羅佳宏 馬文濤 李春政

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結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位方法在三峽水庫(kù)地震中的應(yīng)用1

羅佳宏 馬文濤 李春政

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

本文采用基于波形互相關(guān)算法的雙差定位方法對(duì)三峽水庫(kù)地震進(jìn)行精定位和地震活動(dòng)性分析。首先使用雙譜互相關(guān)方法分析了三峽庫(kù)區(qū)加密臺(tái)網(wǎng)于2009年3月至2010年12月觀測(cè)到的地震波形數(shù)據(jù)，并對(duì)波形互相關(guān)分析的結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)?；诮Y(jié)合獲得的波形互相關(guān)數(shù)據(jù)使用雙差定位方法對(duì)地震事件進(jìn)行精定位研究，結(jié)果表明使用雙譜法驗(yàn)證的波形互相關(guān)數(shù)據(jù)的定位精度要高于其他數(shù)據(jù)的結(jié)果，其東西向震源位置平均誤差為3.2m、南北向?yàn)?.9m、垂直向?yàn)?.2m。重定位震中結(jié)果顯示巴東神龍溪兩岸微震分布明顯呈現(xiàn)出3條近東西向的線性條帶狀，與地表小規(guī)模斷裂和碳酸鹽巖地層走向一致，揭示了庫(kù)水主要沿著溶洞或者地下暗河滲透進(jìn)而誘發(fā)地震活動(dòng)，較強(qiáng)地震可能是微小地震貫穿活動(dòng)面的結(jié)果。

雙譜驗(yàn)證 波形互相關(guān) 雙差定位 三峽水庫(kù)

引言

地震定位是地震學(xué)中最基本、最經(jīng)典的問(wèn)題之一，其核心內(nèi)容是最大限度地提高地震定位精度。影響地震定位精度的因素很多，比如記錄臺(tái)站的分布、震相拾取的精度、速度模型的準(zhǔn)確性等，其中影響最大的是速度模型誤差和震相到時(shí)讀取誤差?；诓ㄐ位ハ嚓P(guān)技術(shù)的雙差定位方法能夠很好地克服這2種誤差（黃媛，2008），提高了數(shù)字地震波形應(yīng)用范圍。使用互相關(guān)技術(shù)對(duì)P波和S波走時(shí)進(jìn)行校正，減少到時(shí)讀數(shù)誤差的影響，很大程度上降低由于直接讀取震相到時(shí)所造成的誤差，并解決因速度模型不準(zhǔn)確造成的定位結(jié)果分散問(wèn)題，提高了地震定位的精度。

波形互相關(guān)分析分為時(shí)域和頻域2種計(jì)算方法（Poupinet等，1984）。時(shí)域互相關(guān)分析操作簡(jiǎn)單，獲得了較廣泛的應(yīng)用（Schaff等，2004；2005；Waldhauser等，2000），針對(duì)垂直分量互相關(guān)計(jì)算的局限性，發(fā)展了時(shí)域多通道相關(guān)檢測(cè)函數(shù)并用于計(jì)算波形互相關(guān)走時(shí)差（王清東等，2015）。在時(shí)域中選取互相關(guān)系數(shù)的閾值需要有一定的經(jīng)驗(yàn)，如果閾值設(shè)定過(guò)高，可用數(shù)據(jù)就會(huì)很少，達(dá)不到高精度定位的要求，但如果閾值取太低，則會(huì)得到一些非真實(shí)震相信息。一個(gè)比較穩(wěn)妥的方法便是使用雙譜法（Du等，2004）對(duì)互相關(guān)系數(shù)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，可以更有效地增強(qiáng)互相關(guān)的可用信息并提高互相關(guān)數(shù)據(jù)的可信度。雙譜法能有效地壓制高斯互相關(guān)噪聲，在三階譜域內(nèi)同時(shí)計(jì)算原始和濾波后波形的時(shí)間延時(shí)，并用這2個(gè)時(shí)間延時(shí)來(lái)驗(yàn)證互相關(guān)系數(shù)的可靠性。因其具有精度高的特點(diǎn)，自提出以來(lái)便得到了一定的應(yīng)用（Bannister等，2011；Bourguignon等，2015；Hansen等，2013；張廣偉等，2015；趙翠萍，2006）。

本文首先利用雙譜法軟件包（BCSEIS）對(duì)三峽庫(kù)區(qū)地震事件的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)分析，并用雙差定位方法對(duì)地震事件進(jìn)行精定位，對(duì)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的定位結(jié)果進(jìn)行比較，獲得了三峽庫(kù)區(qū)高精度微震定位結(jié)果。

