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广西靖西MS5.2地震序列“重复地震”识别及定位精度评估

阎春恒 向巍 张清 邓辉

阎春恒,向巍,张清,等. 广西靖西MS5.2地震序列“重复地震”识别及定位精度评估[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004
引用本文: 阎春恒,向巍,张清,等. 广西靖西MS5.2地震序列“重复地震”识别及定位精度评估[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004
YAN Chunheng,XIANG Wei,ZHANG Qing,et al. Recognition of Repeating Earthquakes in Jingxi MS5.2 Earthquake Sequence and Its Application in Location Evaluation of Digital Seismic Network[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004
Citation: YAN Chunheng,XIANG Wei,ZHANG Qing,et al. Recognition of Repeating Earthquakes in Jingxi MS5.2 Earthquake Sequence and Its Application in Location Evaluation of Digital Seismic Network[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004

广西靖西MS5.2地震序列“重复地震”识别及定位精度评估

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.S2.004
基金项目: 广西重点研发计划(AB1850042)
详细信息
    作者简介:

    阎春恒(1983—),男,广西贵港人,高级工程师,主要从事地震预测研究和地球深部结构反演工作. E-mail:148423179@qq.com

  • 中图分类号: P315.6

Recognition of Repeating Earthquakes in Jingxi MS5.2 Earthquake Sequence and Its Application in Location Evaluation of Digital Seismic Network

  • 摘要: 波形相关意义的“重复地震”在自然界中普遍存在,并已被广泛应用于检测地壳介质性质变化、评估地震台网的地震定位精度、地震“复发”和断层深部滑动速率的估算等方面。利用波形互相关技术识别靖西MS5.2地震序列中的“重复地震”,共获得由40个地震组成的15组“重复地震”对。将筛选出的“重复地震”对用于定量判断地震目录中的震相拾取误差和评估台网定位精度,结果显示:广西地震台网对靖西地区地震定位的水平误差约为3 km,定位误差主要由台站空间分布不均匀和地壳速度结构模型不够精确引起。基于hyp2000定位和波形互相关技术的双差定位方法重新定位的结果精度明显提高,水平误差和深度误差均小于2.3 km,重新定位结果可作为靖西MS5.2地震活动图像研究的重要基础资料。
  • 图  1  靖西5.2级地震位置及周边台站分布图

    图  2  靖西地震序列空间分布图

    图  3  流动台(L4504)记录到的一对重复地震波形(表1第14组)

    图  4  德保台(DBX)记录到的1组多重地震对波形(表1第2组)

    图  5  “重复地震”Pg波到时差的柱状统计图

    图  6  台网定位结果的重复地震对水平误差和震级差统计

    图  7  hyp2000台网定位结果的重复地震对水平和深度误差统计

    图  8  双差定位结果的重复地震对水平和深度误差统计

    表  1  靖西5.2级地震序列中的3台相关“重复地震”

