劉 財，鄭 確，田 有，柳云龍，馮 晅

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

遼寧海城及其鄰區(qū)地震活動性研究

劉 財，鄭 確，田 有，柳云龍，馮 晅

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

由于受到臺站分布不理想、速度結(jié)構(gòu)研究不準(zhǔn)確以及震相拾取誤差等因素的影響，常規(guī)地震定位結(jié)果精度較低。因此，研究收集了遼寧省地震臺網(wǎng)的地震目錄及震相數(shù)據(jù)，采用雙差地震定位方法，對海城及其附近地區(qū)（39°N—43°N，120°E—126°E）20a的1 400多次地震進(jìn)行重新定位。與原始定位結(jié)果相比，雙差定位結(jié)果表明：1）震中更加呈條帶狀集中，尤其在40.5°N—41.0°N，122.0°E—123.0°E區(qū)間，與該地區(qū)的海城河—大洋河斷裂帶走向相一致；2）該地區(qū)地震多發(fā)生于地下5～20km，與該區(qū)中地殼存在的低速高導(dǎo)層相對應(yīng)；3）深度剖面圖顯示，大部分地震沿垂直向下柱狀分布，原因是該處有粉碎性破裂帶，從地下25km處延伸到近地表。雙差定位算法使得定位后均方根殘差的平均值由0.74s下降到0.26s。遼寧地區(qū)的地震震級與發(fā)生地震數(shù)量有關(guān)，地震數(shù)量陡然增多，大地震發(fā)生概率增大。

雙差定位方法；斷裂；地震預(yù)測；遼寧海城

0 前言

地震定位是地震預(yù)報、獲得地球內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)，精確的地震定位對于震前應(yīng)急、震后減災(zāi)工作至關(guān)重要。研究地震定位方法和提高定位精確度是地震科學(xué)中最重要的課題。遼寧省大部分地區(qū)（圖1）位于中朝準(zhǔn)地臺，喜馬拉雅運動形成了遼寧境內(nèi)東、西部大型隆起和中部凹陷的構(gòu)造格局［1］。該地區(qū)有很多斷裂：北東—北東東向斷裂以張扭性右旋正走滑活動為主，規(guī)模較大，多期活動，往往控制構(gòu)造演化和地貌形態(tài)，如郯廬斷裂遼東灣—下遼河段；北西向斷裂行跡顯示以壓扭性左旋走滑活動為主，規(guī)模較小，多呈隱伏狀態(tài)，但活動時代較新，往往構(gòu)成斷續(xù)展布的活動構(gòu)造帶，如海城河—大洋河斷裂帶［2］，是海城7.3級地震的發(fā)震構(gòu)造。

圖1 研究區(qū)域及臺站分布圖Fig.1 Map showing locations of seismic stations in the study area

海城市坐落于遼寧省遼東半島東南部，位于遼河下游，地質(zhì)構(gòu)造屬于遼東地塊與下遼河斷陷，東側(cè)上升，西側(cè)階梯狀下降，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動強烈，表現(xiàn)為明顯的間歇性抬升運動［1］。因此，海城市存在多種構(gòu)造行跡，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，各種斷裂和褶皺構(gòu)造發(fā)育。海城市地殼區(qū)域穩(wěn)定性較差，整個地區(qū)地震頻發(fā)，1975、1999、2000年分別發(fā)生過MS4.0、7.3、5.4、5.1級地震，最大的一次海城地震（1975年，MS7.3級）發(fā)生在北北東、西北西向2組構(gòu)造交匯的部位［3］。1970年1月—2008年4月共發(fā)生ML＞1.0級地震18 400多次，震源分布與海城河—大洋河斷裂帶走向一致，形成密集的北西西向地震活動條帶。因此，該地區(qū)震源的精確位置以及對地震的空間分布和變化的分析，是進(jìn)一步研究該地區(qū)地震活動性的基礎(chǔ)，對以后的震前預(yù)測、預(yù)警工作意義重大。

筆 者 利 用 雙 差 地 震 定 位 方 法［4－5］，對 1981—2001年在海城及其附近發(fā)生的震級大于ML2.0的1 400多個地震進(jìn)行重新定位（2002—2003年數(shù)據(jù)缺失），比較重新定位前后的震源位置分布特征變化，分析該區(qū)地震成因與地下構(gòu)造的關(guān)系。

1 原理

雙差地震定位算法（double-difference location algorithm）是2000年 Waldhauser和Ellsworth提出的一種相對定位算法［6－8］。該算法中，當(dāng)2個震源之間的距離小于其到臺站的距離以及速度結(jié)構(gòu)不均勻體的尺度時，認(rèn)為這2個地震到同一個臺站的路徑幾乎相同，將這2個震源分為一對，通過計算地震對到同一個臺站的走時差，消除速度模型不準(zhǔn)確導(dǎo)致的誤差，從而獲得較高精度的震源空間分布位置。目前該方法已經(jīng)被國內(nèi)外地震學(xué)家廣泛應(yīng)用到地震定位研究中［9－14］。

