敖漢旗地區(qū)震群精定位及其空間分布特征

張建中 張珂 郝美仙 張暉 王鑫 翟浩

內(nèi)蒙古地震局，呼和浩特 010010

0 引言

地震定位的目的在于給出已發(fā)地震的發(fā)震時(shí)刻與震源位置(經(jīng)度、緯度、深度)，這些地震參數(shù)的確定不僅是進(jìn)行地震預(yù)報(bào)、研究地震活動(dòng)構(gòu)造與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)等地震學(xué)問題的基礎(chǔ)，也是開展地震應(yīng)急、震后減災(zāi)與救災(zāi)、震后地震趨勢(shì)預(yù)測(cè)等工作的關(guān)鍵(田玥等，2002；楊文東等，2005)，為獲取更加精確的地震定位結(jié)果，開展地震定位研究工作必不可少。獲取地震定位結(jié)果后，一般通過2種方法來判斷定位結(jié)果的質(zhì)量：①F統(tǒng)計(jì)法，利用殘差分布置信橢圓計(jì)算定位誤差；②V2統(tǒng)計(jì)法，通過由震相讀取和觀測(cè)走時(shí)得到的先驗(yàn)誤差而繪制的分布橢圓計(jì)算定位誤差(Bondr et al，2006)。若要進(jìn)一步提高地震定位結(jié)果的精度，還需了解地震臺(tái)站布局、地震定位方法以及地殼速度模型等因素如何影響地震的定位精度。

通常，一個(gè)地區(qū)建成的測(cè)震臺(tái)站數(shù)量越多、臺(tái)站分布越均勻，那么對(duì)該區(qū)地震的定位結(jié)果也會(huì)越精確。對(duì)于臺(tái)站個(gè)數(shù)與臺(tái)站布局已經(jīng)固定的區(qū)域來說，在開展定位工作時(shí)，所選取的地震定位方法與速度結(jié)構(gòu)模型則是影響該區(qū)地震定位精度的重要因素。當(dāng)前，地震定位方法可歸納為基于波形偏移與基于震相到時(shí)兩類方法。我國(guó)各省級(jí)區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)普遍采用的地震分析軟件MSDP，其地震定位方法主要是基于波形偏移原理的絕對(duì)定位法，包括單純型定位法、Hypo2000、Hyposat、Locsat與自適應(yīng)演化算法等方法。單純型方法是臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行近震、地方震定位的常用方法，具有較好的定位效果(韓煒等，2001；張炳等，2012；王桂丹，2016；謝石文等，2018)，而Hypo2000方法由于其可對(duì)特定研究區(qū)配置相應(yīng)的水平速度模型，也被廣為使用(傅鶯等，2010；謝輝等，2011；張炳等，2012；金春華等，2015；王承偉等，2016；管勇等，2017；楊選等，2018)。但由于Hypo2000方法對(duì)速度模型具有較強(qiáng)的依賴性，只有當(dāng)速度模型的精度較高時(shí)，其定位結(jié)果才更加可靠。為了減少地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)定位的影響，有學(xué)者提出了基于相對(duì)定位原理的雙差方法(Waldhauser et al，2000)，該方法通過地震事件的走時(shí)差來反演震源位置，消除了震源到臺(tái)站間的路徑效應(yīng)，能夠得到精度較高的震源相對(duì)位置，對(duì)速度模型的敏感度不高，具有較高的應(yīng)用頻率與較好的發(fā)展前景(楊智嫻等，2003；王平等，2006；華衛(wèi)等，2006；黃媛等，2006、2008；劉勁松等，2007；陳翰林等，2009；房立華等，2011；李紅光等，2015；曾憲偉等，2017；姜金鐘等，2019)。

赤峰-通遼地區(qū)是內(nèi)蒙古自治區(qū)中強(qiáng)地震活動(dòng)集中區(qū)域之一，曾發(fā)生3次6.0級(jí)以上地震事件，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育有赤峰-開源、八里罕等多條深部斷裂，中強(qiáng)以上地震發(fā)震機(jī)理尚不明確。位于赤峰市東南部的敖漢旗，頻繁發(fā)生小震叢集活動(dòng)，2018—2019年期間記錄到105次地震，占該時(shí)段內(nèi)蒙古地區(qū)地震數(shù)量的57%。精確的地震定位信息是研究發(fā)震構(gòu)造的基礎(chǔ)，因此，開展敖漢旗震群的定位研究工作具有重要的應(yīng)用價(jià)值(孫繼忠，1985；韓曉明等，2009；李冬梅等，2011；薛艷等，2017)。