    序号发震时刻(UTC)经度
    (˚E)
    纬度
    (˚N)
    深度
    km
    震级
    ML
    组间最大距离(水平)/km
    年.儒略日.时.分.秒.毫秒台网定位双差定位
    12019.329.16.43.03.6106.7122.9052.40.90.08
    2019.332.11.20.33.8106.7122.9062.6
    22019.335.04.38.09.9106.7022.8962.52.90.37
    2019.335.13.43.59.6106.6922.8861.6
    2019.335.20.47.54.4106.7222.8952.0
    2020.006.18.28.09.3106.7022.8962.5
    32019.348.01.18.45.2106.6622.9182.25.70.41
    2019.348.01.24.03.3106.6922.9152.7
    2020.044.22.18.37.4106.7222.9263.0
    42019.343.19.04.32.6106.7022.9062.59.04.78
    2019.360.19.40.24.2106.6222.8861.6
    2020.005.20.23.06.5106.6822.8962.2
    52019.346.10.45.51.4106.7022.9163.03.33.04
    2019.351.15.09.42.7106.7022.9162.3
    2020.071.06.55.03.5106.6922.8952.0
    62019.329.03.50.00.2106.7022.8962.62.9
    2019.361.21.50.39.5106.6722.9052.0
    72019.329.05.31.55.5106.7122.9062.83.30.44
    2019.329.19.13.50.5106.7022.9372.1
    82019.363.00.29.59.8106.6822.9262.72.82.16
    2020.020.21.07.04.9106.6922.9452.2
    2020.051.05.39.48.7106.7022.9162.4
    92019.341.05.11.45.7106.6822.9062.01.8
    2019.341.05.12.27.3106.6722.9161.9
    102020.006.01.59.24.7106.6922.9062.62.6
    2020.016.20.12.17.8106.6922.8862.1
    112019.333.12.53.51.1106.6922.9231.67.34.69
    2019.355.02.46.05.8106.6622.9471.3
    2019.336.23.52.22.7106.7322.9062.1
    2019.337.06.11.53.9106.7222.9173.1
    2019.363.00.43.17.3106.6722.9162.9
    122019.329.04.51.28.9106.7122.9071.71.1
    2019.329.09.31.21.1106.7022.9161.8
    132019.335.00.20.02.9106.7322.9150.95.24.46
    2019.335.19.46.29.4106.6922.8951.0
    2019.349.13.53.04.1106.7222.9370.9
    142019.332.02.33.01.6106.6922.8951.03.30.24
    2019.332.06.57.49.6106.7222.9051.3
    152019.332.19.33.39.7106.6922.8951.12.9
    2019.335.00.08.08.2106.7122.9061.3
     注:经度、纬度和深度为广西地震台网中心定位结果;“—”表示无数据。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-10
  • 网络出版日期:  2021-12-31
  • 刊出日期:  2020-12-20

广西靖西MS5.2地震序列“重复地震”识别及定位精度评估

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.S2.004
    基金项目:  广西重点研发计划(AB1850042)
    作者简介:

    阎春恒(1983—),男,广西贵港人,高级工程师,主要从事地震预测研究和地球深部结构反演工作. E-mail:148423179@qq.com

  • 中图分类号: P315.6

摘要: 波形相关意义的“重复地震”在自然界中普遍存在,并已被广泛应用于检测地壳介质性质变化、评估地震台网的地震定位精度、地震“复发”和断层深部滑动速率的估算等方面。利用波形互相关技术识别靖西MS5.2地震序列中的“重复地震”,共获得由40个地震组成的15组“重复地震”对。将筛选出的“重复地震”对用于定量判断地震目录中的震相拾取误差和评估台网定位精度,结果显示:广西地震台网对靖西地区地震定位的水平误差约为3 km,定位误差主要由台站空间分布不均匀和地壳速度结构模型不够精确引起。基于hyp2000定位和波形互相关技术的双差定位方法重新定位的结果精度明显提高,水平误差和深度误差均小于2.3 km,重新定位结果可作为靖西MS5.2地震活动图像研究的重要基础资料。

English Abstract

阎春恒,向巍,张清,等. 广西靖西MS5.2地震序列“重复地震”识别及定位精度评估[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004
引用本文: 阎春恒,向巍,张清,等. 广西靖西MS5.2地震序列“重复地震”识别及定位精度评估[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004
YAN Chunheng,XIANG Wei,ZHANG Qing,et al. Recognition of Repeating Earthquakes in Jingxi MS5.2 Earthquake Sequence and Its Application in Location Evaluation of Digital Seismic Network[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004
Citation: YAN Chunheng,XIANG Wei,ZHANG Qing,et al. Recognition of Repeating Earthquakes in Jingxi MS5.2 Earthquake Sequence and Its Application in Location Evaluation of Digital Seismic Network[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):19-26. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.004
    • 在地震活动构造、地球内部结构、震源几何构造等地震学基本问题研究及地震应急救援过程中,地震精确定位是一项基础且重要的工作。因此,提高地震定位精度始终是地震学应用研究的重要课题之一。震中位置的精确确定依赖于诸多因素,比如台站的几何分布、可用以定位的震相、地震波到时读取的精度以及所用地壳速度结构模型的精细程度等[1-3]。直接对地震波进行相关分析,可有效减少速度模型等因素的影响,既可以提高定位精度、提升微震检测能力,又可以有效评估台网定位质量和震相拾取精度。随着数字地震台网的发展,波形互相关技术和重复地震在研究地震活动、断层滑移速率、评估地震台网定位精度等方面的应用越来越广泛[4-17]