如圖2所示，兩震源i，j到同一臺站k的理論走時與實際走時差分別為

其中，為2個震源的走時差的差。公式（3）被稱為雙差方程。在理論走時差中，已經(jīng)將共同的速度模型差異減掉了。將式（3）用泰勒公式展開為

式中：x，y，z是震源東西、南北和垂直方向的坐標(biāo)；t為走時；（Δxi，Δyi，Δzi，Δti）為震源i的震源參數(shù)（xi，yi，zi，ti）的擾動量。

圖2 雙差定位原理簡圖Fig.2 Sketch of double-difference location theory

通過限制所有震源的平均偏移量和為0，將所有臺站所有事件的方程聯(lián)立為方程組，用奇異值分解法或共軛梯度法解方程組得出每一個震源的位置。

2 數(shù)據(jù)與參數(shù)選擇

筆者選用國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心（CEDC）1981—2001年震中分布在39°N—42.5°N，120°E—124.5°E范圍內(nèi)，震級大于ML2.4的P波和S波到時數(shù)據(jù)。設(shè)置地震對之間最大距離為10km，選擇距離臺站500km范圍內(nèi)的地震［15］，接收到這些地震的臺站有53個，臺站分布范圍為39°N—43°N，120°E—126°E（圖1），震中位置基本都在臺網(wǎng)包圍的范圍內(nèi)，接收的地震為1 431個。地震震中及震級分布如圖3與圖4所示。

圖3 震中分布圖Fig.3 Distribution of epicenter

圖4 震級分布直方圖Fig.4 Statistics of magnitude

由圖4可知，地震發(fā)生頻率較高的震級為ML2.4～3.0，部分地震震級達(dá)到ML5.0以上。采用雙差定位法對接收到的地震進(jìn)行精確定位。定位時采用的是水平層狀速度模型［16－18］（圖5）。參與最終反演的P波震相為37 275個，S波震相為37 205個。P波震相數(shù)與S波震相數(shù)利用率為1.0∶0.9。由于讀取到時的S波精度比P波低，因此設(shè)定P波震相權(quán)值為1.0，而S波權(quán)值為0.5。定位過程中，采用共軛梯度法，進(jìn)行阻尼最小二乘求解。雙差算法在預(yù)處理時舍棄不滿足配對條件的事件，比如事件之間的距離超出限制范圍，或者到共同臺站的震相數(shù)少于設(shè)定值；因此，預(yù)處理后剩余1 104個地震事件。而在運算的迭代過程中又會將聯(lián)系不緊密的事件排除，所以實際重新定位的地震數(shù)為1 040個。

圖5 一維速度模型（據(jù)文獻(xiàn)［16-18］）Fig.5 1-D velocity model（after references［16-18］）

3 定位結(jié)果

3.1 地震分布特征

圖6 雙差方法重定位前（a）后（b）震中分布Fig.6 Epicenter distribution of location（a）and relocation results（b）by the double-difference method

圖6a是參與重定位的地震震中分布，與圖3相比，部分較為分散的地震已經(jīng)被舍棄。同時可以看出，遼寧地區(qū)的地震主要集中在海城河—大洋河斷裂帶上，總體分布呈西北西方向。圖6b是同一事件利用雙差算法重定位后的震中分布。重定位前后的震中分布有比較明顯的變化。重定位后震中位置匯聚呈現(xiàn)清晰的條帶狀分布和點狀分布，更加沿發(fā)震構(gòu)造兩側(cè)收斂，與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系更加緊密。在122°E—124°E之間排列長約270km的西北方向的斷裂 帶，尤 其 在 40.5°N—40.8°N、122.4°E—123.1°E范圍內(nèi)，震源沿 NW290°排列，與已有的資料海城河—大洋河斷裂帶［8］走向一致。在124°E與42°N附近，即渾河斷裂，也多次發(fā)生小震群活動，多與煤礦開采采空區(qū)誘發(fā)礦震有關(guān)。

3.2 震源深度分布特征

在重新定位中，雙差算法可以改善地震之間的相對位置，對震源深度提供更有效的約束。圖7是重定位前后的深度剖面圖。由圖7可知，雙差定位后的震源深度方向具有近垂直分布的特征，呈現(xiàn)狹窄的垂向斷裂，震源在深度0～25km成簇分布，更多集中在8～17km。

