徐曉楓，王惠琳，陳小敏

(海南省地震局，海南?？?70203)

0 前言

雙差定位算法是一種相對定位方法，反演的是一組叢集地震中每個地震相對于該叢集地震矩心的相對位置。該方法的假設(shè)前提是一個地震叢集的所有地震不可能出現(xiàn)整體的位置偏差，而這通常符合實際情況。它要求地震叢集中的每兩個事件間的距離遠小于到觀測它們的臺站距離，因此雙差定位法能夠有效減少由于對地殼速度結(jié)構(gòu)了解的不夠精確所帶來的誤差，是最為精確的地震定位方法之一(Waldhauser，Ellsworth，2000;Bogdan et al，2005)。Waldhauser和 Ellsworth(2000)詳細解釋了雙差定位原理，并進行了精確定位應(yīng)用，揭示了小震活動性與Hayward斷層的關(guān)系。國內(nèi)學者也利用該方法做了很多富有成效的研究工作，楊智嫻等(2003)對我國中西部地區(qū)1992～1999年的10 057次地震進行了雙差定位，得到了6 496個地震新的震源參數(shù)。黃媛等(2006)對2003年新疆巴楚—伽師地震序列用雙差法重新定位。Zheng等(2009)先采用Geiger法確定主震和余震序列的絕對震源位置，再利用雙差定位對地震序列進行相對定位。宋美琴等(2012)在不同區(qū)域采用不同的速度模型用絕對定位方法和雙差相對定位方法對山西及其周邊地區(qū)中小地震進行了精確重新定位。

我國東南沿海地區(qū)的地震主要分布于沿海地區(qū)，北起福建北部，南至雷瓊和桂東南地區(qū)，形成一條大體上與海岸線平行的相對狹長的地震發(fā)生帶，即東南沿海地震帶。本文研究區(qū)域(17.0°～22.5°N，107.0°～114.5°E)就位于東南沿海地震帶的西南端，即海南島及鄰區(qū)。目前，海南島及鄰區(qū)地震臺站分布較為密集，自2000年有數(shù)字地震記錄以來，已積累了豐富的數(shù)字化地震資料，但由于島的四周是海域而無法架設(shè)地震臺站，對海域地震定位造成少許的偏差。北部灣、南海海域內(nèi)的地震定位殘差大多在0.5 s以內(nèi)，大于0.5 s的結(jié)果工作人員會重新定位計算。為了研究海南島及鄰區(qū)的地震活動構(gòu)造和地震分布特征，采用雙差定位法對海南省地震臺網(wǎng)自有數(shù)字地震資料以來(2000～2012年)ML≥1.0地震進行重新定位，新的研究結(jié)果可為海南島及鄰區(qū)的地震構(gòu)造特征和分布活動特征提供可靠依據(jù)。

1 雙差定位法原理

根據(jù)射線理論，從地震i到臺站k的地震波到時T可以表示為沿射線路徑的積分:

其中，τ是事件i的發(fā)震時刻，u是經(jīng)過路徑的慢度，ds是路徑微分。由于地震走時和震源位置的非線性關(guān)系，使用截斷Taylor級數(shù)展開將式(1)線性化(Geiger，1910)。由此使得事件i的走時殘差r與在各觀測點k的當前4個震源參數(shù)擾動量Δm之間線性相關(guān)，可表示為

其中，Δmi=(Δxi，Δyi，Δzi，Δτi)，=(tobstcal)，tobs和tcal分別為觀測走時和理論走時。方程(2)適用于讀取觀測到時，通過選取一對事件i和j關(guān)于式(2)的差，得到關(guān)于一對事件的表述方法:

其中，Δmij=(Δdxij，Δdyij，Δdzij，Δdτij)是兩個事件的相對震源參數(shù)的改變量。drijk為兩個地震之間觀測和計算走時差的殘差，(3)式又可以寫為

這即為雙重殘差的定義，計算雙差既可以用臺站觀測得到的觀測走時，又可以使用波形互相關(guān)得到的相對走時差。

2 數(shù)據(jù)資料

2.1 臺站情況

海南數(shù)字地震臺網(wǎng)2000年開始運行，初期僅記錄海南島內(nèi)運行臺站的地震數(shù)據(jù)，2008年開始將廣西和廣東臺網(wǎng)的部分臺站數(shù)據(jù)納入海南地震臺網(wǎng)中心記錄。如圖1所示，目前海南地震臺網(wǎng)中心共收集記錄35個數(shù)字地震臺的地震波形，其中海南島21個臺站，廣東8個臺站，廣西6個臺站，覆蓋了雷州半島和海南島地區(qū)。

2.2 速度模型和資料

本文選用海南省地震臺網(wǎng)中心自有數(shù)字地震資料以來(2000～2012年)共1 035個ML≥1.0地震進行重新精定位研究，研究區(qū)域范圍為雷瓊地區(qū)(17°～22.5°N，107 °～114.5°E)。

