進(jìn)行兩兩互相關(guān)處理。波形互相關(guān)方法[24]可用來檢測(cè)地震波形之間的相似性，Schaf等也因此將在P波之前5 s至 波之后40 s的時(shí)間窗內(nèi)具有0.8以上相關(guān)系數(shù)的兩地震事件定義為重復(fù)地震。

互相關(guān)計(jì)算公式：

上式中，f1(t)和f2(t)分別為重復(fù)地震對(duì)的兩個(gè)不同的波形時(shí)間序列，τ為互相關(guān)函數(shù)計(jì)算中的時(shí)間延遲，C（τ）為計(jì)算的互相關(guān)函數(shù)。

本文選擇了記錄歷史較長(zhǎng)的HT(黃坦)臺(tái)和WEZ(溫州)臺(tái)的記錄進(jìn)行處理和重復(fù)地震挑選，最終得到這兩個(gè)臺(tái)站記錄的重復(fù)地震對(duì)。

由于WEZ臺(tái)距離震中區(qū)域200多公里，因此能清晰記錄的地震事件波形對(duì)震級(jí)要求相對(duì)高一些，對(duì)WEZ臺(tái)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到了55個(gè)ML3.0級(jí)左右的地震事件，對(duì)這些事件進(jìn)行處理和互相關(guān)分析后，得到了圖3的結(jié)果。選取相關(guān)系數(shù)為0.8以上的地震事件對(duì)，則55個(gè)地震中有40個(gè)，分為13組相似地震對(duì)，如果設(shè)相關(guān)系數(shù)閥值為0.9時(shí)，則有21個(gè)，分為8組相似地震對(duì)。

圖1 珊溪水庫地震震中分布圖Fig.1 Epicenter distribution of Shanxi reservoir earthquakes

圖2 兩地震事件波形互相關(guān)方法示意圖Fig.2 Diagram of waveform cross-correlation method for two earthquake events

圖3 WEZ(溫州)臺(tái)重復(fù)地震簇結(jié)果Fig.3 Clusters of repeated earthquakes recorded by WEZ station

黃坦臺(tái)建臺(tái)較早，在本研究中，我們挑選了黃坦臺(tái)數(shù)據(jù)質(zhì)量好，震級(jí)在ML2.0以上的223個(gè)地震事件，經(jīng)過Pg震相標(biāo)定，濾波等常規(guī)處理后，對(duì)223個(gè)地震事件進(jìn)行了兩兩互相關(guān)計(jì)算，然后根據(jù)聚類算法，挑選得到重復(fù)地震對(duì)。經(jīng)計(jì)算，其中設(shè)定相關(guān)系數(shù)閥值為0.85時(shí)，有湊對(duì)的相似地震144個(gè)，占總數(shù)223個(gè)的64.5%；對(duì)比相似地震對(duì)的原始地震波形發(fā)現(xiàn)，基本上相似地震對(duì)的垂直向P波初動(dòng)方向也是一致的。圖4(a)則為相關(guān)系數(shù)閥值為0.9的重復(fù)地震對(duì)，共有106個(gè)，占47.5%，圖4(b)為其中典型的地震對(duì)波形比較；說明珊溪水庫地震群的相似度比較高，地震重復(fù)率比較高。

圖5為不同時(shí)期的地震對(duì)比較，其中圖5(a)為2010年一組相似地震，5(b)為2006年和2007年的相似地震，結(jié)合圖4，可以看出在不同時(shí)期發(fā)生的相似地震組，其波形不一樣，這說明了這些地震組的發(fā)震機(jī)制或者區(qū)域介質(zhì)有著較大的變化，可根據(jù)震源機(jī)制解和水庫庫區(qū)的水位等數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析和推斷。

4 分析與討論

圖4 黃坦臺(tái)地震對(duì)結(jié)果（a)和典型地震對(duì)波形圖(b)Fig.4 Clusters of repeated earthquakes recorded by HT station（a)and seismic waveforms of typical repeated earthquakes(b)

圖5 HT臺(tái)相似地震對(duì)比較Fig.5 Comparison of similar earthquakes recorded by HT station

從本次珊溪水庫中小地震事件的重復(fù) (相似)地震的處理結(jié)果來看，發(fā)震時(shí)間相近的地震相似度較高，時(shí)間尺度相距較長(zhǎng)則相似率較低。

重復(fù)地震的研究主要為了進(jìn)一步得到介質(zhì)的狀態(tài)變化，主要為波速的變換，但是由于記錄時(shí)間不夠長(zhǎng)，地震數(shù)目也比較少，特別是2008年后發(fā)生的數(shù)量較少，因此暫時(shí)得不到較長(zhǎng)時(shí)間段的介質(zhì)變化，有待更長(zhǎng)周期的研究。另外，在研究時(shí)間范圍內(nèi)，臺(tái)站有改造搬遷，其中黃坦 (HT)臺(tái)曾經(jīng)在2007年移過位置，與原先臺(tái)站距離1 km左右，這對(duì)結(jié)果也會(huì)造成一定的影響。WEZ(溫州)臺(tái)由于臺(tái)站建立時(shí)間較長(zhǎng)，隨著儀器老化信噪比降低，監(jiān)測(cè)能力有所下降，導(dǎo)致不能清晰記錄2009年后的2～3級(jí)地震波形。

本文的研究雖然結(jié)合了相似地震對(duì)的P波初動(dòng)來進(jìn)一步判斷重復(fù)性，但是如果今后能結(jié)合事件震源機(jī)制解的研究，對(duì)判斷和研究重復(fù)地震將更有意義，結(jié)合尾波干涉的方法更可較精確的測(cè)定波速的變化，從而對(duì)地震預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作提供更大的幫助。

致謝：感謝中國地震局地球物理研究所王偉濤同志的幫助與指導(dǎo)。

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