2017年九寨溝MS 7.0地震序列活動(dòng)特征分析

王鵬 侯金欣 吳朋

1）山東省地震局，濟(jì)南市歷城區(qū)港西路2066號(hào) 250102

2）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京市海淀區(qū)民族大學(xué)南路5號(hào) 100081

3）四川省地震局，成都 610041

0 引言

2017年8月8日21時(shí)19分，四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生MS7.0地震，震源深度20km。此次地震是繼2008年汶川MS8.0地震和2013年蘆山MS7.0地震之后在青藏高原東部邊緣發(fā)生的又一次破壞性地震，地震波及到四川、甘肅、青海、寧夏、陜西等省份，共造成24人死亡，近500人受傷（郭安寧等，2017）。地震發(fā)生在東昆侖斷裂帶東端、構(gòu)造轉(zhuǎn)換地區(qū)、呈帚狀分叉的次級(jí)走滑樹(shù)正斷裂帶上，向南東為雄黃山隆起區(qū)，其邊界斷裂為岷江斷裂、塔藏?cái)嗔?、雪山斷裂和虎牙斷裂等（袁道?yáng)等，2016）。此次地震為走滑型地震（USGS），發(fā)震斷層——樹(shù)正斷裂位于岷江斷裂帶與塔藏?cái)嗔阎虚g，地震時(shí)斷層向兩端破裂擴(kuò)展，北段向塔藏?cái)嗔逊较驍U(kuò)展，南段與虎牙斷裂貫通。該區(qū)歷史上地震活動(dòng)較為活躍，震中附近200km范圍內(nèi)共發(fā)生26次5級(jí)以上地震（高曙德等，2017）。

當(dāng)一次強(qiáng)震發(fā)生后，人們最關(guān)心的問(wèn)題莫過(guò)于震后是否還會(huì)有強(qiáng)余震或者更大的破壞性地震發(fā)生。對(duì)余震序列衰減特征以及早期序列參數(shù)特征的研究一直是地震學(xué)和地球物理學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題（蔣海昆等，2007）。余震序列衰減特征研究是震后趨勢(shì)判定、強(qiáng)余震預(yù)測(cè)和發(fā)震構(gòu)造分析等研究的重要組成部分，對(duì)于理解主震發(fā)震過(guò)程、分析地震危險(xiǎn)性和抗震救災(zāi)等工作具有重要作用（宋金等，2009）。余震序列的衰減特征和激發(fā)余震的能力可通過(guò)序列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)表征，由于震源區(qū)的孕震條件和物理狀態(tài)的不同，不同的構(gòu)造區(qū)域、序列類型、主震的震源機(jī)制類型、震源區(qū)局部構(gòu)造應(yīng)力水平及大地?zé)崃鞯鹊厍蛭锢硖卣鞫紩?huì)有不同的序列參數(shù)特征（Kagan et al，2010）。因此，深入分析強(qiáng)震的余震序列活動(dòng)特征具有重要的意義。

余震序列活動(dòng)特征主要包括序列時(shí)間演化、空間展布及強(qiáng)度分布特征等3個(gè)方面。其中，序列時(shí)間演化，一方面可基于b值、h值、k值等序列活動(dòng)參數(shù)判定早期發(fā)展趨勢(shì)（劉正榮等，1986；劉正榮，1984；朱傳鎮(zhèn)等，1989；吳開(kāi)統(tǒng)等，1996；馬玉虎等，2012；宋春燕等，2014）；另一方面可采用具有一定物理背景的統(tǒng)計(jì)模型，如修正的大森公式（Utzu，1961、1965；譚毅培等，2015a、2015b）、ETAS模型（Ogata，1988、1989、2001；蔣海昆等，2007；蔣長(zhǎng)勝等，2013）以及 BASS模型（Sheherbakov et al，2004；Turcotte et al，2007）等來(lái)判定。