從圖7b中可以看出：重定位后依然有大量的震源是無序的，表明該震源區(qū)存在變形的破碎帶；也存在小范圍連續(xù)的近乎無震區(qū)域；在123.9°E—124.2°E之間，大量地震呈垂直狀排列（圖7b中畫圈位置）。

為了更直觀地看出重定位前后的深度變化，本研究給出重定位前后地震震源的深度分布直方圖（圖8）。定位后，更多的地震分布在中地殼（深度15～23km）上部。這樣的分布特征比較合理，因為海城震區(qū)位于遼寧南部上地幔隆起東部斜坡帶上的一個局部凸起東側(cè)。地殼可分為3層，即上地殼、中地殼和下地殼，中地殼上部存在明顯的低速高導(dǎo)層，厚度4～5km［19］。低速高導(dǎo)層是比較軟的層位，具有轉(zhuǎn)移地殼內(nèi)應(yīng)力的作用。當(dāng)?shù)貧な軈^(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用時，該層容易發(fā)生蠕變，將應(yīng)力傳遞給上部脆性地殼并在中、上地殼積累應(yīng)力。因此，該研究區(qū)地震易發(fā)生在低速高導(dǎo)層之上［9－10］，推斷遼寧地區(qū)地震活動的下界面在20～25km之間。

圖7 重定位前（a）后（b）震源深度剖面Fig.7 Depth profile of seismic location（a）and relocation results（b）

圖8 重定位前（a）后（b）震源深度分布直方圖Fig.8 Statistics of focal depth（a）and relocation results（b）

3.3 海城震區(qū)地震沿斷裂帶縱向剖面特征

從地震的平面分布圖（圖6）可以看出，震源分布集中在2個斷裂帶上。在此基礎(chǔ)上，為了更清楚地分析斷裂處震源在深度上的分布特征，本研究分別在震源最集中的2條斷裂帶——北西—南東向海城河—大洋河斷裂帶（AB方向）和北西方向海城營口斷裂帶（CD方向），獲得沿2個斷裂帶的震源重定位前后的分布（圖9）。

沿海城河—大洋河斷裂帶方向的地震數(shù)量眾多，在7～15km深度處走勢與斷裂帶趨勢一致，分布于海城地震上方，認(rèn)為海城地震對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上發(fā)散狀影響；但是沿該斷裂帶的地震具有橫向不均勻性，自東向西方向地震數(shù)量減?。谎睾３菭I口斷裂帶方向的震源只在2個斷裂帶交匯處密集，大部分震源的分布體現(xiàn)了構(gòu)造近垂直分布的特征。1975年海城MS7.3級地震和1999年海城—岫巖地區(qū)的MS5.4級地震都發(fā)生在海城河—大洋河斷裂帶上，從它們的震源機制看，地殼深部的北西西向斷裂仍在活動［1－2］。2次地震都是發(fā)生在中國東北—華北地區(qū)近ENE—WSW向、幾乎水平的壓應(yīng)力場作用下產(chǎn)生的斷裂［19－21］。

3.4 地震數(shù)量與震級隨時間的趨勢

沿海城河—大洋河斷裂地震數(shù)量隨時間的走勢如圖10a所示?？梢钥闯觯┠陙碓摂鄬拥牡卣饠?shù)量整體在增加。震級大小與當(dāng)年發(fā)生地震數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為

圖9 震中重定位前（a，b）后（c，d）沿斷裂方向橫截面圖Fig.9 Location（a，b）and relocation（c，d）of epicenter along the faults

其中：xi和yi分別是2個事件的第i個樣本值；n為樣本數(shù)量。由式（5）計算得，震級大小與當(dāng)年發(fā)生地震數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為0.53，為顯著性相關(guān)。震級走勢圖（圖10b）表明，在小震級地震發(fā)生一定數(shù)量后就會發(fā)生大地震，大地震發(fā)生后又會恢復(fù)小震頻發(fā)狀態(tài)，在1999年大地震之后有一段平穩(wěn)期，為后來的地震發(fā)生儲存能量。

震級走勢符合這樣一個特點：海城，包括鞍山附近、遼寧中部等地區(qū)的地震，在強震發(fā)生之前，往往會出現(xiàn)十分密集的小震級地震群。當(dāng)小震又突然停止的時候，往往發(fā)生強震。在小震頻繁發(fā)生的時候，大地震發(fā)生的概率將會增大，可以起到預(yù)警作用［22］。從國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心查到2006－2013年間的地震數(shù)據(jù)，走勢圖（圖11）基本符合以上規(guī)律。