為更加客觀真實(shí)地呈現(xiàn)小震序列的空間分布特征，本文擬分別采用單純型定位方法、Hypo2000定位方法與雙差定位方法對(duì)敖漢旗2018—2019年的震群進(jìn)行重新定位和對(duì)比分析，以期能夠在提高震群定位精度的基礎(chǔ)上，挖掘出敖漢旗震群在三維空間的定位信息，最終結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)背景，分析敖漢旗震群的孕育發(fā)生機(jī)理。

1 研究區(qū)地震地質(zhì)概況

赤峰市地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，北、西方向與內(nèi)蒙古錫林郭勒盟毗鄰，南接河北省承德市與遼寧省朝陽市，東鄰內(nèi)蒙古通遼市(圖1(a))。從地質(zhì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐?，赤峰地區(qū)屬于大興安嶺隆起帶與燕山隆起帶的交匯區(qū)域，主要發(fā)育2個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元(中朝準(zhǔn)地臺(tái)和天山-蒙古-興安地槽褶皺系)和1個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(內(nèi)蒙地軸)(韓曉明等，2009)，該區(qū)分布的主要斷裂有赤峰-開源斷裂、八里罕斷裂等，這些斷裂交錯(cuò)分布，地殼介質(zhì)相對(duì)破碎，易發(fā)生小震叢集活動(dòng)。

圖1 赤峰市敖漢旗2018—2019年期間地震分布情況

敖漢旗位于赤峰市東南部，是赤峰地區(qū)地震叢集活動(dòng)最為頻繁的區(qū)域。根據(jù)內(nèi)蒙古測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄，2018—2019年敖漢旗共發(fā)生105次地震(不包括單臺(tái)記錄事件)(圖1(b))，其中震級(jí)最大為ML4.0，有3次小震群叢集活動(dòng)(圖1(c))，分別為：①2018年2月7日—3月7日，共35次地震，最大震級(jí)為ML3.7；②2018年12月1—11日，共18次地震，最大震級(jí)為ML3.5；③2019年2月1—26日，共22次地震，最大震級(jí)為ML3.3。選取這3次震群(42.1°N～42.4°N，119.5°E～120.6°E)，對(duì)震群內(nèi)75條地震的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查，確保每條事件被至少3個(gè)臺(tái)站記錄到，且震相記錄清晰?；诖?，完成所有地震事件的震相分析與重定位工作。參與重定位的臺(tái)站共29個(gè)(14個(gè)區(qū)內(nèi)臺(tái)，15個(gè)區(qū)外臺(tái))，臺(tái)站分布均勻，能夠較好地包圍敖漢旗震群(圖1(a))。

2 定位方法與地殼速度模型

2.1 單純型定位方法

單純型方法(Nelder et al，1965)的定位過程是在n維空間內(nèi)不斷尋求目標(biāo)函數(shù)最小值，獲取最優(yōu)解的過程。該方法主要計(jì)算過程為：首先在空間內(nèi)構(gòu)建一個(gè)由n+1個(gè)頂點(diǎn)組成的多面體，然后求取各頂點(diǎn)的函數(shù)值，并互相對(duì)比，以優(yōu)質(zhì)頂點(diǎn)代替較差頂點(diǎn)，再計(jì)算下一頂點(diǎn)函數(shù)值，并與上一優(yōu)質(zhì)點(diǎn)對(duì)比，選出更為優(yōu)質(zhì)的頂點(diǎn)，以此重復(fù)計(jì)算、對(duì)比、取優(yōu)去劣，最終尋出最優(yōu)頂點(diǎn)，以獲取最佳定位結(jié)果(張炳等，2012)。單純型方法的定位關(guān)鍵在于采用反射(P1R)、擴(kuò)展(P1E)、收縮(P1S)與壓縮(P1C)的計(jì)算方法來改變頂點(diǎn)(圖2)，通過不斷求取擴(kuò)展點(diǎn)、改進(jìn)擴(kuò)展點(diǎn)以及與極大點(diǎn)函數(shù)值對(duì)比，從而避免振動(dòng)現(xiàn)象，提高尋優(yōu)速度，迅速找到準(zhǔn)確解。

圖2 單純型方法定位原理示意圖(二維空間)