地震目錄是研究余震序列衰減的基礎(chǔ)資料，目錄的完整性直接關(guān)系著研究結(jié)果的科學(xué)性和可信性。強(qiáng)震發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)往往伴隨著大量的余震事件，其地震波形受主震和強(qiáng)余震的尾波干擾，波形相互疊加，一些地震事件的震相難以清晰識(shí)別，因此，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震目錄往往會(huì)遺漏大量的地震事件。研究顯示，主震后短時(shí)間內(nèi)遺漏的余震可達(dá)到地震目錄給出余震數(shù)量的數(shù)倍甚至十幾倍（Peng et al，2007、2009；Lenglinéet al，2012；譚毅培等，2015c），如此大量的遺漏地震勢(shì)必會(huì)影響余震序列地震目錄的完整性，進(jìn)而影響以地震目錄為基礎(chǔ)的地震活動(dòng)性、發(fā)震構(gòu)造和發(fā)震機(jī)理等研究的可靠性。

基于波形互相關(guān)的模板匹配技術(shù)近期發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛。Gibbons等（2006）證實(shí)了模板匹配方法在微震檢測(cè)方面更有優(yōu)勢(shì)；Shelly等（2007）研究了非火山地脈動(dòng)與低頻地震間的關(guān)系；Schaff（2008）及Schaff等（2010）進(jìn)一步證實(shí)了在地震監(jiān)測(cè)中模板匹配方法的識(shí)別能力；Peng等（2009）完備了2004年 Parkfield地震的余震目錄并分析了余震的遷移特征；Yang等（2009）確認(rèn)了2008年 Illinois Monut CarmelMW5.8地震的斷層面；Meng等（2013）發(fā)現(xiàn)了2003年San SimeonM6.5地震之后Parkfield地區(qū)的地震活動(dòng)性與靜剪切應(yīng)力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；譚毅培等（2016）研究了灤縣震群的發(fā)震構(gòu)造；馬騰飛（2015）研究了2008年汶川地震序列中的“重復(fù)地震”；Zhang等（2015）實(shí)現(xiàn)了對(duì)朝鮮地區(qū)多次核爆位置的精確檢測(cè)。雖然模板匹配技術(shù)已成功應(yīng)用在地震學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域，但由于其計(jì)算量過(guò)于龐大，傳統(tǒng)的CPU計(jì)算會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，Meng等（2012）利用GPU并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)了模板匹配技術(shù)算法加速，并完備了2010年Mayor-CucapahMW7.2地震之后Salton Sea地區(qū)的地震目錄。

本文利用基于GPU加速的模板匹配技術(shù)來(lái)檢測(cè)九寨溝MS7.0地震前后的遺漏地震，再基于補(bǔ)充遺漏地震后的完備地震目錄，利用b值和Mc值對(duì)地震序列的時(shí)間演化特征進(jìn)行分析。

1 遺漏地震檢測(cè)

強(qiáng)震序列震后短時(shí)間內(nèi)波形相互交疊，不易標(biāo)識(shí)，容易造成大量余震的缺失。研究表明，西南地區(qū)的強(qiáng)震序列在震后5天以內(nèi)衰減的能量最為顯著，此后，激發(fā)次級(jí)余震的能力明顯減弱（郭路杰等，2014）。2017年8月8日九寨溝MS7.0地震發(fā)生之前，僅在8月7日發(fā)生1次1.5級(jí)地震，前震序列偏少。因此，為了考察完整的地震序列的活動(dòng)特征，本研究選取了主震前7天和主震后5天的連續(xù)波形進(jìn)行分析計(jì)算，所用數(shù)據(jù)為地震序列周邊的九寨溝臺(tái)（JZG）、若爾蓋臺(tái)（REG）、松潘臺(tái)（SPA）、平武臺(tái)（PWU）、舟曲臺(tái)（ZHQ）和文縣臺(tái)（WXT）等6個(gè)固定臺(tái)站記錄的三分量連續(xù)波形（圖1），數(shù)據(jù)采樣率為100Hz。