為了選取精確的地殼P波波速模型，給雙差精定位時提供合理可靠的地殼波速模型，選用了海南島及鄰區(qū)高質(zhì)量的地殼波速勘探結(jié)果①②中國地震局地球物理勘探中心.2006.?？谑谢顢鄬犹綔y與地震危險性評價高分辨地震折射和寬角折射探測.，整理之后的波速分層模型見表1。海南島地下Moho界面深度約為25 km，P波和S波波速比為1.73。

Waldhauser和Ellsworth(2000)的雙差定位程序需要先對輸入文件進行預(yù)處理，把地震事件組成事件對，然后由震相對的走時對地震進行重新定位(鄭鈺，楊建思，2008)。本文使用震相數(shù)據(jù)13 223條，選用共軛梯度法來進行求解。由于Pg、Sg波到時精度不同，Sg波的到時選取主觀因素更大一些，所以根據(jù)到時精度不同設(shè)置P波權(quán)值為1，S波權(quán)值為0.5。

圖1 地震臺站分布圖Fig.1 Distribution of seismic stations

表1 地殼P波波速分層模型Tab.1 Crustal P wave velocity layer model

圖2 重新定位前(a)、重新定位后(b)地震震中分布圖及深度剖面圖Fig.2 Epicenter distribution and focal depth profile diagrams before(a)and after(b)relocating

3 結(jié)果及分析

3.1 震中分布特征

為了更好地體現(xiàn)出震源深度與地表震中分布對應(yīng)的關(guān)系，本文采用震中分布圖與深度剖面圖的經(jīng)緯度相互對應(yīng)方法，對比定位前后深度剖面上的震源分布特點。從圖2中可以看出深度分布變化明顯，重定位后的震源位置更加合理，深度剖面圖和地表震中分布圖中的小震群對應(yīng)明顯，呈垂直條帶分布。

3.2 震源深度分布特征

從震源深度來看，重定位前后的震源位置顯示出很大差異，重新定位前地震震源深度大多集中在10 km，無法得出精確的震源深度，這是傳統(tǒng)絕對定位方法普遍存在的問題(圖2a)。重新定位后，所有的地震重新給出了震源深度，震源深度分布呈現(xiàn)出離散化特點(圖2b)，并呈垂直條帶分布，體現(xiàn)了斷裂帶的運動構(gòu)造更加符合斷裂帶的地震活動特點。

為了更清楚地看出地震的震源深度分布，以1 km為統(tǒng)計間隔對不同震源深度的地震頻次進行了定量統(tǒng)計，給出深度—頻度統(tǒng)計直方圖(圖3)。重新定位前，地震深度主要集中在10 km，地震數(shù)目達到864次，占總地震數(shù)目的84%，而其它深度沒有明顯的地震分布(圖3a)。重新定位后，震源深度分布更為合理，地震深度不局限于10 km處，地下25 km以內(nèi)地震呈發(fā)散分布，且近似成正態(tài)分布形態(tài)(圖3b)，顯然更符合實際情況。目前地震臺網(wǎng)的臺站數(shù)量在逐年增加，可使用多臺波形資料來確定地震震中，使定位地震震中變得逐漸精確，雙差定位法用來確定震群震中和震源深度的分布是其最大優(yōu)勢。

3.3 誤差分析

通過雙差法對海南島及鄰區(qū)(2000～2012年)1 035個ML≥1.0地震進行了重新定位，實際得到820個地震的精確定位參數(shù)，占原始數(shù)據(jù)比例的79%，其原因為部分地震構(gòu)建不了成對的地震事件，或者相同臺站的地震記錄對共同的震相小于最小觀測數(shù)。地震震源位置的平均測定誤差(2倍標準偏差)在EW方向為2.05 km，在NS方向為2.15 km，在垂直方向為2.02 km。重新定位后，全部地震的平均均方根殘差為0.2 s，具體分布統(tǒng)計見圖4。

圖3 重新定位前(a)、重新定位后(b)震源深度分布統(tǒng)計Fig.3 Focal depth distribution statistics before(a)and after(b)relocating

圖4 重新定位后均方根殘差分布直方圖Fig.4 Histogram of the RMS residual distribution after relocating

3.4 地震分布和斷裂構(gòu)造分析

本文采用了最新的斷裂帶分布資料①海南省海洋地震與工程地震研究中心.2012.100萬噸/年乙烯及煉油改擴建工程場地地震安全性評價報告.，如圖2所示，地震重新定位后，沿斷裂帶附近的小震分布更加密集，可以看出地震活動與斷裂帶的分布有一定的相關(guān)性。

(1)從圖2中可以看出深度分布變化十分明顯，重定位后的震源位置分布體現(xiàn)出斷裂帶深部特征，深度剖面圖和地表震中分布圖中的小震群對應(yīng)明顯，呈垂直條帶分布，如北部灣小震群(F15、F16斷裂帶交叉處)，九所—陵水斷裂帶(F9)東端小震群，鋪前—清瀾斷裂帶(F6)和萬寧近海小震群(F17)在深度剖面上都呈現(xiàn)出小震垂直分布形態(tài)，刻畫出斷裂帶的特征。

