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  地震地磁观测与研究  2024, Vol. 45 Issue (4): 10-17  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2024.04.002
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引用本文  

汤兰荣, 叶媛媛, 曾新福, 等. 寻乌ML 3.8震群遗漏地震检测与发震构造分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2024, 45(4): 10-17. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2024.04.002.
TANG Lanrong, YE Yuanyuan, ZENG Xinfu, et al. Missing earthquakes detection and seismogenic structure analysis of the Xunwu ML 3.8 earthquake swarm[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2024, 45(4): 10-17. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2024.04.002.

基金项目

江西省地震局科技创新团队项目; 中国地震局监测、预报、科研三结合课题(项目编号: 3JH-202401049)

通讯作者

叶媛媛(1981—), 女, 专科, 高级工程师, 主要从事地震监测预报工作。E-mail: 49371733@qq.com

作者简介

汤兰荣(1983—), 女, 硕士, 高级工程师, 主要从事地震监测预报工作。E-mail: 156878629@qq.com

文章历史

本文收到日期:2024-03-29
寻乌ML 3.8震群遗漏地震检测与发震构造分析
汤兰荣 1)   叶媛媛 2)   曾新福 1)   查小惠 1)   陈江贻 1)   曾先进 1)   罗丽 1)     
1) 中国南昌 330096 江西省地震局;
2) 中国兰州 730000 甘肃省地震局
摘要:利用模板匹配滤波技术对2017年11月至2018年4月寻乌ML 3.8震群的遗漏地震事件进行检测,再利用波形互相关震相检测技术标定P、S波到时,采用双差定位方法进行重定位,结合震群分布、震源机制解、地质构造分析震群的发震构造。结果显示,对于寻乌ML 3.8震群共检测到遗漏地震36个,约为中国地震台网中心地震目录的47%,ML<1.2地震的完整性有较明显改善。重定位后震群分布更加集中,沿NE向优势展布。垂直于震群优势展布方向的深度剖面显示,震源深度总体上由NW至SE逐渐变浅,推测可能的发震断层倾向NW。综合地质构造、精定位、震源机制解推测,此次震群的发震构造为吉潭—留车断裂。
关键词寻乌ML 3.8震群    遗漏地震检测    模板匹配    震源机制解    双差定位    
Missing earthquakes detection and seismogenic structure analysis of the Xunwu ML 3.8 earthquake swarm
TANG Lanrong 1)   YE Yuanyuan 2)   ZENG Xinfu 1)   ZHA Xiaohui 1)   CHEN Jiangyi 1)   ZENG Xianjin 1)   LUO Li 1)     
1) Jiangxi Earthquake Agency, Nanchang 330096, China;
2) Gansu Earthquake Agency, Lanzhou 730000, China
Abstract: Matched filtering technology was used to detect missing seismic events in the Xunwu ML 3.8 earthquake swarm from November 2017 to April 2018. Then we determined P and S wave arrival times using seismic phase detection technology based on waveform cross correlation method, and used double-difference relocation method for relocation, The seismogenic structure of the swarm was analyzed by combining the distribution of the swarm, source mechanism solutions, and geological structures. The results show that a total of 36 missing earthquakes were detected in the Xunwu earthquake swarm, which is about 47% of the catalogue of network, the catalog completeness is obviously improved for earthquakes below ML 1.2. After relocation, the distribution of earthquake swarm becomes more concentrated, spreads along the NE direction. The depth profile perpendicular to the dominant distribution of the earthquake swarm shows that the depth of the earthquake source gradually shallows from NW to SE, suggesting a possible seismic fault inclination towards NW. Based on the geological structures, relocated earthquakes and focal mechanisms, it is speculated that the seismogenic structure of this earthquake swarm is the Jitan-Liuche fault.
Key words: Xunwu earthquake swarm    missing earthquakes detection    template matching    focal mechanism    double-difference relocation    
0 引言