圖1 臺(tái)網(wǎng)目錄地震和臺(tái)站分布

模板匹配技術(shù)是在滑動(dòng)窗互相關(guān)（sliding-window cross-correlation，SCC）檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的（Yang et al，2009），是在低信噪比和稀疏臺(tái)網(wǎng)情況下提取信號(hào)的一種有效方法。模板匹配技術(shù)是以已知的震相清晰的地震事件作為模板，利用波形相關(guān)性，掃描連續(xù)波形數(shù)據(jù)，尋找與模板事件波形相似度高的一段連續(xù)波形作為新檢測(cè)事件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)遺漏地震的自動(dòng)識(shí)別和檢測(cè)。

利用研究時(shí)段內(nèi)臺(tái)網(wǎng)記錄到的1336個(gè)ML≥0地震事件作為候選模板，其中，最大震級(jí)為MS7.0。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值、去線性趨勢(shì)等預(yù)處理后，采用2～12Hz的Butterworth帶通濾波器濾波；利用震相報(bào)告中的P、S波到時(shí)計(jì)算模板事件的信噪比，舍棄信噪比小于5的模板事件，最終選取了滿足條件的1033個(gè)地震事件作為模板。利用P波、S波到時(shí)的前1～5s作為掃描窗長(zhǎng)，分別與被檢測(cè)連續(xù)波形的垂直分量和水平分量作互相關(guān)計(jì)算

其中，、y分別為x（t）、y（t）的均值；t0、t1為掃描時(shí)窗的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間；CC為互相關(guān)系數(shù)（cross-correlation coefficient，CC）。

將各臺(tái)站垂直、水平分量的CC值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別減去模板對(duì)應(yīng)的P、S波到時(shí)與連續(xù)波形起始時(shí)間之差，將各臺(tái)站、各分量的互相關(guān)系數(shù)序列進(jìn)行偏移后的疊加處理，最后，除以所用分量的有效個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算平均CC值，得到平均互相關(guān)系數(shù)波列。同時(shí)，計(jì)算CC值波列的絕對(duì)離差中位數(shù)（median absolute deviation，MAD），若平均CC值大于其閾值，則判定為1次地震事件。本文采用12倍MAD作為閾值（Peng et al，2009；譚毅培等，2014；侯金欣等，2017），考慮到采樣率為100Hz時(shí)，0.01s的移動(dòng)掃描間距會(huì)造成大量的誤檢測(cè)事件，因此，取2s內(nèi)相關(guān)系數(shù)最大的地震為檢測(cè)事件。

基于模板匹配方法的假設(shè)，檢測(cè)事件與模板事件具有相同的走時(shí)，由此得到檢測(cè)事件的時(shí)間。檢測(cè)事件的震級(jí)可以通過(guò)檢測(cè)事件與其對(duì)應(yīng)的模板事件在各臺(tái)站的水平分量上S波到時(shí)前2s至后2s內(nèi)的最大振幅比的平均值求得（圖2）。

圖2 模板匹配方法檢測(cè)遺漏地震示例

通過(guò)計(jì)算，共檢測(cè)到九寨溝地震序列2017年8月1～12日間的5887個(gè)地震事件，其中，包括1033個(gè)模板事件的自檢測(cè)，因此，共4854個(gè)檢測(cè)事件。中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的地震目錄共記錄到地震事件3057個(gè)，其中，可定位地震事件1460個(gè)，單臺(tái)事件1597個(gè)。由此可見(jiàn)，本文的檢測(cè)事件個(gè)數(shù)為臺(tái)網(wǎng)可定位地震個(gè)數(shù)的3倍多，共檢測(cè)到1797個(gè)遺漏地震事件，該數(shù)量遠(yuǎn)大于可定位地震和單臺(tái)事件的數(shù)量。單臺(tái)事件為震后僅在震中距最近的1個(gè)臺(tái)站能檢測(cè)到P、S波震相的地震事件，多出現(xiàn)在主震發(fā)生后較短的時(shí)間內(nèi)，是受強(qiáng)震后續(xù)震相干擾、余震波形相互重疊等因素的影響，因記錄的余震波形信噪比較低而造成的。此次地震序列的單臺(tái)事件數(shù)略大于可定位事件數(shù)，約占臺(tái)網(wǎng)目錄的52.2%，與譚毅培對(duì)岷縣漳縣MS6.6地震序列主震后1h內(nèi)單臺(tái)事件所占的比例一致（譚毅培等，2015b）。單臺(tái)事件震中缺失且震級(jí)可靠性較差，而檢測(cè)事件是基于多個(gè)臺(tái)站檢測(cè)到的地震事件，對(duì)震級(jí)的估計(jì)更為準(zhǔn)確，因此，基于補(bǔ)充了遺漏地震的地震目錄對(duì)地震序列的活動(dòng)特征進(jìn)行分析具有更強(qiáng)的科學(xué)性和可靠性。

