譚毅培 曹井泉 卞真付 劉文兵2， 鄧 莉 許 可

1）中國天津300201天津市地震局

2）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

引言

2013年8月22—25日，河北省蔚縣地區(qū)發(fā)生小震震群活動，其震中所在位置如圖1所示.該震群所在蔚廣盆地位于晉冀蒙盆嶺構(gòu)造區(qū)的山西北部與河北西部交接地帶，歷史資料中記錄到6次5級以上地震，包括1581年蔚縣5■?級和1618年蔚縣6?2級地震（國家地震局震害防御司，1995）.如圖1所示，該盆地地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要發(fā)育有北東向和北西向兩組活動斷層，包括北西向松枝口—左所堡斷裂，北東向蔚廣盆地南緣斷裂和壺流河斷裂，以及震群震中位置以北為北東向的六棱山北麓斷裂（徐錫偉等，2002）.

根據(jù)國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心給出的地震目錄，此次震群共發(fā)生地震13次，震級為ML0.4—3.2，其中ML≥1.0地震7次（8月22—25日河北省蔚縣實際共發(fā)生地震14次，其中發(fā)生于24日03時33分39.8秒的ML0.4地震與其它13次地震波形相關(guān)性較差，本文判定為不屬于此次震群活動）.震相到時取自河北省測震臺網(wǎng)地震觀測報告①http：／／10.5.202.37：8080／JOPENSCat／login.seam.本文選取ML≥1.0地震作為模板，通過波形互相關(guān)檢測因波形疊加而致使目錄遺漏的地震事件，再利用波形互相關(guān)震相檢測技術(shù)（譚毅培等，2014）標(biāo)定其P波、S波到時，從而估計震中和震級，以補充現(xiàn)有地震目錄，進一步利用地震精定位結(jié)果分析此次震群活動可能的發(fā)震構(gòu)造.

1 方法

本文使用匹配濾波技術(shù)（van Trees，1968）進行遺漏地震檢測，該技術(shù)已應(yīng)用于中強地震余震序列分析（Peng et al，2007；Peng，Zhao，2009；Schaff，2010；Meng et al，2012）、低頻地震（Shally et al，2007；Tang et al，2010）及微震震群發(fā)震構(gòu)造（譚毅培等，2014）等方面的研究.選取ML≥1.0地震事件作為模板地震（template event），根據(jù)觀測報告以直達S波到時為中心，截取其前2s至后2s波形，挑選三分量波形信噪比平均值大于3的作為模板.噪聲能量水平由P波到時前6—2s的波形計算得到.本文共挑選出滿足條件的模板地震7次，波形模板42條，見表1所示.

圖1 蔚縣震群觀測臺站（三角形）和震中位置（八角形）.右下角為震中周邊主要斷層的分布示意圖F1：松枝口—左所堡斷裂；F2：壺流河斷裂；F3：蔚廣盆地南緣斷裂；F4：六棱山北麓斷裂Fig.1 Epicenter of Yuxian earthquake swarm，seismic stations and faults distribution of Yuguang basin The lower right corner gives the distribution of main faults surrounding the earthquake swarm.Triangles are stations used in this paper，and the octagon is the epicenter location of the swarm.F1：Songzhikou-Zuosuobao fault；F2：Huliuhe fault；F3：Yuguang basin south edge fault；F4：Liulengshan north edge fault.Dashed line denotes buried fault

表1 本文選取的模板地震Table 1 Selected template events in this paper

在8月22—25日的連續(xù)記錄波形上進行波形互相關(guān)掃描.為提高計算速度，連續(xù)波形與模板分別經(jīng)過重采樣，采樣間隔由100sps變?yōu)?0sps.掃描窗長為模板長度，掃描間隔為0.05s.取三分向互相關(guān)系數(shù)平均，再將同一模板地震各條模板的互相關(guān)系數(shù)值相加，通過計算序列的絕對離差中位數(shù)（median absolute deviation，MAD）檢測遺漏地震.絕對離差中位數(shù)表達式為MAD＝median（｜Xi｜－X），式中，Xi為第i個互相關(guān)系數(shù)序列，X 為其平均值.