震群活动指发生在较小区域内没有明显主震的地震序列(Yamashita,1998)。震群参数指标分析可以为区域中强地震预测提供参考,而震群目录的完整性直接关系到分析结果的可靠性。由于受背景噪声水平、记录仪器分布、余震波形重叠等多种因素的影响,许多微弱的地震信号被淹没在噪声中,无法直接观测到,这造成大量地震遗漏,因此,对遗漏地震进行识别非常必要。目前,常用的微震检测方法有4种:①基于震相拾取的长短时间平均法(Stevenson,1976Earle et al,1994);②匹配定位M & L方法(张淼,2015);③基于深度学习的震相拾取技术(Wang et al,2019);④基于互相关的模板匹配滤波技术(Schaff et al,2005Gibbons et al,2006Peng et al,2009)。模板匹配滤波技术是在滑动窗互相关检测技术的基础上发展起来(Yang et al,2009)。其优点是能够检测到震源特征相似、震级较小的遗漏地震,对于地震波形互相关程度较高的震群检测效果较好。该方法除了用于检测遗漏地震外,一些研究者还采用波形互相关震相检测技术对震相到时进行校正后重新定位,以有效降低到时拾取中人工误差的影响,为发震构造研究提供更准确的定位资料。谭毅培等(2014a, 2014b, 2016)、单连君等(2017)王亚玲等(2021)倪红玉等(2017, 2021)分别对2013年涿鹿微震群、2013年蔚县震群、2016年怀来ML 3.4震群、2020年唐山5.1级地震序列、2014年金寨ML 3.9震群、2016年无为MS 3.0震群进行了遗漏地震检测,采用波形互相关进行了精定位,并分析了序列发震构造。

寻乌地区位于邵武—河源断裂带的中段,构造分布错综复杂,地震活动较活跃。有史以来共记录到4.7级以上地震4次,最大震级地震为1941年9月21日寻乌5¾级地震。2017年11月至2018年4月,寻乌发生震群活动,共记录到地震76次,最大震级为ML 3.8。该震群地震波形相关程度较高,本文利用模板匹配方法检测寻乌震群的遗漏地震,再利用波形互相关震相检测技术标定P、S波到时(谭毅培等,2014a倪红玉等,2021),重定位后结合震源机制解分析震群可能的发震构造,以期为该地区地震地质研究和地震危险性分析提供依据。

1 资料和方法

对于寻乌震群,共记录到地震76次,其中,ML 0.0—0.9地震11次;ML 1.0—1.9地震49次;ML 2.0—2.9地震11次;ML 3.0以上地震5次。由此可见,ML<1.0地震数量较少,遗漏较多。选取距寻乌震群最近的寻乌地震台(XUW)、安远地震台(ANY)、会昌地震台(HUC)记录到的连续波形资料,利用ML>2.0地震作为模板进行遗漏地震检测。资料来源于江西省测震台网。震群位置和台站分布见图 1

图 1 寻乌震群位置及地震台站分布 Fig.1 The distribution of epicenters of Xunwu earthquake swarmand stations

采用模板匹配识别方法进行遗漏地震检测(Van Trees,1968;Peng et al,2009谭毅培等,2016)。在模板地震波形中截取寻乌地震台(XUW)、安远地震台(ANY)、会昌地震台(HUC)三分量直达S波到时前2 s至后2 s的波形,经过零相移4阶Butterworth滤波器2—8 Hz滤波后,在连续波形上进行互相关扫描。遗漏地震检测过程分为4步:①将对3个台站扫描得到的互相关系数序列按模板地震在此台站的走时平移;②计算3个台站波形互相关系数的平均数,取9倍绝对离差中位数为阈值,挑选大于阈值或单台互相关系数大于0.6,而目录中未记录的作为疑似遗漏地震事件;③基于波形互相关震相检测技术检测疑似遗漏地震事件的震相,在距震中最近的3个地震台至少检测到1个P、S波震相的则确认为遗漏地震,扫描得到的互相关序列中互相关系数最大值位置即为遗漏事件P、S波到时(图 2);④利用遗漏事件水平向波形S波段最大振幅与模板地震的振幅比估计遗漏事件的震级(谭毅培等,2016倪红玉等,2021)。

图 2 XUW台搜索遗漏地震事件P波(a)、S波(b)到时方法示意图 黑色表示连续波形;红色表示模板波形;蓝色为波形互相关系数 Fig.2 Detecting the P- and S-wave arrival times of missing events at XUW Station
2 遗漏地震检测结果

采用前述方法能检测到绝大部分地震台网已记录到的地震,仅有个别地震未检测到。检测得到震群疑似遗漏地震共193个,数量约为地震台网目录的2.5倍。通过对疑似遗漏地震波形进行检查发现,有些仪器故障波形和干扰数据也被检测为遗漏地震。通过对遗漏地震波形进行筛选,将3个地震台至少检测到1个P、S波震相的地震确认为遗漏地震。最终得到遗漏地震36个,为地震台网目录76个的47%。其中,ML 0.0—0.9、ML 1.0—1.9的遗漏地震均为18个,最大遗漏地震震级为ML 1.8(图 3)。