將檢測(cè)到的遺漏地震補(bǔ)充到臺(tái)網(wǎng)目錄中（臺(tái)網(wǎng)目錄截至2017年9月30日），得到更加完整的地震序列目錄，這使得8月8日主震之前的前震序列更加豐富完整，而不僅是臺(tái)網(wǎng)目錄中記錄的1次地震（圖3）。從前震序列的演化可見(jiàn)，8月1日以來(lái)存在著地震活動(dòng)的平靜—增強(qiáng)過(guò)程，特別是主震前地震活動(dòng)短時(shí)間內(nèi)的增強(qiáng)，可能是應(yīng)力的積累導(dǎo)致震源區(qū)發(fā)生微小破裂所致，這一階段可能是深部更大的斷層發(fā)生破裂之前加速蠕動(dòng)的臨震階段（牛志仁，1978）。同時(shí)，主震后5天內(nèi)的余震序列目錄也更加完整，主要體現(xiàn)在0.0～1.0級(jí)震級(jí)檔的補(bǔ)充，遺漏地震事件大多集中在這一震級(jí)區(qū)間內(nèi)（圖3），而從震后5天以后的臺(tái)網(wǎng)目錄記錄地震的分布可見(jiàn)，0.0～1.0級(jí)震級(jí)區(qū)間的地震較震后5天內(nèi)的數(shù)量明顯增多，臺(tái)網(wǎng)目錄的完整性較好，因此，僅對(duì)震后5天作了遺漏地震檢測(cè)。從補(bǔ)充后的整個(gè)地震序列來(lái)看，震級(jí)主要集中在1.0～2.0級(jí)區(qū)間內(nèi)，地震頻次的統(tǒng)計(jì)也呈現(xiàn)較好的正態(tài)分布。

圖3 地震序列震級(jí)-時(shí)間（a）和震級(jí)-頻度（b）分布

2 地震目錄完備性分析

地震目錄是進(jìn)行地震活動(dòng)性分析、活動(dòng)構(gòu)造研究、地震預(yù)測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)估的重要基礎(chǔ)資料（徐偉進(jìn)等，2014），而地震目錄的質(zhì)量則依賴于研究區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的檢測(cè)能力。完備震級(jí)Mc是國(guó)際上普遍采用的評(píng)估地震臺(tái)網(wǎng)檢測(cè)能力的定量標(biāo)準(zhǔn)，通常被定義為在一個(gè)時(shí)空范圍內(nèi)，地震能被臺(tái)網(wǎng)100%監(jiān)測(cè)到的最小震級(jí)（Rydelek et al，1989）。假設(shè)地震的發(fā)生是自相似過(guò)程，則觀測(cè)到的地震累積發(fā)生頻率應(yīng)滿足G-R定律。在震級(jí)較大處，地震發(fā)生頻率偏離線性G-R定律，其原因可能是因大地震數(shù)目太少而引起的隨機(jī)波動(dòng)或特征地震現(xiàn)象（黃亦磊等，2016）。而小震級(jí)處的偏離，則被解釋為臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力的不足造成震級(jí)小于完備震級(jí)的地震事件可能未被臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)而在地震臺(tái)網(wǎng)目錄中被遺漏，導(dǎo)致地震目錄的不完備，從而影響到基于地震目錄的相關(guān)研究結(jié)果的可靠性（李智超等，2014）。而通過(guò)檢測(cè)遺漏地震來(lái)補(bǔ)充地震臺(tái)網(wǎng)目錄，則會(huì)使得地震目錄更加完備（Schaff，2008），更有利于提高分析結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。