1 地震波形數(shù)據(jù)處理

三峽水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)由26個(gè)地震臺(tái)站組成，包括21個(gè)英國(guó)L-22型三分向短周期速度擺和5個(gè)美國(guó)Guralp CMG-3ESPC寬頻地震計(jì)，數(shù)采均為Reftek130且采樣率為200Hz（馬文濤等，2010），在2009年3月至2010年12月的觀測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)一共獲得了5275次地震事件觀測(cè)報(bào)告及其波形數(shù)據(jù)。

在本研究中，我們首先對(duì)地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行1.0—10Hz帶通濾波，得到原始和濾波后波形數(shù)據(jù)，然后分別在P波和S波到時(shí)前后截取一段波形進(jìn)行互相關(guān)分析。我們?nèi)波時(shí)窗長(zhǎng)128個(gè)采樣點(diǎn)，P波到時(shí)前30個(gè)采樣點(diǎn)，之后97個(gè)采樣點(diǎn)；取S波時(shí)窗長(zhǎng)192個(gè)采樣點(diǎn)，S波到時(shí)前50個(gè)采樣點(diǎn)，之后141個(gè)采樣點(diǎn)。圖1顯示了1個(gè)事件對(duì)的波形記錄，2個(gè)地震事件的編號(hào)分別為242和244，圖中只繪制了發(fā)震時(shí)刻到S波時(shí)窗范圍內(nèi)的波形記錄，此外的波形不參與計(jì)算波形互相關(guān)系數(shù)，事件242和244的詳細(xì)信息見(jiàn)表1。波形互相關(guān)結(jié)算結(jié)果說(shuō)明事件對(duì)之間具有高度相似，2次地震事件的波形互相關(guān)系數(shù)大于0.9，震相延時(shí)小于0.04s。將地震目錄震相的到時(shí)差和波形互相關(guān)延時(shí)差進(jìn)行比較（圖2），波形互相關(guān)延時(shí)可以降低由于震相拾取誤差帶來(lái)的偏差，能獲得更高精度的到時(shí)差數(shù)據(jù)，說(shuō)明用雙譜驗(yàn)證方法提取的波形互相關(guān)系數(shù)具有較高的精度。

在雙譜計(jì)算過(guò)程中我們使用3個(gè)互相關(guān)系數(shù)閾值來(lái)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果：中央范圍系數(shù)、下限和上限。一般情況下，相當(dāng)于傳統(tǒng)互相關(guān)延時(shí)計(jì)算中的閾值，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)我們使用以下原則：

表1 圖1中地震事件對(duì)詳細(xì)信息

在雙差定位或雙差層析成像方法中，地震對(duì)之間的最大距離對(duì)反演結(jié)果有很大的影響。如果該值取得越小，則建立聯(lián)系的地震對(duì)之間距離越小，定位精度越高，但是太小則能夠建立聯(lián)系的地震就越少（黃媛等，2006）。在進(jìn)行雙差定位或雙差層析成像之前，需要評(píng)價(jià)地震對(duì)之間的距離。一般可以計(jì)算地震對(duì)之間的距離并統(tǒng)計(jì)深度分布直方圖，從而可以快速地確定合適的地震距，我們計(jì)算了研究范圍內(nèi)地震事件之間的距離（圖4），表明地震對(duì)之間的距離取20km較為合理，這個(gè)值與程序ph2dt給出的“強(qiáng)連接”事件對(duì)的最大距離也是一致的。但是該地震距是否與互相關(guān)地震對(duì)之間的距離匹配，需要進(jìn)行詳細(xì)的分析。根據(jù)雙譜驗(yàn)證法獲得的波形互相關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)所有臺(tái)站記錄到的事件對(duì)震源距和相應(yīng)的波形互相關(guān)系數(shù)，得到了互相關(guān)系數(shù)與事件對(duì)震源距分布圖（圖5）。結(jié)果表明，單純地設(shè)置地震對(duì)之間距離閾值為20km會(huì)降低互相關(guān)數(shù)據(jù)的使用質(zhì)量，定位結(jié)果受橫向不均勻性的影響較大，因此需要適當(dāng)?shù)販p小互相關(guān)地震對(duì)之間距離的閾值，這里我們選取6km，以保證大多數(shù)互相關(guān)系數(shù)和距離的一致性，并確?；ハ嚓P(guān)數(shù)據(jù)的使用效率和定位的精度。

2 三峽庫(kù)區(qū)雙差定位實(shí)現(xiàn)