图 3 中国地震台网目录和遗漏地震的Mt Fig.3 M-t diagram of catalog from China Earthquake Networks (black) and missing earthquakes (blue)

为了检验遗漏地震震级的可靠性,对采用模板匹配识别方法得到的地震事件理论震级与地震台网目录震级进行差值分析(图 4)。由图 4可见,震级差小于0.1的地震占比最高;77%的震级差小于0.2,92%的震级差小于0.4,这表明遗漏地震的震级较可靠。

图 4 模板匹配识别得到的震级与地震台网目录震级间的差值 Fig.4 Distribution of magnitude differences between template matching recognition and earthquake network catalog

对寻乌震群的地震台网目录和增加遗漏地震后的目录分别进行震级—频度关系拟合(图 5),由图 5可见,补充遗漏地震后ML<1.2地震的目录完整性有所改善,但ML<0.6地震数量与拟合直线间还存在较大差距,说明还有大量遗漏地震未被检测到,这与寻乌地区地震监测能力不强密切相关,也与台站连续波形信噪比有关,通过模板匹配识别方法震级较小的地震仍无法被检测出来。增加遗漏地震后b值从0.53变为0.58。

图 5 补充遗漏地震前后地震目录的震级—频度关系 Fig.5 The frequency-magnitude distribution of earthquake catalog before and after adding missing earthquakes
3 重定位、震源机制及发震构造分析

采用利用P、SV、SH波的初动和振幅比联合计算震源机制解的方法和交互式FOCMEC反演程序(Snoke et al,1984Snoke,1989刘泽民等,2015),计算寻乌震群序列ML≥3.0地震震源机制解(图 6)。由图 6可见,最大震级地震(ML 3.8)的震源机制解为:节面Ⅰ走向0°、倾角65°、滑动角-2°;节面Ⅱ走向90°、倾角88°、滑动角-155°,P轴方位为319°。5次ML≥3.0地震的震源机制解相似度较高,节面走向集中在近NS、EW两个方向,节面倾角为65°—88°,滑动角为-2°—23°、-155°—163°,滑动角与倾角说明地震以高倾角的走滑型运动为主。P轴在316°—319°、131°—132°之间,T轴在222°—226°之间,P轴倾角在19°以内,表明断裂所承受的作用力以近水平向力为主。P轴方向与该区NWW―SEE向水平挤压为特征的构造应力场相吻合(汪素云等,1985谢富仁等,2004),说明寻乌震群活动受区域构造应力场的控制。

图 6 寻乌震群ML≥3.0地震震源机制 Fig.6 Mechanism solutions of ML≥3.0 earthquakes of Xunwu earthquake swarm

采用HypoDD方法对寻乌震群进行精定位。定位采用的是华南地区速度结构模型(范玉兰等,1990)。采用波形互相关震相检测技术对震相到时进行校正(谭毅培等,2014a倪红玉等,2017),从而减少人工量取的误差。由于寻乌震群波形相似度高,故首先选择震群中与其他波形相关性都较高的2018年1月1日ML 3.6地震为模板,去标定其他地震事件的震相,基于标定后的震相,选择震中距小于100 km的4个台站的震相到时进行精定位。精定位结果见图 7。由图 7可见,重定位后震群分布更加集中,沿NE向优势展布,与附近的断裂走向方向一致。图 7(a)中AA′为震群优势展布剖面,BB′为垂直剖面,沿AA′剖面寻乌震群深度分布见图 7(b)。由图 7(b)可见,重定位后,寻乌震群震源深度为5—12 km。沿BB′剖面,震源深度分布见图 7(c)。由图 7(c)可见,震源深度总体上由NW至SE逐渐变浅,根据其分布形迹,推测可能的发震断层倾向NW,倾角60°左右,与ML 3.8最大震级地震震源机制解节面Ⅰ倾角为65°的结果较一致。

图 7 重定位后寻乌震群空间分布 Fig.7 Spatial-temporal distribution of Xunwu earthquake swarm after relocation