2.2 Hypo2000定位方法

Hypo2000方法(Klein，2002)繼承Geiger定位思想，基于假定的地震位置，求取觀測(cè)到時(shí)與理論到時(shí)的時(shí)間差，不斷迭代，搜尋時(shí)間差的最小值，從而確定發(fā)震位置。具體實(shí)現(xiàn)過程為：在假定的發(fā)震位置(x，y，z)附近求取走時(shí)T的一級(jí)泰勒展開式

T′=T+?T/?x(x′-x)+?T/?y(y′-y)+?T/?z(z′-z)

(1)

其中，T為相對(duì)于(x，y，z)附近一點(diǎn)(x′，y′，z′)的實(shí)際走時(shí)。根據(jù)地震臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立并求解觀測(cè)方程組。在求解過程中，直接將方程組降維，通過奇異值使其分解，無需簡(jiǎn)化為正規(guī)形式。該方法在計(jì)算過程中能夠根據(jù)不同區(qū)域選用不同的水平分層速度模型。

2.3 雙差定位方法

雙差方法(Waldhauser et al，2000)的定位原理是利用2個(gè)地震事件到同一臺(tái)站的走時(shí)差的殘差來進(jìn)行定位。當(dāng)2個(gè)事件間的距離遠(yuǎn)小于其到臺(tái)站的距離時(shí)，一般認(rèn)為這2個(gè)事件到臺(tái)站的傳播路徑是相同的，那么其被同一臺(tái)站記錄的走時(shí)差實(shí)際就是這2個(gè)事件空間位置不同的體現(xiàn)，因此，雙差定位方法其實(shí)是一種相對(duì)定位法(Got et al，1994；劉勁松等，2007)。

雙差方法的基本算法表達(dá)式為

drkij=(tki-tkj)obs-(tki-tkj)cal

(2)

其中，i、j代表2個(gè)地震事件，k為地震臺(tái)站，t為地震波走時(shí)，obs、cal分別表示觀測(cè)值與理論值。若事件i、j間的距離遠(yuǎn)小于其到地震臺(tái)站k的距離時(shí)，式(2)可寫為

(3)

式中，(Δx，Δy，Δz，Δτ)為震源參數(shù)的擾動(dòng)量。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)立所有事件對(duì)與每一個(gè)臺(tái)站間的雙差方程，得到線性方程組，對(duì)其求解，從而獲取各地震相對(duì)位置。

雙差定位程序主要分為震相預(yù)處理程序ph2dt與定位主程序hypoDD(趙云峰，2011)。具體定位過程為：首先通過預(yù)處理程序ph2dt將絕對(duì)定位方法得到的P和S波震相(到時(shí))轉(zhuǎn)換成雙差主程序hypoDD的輸入(事件對(duì)的走時(shí))，該過程通過設(shè)置最小權(quán)值、最大距離、搜索半徑、鄰居上限、最小連接、最少震相與最多震相7個(gè)參數(shù)，控制地震事件對(duì)的建立；然后將ph2dt生成的滿足要求的事件對(duì)目錄(event.sel文件)與事件的走時(shí)差數(shù)據(jù)(ct.dat文件)加載到hypoDD程序內(nèi)，并運(yùn)行該主程序，即可得到雙差的地震定位結(jié)果(hypoDD.reloc文件)。

2.4 地殼速度模型

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域分布較廣，東西狹長(zhǎng)，地質(zhì)構(gòu)造很不均勻，地下結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，對(duì)內(nèi)蒙古局部地區(qū)地震進(jìn)行精確定位時(shí)，需選擇符合該區(qū)域地下結(jié)構(gòu)的速度模型。本文研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部，為燕山山地向遼河平原的過渡地帶，地形整體呈ES向WN逐漸傾斜的特點(diǎn)。趙艷紅等(2018)提出了內(nèi)蒙古東部地區(qū)一維地殼速度結(jié)構(gòu)模型(表1)，該模型經(jīng)過東部地區(qū)地震事件與爆破事件的多次檢驗(yàn)，與該地區(qū)地下構(gòu)造較為吻合，因此本文基于該速度模型對(duì)敖漢旗地區(qū)震群進(jìn)行重定位工作。