本文取9倍絕對離差中位數(shù)作為判別地震的閾值.圖2展示了模板地震Eq08231657在8月23日16—24時連續(xù)波形上進行互相關(guān)掃描的結(jié)果.計算MAD得到閾值為0.167 1，8小時內(nèi)共有7個互相關(guān)系數(shù)大于閾值的點.其中互相關(guān)系數(shù)值為1的點即為模板地震本身，另有3個點（灰色圓點）為目錄已有的地震，共檢測到3次遺漏地震（黑色圓點）.

圖2 匹配濾波技術(shù)波形互相關(guān)掃描結(jié)果示意圖.波形模板為Eq08231657淶源臺（LAY）記錄，掃描時間段為2013年8月23日16—24時Fig.2 Cross-correlation scanning result based on matched filter.Template is Eq08231657waveform recording of the station LAY，scanning time was from 16：00to 24：00on August 23rd，2013

在得到疑似遺漏地震事件后，使用原始連續(xù)波形（采樣率為100sps）和模板波形，同樣通過互相關(guān)掃描確認遺漏地震，并搜索遺漏事件的P波和S波到時.圖3給出了搜索過程示意圖.利用垂向波形檢測P波，水平向波形檢測S波.鑒于區(qū)域測震臺網(wǎng)手動拾取震相到時存在一定誤差，為截取比較完整的P波、S波波列，在連續(xù)波形垂直向截取P波到時前1.5s至到時后2.5s，模板垂直向截取P波到時前0.5s至到時后1.5s波形進行互相關(guān)掃描（圖3a）；在連續(xù)波形兩個水平向分別截取S波到時前2s至到時后3s，模板水平向截取S波到時前1s至到時后2s波形進行互相關(guān)掃描（圖3b）.掃描得到的互相關(guān)序列中互相關(guān)系數(shù)最大值位置即為遺漏事件P波、S波到時.

本研究使用雙差定位法（Waldhauser，Ellsworth，2000）對加入遺漏事件后的新地震目錄進行地震精定位.所使用數(shù)據(jù)包括觀測報告給出的震相到時，利用波形互相關(guān)震相檢測技術(shù)得到的遺漏事件震相到時，以及通過互相關(guān)掃描得到的震相互相關(guān)系數(shù)和相對到時差.利用遺漏事件水平向S波到時后4s內(nèi)最大振幅與模板地震水平向波形S波波列最大振幅之比估計遺漏事件的震級.

(2)超前單動雙管鉆具方面，根據(jù)現(xiàn)場描述，取心鉆具經(jīng)常會出現(xiàn)鉆進0.3 m左右就會出現(xiàn)鉆壓有所升高，但是泥漿泵壓力還是很穩(wěn)定的情況。因此，大致可以判斷取心過程中巖心在取心內(nèi)筒中出現(xiàn)了堆積、堵塞的情況。這是因為取心過程中隨著巖心進入取心筒中高度增加，筒內(nèi)的巖心與取心筒內(nèi)壁的摩擦阻力增加，當(dāng)總摩阻力達到一定數(shù)值時，取心筒下部的巖層受力達到極限狀態(tài)，不再進入取心筒內(nèi)。進入取心筒的巖心像“瓶塞”一樣阻止下部的巖層進入巖心筒，就出現(xiàn)了“樁效應(yīng)”[3]。對于松軟泥砂地層來說，由于巖層本身相對松散，產(chǎn)生“樁效應(yīng)”后機械鉆速變化很小，不易被發(fā)現(xiàn)，容易造成巖心丟失。

2 檢測結(jié)果與發(fā)震構(gòu)造分析

2.1 遺漏地震檢測結(jié)果

利用匹配濾波技術(shù)在8月22—25日共檢測到地震觀測報告中遺漏地震事件18個，約為目錄給出地震事件數(shù)量的1.38倍.其發(fā)震時刻和震級估計結(jié)果見表2.