寻乌震群位于河源—邵武断裂带中段(石城—寻乌段)南端的寻乌附近,距震群最近的断裂为吉潭—留车断裂,其次是三标—菖蒲断裂(图 7)。2条断裂的走向均为NNE,与震源机制解近NS的节面相近,也与重定位后地震优势分布方向一致,故推测近NS的节面为发震断层面。

石城—寻乌断裂带是江西境内最活跃的一条断裂带,历史上发生过8次5级以上的破坏性地震,江西省1次6级地震就发生在该断裂带上。断裂带北段倾向NW,中段倾向SE,南段倾向NW(黄智权,2003)。寻乌震群位于南段留车西北侧,该段倾向与重定位后推测可能的发震断层倾向NW一致。吉潭—留车断裂为河源—邵武断裂的主要组成断裂,该断裂在地形地貌上有明显显示,在吉潭—留车一带控制了白垩纪盆地东南边缘,断裂两侧地形地貌相差明显,断裂西北侧为地形起伏较小,海拔相对较低的盆地,东南侧为地形起伏较大,海拔相对较高的山区。

在陈树塘西侧公路旁见吉潭—留车断裂断错于侏罗纪凝灰质砂岩中。断层产状为:40°/NW∠46°,断层破碎带宽1—2 m,断层物质呈灰绿色,断层物质破碎且松软(图 8),在靠近上断面有断层泥条带,断层泥用手捏有滑感,取断层泥作热释光年龄测定,结果为329.06±27.97 ka,说明断裂的最新活动时代为中更新世。断层两侧地层受构造作用影响在近断面有明显变形,地层产状为:走向23°—28°,倾向SE,倾角在近断面处变化较大,为20°—49°,远离断面岩层倾角变化较小,一般为15°—22°。

图 8 吉潭—留车断裂陈树塘西侧公路旁剖面 ①灰质砂岩;②断层破碎带;③断层泥;④采样点。图(c)为图(b)局部放大,镜向SW Fig.8 Profile map of the road on the west side of Chenshutang along the Jitan-Liuche fault

综上所述,寻乌震群位于吉潭—留车断裂上盘且距该断裂约5 km处,该断裂为中更新世盆地边界断裂,对地形地貌和岩性有较好的控制作用。综合震源机制、地震序列空间分布特征及震区构造地质情况等推断,吉潭—留车断裂为此次震群的发震构造。

4 结论和讨论

利用匹配滤波技术对2017年11月至2018年4月寻乌ML 3.8震群的遗漏地震事件进行检测,共检测到36个遗漏地震事件,约为地震台网目录的47%,其中,ML 0.0—0.9、ML 1.0—1.9的遗漏地震均为18个,最大遗漏地震震级为ML 1.8。采用模板匹配识别方法得到的地震事件震级与地震台网目录的震级相差不大,92%的地震震级差小于0.4,这表明遗漏地震的震级较可靠。

加入遗漏事件后,ML<1.2地震的目录完整性有所改善,但仍与震级—频度拟合直线相差较大,说明检测出来的遗漏地震数量有限。寻乌震群中的地震相似程度较高,而遗漏地震比例并不高,主要原因是区域地震监测能力不强,距震群最近的XUW台间距约为20 km,故对于震级太小的地震无法记录到信噪比高的波形。

震群重定位后分布更加集中,沿NE向优势展布。震群中的ML≥3.0地震震源机制解相似度较高,节面走向集中在近NS、EW两个方向。近NS向的节面走向与震群附近NNE向的断裂走向较接近,倾向、倾角与重定位的推测结果一致,该节面可能为发震断层面。结合重定位结果、地质构造和震源机制解推测,吉潭—留车断裂为此次震群的发震构造。该断裂为中更新世盆地边界断裂,对地形地貌和岩性有较好的控制作用。

采用模板匹配识别方法进行遗漏地震检测,初选出来的遗漏地震数量较多,约为地震台网目录的2.5倍,其中包含大量干扰波形,而真正的遗漏地震占比仅为19%,因此筛选剔除非地震信息非常重要。通过对疑似遗漏地震波形进行检查发现,一些仪器故障波形和干扰数据也被检测为遗漏地震。由于疑似遗漏地震数量与互相关扫描设置的互相关系数阈值密切相关,因此需要根据区域地震监测能力和波形信噪比情况选择合适的阈值。

所用程序由天津市地震局谭毅培、倪红玉高级工程师,安徽地震局刘泽民高级工程师提供,在此表示感谢。
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