      “重复地震”目前尚无统一的定义[12]。Rubin[4]归纳重复地震事件的基本特征为空间位置、波形和震级都具有较高相似性的2次或多次地震事件。Schaff和Richards[5]认为“重复地震”的定义是被至少1个台站记录到,且波形相关系数不小于0.8的地震对事件,并认为绝大多数重复地震对之间的距离不超过1 km。蒋长胜等[12-13]利用“重复地震”评估了中国地震台网和首都圈地区区域地震台网的定位精度及其区域分布。结果显示,中国台网的定位误差平均为10 km,首都圈东北部地区平均定位精度约为5 km,西南部地区约为13 km。江西省及邻区测震台网定位精度的评价结果揭示赣南及邻区定位精度优于赣北及邻区,宜春地区定位精度较差[14]。重庆数字地震台网的垂直定位误差约为3 km,水平定位误差约为5 km[15]。龙门山断裂带周缘台网水平定位误差约为2.8 km,垂直定位误差较差,达到10 km[16]。广东台网震相拾取误差大部分小于0.3 s,内陆定位误差较小,沿海定位误差相对较大,主要与台站密度和方位分布有关[17]。评估结果为区域台网布局的优化改善、台网定位资料的择优使用提供了参考。

      2019年11月25日9时18分,广西靖西市胡润镇发生5.2级地震(MS震级标度,下同)。由于震中位于广西靖西市中越交界处,震中附近台站较少,地震西侧的越南区域无地震台,对靖西地震序列的定位精度有一定影响。地震发生后,广西壮族自治区地震局、百色市和崇左市地震部门在震中架设了4套流动台,极大地提升了震中区地震监测能力,并较好地记录了此次地震序列资料。本文利用波形互相关技术识别靖西地震序列中的“重复地震”,进而利用“重复地震”的距离不超过1 km这一特性评估台网对此次地震序列的定位精度,为定位结果在发震构造、地震成因等研究的应用中提供依据,并为广西区域数字地震台网布局的进一步优化提供参考。

    • 广西靖西5.2级地震序列位于广西靖西市胡润镇和广西崇左市下雷镇交界,同时地处中国和越南边境地区。越南境内没有地震台站监测数据,所以台站都位于中国一侧。震中周围200 km范围内有测震台28个,其中100 km范围内共有靖西、那坡、德保、天等、大新、龙州、崇左和凭祥8个测震台,距离最近的靖西台震中距约26 km。靖西5.2级地震后,根据地震震中及烈度分布情况架设了L4501、L4504、LCZ01、LBS01共4套流动测震台,距靖西5.2级地震震中约为27 km、14 km、6 km和4 km,较好监测和记录了此次地震序列活动(图1)。截至2020年4月20日,广西地震台网共记录靖西5.2级地震序列ML 0.0以上余震298次,其中ML 0.0~0.9地震144次,ML 1.0~1.9地震111次,ML 2.0~2.9地震32次,ML 3.0~3.9地震9次,ML 4.0~4.9地震2次,最大余震为2019年11月28日7时49分ML 4.8地震(图2)。

      图  1  靖西5.2级地震位置及周边台站分布图

      图  2  靖西地震序列空间分布图

      2019年11月25—26日,距离震中较近的LBS01和LCZ01两套流动台传输信号较差,资料未能及时和充分应用于广西地震台网定位中。为此,重新系统地拾取流动台震相资料补充到震相报告中,采用hyp2000绝对定位方法和不同的速度结构模型对地震序列进行重新绝对定位,并基于重新绝对定位结果,采用结合波形互相关技术的双差定位方法进行相对定位(图2,详细成果另文发表)。本文将利用“重复地震”评估3种定位结果的精度。