圖3 利用波形互相關(guān)震相檢測技術(shù)搜索遺漏地震事件P波、S波到時方法示意圖灰色表示連續(xù)波形，黑色表示波形模板.波形模板為事件Eq08231657淶源臺（LAY）記錄，掃描出遺漏地震發(fā)震時刻為2013-08-24 13：38：37.92.波形經(jīng)過4階零相移Butterworth濾波器2—8Hz濾波；地震波形下方為波形互相關(guān)系數(shù)，標(biāo)注互相關(guān)最大值Cmax（a）通過垂直向波形互相關(guān)檢測P波到時；（b）通過水平向波形互相關(guān)檢測S波到時Fig.3 Detecting the P-and S-wave arrival times of missing events using cross-correlation phase detection technique.Gray curves are continuous waveforms filtered in 2—8Hz by 4th-order zero-phase Butterworth filter，black curves are filtered template waveforms.Template is the waveform recording of Eq08231657from LAY station，origin time of the missing event is 2013-08-24 13：38：37.92.The curve below the waveforms is cross-correlation coefficient sequence，and its maximum value（Cmax）is indicated.（a）P-wave wavefrom of vertical component；（b）S-wave wavefrom of two horizontal components added

表2 測震臺網(wǎng)給出的地震事件和檢測到遺漏地震事件的發(fā)震時刻與震級Table 2 The origin time and magnitude of the catalog and detected events

如表2所示，若將模板地震分為兩組：第一組為地震A，E；第二組為地震B(yǎng)，C，D，F(xiàn)，G.目錄中任何一次地震不能被兩組中的模板地震同時檢測到，即根據(jù)互相關(guān)檢測結(jié)果，此次震群地震事件可劃分為兩組：第一組可被模板地震A，E檢測到，共7次地震，最大震級為ML2.2，ML≥1.0地震2次；第二組可被模板地震B(yǎng)，C，D，F(xiàn)，G檢測到，共26次地震，最大震級為ML3.2，ML≥1.0地震5次.第二組的地震頻度和強度均高于第一組.

圖4給出了補充遺漏地震前后震群活動的震級－頻度關(guān)系對比，震級分組間隔取為0.5.本文檢測到的遺漏地震事件最大震級為ML0.8，因而在M≥ML1.0地震目錄中沒有變化.結(jié)果顯示，增加了遺漏地震后震級－頻度關(guān)系與臺網(wǎng)所給目錄相比呈現(xiàn)更好的線性特征，表明ML0.0—1.0之間地震目錄的完整性有較明顯的改善.

2.2 精定位結(jié)果與發(fā)震構(gòu)造分析

精定位使用觀測報告給出的以及通過互相關(guān)檢測出的震相共553個，所使用的一維速度模型如圖5所示（張成科等，1997；劉寶峰等，2000）.遺漏地震事件精定位結(jié)果及通過互相關(guān)檢測出的震相見表3.有4個以上臺站檢測出震相的遺漏事件用雙差定位方法給出震中，其它遺漏地震事件震中置于互相關(guān)系數(shù)最大的模板地震震中位置（Peng，Zhao，2009）.

圖4 補充遺漏地震前后地震目錄的震級－頻度關(guān)系對比圖.N為M≥ML（對應(yīng)橫坐標(biāo)值）的地震事件個數(shù)Fig.4 Comparison of magnitude-frequency relationships before and after adding the missing events.Nis the number of events with M≥ML（magnitude in x-axis）

圖5 地震精定位所使用的速度模型Fig.5 Velocity structure used in earthquake relocation

圖6 給出了目錄地震與遺漏地震事件的精定位結(jié)果.精定位后的震中分布呈現(xiàn)較為明顯的條帶狀分布.根據(jù)震中位置將地震分為兩組，一組為在震群北西側(cè)呈北東向分布的7次地震，另一組為震群南東側(cè)呈北西向分布的26次地震.該分組與2.1節(jié)中利用波形互相關(guān)對震群地震的分組結(jié)果一致.由此推測此次蔚縣震群的發(fā)震構(gòu)造有兩組，分別為一組北東向斷裂和一組北西向斷裂.