(2)重定位后鋪前—清瀾斷裂(F6)周圍的小震分布更加密集，并接近斷裂帶。鋪前—清瀾斷裂帶是全新世活動斷裂，曾在1605年發(fā)生過72級地震，多年來此斷裂附近小震活動頻繁。該斷裂活動大致可分兩段。北段控制東寨港地塹式斷陷的形成，斷裂以東全新世海灣砂層現(xiàn)今高出海平面10 m以上。南端活動較弱，大面積上更新統(tǒng)分布，從圖2中可以看出，斷裂南端的小震活動已經(jīng)偏移至西幾公里，并沒有和斷裂帶重疊，有可能說明鋪前—清瀾斷裂(F6)的西端有隱伏斷裂的存在。

(3)九所—陵水斷裂(F9)地震都發(fā)生在斷裂的東端，重定位前的地震分布不夠集中，是由于在震相報告中人工讀取震相時產(chǎn)生的錯誤，新的結(jié)果已對震相參數(shù)進行了修正。該斷裂帶地震時有發(fā)生，海蝕地貌發(fā)育，在斷裂東端有熱泉分布，都是與該斷裂帶東端的地震活動有關(guān)。

(4)峨蔓斷裂(F1)和馬裊—福山斷裂(F3)是晚更新世活動斷裂。峨蔓斷裂是一條控制火山活動的斷裂。在峨蔓一帶，控制一系列火山口北西向展布。沿該斷裂帶在地表曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些規(guī)模較小的北西向斷層。重定位的結(jié)果顯示，近年來的活動集中在斷層的北段。馬裊—福山斷裂是從北部灣海底向東南延伸至海南島瓊北陸上地區(qū)，1994和1995年在馬裊—福山斷裂的西北延伸海域相繼發(fā)生M6.1和M6.2地震，重定位的結(jié)果顯示地震和斷裂帶的位置一致。

(5)感城—黃流斷裂(F11)是中更新世活動斷裂，為一條推測的隱伏斷裂。尖峰—吊羅斷裂(F10)是前第四紀斷裂，該斷裂帶在航磁和重力異常上有明顯的反映。兩條斷裂的交叉處小震密集。

(6)重定位后珠江口盆地、北部灣海域、瓊東南沿海小震分布更加密集，與海域斷裂帶的構(gòu)造特征比較一致。

4 結(jié)論

(1)采用雙差定位方法對海南島及鄰區(qū)(2000～2012年)共1 035個ML≥1.0地震進行重新定位，實際得到820個地震的精確定位參數(shù)，占原始數(shù)據(jù)比例的79%。定位前后震中的水平分布變化較為明顯，定位后地震多呈叢集分布，提高了地震震中精確度。

(2)地震震源深度分布的特點表明，海南島及鄰區(qū)地震主要發(fā)生在上地殼。相比原始定位記錄，重定位后的震源深度分布呈現(xiàn)出離散化、正態(tài)分布的形態(tài)，而不是僅僅局限于10 km處，深度分布主要集中在地下25 km以內(nèi)，這是由于地殼模型的改進和雙差算法的優(yōu)越性，使得定位結(jié)果更加接近地殼內(nèi)部地震活動特性。

(3)重新定位后改善了原地震定位的精度，地震在空間上分布更加集中在斷裂帶附近，結(jié)果更加合理。地震活動與斷裂構(gòu)造活動明顯相關(guān)。重定位后深度分布變化明顯，震源位置更加合理，深度剖面圖和地表震中分布圖中的小震群對應(yīng)明顯，呈垂直條帶分布，刻畫出斷裂帶的特征。

黃媛，楊建思，張?zhí)熘?2006.2003年新疆巴楚—伽師地震序列的雙差法重新定位研究［J］.地球物理報，49(1):162－169.

宋美琴，鄭勇，葛粲，等.2012.山西地震帶中小震精確位置及其顯示的山西地震構(gòu)造特征［J］.地球物理學報，55(2):513－525.

楊智嫻，陳運泰，鄭月軍，等.2003.雙差地震定位法在我國中西部地區(qū)地震精確定位中的應(yīng)用［J］.中國科學地球科學，33(S1):129－134.

鄭鈺，楊建思.2008.雙差算法的剖析及參數(shù)對定位的影響［J］.地震地磁觀測與研究，29(3):85－93.

Bogdan E.，James M.，Shiro O..2005.Double-difference relocations of the 2004 off the Kii peninsula earthquake［J］.Earth Planets and Space，57(4):357 －362.

Geiger L..1910.Probability method for the determination of earthquake epicenters from arrival time only［J］.Bull.St.Louis.Univ.，8(1):60－71.

Waldhauser F.，Ellsworth W.L..2000a.A double-difference earthquake location algorithm:method and application to the Northern Hayward Fault，California［J］.Bull.Seism.Soc.Am，90(6):1353 － 1368.

Zheng Y.，Ma H.S.，Lu J.，et al.2009.Source mechanism of strong aftershocks(MS≥5.6)of the 2008/05/12 Wenchuan earthquake and the implication for seismotectonics［J］.Sci.China Ser.D-Earth Sci.，52(6):739 －753.