    • 本文所指的重复地震均为波形相关意义的“重复地震”,因此识别的主要依据是地震对波形互相关的计算结果。互相关函数定义为:

      $$C(\tau ) = \frac{{\displaystyle\sum\nolimits_{n = 0}^{N - 1} {x(n)y(n + \tau )} }}{{\sqrt {\displaystyle\sum\nolimits_{n = 0}^{N - 1} {{x^2}(n)\displaystyle\sum\nolimits_{n = 0}^{N - 1} {{y^2}(n)} } } }},$$

      式中:x(n)和y(n)为地震对的时间序列。本文采用至少在3个台站记录到的波形相关系数≥0.8作为“重复地震”的识别标准[18]。若多个地震之间两两相关,则称为多重地震对,多重地震对组间距离定义为两两地震对之间的最大距离[14]

      靖西5.2级地震震中25 km范围内有4个流动台,100 km范围内有7个固定台,200 km范围内有17个固定台。将上述台站记录的靖西5.2级地震序列中的地震事件波形转换成SAC格式,并进行去倾、0.8~8.0 Hz带通滤波等预处理。两两组队进行波形互相关计算,以识别“重复地震”。“重复地震”事件的仪器记录3分量波形都应该满足波形相关系数≥0.8的条件。李宇彤等[8, 19]研究结果显示,地震对的垂直向相关系数显著小于水平向的相关系数,这说明在3个分量的波形记录中垂直向记录的相关系数最小。为兼顾可靠性和识别效率,本文在实际操作中只计算垂直分量(UD)的相关系数。起算时间为震前2 s,相关偏移最大搜索量为2 s,对于流动台则适当缩短。波形长度为4倍的S-P走时差,该窗长基本包含P波、S波及尾波的全部波列,同时避免了后续噪声记录对计算结果的影响[13, 19]

    • 识别出满足“至少1个台站记录到、且波形相关系数≥0.8”的地震对共693对,涉及162个独立地震,约占序列地震总数的54%,表明靖西5.2级地震序列余震的原地复发性、空间丛集性较高。其中33对地震达到“重复地震”标准,组成15组重复地震对,包含7组多重地震对(表1)。第14组为相似度很高的地震对,3个流动台LCZ01、L4501和L4504记录波形的相关系数均超过0.97(图3)。图4为德保台记录的第2组多重地震对的波形,4次地震的三分量波形记录均非常相似。

      表 1  靖西5.2级地震序列中的3台相关“重复地震”