根據(jù)2009年3月至2010年12月中國(guó)地震局地質(zhì)研究所三峽水庫(kù)加密臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，一共得到5275個(gè)地震事件，根據(jù)地震目錄獲得P波走時(shí)數(shù)據(jù)43538條和S波走時(shí)數(shù)據(jù)43385條，平均每個(gè)地震事件有7個(gè)清晰臺(tái)站記錄。為排除震相判讀錯(cuò)誤和其他信息的干擾，使用最小二乘擬合走時(shí)曲線，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，同時(shí)使用和達(dá)曲線（即S-P曲線）對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)（藺永等，2014）。圖6表明數(shù)據(jù)擬合前存在一系列的干擾數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行走時(shí)曲線最小二乘擬合，剔除誤差較大的震相后，得到誤差較小的地震事件信息。經(jīng)過(guò)挑選后，得到5244個(gè)地震事件，共41423條P波和42354條S波震相數(shù)據(jù)。圖7為5244個(gè)地震事件的信息分布圖，分別給出了沿著經(jīng)度、緯度和深度的地震事件分布圖。結(jié)果顯示，地震事件主要分布在8km深度以上的范圍，且地震分布相對(duì)集中，長(zhǎng)江水系外圍分布有離散地震事件。

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)已有的速度模型研究結(jié)果（李強(qiáng)等，2009；趙旭等，2007），選定速度模型的水平深度分別取0、2、5、8、11、14和20km，對(duì)應(yīng)的P波速度為4.8、5.4、5.65、5.8、6、6.15和6.5km/s，P/S值根據(jù)圖6的擬合結(jié)果取為1.73。

3 三峽水庫(kù)地震精定位結(jié)果及分析

根據(jù)BCSEIS波形互相關(guān)分析的結(jié)果和地震目錄數(shù)據(jù)，我們使用hypoDD雙差定位軟件對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水庫(kù)地震事件進(jìn)行3組測(cè)試：第一組，僅利用地震目錄數(shù)據(jù)進(jìn)行定位（CAT）；第二組，利用標(biāo)準(zhǔn)的波形互相關(guān)方法獲得的波形延時(shí)和地震目錄到時(shí)差數(shù)據(jù)（CC+CAT）進(jìn)行定位；第三組，利用雙譜驗(yàn)證獲得的波形延時(shí)數(shù)據(jù)和地震目錄到時(shí)差數(shù)據(jù)（WCC+CAT）進(jìn)行定位。為了對(duì)比定位結(jié)果的差異性，對(duì)3組測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)置相同的參數(shù)和速度模型，最終獲得不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的地震平面位置（圖8）和深度誤差分布圖（圖9）。圖8表明，第二組和第三組的定位結(jié)果明顯優(yōu)于第一組數(shù)據(jù)的結(jié)果，具有較小的定位誤差和優(yōu)勢(shì)深度（圖9）。

重定位后的地震震中分布更加集中，呈線性化分布，顯示出地震事件向內(nèi)收斂的趨勢(shì)。在巴東神龍溪兩岸表現(xiàn)出3條明顯的近東西向條狀分布，震源深度較淺，平均深度在5km左右，震中分布與地層走向基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了水庫(kù)蓄水后庫(kù)水從神龍溪等地下暗河滲入而誘發(fā)地震的解釋?zhuān)R文濤等，2010）。中間一條地震分布線東口于2013年12月16日發(fā)生了S5.1級(jí)地震，從2009年3月—2010年12月的微震定位結(jié)果可以說(shuō)明，該地震可能是在庫(kù)水的作用下，貫穿整個(gè)東西向的小規(guī)模斷裂引發(fā)的較大地震活動(dòng)。在泄灘西區(qū)域存在的一個(gè)陡立東西向的微震活動(dòng)帶，其可能和長(zhǎng)江水系的滲透有關(guān)。而在秭歸香溪河口附近，地震分布在仙女山斷裂帶上，震源深度向下延深到10km，揭示了庫(kù)水滲透的最大深度。該處于2014年3月發(fā)生2次4級(jí)以上地震，可能也是庫(kù)水滲透引起斷裂局部活動(dòng)的結(jié)果。

3組不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的定位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖10）表明使用雙譜驗(yàn)證獲得波形互相關(guān)延時(shí)與地震目錄到時(shí)差數(shù)據(jù)的hypoDD定位精度明顯要高于其他2種數(shù)據(jù)的精度，地震震源位置的平均誤差在東西向?yàn)?.2m、南北向?yàn)?.9m、垂直向?yàn)?.2m。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用雙譜分析方法，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)2009年3月至2010年12月的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了波形互相關(guān)分析，獲得了高質(zhì)量的雙譜驗(yàn)證波形互相關(guān)數(shù)據(jù)，并使用雙差定位方法對(duì)地震進(jìn)行了重定位，獲得了高精度的定位結(jié)果。