如圖6所示，蔚縣震群震中區(qū)內(nèi)存在兩條主要的活動斷裂，分別為北東向的壺流河斷裂和北西向的松枝口—左所堡斷裂.壺流河斷裂是蔚廣盆地中部一條隱伏活動斷裂，傾向南東（徐錫偉等，2002）.蔚縣震群第一組地震呈北東向分布與壺流河斷裂走向基本一致，但其震中位置在推測斷裂出露位置的北西側(cè)方向，斷裂傾向為南東向，因而該震群第一組地震發(fā)生在壺流河斷裂上的可能性較小，更可能是發(fā)生在更加靠近蔚廣盆地北緣的北東向斷裂上.

表3 遺漏地震事件精定位震中結(jié)果及檢測到震相的臺站Table 3 Relocation results for the missing events and the stations with detected phases

圖6 蔚縣震群地震精定位及震源機制結(jié)果圖灰色空心圓為2008年1月至蔚縣震群發(fā)生前震群所在區(qū)域發(fā)生的地震Fig.6 Relocation result and focal mechanics of Yuxian earthquake swarm Open circles represent catalog events，solid circles represent detected missing events in this study，blue and red open circles represent the earthquake occurred before and after 16：00on August 23rd，respectively.Gray circles are earthquakes from January，2008to August 21st，2013.Black crosses are the epicenters of earthquakes in the catalog，dashed lines indicate the strike of supposed seismogenic faults.Songzhikou-Zuosuobu fault and Duhuliu fault are indicated

松枝口—左所堡斷裂是蔚廣盆地內(nèi)部較為重要的一條北西向斷裂，除此以外該盆地內(nèi)部還存在多條北西向活動斷層（徐錫偉等，2002）.蔚縣震群第二組地震呈北西向分布，與松枝口—左所堡斷裂N40°W走向存在一定差異，因而該震群第二組地震可能發(fā)生在盆地內(nèi)部其它北西向活動斷層上.

以8月23日16時為界，在此之前北東向斷裂上發(fā)生地震5次，最大震級為ML2.2，北西向斷裂只發(fā)生地震2次，最大震級為ML0.5；16時之后地震多發(fā)生于北西向斷裂，共有24次，最大震級為ML3.2，北東向斷裂發(fā)生地震2次，最大震級為ML0.5.結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和2008年以來該區(qū)域小震活動分布，本次蔚縣震群的發(fā)震過程可描述為震群活動前期以北東向構(gòu)造活動為主，后期地震主要發(fā)生在北西向構(gòu)造，其活動頻度和強度均高于北東向構(gòu)造.圖6中灰色空心圓表示2008年1月至此次震群發(fā)震前的地震分布，顯示近年來北東向斷裂的地震活動頻度較高，北西向斷裂發(fā)生地震較少，與此次震群中地震頻度分布特征相反.

利用P／S振幅比和P波初動極性（胡新亮等，2004）求取本次震群中震級最大的兩次地震Eq08231855 ML3.2和Eq08231657 ML2.6的震源機制解（圖6）.結(jié)果顯示Eq08231855地震節(jié)面Ⅰ走向292°、傾角62°、滑動角－73°，節(jié)面Ⅱ走向79°、傾角32°、滑動角－119°；Eq08231657地震節(jié)面Ⅰ走向282°、傾角44°、滑動角－65°，節(jié)面Ⅱ走向69°、傾角51°、滑動角－112°.兩次地震屬于蔚縣震群第二組，推測發(fā)震構(gòu)造為北西向，所以判斷節(jié)面Ⅰ為真實發(fā)震面，其震源機制均以正斷為主兼有少量左旋走滑分量.該結(jié)果與華北區(qū)域應(yīng)力場估計結(jié)果（陳連旺等，1999）基本一致.蔚縣震群第二組26次地震的波形相似度較高，說明其震中位置相近且震源機制相似，因而推測此次震群活動較強的北西向構(gòu)造發(fā)震機制以正斷拉張為主.