      序号发震时刻(UTC)经度
      (˚E)
      纬度
      (˚N)
      深度
      km
      震级
      ML
      组间最大距离(水平)/km
      年.儒略日.时.分.秒.毫秒台网定位双差定位
      12019.329.16.43.03.6106.7122.9052.40.90.08
      2019.332.11.20.33.8106.7122.9062.6
      22019.335.04.38.09.9106.7022.8962.52.90.37
      2019.335.13.43.59.6106.6922.8861.6
      2019.335.20.47.54.4106.7222.8952.0
      2020.006.18.28.09.3106.7022.8962.5
      32019.348.01.18.45.2106.6622.9182.25.70.41
      2019.348.01.24.03.3106.6922.9152.7
      2020.044.22.18.37.4106.7222.9263.0
      42019.343.19.04.32.6106.7022.9062.59.04.78
      2019.360.19.40.24.2106.6222.8861.6
      2020.005.20.23.06.5106.6822.8962.2
      52019.346.10.45.51.4106.7022.9163.03.33.04
      2019.351.15.09.42.7106.7022.9162.3
      2020.071.06.55.03.5106.6922.8952.0
      62019.329.03.50.00.2106.7022.8962.62.9
      2019.361.21.50.39.5106.6722.9052.0
      72019.329.05.31.55.5106.7122.9062.83.30.44
      2019.329.19.13.50.5106.7022.9372.1
      82019.363.00.29.59.8106.6822.9262.72.82.16
      2020.020.21.07.04.9106.6922.9452.2
      2020.051.05.39.48.7106.7022.9162.4
      92019.341.05.11.45.7106.6822.9062.01.8
      2019.341.05.12.27.3106.6722.9161.9
      102020.006.01.59.24.7106.6922.9062.62.6
      2020.016.20.12.17.8106.6922.8862.1
      112019.333.12.53.51.1106.6922.9231.67.34.69
      2019.355.02.46.05.8106.6622.9471.3
      2019.336.23.52.22.7106.7322.9062.1
      2019.337.06.11.53.9106.7222.9173.1
      2019.363.00.43.17.3106.6722.9162.9
      122019.329.04.51.28.9106.7122.9071.71.1
      2019.329.09.31.21.1106.7022.9161.8
      132019.335.00.20.02.9106.7322.9150.95.24.46
      2019.335.19.46.29.4106.6922.8951.0
      2019.349.13.53.04.1106.7222.9370.9
      142019.332.02.33.01.6106.6922.8951.03.30.24
      2019.332.06.57.49.6106.7222.9051.3
      152019.332.19.33.39.7106.6922.8951.12.9
      2019.335.00.08.08.2106.7122.9061.3
       注:经度、纬度和深度为广西地震台网中心定位结果;“—”表示无数据。

      图  3  流动台(L4504)记录到的一对重复地震波形(表1第14组)

      图  4  德保台(DBX)记录到的1组多重地震对波形(表1第2组)

      基于表1列出的40个独立地震组成的15组“重复地震”对资料,可评估靖西5.2级地震序列定位精度及广西地震台网对靖西地区地震的定位精度。

      图5可以看出,Pg波的走时差绝大部分在0.5 s以内,约75%在0.3 s内,66%在0.2 s内,51%在0.1 s内。根据华南地壳速度结构模型[20],上地壳Pg波平均速度为6.01 km/s,以“重复地震”对间距在1 km内的理论和经验认识[5],估算“重复地震”对的Pg波可能存在0.17 s的到时差。综上,可以判断,靖西5.2级地震序列震相拾取精度非常高。

      图  5  “重复地震”Pg波到时差的柱状统计图

      图6为广西地震台网定位结果的误差统计。定位结果的水平误差80%≤4 km,65%≤3 km,26%≤2 km。震级跨度为ML0.9~3.1,“重复地震”的震级差≤1.0级,其中25%的震级差≤0.2级,67%的震级差≤0.5级。由于缺少近台约束,本文不对定位深度作统计分析。

      图  6  台网定位结果的重复地震对水平误差和震级差统计

      图7为基于hyp2000程序[21-22]和更多流动台震相资料定位结果的误差统计。定位结果的水平误差71%≤4 km,61%≤3 km,52%≤2 km。与广西地震台网定位结果相比,误差小于2 km的地震对明显增多,表明基于更多流动台震相资料的重新定位结果水平误差有所改善。深度误差84%≤5 km,71%≤4 km,48%≤3 km,45%≤2 km。研究表明,近震震源深度定位的精度主要依赖于台网密度,只有当震中距小于约1~2倍震源深度时,基于走时方法确定的震源深度才有较高的精度[23-24]。12月26日14时30分(儒略日为330日6时30分),震中附近布设了L4501、L4504、LCZ01、LBS01共4套流动测震台,距靖西5.2级地震震中约为27 km、14 km、6 km和4 km,可以对深度≤5 km的浅源地震提供较好约束。分析认为,重新绝对定位结果的震源深度较可靠。

