李 強(qiáng)，李 軍，袁麗文，邱 毅

（福建省地震局，福建 福州 350003）

天然地震給人類造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的同時(shí)，也成為研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要工具。在地震學(xué)研究中，通常將一組發(fā)震位置相近、震源機(jī)制解相同，且破裂區(qū)域重合的地震稱為重復(fù)地震。重復(fù)地震會(huì)在同一地震臺(tái)站上產(chǎn)生高度相似的波形。近年來，重復(fù)地震的發(fā)展方興未艾，已成為21世紀(jì)以來地震學(xué)中重要的科學(xué)問題之一[1]。重復(fù)地震為許多理論問題的研究開啟了全新視角，如用于斷層愈合研究[2]。宋曉東教授更是利用重復(fù)地震，證實(shí)了地球內(nèi)外核旋轉(zhuǎn)存在速度差異的現(xiàn)象[3]，極大拓展了人們對(duì)地球深部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。

除了重要的科學(xué)意義外，重復(fù)地震也越來越在地震學(xué)研究及地震預(yù)報(bào)中顯示出值得關(guān)注的應(yīng)用潛力。在實(shí)際應(yīng)用中，重復(fù)地震的應(yīng)用涉及多個(gè)方面：如檢測(cè)地殼介質(zhì)隨時(shí)間的微動(dòng)態(tài)變化。因重復(fù)地震具有相同的震源和傳播路徑，所以臺(tái)站記錄的地震波形的差異（震相延時(shí)）就可以歸結(jié)為介質(zhì)物性（波速）的變化。通過對(duì)比重復(fù)地震的波形特征，可以極大地提高波速變化測(cè)量精度。如在不同的區(qū)域發(fā)生中等強(qiáng)度地震前，其出現(xiàn)短期的地殼介質(zhì)波速明顯升高[4-5]，這些異常的發(fā)現(xiàn)對(duì)震情跟蹤分析工作具有較好的指示作用。重復(fù)地震還被應(yīng)用于估計(jì)斷層深部滑動(dòng)速率。由重復(fù)發(fā)生的相似微震組成的多重地震序列，其復(fù)發(fā)間隔的研究可以給出不同深度的斷層滑動(dòng)速率，而不是斷層滑動(dòng)速率的平均速率。這種優(yōu)勢(shì)是GPS和InSAR等現(xiàn)今地表或空間觀測(cè)技術(shù)所難以取代的。這一技術(shù)已在我國(guó)唐山地區(qū)、云南地區(qū)部分?jǐn)鄬拥纳畈炕瑒?dòng)速率獲取中得到了應(yīng)用[6-7]；在評(píng)定臺(tái)網(wǎng)定位精度方面，能夠以最廉價(jià)的方式評(píng)估大規(guī)模地震臺(tái)網(wǎng)的定位精度，如對(duì)首都圈地區(qū)臺(tái)網(wǎng)的評(píng)估[8]。此外，重復(fù)地震在提高前震和余震檢測(cè)能力方面也發(fā)揮了重要作用[9]。

鑒于重復(fù)地震有著諸多重要作用，所以對(duì)地處東南沿海的福建地區(qū)的重復(fù)地震進(jìn)行識(shí)別，并利用識(shí)別的結(jié)果，開展金鐘水庫(kù)庫(kù)區(qū)介質(zhì)變化檢測(cè)研究。

1 數(shù)據(jù)選取與計(jì)算方法

使用數(shù)據(jù)時(shí)段為2008-2014年，為保證信噪比，選擇福建及臨近地區(qū)震級(jí)在ML1.5以上的地震，震中分布如圖1所示，共計(jì)1955個(gè)地震。如直接進(jìn)行兩兩互相關(guān)計(jì)算，需要超過190萬次計(jì)算，計(jì)算量過大。考慮到地震臺(tái)網(wǎng)初始定位具有一定精度，相距太遠(yuǎn)的兩個(gè)地震不可能為重復(fù)地震，因此實(shí)際計(jì)算時(shí)采用滑動(dòng)窗方式，即以50km為窗長(zhǎng)，30km為步長(zhǎng)，在福建及其臨區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格滑動(dòng)，每個(gè)滑動(dòng)窗內(nèi)計(jì)算地震波形互相關(guān)系數(shù)，可以極大降低計(jì)算量。