本文利用最大曲率法 MAXC（The Maximum Curvature technique）（Wiemer et al，2000）和擬合優(yōu)度測(cè)試法 GFT（The Goodness of Fit Test）（Wiemer et al，2000）分析地震序列的完備震級(jí)，其中，最大曲率法選取震級(jí)-頻率曲線中斜率最大值所對(duì)應(yīng)的震級(jí)作為Mc。在實(shí)際中，這個(gè)震級(jí)往往對(duì)應(yīng)非累積震級(jí)-頻率分布中擁有最多地震數(shù)目的震級(jí)。而擬合優(yōu)度法則是通過(guò)計(jì)算不同假定起始震級(jí)與 G-R關(guān)系間的擬合情況來(lái)確定起始震級(jí)的方法。

圖4 2017年8月1～12日2種不同目錄頻次及b值對(duì)比

通過(guò)最大曲率法對(duì)8月1～12日的檢測(cè)目錄和臺(tái)網(wǎng)目錄進(jìn)行分析（圖4）。由圖4可見(jiàn)，檢測(cè)目錄的頻次明顯大于臺(tái)網(wǎng)目錄，但非累計(jì)頻次與震級(jí)的關(guān)系均顯示2種目錄在1.2級(jí)處記錄的地震頻次最高，因此，完備震級(jí)都是1.2級(jí)。利用最大似然法對(duì)累計(jì)頻度與震級(jí)的擬合發(fā)現(xiàn)，完備震級(jí)也相差不大，檢測(cè)目錄為1.2級(jí)，臺(tái)網(wǎng)目錄為1.3級(jí)。檢測(cè)目錄擬合得到的b值為0.8558，略高于臺(tái)網(wǎng)目錄的0.7682（圖4）。由于擬合優(yōu)度法對(duì)于每一個(gè)震級(jí)下限都采用最似然估計(jì)計(jì)算，因此，在處理臺(tái)網(wǎng)探測(cè)地震能力隨震級(jí)變化較快和有不均勻性的地震目錄時(shí)更加有優(yōu)勢(shì)。在擬合優(yōu)度測(cè)試法的結(jié)果中，檢測(cè)目錄的完備震級(jí)為1.4級(jí)，小于臺(tái)網(wǎng)目錄的1.6級(jí)（圖5）。研究表明，主震后短時(shí)間內(nèi)記錄的單臺(tái)事件給出的震級(jí)明顯偏低（譚毅培等，2005b）。2種目錄的完備震級(jí)相差不大，可能是因?yàn)榇罅繂闻_(tái)事件的加入使得臺(tái)網(wǎng)目錄在小震級(jí)區(qū)間內(nèi)的地震數(shù)增多，使得完備震級(jí)被低估。

圖5 擬合優(yōu)度測(cè)試法計(jì)算的2種目錄的完備震級(jí)

3 序列活動(dòng)特征分析

基于補(bǔ)充了遺漏地震的完整地震目錄（截至2017年9月30日），以天為單位，逐漸增大統(tǒng)計(jì)時(shí)窗，分別利用擬合優(yōu)度法和最大似然法計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)段的完備震級(jí)和b值，分析余震序列的完備震級(jí)和b值隨時(shí)間的演化特征。主震發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)的完備震級(jí)較高，出現(xiàn)3.5級(jí)的突跳，這可能與主震尾波的嚴(yán)重干擾有關(guān)，隨著時(shí)間的推移，完備震級(jí)緩慢降低并趨于穩(wěn)定，在1.2級(jí)左右波動(dòng)，且呈現(xiàn)準(zhǔn)周期的波動(dòng)（圖6），這可能與晚間噪聲水平較低有關(guān)（侯金欣等，2017）。