      图  7  hyp2000台网定位结果的重复地震对水平和深度误差统计

      图8为基于波形互相关技术的双差定位法[5,25]定位结果的误差统计。结果显示,所有地震的水平误差均小于5 km,其中约78%≤4 km,61%≤3 km,35%≤2 km。深度误差均小于6 km,其中约96%≤5 km,87%≤4 km,61%≤3 km,52%≤2 km。双差定位后只获得29个“重复地震”的定位结果,为此,我们进一步对比2种方法,给出29次地震的平均误差。结果显示,hyp2000定位结果的水平平均误差为3.10 km,深度平均误差为2.70 km。双差定位结果的水平平均误差为2.28 km,深度平均误差为2.01 km。综上,经双差定位的靖西5.2级地震序列结果的精度得到进一步提高。基于波形互相关技术的双差定位一定程度减少了人工拾取震相误差和地壳速度结构模型不够精确对定位结果的影响。

      图  8  双差定位结果的重复地震对水平和深度误差统计

      考虑到波形相关意义“重复地震”对的位置可能存在差别,我们进一步选取精定位结果的组间距足够近,即小于0.5 km的5组“重复地震”进行评估。结果显示,5组地震的组间距为0.9~5.7 km,平均为3.2 km,表明广西地震台网对靖西MS5.2地震序列水平定位精度约为3 km。

    • 靖西5.2级地震序列中40次地震存在波形意义上的“重复地震”,组成15组重复地震对,其中7组为多重地震对。满足“至少一个台站记录到、且波形相关系数不小于0.8”的地震对共693对,涉及162个独立地震,约占序列地震总数的54%,表明靖西5.2级地震序列余震的原地复发性、空间丛集性较高。而“重复地震”对少,可能反映同一地震对不同台站波形互相关系数存在差异。波形互相关的窗长基本包含P波、S波及尾波的全部波列,其中尾波部分是由于随机分布在地球介质中的非均匀体对初始波产生的次生波向后散射叠加的结果[26-27]。董非非等[14]的研究结果亦表明,尾波部分可将地下非均匀介质体发生的细微变化放大并表现出来。因此,同一地震对不同台站波形互相关系数的差异可能反映靖西地区上地壳介质存在较大的非均匀性。

      Pg波的走时差统计结果显示,广西地震台网对靖西5.2级地震序列震相的拾取精度非常高。靖西5.2级地震序列定位结果的水平误差总体小于3 km,由于台网定位资料普遍缺少近台约束,因此未对深度定位误差作分析评估。造成定位误差的主要因素,一是台站空间分布不均匀,特别是越南方向缺少台站导致空隙角偏大;二是靖西地区上地壳介质存在较大的非均匀性,定位采用的二维地壳速度模型存在较大误差。基于hyp2000方法的靖西地震序列定位结果的精度得到明显改善,基于波形互相关技术的双差定位方法进一步提高了靖西地震序列的定位精度。由于震中6 km范围内有2个流动测震台,使得水平误差和深度误差均可有效控制在2.3 km内。重新定位结果的精度较高,可作为分析地震序列空间展布的基础数据。今后可开展速度结构和震源位置的联合反演研究,进一步减少速度结构模型不够精确对定位结果的影响,获得定位精度更高的结果。

      苏珊采用CAP方法反演得到靖西5.2级地震和2019年11月28日ML4.8最大余震的震源机制非常相似,且获得的矩心深度都非常浅,均小于2 km(成果另文发表),本文基于hyp2000重新绝对定位结果显示2次地震的震源深度均小于5 km,可能反映这是一次极浅源的地震活动。尽管震源机制相近,但波形互相关分析结果显示2次地震不属于“重复地震”。本文获得的“重复地震”震级主要集中在ML0.9~3.1级,震级差≤1.0级,ML1.0以下和ML3.0以上地震未构成“重复地震”对。这些现象可能预示靖西5.2级地震存在特殊性,需要进一步开展更深入、细致的研究和剖析。

      致谢 本文所用波形及震相数据来自广西地震台网中心,图件采用SAC、Matlab、Adobe Illustrator、ArcGIS软件绘制,作者谨向以上单位表示衷心感谢。

参考文献 (27)

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