圖1 待選地震分布（圖片來自福建省地震局）

波形互相關(guān)計(jì)算參考前人經(jīng)驗(yàn)[8]，采用P波、S波和尾波在內(nèi)的整個(gè)波形進(jìn)行計(jì)算。從P波前4秒開始截取，截取4倍P、S波走時(shí)差長(zhǎng)度。這樣的經(jīng)驗(yàn)處理可包含全部尾波信號(hào)并避免混入后續(xù)噪聲信號(hào)。對(duì)于三分量波形，選取垂直方向?yàn)橛?jì)算所用。寬頻帶地震儀采用0.5-5Hz帶通濾波，短周期地震儀采用1-5Hz濾波。計(jì)算時(shí)采用固定一條波形，另一條波形逐點(diǎn)滑動(dòng)，取相關(guān)系數(shù)最大值作為這兩條波形的相關(guān)系數(shù)γ，計(jì)算公式如下式（式中各參數(shù)含義具體參考文獻(xiàn)[8]所述）：

本文將重復(fù)地震閾值設(shè)定為相關(guān)系數(shù)大于0.8，通過波形互相關(guān)計(jì)算，在福建及臨近地區(qū)最終識(shí)別出92組重復(fù)地震，分布如圖2（a），福建地區(qū)重復(fù)地震分布于三明、龍巖、德化、安溪、尤溪、漳平、古田、仙游、華安、寧化、永定、永春、南靖、閩清、惠安海域、漳浦海域以及東山南澳海域。此外，在福建臨區(qū)的江西尋烏，浙江龍泉和文成也有重復(fù)地震分布，總體上分布較廣。在福建地區(qū)能識(shí)別出如此多的重復(fù)地震，主要得益于福建地區(qū)的高密度地震臺(tái)站分布。

圖2 閩臺(tái)地區(qū)連續(xù)地（圖片來自福建省地震局）

福建地區(qū)重復(fù)地震分布明顯與福建地區(qū)地震背景活動(dòng)有所不同，根據(jù)圖1，福建地區(qū)地震活動(dòng)主要集中于福建南部及沿海地區(qū)，而重復(fù)地震的識(shí)別結(jié)果如圖2（a）顯示，福建地震的重復(fù)地震更多分布于福建中部地區(qū)，而在近海并不多，僅惠安海域、漳浦海域和東山南澳海域存在幾組分布。這也表明了重復(fù)地震的發(fā)生需要特定的條件，這與普通地震的發(fā)生存在一定差別，部分臺(tái)站記錄的重復(fù)地震波形如圖3所示。

圖3 部分臺(tái)站記錄的重復(fù)地震波形（經(jīng)帶通濾波）

圖2（b）顯示，福建地區(qū)重復(fù)地震分布雖然相對(duì)較廣，但地震的重?cái)?shù)總體偏低，多數(shù)小于10重。其中有3組重復(fù)地震的重?cái)?shù)較高，分別是東山南澳海域150重，仙游地區(qū)129重，以及古田地區(qū)45重復(fù)。這三個(gè)地區(qū)的地震均屬于頻次較高的震群型地震，其中仙游和古田地區(qū)地震由水庫(kù)誘發(fā)引起。水庫(kù)誘發(fā)型地震通常存在大量中小地震，而本文識(shí)別結(jié)果顯示，僅其中的一部分是重復(fù)地震。如在古田地區(qū)，2008-2014年時(shí)段內(nèi)ML1.5以上地震301次，而能成為重復(fù)地震的僅45次。

2 基于重復(fù)地震的金鐘水庫(kù)庫(kù)區(qū)介質(zhì)變化檢測(cè)