4 討論與結(jié)論

雙差定位法消除了2個震源至同一個臺站的傳播路徑效應(yīng)，震源之間相對位置的誤差主要來源于它們之間較短距離上的介質(zhì)不均勻性，這個誤差要比單一震源定位中由震源區(qū)到地震臺站之間較長距離上的介質(zhì)不均勻性引起的誤差小得多。因此，由雙差地震定位法所確定的震源相對位置比常規(guī)地震定位方法中的結(jié)果更加精確［23－24］。根據(jù)地震之間的相對位置關(guān)系，可以判斷地下斷裂走勢，對于過去的結(jié)論起到驗證作用，也對預(yù)測未來地震發(fā)生有一定的幫助。雙差定位算法不需要主事件［8］，適用于本研究的空間跨度比較大的地震叢集定位。

圖10 1981—2005年地震數(shù)與震級隨時間的走勢圖Fig.10 Graph of earthquakes with magnitude over time between the year of 1981-2005

圖11 2006—2013年地震數(shù)與震級隨時間的走勢Fig.11 Graph of earthquakes with magnitude over time between the year of 2006-2013

利用雙差定位方法對1981—2001年海城附近地區(qū)的1 400多個地震進(jìn)行了重新定位，得到了滿足條件的1 040個地震的震源位置，精度總體上較重定位前有很大的提高，使得重定位后的均方根殘差的平均值由0.74s下降到0.26s。重定位后的震源整體在空間分布上更加集中，震中呈現(xiàn)更加明顯的條帶狀分布特征，與地質(zhì)構(gòu)造上斷裂的走向及分布一致；還有較多的震源成簇狀出現(xiàn)在多條斷裂的交匯位置。地震深度分布的特點說明海城營口周邊地區(qū)的地震主要發(fā)生在中、上地殼，深度分布約在地下5～25km，而尤以5～15km為主，占總數(shù)的83%，反映了地震活動與地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系。這對于確定該地區(qū)地殼內(nèi)發(fā)震層的厚度，確定活動地塊的下部邊界，闡明地震的成因和機制以及地震危險性分析提供了重要的約束條件。

遼寧省地震局提供了地震波走時數(shù)據(jù)，CLEG研究組全體老師和同學(xué)提供了幫助。在此一并致謝。

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Su Jinrong，Zheng Yu，Yang Jiansi，et al.Accurate Location of the Lushan，SichuanM7.0earthquake on April 2013and Its Aftershocks and Analysis of the Seismogenic Structure ［J］. Chinese Journal of Geophysics，2013，56（8）：2636-2644.

Study on the Activity of the Earthquakes of Haicheng Region in Liaoning Province

Liu Cai，Zheng Que，Tian You，Liu Yunlong，F(xiàn)eng Xuan

CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology，JilinUniversity，Changchun130026，China

Limited by the distribution of stations，velocity structures and the uncertainty of picking arrivals，the precision for the relocation of earthquakes is usually not sufficient.We collected the data of arrival times recorded by the seismic networks and then used the double-difference method to relocate 1 400earthquakes occurred in Haicheng region（39°N-43°N，120°E-126°E）in the last 20years.Comparing to the original results of the earthquake locations，the results obtained by the double-difference method in this study indicate that：1）The earthquake distributions become more convergent，especially in the region between 40.5°N and 41.0°N and between 122.0°E and 123.0°E，and more consistent with the trend of the fault along the Haicheng-Dayang River；2）Most of earthquakes occurred in the depth from 5to 24km，because there exists a low-velocity and high-conductivity zone in the crust；3）From the cross sections，many earthquakes distribute as a shape of columnar along the depth because there exists a comminuted fracture zone which extending from the surface to the depth of 25km.The root-meansquare travel-time residual reduces from 0.74sto 0.26safter the relocation using the double-difference method.The study also indicates that the magnitude is related to the number of earthquakes in this region.If the number of earthquakes increases abruptly，the probability for the occurrence of a large earthquake increases as well.

double-difference relocation method；fault；earthquake prediction；Haicheng，Liaoning Province

10.13278/j.cnki.jjuese.201404303

P631.4

A

劉財，鄭確，田有，等.遼寧海城及其鄰區(qū)地震活動性研究.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2014，44（4）：1348-1356.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404303.

Liu Cai，Zheng Que，Tian You，et al.Study on the Activity of the Earthquakes of Haicheng Region in Liaoning Province.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1348-1356.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404303.

2013-07-01

國家自然科學(xué)基金項目（41174068，41174080）；國家“973”計劃項目（2009CB219301）

劉財（1963—，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)雜地震波場的正反演技術(shù)研究，E-mail：liucai＠jlu.edu.cn

田有（1979—，男，副教授，博士，主要從事地球內(nèi)部介質(zhì)屬性成像及動力學(xué)研究工作，E-mail：tianyou＠jlu.edu.cn。

book=1355,ebook=275