基于三階譜域的雙譜驗(yàn)證波形互相關(guān)算法能獲得比傳統(tǒng)閾值判定更高質(zhì)量的波形延時(shí)數(shù)據(jù)，得到的互相關(guān)地震事件對(duì)的距離更加符合實(shí)際情況，能為雙差定位或者雙差層析成像提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料。

根據(jù)雙譜驗(yàn)證方法獲得的傳統(tǒng)閾值判定和雙譜驗(yàn)證的波形互相關(guān)數(shù)據(jù)，分別使用雙差定位程序進(jìn)行了定位，結(jié)果表明結(jié)合雙譜驗(yàn)證的波形互相關(guān)數(shù)據(jù)的定位結(jié)果精度高于其他數(shù)據(jù)的結(jié)果，其東西向震源位置平均誤差為3.2m、南北向?yàn)?.9m、垂直向?yàn)?.2m。

對(duì)三峽水庫(kù)地震重定位結(jié)果表明，巴東庫(kù)區(qū)神龍溪兩岸微震分布明顯呈現(xiàn)出3條近東西向的線性分布特征，與新構(gòu)造時(shí)期產(chǎn)生的小規(guī)模斷裂和碳酸鹽巖地層走向一致，揭示了庫(kù)水主要沿著溶洞或地下暗河滲透而誘發(fā)地震活動(dòng)，其中中間1條地震分布線端點(diǎn)正是發(fā)生2013年12月16日湖北巴東5.1級(jí)地震的震中位置，說(shuō)明它是在庫(kù)水作用下沿著東西向小規(guī)模斷裂的一次較大巖體錯(cuò)動(dòng)事件；泄灘西區(qū)東西向垂直條帶狀分布預(yù)示地震活動(dòng)與長(zhǎng)江庫(kù)水滲透之間的關(guān)系；而在秭歸香溪河口附近，地震分布在仙女山斷裂帶上，震源深度向下延深到10km，揭示了庫(kù)水滲透的最大深度。

致謝：評(píng)審專(zhuān)家對(duì)本文的修改提出了寶貴的意見(jiàn)，文中大部分圖件使用GMT繪圖軟件包繪制（Wessel等，1995），在此一并表示感謝。

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Application of Double-difference Relocation Method Combined with Waveforms Cross-correlation on Earthquakes in the Three Gorges Reservoir Area

Luo Jiahong, Ma Wentao and Li ChunZheng

(Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China)

In this paper, we applied the double difference location method based on waveform cross-correlation algorithm for earthquake precision positioning of the Three Gorges Reservoir (TGR). First we used bispectrum cross-correlation method to analyze the seismic waveform data of TGR encrypted networks in March 2009 to December 2010, and evaluate the quality of waveform cross-correlation analysis. Combining the waveform cross-correlation of data obtained, we used the double difference method to relocate the position of quakes. The results show that the location by using bispectrum verified waveform cross-correlation data is higher than other type of data, and the mean 2sig-errors in EW, NS and UD are 3.2m, 3.9m and 6.2m, respectively. The results also show that the Badong and Shenlong River quake in reservoir distribution is characterized by linear distribution of three nearly east-west, which is in accordance with the small faults and carbonate strata line of new tectonic period, revealing reservoir water main along the underground river or cave penetration induced seismic activity. A strong earthquake may be the result of a small earthquakes that broken through the active plane.

Bispectrum verification；Waveform cross-correlation；Double-difference location；The Three Gorges Reservoir

1 基金項(xiàng)目 國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2008BAC38B04）和中國(guó)地震局專(zhuān)項(xiàng)業(yè)務(wù)項(xiàng)目（16A44ZX282）共同資助。

2016-06-08

羅佳宏，男，生于1989年。碩士研究生。主要從事地震層析成像、近場(chǎng)地震學(xué)、誘發(fā)地震等研究。E-mail：ljh1771@163.com

馬文濤，男，生于1958年。副研究員。主要從事理論地震學(xué)和水庫(kù)誘發(fā)地震研究。E-mail：wentaoma_1@126.com

羅佳宏，馬文濤，李春政，2017．結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位方法在三峽水庫(kù)地震中的應(yīng)用．震災(zāi)防御技術(shù)，12（1）：56—67． doi：10.11899/zzfy20170106