金鐘水庫(kù)于2010年開始蓄水，蓄水后3個(gè)月發(fā)生誘發(fā)地震活動(dòng)，顯示出地震活動(dòng)與水位變化有一定的相關(guān)性。因此，可以通過庫(kù)區(qū)地殼介質(zhì)變化研究其與水庫(kù)水位變化的相關(guān)性。根據(jù)重復(fù)地震識(shí)別結(jié)果，該地區(qū)早期的重復(fù)地震并不多，特別是重?cái)?shù)高的重復(fù)地震很少，其中XYSC臺(tái)記錄的一組重復(fù)地震，其重?cái)?shù)為129，主要發(fā)生在2013-2014年。利用該臺(tái)站記錄的重復(fù)地震，可以研究這一時(shí)段內(nèi)的庫(kù)區(qū)地殼介質(zhì)的變化特征。由于重復(fù)地震射線路徑幾乎一致，可以通過P波走時(shí)變化研究地殼介質(zhì)變化[5]，重復(fù)地震介質(zhì)變化引起的走時(shí)差為：

其中，Δt為同一臺(tái)觀測(cè)到的重復(fù)地震P波走時(shí)差，Δt1與Δt2為震源位置和震相讀數(shù)引起的誤差，在不考慮定位誤差ε的情況下，分別校正位置和消除走時(shí)讀取誤差即可得到P波走時(shí)差δt隨時(shí)間的變化。

實(shí)際計(jì)算中，以第一條重復(fù)地震為參考地震，計(jì)算其他地震相對(duì)于該地震的P波到時(shí)差。同時(shí)，由于實(shí)際地震定位影響，不同震中位置會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，利用射線追蹤方法，將不同震中位置歸一到參考地震的位置。即利用給定的速度模型[10]，計(jì)算參考地震的P波走時(shí)，然后計(jì)算后續(xù)重復(fù)地震的理論走時(shí)，該走時(shí)減去參考地震的理論走時(shí)，所得差值即是由于震源位置不同引起的走時(shí)差。在P波實(shí)際走時(shí)差里扣除該部分走時(shí)差即可消除影響，基于公式（2），最終計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 金鐘水庫(kù)水位-P波走時(shí)差時(shí)間序列（XYSC臺(tái)）

當(dāng)P波走時(shí)差大于0部分表示當(dāng)前重復(fù)地震走時(shí)大于參考地震，說明地殼介質(zhì)波速較低，地殼介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)處于低水平。當(dāng)P波走時(shí)差小于0時(shí)，表明地殼介質(zhì)波速較高，應(yīng)力狀態(tài)處于較高水平。因此，走時(shí)差可以反映波速變化，進(jìn)而反映出應(yīng)力狀態(tài)變化。圖4顯示，在2013-2014年期間，金鐘水庫(kù)水位變化與P波走時(shí)差變化特征總體為負(fù)相關(guān)。當(dāng)金鐘水庫(kù)水位上升時(shí)，P波走時(shí)差下降，水位下降階段走時(shí)差有所上升，這在2013年尤為明顯，而在2014年后期，走時(shí)差波動(dòng)比較復(fù)雜，雖然部分時(shí)段也帶有負(fù)相關(guān)特征，但該關(guān)系不再顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）福建地區(qū)多處存在重復(fù)地震，其中，以福建中部地區(qū)分布較多，重?cái)?shù)相對(duì)較高的重復(fù)地震分布于東山南澳海域、仙游地區(qū)和古田地區(qū)。金鐘水庫(kù)庫(kù)區(qū)的重復(fù)地震P波走時(shí)差顯示，水庫(kù)水位變化與走時(shí)差總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

（2）信噪比是重復(fù)地震識(shí)別的重要影響因素，因?yàn)椴ㄐ涡旁氡戎苯記Q定了互相關(guān)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)。而重復(fù)地震由相關(guān)系數(shù)直接定義。因此，信噪比越高，可識(shí)別的重復(fù)地震越多，重復(fù)地震識(shí)別過程中已顯示，臺(tái)站越近，越容易識(shí)別到重復(fù)地震，其正是因?yàn)榻_(tái)信噪比通常較高的緣故。此外，濾波頻帶也有一定影響，其根本也是對(duì)噪聲的壓制。

（3）地震完整性對(duì)于重復(fù)地震的應(yīng)用有一定影響，如在檢測(cè)地殼介質(zhì)變化時(shí)，某個(gè)地震因?yàn)樵肼暤葐栴}沒有被識(shí)別出來，則該地震所反映的介質(zhì)變化信息則可能被丟掉。因此，在檢測(cè)地殼介質(zhì)變化時(shí)，重復(fù)地震識(shí)別的完整性是今后需要重點(diǎn)研究的問題。