表1 內(nèi)蒙古東部地區(qū)一維地殼速度結(jié)構(gòu)模型

3 定位結(jié)果分析

3.1 絕對(duì)定位結(jié)果對(duì)比

基于相同臺(tái)站與相同震相數(shù)據(jù)，分別利用單純型方法與Hypo2000方法對(duì)敖漢旗3次震群內(nèi)的75條地震事件進(jìn)行重定位。根據(jù)走時(shí)殘差均方根值(RMS)的分布情況(圖3)，單純型定位法的RMS主要分布于0.2～0.5s之間，平均為0.34s，最大可達(dá)0.85s，而Hypo2000定位法的RMS集中于0.1～0.4s，平均為0.21s，最大0.65s，說明Hypo2000方法的定位結(jié)果比單純型方法的結(jié)果更為合理。從震中分布情況(圖4(a))可以看出，2種方法的震中分布范圍相對(duì)一致，Hypo2000的地震分布比單純型結(jié)果更為收斂，震群內(nèi)73%的地震相對(duì)密集地分布于赤峰-開源斷裂的北側(cè)，沿近NW-SE方向展布，27%的地震呈簇狀分布于赤峰-開源斷裂南側(cè)。根據(jù)2種方法對(duì)同一地震事件定位結(jié)果的偏差統(tǒng)計(jì)(圖4(b))，震中偏移值主要集中在4km內(nèi)，平均約2.88km，偏差達(dá)10km以上的地震僅有1個(gè)，說明2種方法得到的敖漢旗震群定位結(jié)果相對(duì)吻合，也進(jìn)一步表明得到的重定位結(jié)果較為可靠。

圖3 單純型方法(a)與Hypo2000方法(b)定位敖漢旗震群的走時(shí)殘差均方根值分布情況

圖4 單純型方法與Hypo2000方法計(jì)算的敖漢旗震群分布(a)與其震中差距分布情況(b)

圖5給出了根據(jù)單純型方法與Hypo2000方法得到的震源深度結(jié)果，2種方法的震源深度結(jié)果比較分散，但優(yōu)勢(shì)分布明顯，均有92%的地震事件分布在1～13km，其中最大深度均在20km內(nèi)。相比單純型方法，Hypo2000方法的震源深度結(jié)果更為穩(wěn)定與集中。單純型方法和Hypo2000方法的定位結(jié)果共同表明此次敖漢旗地區(qū)的小震活動(dòng)多發(fā)生在上地殼。

圖5 單純型方法(a)與Hypo2000方法(b)計(jì)算的敖漢旗震群震源深度結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比2種方法的震群震中位置與殘差的分布情況，可以看出Hypo2000方法的定位精度相對(duì)較高，震中定位結(jié)果分布更為集中，序列內(nèi)73%的地震沿近NW-SE方向密集展布于赤峰-開源斷裂的北側(cè)，其余地震呈簇狀分布于赤峰-開源斷裂南側(cè)；根據(jù)2種方法計(jì)算的震源深度結(jié)果顯示，序列內(nèi)92%的地震的震源深度分布在1～13km，說明敖漢旗地區(qū)的孕震層在上地殼內(nèi)。

3.2 雙差定位結(jié)果

由于Hypo2000方法的定位結(jié)果相較于單純型方法精度更高，因此，將其計(jì)算結(jié)果(75條地震)作為雙差定位方法的初始輸入值，進(jìn)一步對(duì)敖漢旗震群的相對(duì)位置進(jìn)行定位。在計(jì)算過程中，有21條地震因不滿足雙差定位方法計(jì)算條件而丟失，最終給出54條地震的雙差定位結(jié)果。

根據(jù)雙差方法的三分向(EW，SN，UD)定位誤差與到時(shí)殘差RMS分布情況(圖6)可見，該方法的重定位精度高于Hypo2000方法。從三分向定位誤差分布情況可以看出，水平方向的定位誤差范圍均小于垂直向的定位誤差范圍；從到時(shí)殘差RMS分布情況可以看出，RMS的集中分布區(qū)間縮短為0～0.25s，平均為0.2s，最大0.55s，其中，90%的地震其RMS集中在0.4s內(nèi)。

圖6 雙差方法的定位殘差與走時(shí)殘差分布情況

從雙差方法重定位后的地震經(jīng)度、緯度分布情況(圖7)可以看出，位于赤峰-開源斷裂北側(cè)的地震，其緯度差距在0.057°內(nèi)，經(jīng)度差距在0.049°內(nèi)，不同地震間的震中偏差范圍由0.22～24.27km降為0.04～6.80km；位于赤峰-開源斷裂南側(cè)的地震其緯度差距在0.008°內(nèi)，經(jīng)度差距在0.007°內(nèi)，不同地震間的震中偏差范圍由0.33～2.80km降為0.32～0.98km，反映出雙差方法的震中定位結(jié)果更加穩(wěn)定與收斂。