3 討論與結(jié)論

本文利用匹配濾波技術(shù)對2013年8月河北蔚縣小震群目錄遺漏地震進行了檢測，發(fā)現(xiàn)震群活動期間共有18個遺漏地震事件；通過波形互相關(guān)震相檢測技術(shù)檢測遺漏地震事件直達P波、S波到時從而給出其震中震級估計結(jié)果.震級－頻次統(tǒng)計分析表明，檢測遺漏事件在ML0.0—1.0范圍內(nèi)對地震目錄完整性的改善有較明顯的貢獻.通過對蔚縣小震群精定位結(jié)果分析認為，此次震群活動發(fā)震構(gòu)造存在北東向和北西向兩組斷裂，震群活動前期以北東向構(gòu)造活動為主，后期地震主要發(fā)生于北西向構(gòu)造，北西向構(gòu)造在此次震群活動中地震頻度和強度均高于北東向構(gòu)造.根據(jù)震群中震級最大的兩次地震震源機制計算結(jié)果，認為北西向構(gòu)造發(fā)震機制以正斷拉張為主.

本文應(yīng)用匹配濾波技術(shù)檢測蔚縣震群目錄中遺漏的地震事件，遺漏地震數(shù)目多于目錄中地震的數(shù)量.一方面，地震目錄不完整會直接影響地震活動性研究結(jié)果的科學(xué)性和可信度，另一方面，地震數(shù)量的大幅增加有利于發(fā)震構(gòu)造的分析識別.因而以小震震群為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的各項研究中，目錄遺漏地震的檢測拾取對促進研究結(jié)果可信度的提高有重要作用，有望成為小震震群研究過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié).

除本文采用的匹配濾波技術(shù)以外，利用波形互相關(guān)識別地震信號還有另外一些方法（Schaff，Richards，2004；Schaff，Waldhauser，2005；Gibbons，Ringdal，2006；Stankova et al，2008；Yang et al，2009）.其具體算法和數(shù)據(jù)處理過程不盡相同，但利用已知地震事件作為模板在連續(xù)波形上進行互相關(guān)掃描的基本思想一致.與人工識別地震信號相比，利用波形互相關(guān)能夠比較有效地抑制低頻干擾，從而可以檢測出較多的遺漏地震事件.另一方面，地震模板的選取需要存儲大量數(shù)據(jù)，且互相關(guān)掃描計算時間較長，是制約波形互相關(guān)識別方法應(yīng)用于測震臺網(wǎng)實時分析工作中的重要因素.隨著計算技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)字化波形資料的不斷積累，波形互相關(guān)識別方法的應(yīng)用范圍將會不斷擴展.

不可否認，由于震群中震級較小的地震波形信噪比低，本文方法難以檢測到目錄遺漏的全部地震.蔚廣盆地覆蓋層下存在多條活動隱伏斷裂，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，僅憑地震精定位和震源機制結(jié)果對發(fā)震構(gòu)造的分析存在較大的不確定性，尚無法確認震群的發(fā)震斷層，需要區(qū)域地震地質(zhì)和地震活動性等領(lǐng)域進一步的精細研究.

審稿專家對本文提出建設(shè)性的意見，中國地震局地震預(yù)測研究所王偉君副研究員、李樂副研究員、楊峰博士等與作者進行了有益的討論，天津市地震局地震應(yīng)急信息中心為本研究提供計算系統(tǒng)支持，本文部分圖件采用GMT軟件包繪制.作者在此一并表示感謝.

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