圖6 地震序列完備震級(jí)和b值隨時(shí)間的演化

研究表明，b值與研究區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)（Chan et al，2012；易桂喜等，2011）等因素有關(guān)，序列的低b值反映了震源區(qū)的高應(yīng)力狀態(tài)。主震前的低b值反映了震源區(qū)應(yīng)力積累到了較高的水平，伴隨著主震前地震的密集增強(qiáng)后而發(fā)震，此時(shí)可能正處于主震前應(yīng)力加速釋放的臨震階段。主震發(fā)生后，隨著震源區(qū)應(yīng)力的釋放，b值快速升高，8月15日以后逐漸平緩，在0.5左右波動(dòng)，并仍有緩慢升高的趨勢(shì)（圖6），表明余震序列的衰減過(guò)程減緩，而該區(qū)的背景b值為1.0左右（易桂喜等，2011），說(shuō)明余震序列仍會(huì)在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于衰減的狀態(tài)。

4 討論與結(jié)論

本文利用模板匹配技術(shù)，結(jié)合 GPU并行運(yùn)算加速，識(shí)別了 2017年 8月 8日九寨溝MS7.0地震序列在主震前7天和震后5天的遺漏地震，檢測(cè)地震事件數(shù)量是臺(tái)網(wǎng)可定位地震事件的3倍多，將余震的完備震級(jí)從1.6下降到1.4級(jí)，并基于補(bǔ)充了遺漏地震的完整地震目錄，分析了余震序列的活動(dòng)特征。

以九寨溝MS7.0地震為中心，對(duì)半徑為100km的范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2008年汶川MS8.0地震后地震活動(dòng)開(kāi)始明顯增強(qiáng)，尤其是2013年蘆山MS7.0地震以來(lái)地震活動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，一直處于較活躍狀態(tài)。但2017年以來(lái)，該區(qū)域地震活動(dòng)明顯減弱，特別是3月之后，地震活動(dòng)處于低活動(dòng)背景，這與傳統(tǒng)意義上強(qiáng)震前地震活動(dòng)由增強(qiáng)到平靜的過(guò)程相符。

從完備目錄的震級(jí)-時(shí)間分布來(lái)看，此次地震序列為前震-主震-余震型。前震序列存在平靜—增強(qiáng)的過(guò)程，特別是主震前的地震活動(dòng)短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)，明顯高于該區(qū)域2017年以來(lái)每天1次的地震日次均值，這種高于背景地震活動(dòng)水平的增強(qiáng)可能是應(yīng)力的積累導(dǎo)致震源區(qū)發(fā)生微小破裂所致，這一階段可能是深部更大的斷層發(fā)生破裂之前加速蠕動(dòng)的臨震階段。與之對(duì)應(yīng)，主震前序列的b值處于低值水平，表明了震源區(qū)處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，而主震發(fā)生后b值隨時(shí)間的推移快速回升，維持在0.5左右，仍存在緩慢升高的趨勢(shì)。與之相反，序列的完備震級(jí)在主震發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高值，這可能與主震尾波的嚴(yán)重干擾有關(guān)，隨后，完備震級(jí)緩慢降低并逐漸穩(wěn)定在1.2級(jí)左右。與該區(qū)域1.0的背景b值相比，目前序列的b值仍處于低值水平，從b值緩慢升高的趨勢(shì)來(lái)看，余震序列仍會(huì)在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間處于衰減的狀態(tài)。

本文僅對(duì)九寨溝MS7.0地震序列震前、震后幾天的連續(xù)波形進(jìn)行掃描，并基于發(fā)震前后幾天的完備目錄結(jié)合b值進(jìn)行初步分析。對(duì)于序列衰減系數(shù)和其他地震參數(shù)的分析，以及對(duì)于前震序列的相關(guān)推斷的論證，將在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。