圖7 雙差定位方法計(jì)算的地震經(jīng)度、緯度分布情況

根據(jù)雙差重定位后的震中分布情況(圖8(a))，能夠看出經(jīng)過重定位后地震分布更為集中，位于赤峰-開源斷裂南側(cè)的地震呈簇狀分布，南北最大擴(kuò)展長(zhǎng)度約0.98km；位于赤峰-開源斷裂北側(cè)的地震具有更加明顯的NW向優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)軸展布特征，延伸長(zhǎng)度約6.80km。相比初始Hypo2000方法的震源深度分布，重定位后敖漢旗震群的深度分布范圍縮小為4～12km，約97%的地震位于11km內(nèi)(圖8(d))。

圖8 雙差方法重定位的敖漢旗震群分布

沿經(jīng)度與緯度剖面觀察敖漢旗震群的深度分布情況(圖8(b)、8(c))，發(fā)現(xiàn)斷裂北側(cè)地震的深度由西向東逐漸變深、由南向北呈由淺變深再變淺的趨勢(shì)，斷裂南側(cè)地震深度分布無明顯變化特征，這可能與其在地面展布范圍過小有關(guān)；通過對(duì)比沿震群分布方向與垂直震群分布方向震群的震源深度變化情況(圖8(e)、8(f))，發(fā)現(xiàn)敖漢旗震群的震源深度沿震群分布方向由WN向ES方向逐漸變深，這可能是由于東南部地震距離赤峰-開源斷裂較近，導(dǎo)致附近地震震源深度較深的緣故，亦或是震群附近存在由ES向WN展布的隱伏斷裂，控制著該區(qū)的地震分布。

4 結(jié)果與討論

分別利用單純型方法、Hypo2000方法與雙差方法對(duì)2018—2019年敖漢旗地區(qū)3次震群內(nèi)的75條地震進(jìn)行重定位，通過對(duì)比分析不同方法的定位殘差、震中差、震源深度等結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)比分析由單純型方法、Hypo2000方法得出的震中位置及殘差結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2種方法的震中分布范圍相對(duì)一致，但Hypo2000方法的定位結(jié)果震中分布更為收斂。

(2)根據(jù)單純型方法、Hypo2000方法得出的震源深度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其震源深度結(jié)果均相對(duì)分散，但優(yōu)勢(shì)分布明顯，均有92%的地震事件分布在1～13km，其中最大深度均在20km內(nèi)，說明敖漢旗地區(qū)的孕震層在上地殼內(nèi)。

(3)相比Hypo2000方法，雙差方法的到時(shí)殘差RMS值普遍降低，集中分布在0～0.25s；震中定位結(jié)果更加穩(wěn)定與收斂，不同地震間震中位置的最大偏移量均有所降低：位于赤峰-開源斷裂北側(cè)的地震由24.27km降為6.80km，位于赤峰-開源斷裂南側(cè)的地震由2.80km降至0.98km；震源深度分布范圍縮小至4～12km，約97%的地震深度位于11km內(nèi)。

(4)綜合分析重定位結(jié)果，認(rèn)為2018—2019年期間敖漢旗震群主要有2個(gè)震中集中分布區(qū)域，分別位于赤峰-開源斷裂的南、北兩側(cè)，73%的地震其震中在斷裂北側(cè)沿NW-SE向條帶狀展布，延伸長(zhǎng)度約6.8km，震源深度由西向東逐漸變深、由南向北呈由淺變深再變淺；27%的地震在斷裂南側(cè)聚集成簇狀，SN向最大擴(kuò)展長(zhǎng)度約0.98km，震源深度無明顯沿東西或SN向的變化特征。

(5)根據(jù)敖漢旗震群的重定位結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)震群在赤峰-開源斷裂南北兩側(cè)均有分布，未呈現(xiàn)出與赤峰-開源斷裂走向一致的活動(dòng)特征，震中附近亦未發(fā)現(xiàn)有出露斷層，認(rèn)為敖漢旗震群附近可能存在未知的隱伏斷層，控制著該地區(qū)的地震叢集活動(dòng)?；诒疚木ㄎ唤Y(jié)果，下一步將利用模板匹配方法對(duì)敖漢旗地區(qū)開展微震檢測(cè)工作，在擴(kuò)充地震目錄的基礎(chǔ)上，構(gòu)建該區(qū)較為精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)，并深入探討敖漢旗地區(qū)的發(fā)震構(gòu)造。