Science述评｜寻找美国加州南部隐藏的地震

中科院青促会 梁晓峰

（地质与地球物理研究所）

评述论文：Searching for hidden earthquakes in Southern California（Science 19 April 2019: Vol 364, Issue 6437）

破坏性地震会带来巨大的生命和财产损失，因此有众多地震学家致力于探索地震的发生机理和活动特征，以期能减小地震带来的危害。研究发现，地震活动存在一个重要特征：地震的震级降低一级，它的发生频度会增加约十倍，这个震级-发生频度的幂次经验规律称为古登堡-里克特定律。如果大家稍加留意新闻报道中的地震信息，会发现通常每隔一两天就会有六级以上的地震发生，这是因为每年发生的六级以上地震大约有200个（图1）。

图1. 地震震级、地震发生频度及能量释放关系图。（修改自IRIS，https://www.iris.edu/hq/inclass/poster/exploring_the_earth_using_seismology）。

震级比较大的地震，释放能量比较大，产生的地震波能量强，在地震台站记录的信号清晰，研究人员容易识别和定位。而震级比较小的微震和超微震（以下简称微地震）则释放能量很小，产生的地震波能量很弱，在地震波记录上经常被噪声掩盖，较难被辨认识别。因此，常规处理获得的地震目录中会缺失大量微地震。而微地震时空分布特征能帮助解决发震断层深部几何形态、前震和震群发生过程、地震触发机制和成核过程等关键问题。所以如何获得更完整的微地震目录一直以来非常受地震研究人员关注。

通常有两种途径可以获得更完整的地震目录：(1)增加台站密度以提高地震台网对微地震的监测能力，或者(2)提高微地震弱信号的检测水平，以识别更多微地震。在某一地区台站分布确定情况下，将已知地震波形做为模板，同连续数据进行互相关是一种检测微地震的有效方法，这种方法被称为模板匹配(template matching)、匹配滤波(matched filter)、或者匹配信号探测(matched signal detector)技术(Gibbons and Ringdal, 2006)。针对低信噪比的地震波形，同时考察整个台网多个台站不同分量连续波形同模板地震波的平均相关系数，可以显著提高地震信号探测能力，检测到的地震数量通常能达到模板地震数量的十倍左右(Shelly et al., 2007)。但是互相关计算运算量与所使用的模板数量和要检索的连续地震波形数量为平方关系，增加模板数量、台站数量、连续记录的时长，都会显著增加计算量，所以前人通常只用来分析小台网所记录的或者时间长度仅数天到数周的数据(如：Peng and Zhao, 2009)。随着高性能图形处理芯片(GPU)的成熟应用，计算能力相比使用中央处理器(CPU)提高了几十到几百倍，针对大规模台阵连续波形进行海量模板地震识别运算成为可能。

图2. 南加州地震台网台站分布图（据南加州地震台网，http://scedc.caltech.edu/graphics/station/all-full.jpg）。洛杉矶周围的台站间距最小仅1-2 km。

美国加利福尼亚州地震频发，南加州地震台网于1920年代建立，之后多次增加台站和升级设备，以监测南加州的地震活动。它现在主要由加州理工学院和美国地质调查局共同维护，包括400多个宽频带地震台，在台站密集地区，台站间距仅1-2公里（图2），所记录地震目录的“完备震级”达1.7级（完备震级是指：在某一地区，该震级以上的所有地震都被地震台完整记录并列入地震目录，完备震级越低，说明地震目录越完整，缺失的微小地震更少。），是全世界地震监测能力最强的地震监测台网之一。

图3. 地震模板检测目录的基本情况。（A）南加州地震台网目录、地震模板检测目录（QTM）、及重定位后模板检测目录这三者的震级-频度图；（B）相应的频度-震级累计曲线；（3）模板检测目录的地震分布密度图（2 km × 2 km）。

图4. 2012年加州布劳利(Brawley)震群地震活动性的时间-震级图。在南加州地震台网目录中，震群发生十个小时前有三个地震发生，十小时的间隔表明这三个地震同震群两者没有联系。而在地震模板匹配目录中，十小时间隔中新发现了36个地震，这就显示这三个地震及新发现的36个微震是布劳利震群的前震。

在最新一期的美国《科学》杂志上，刊载了在美国加州南部开展模板识别微地震的最新成果。这项研究应用2000-2017年发生的284,000个地震（其中2008-2017年共约180,000个地震）做为模板，使用200块英伟达P100 GPU对南加州地震台网2008-2017年十年的连续波形进行了模板识别运算，共检测出约1,810,000个地震，平均每天约495个地震，目录的完备震级达到了0.3级（图3）。通过分析重定位后的地震模板检测目录发现：因为微地震数量增加，断层区内部的结构变的更清晰；已知震群的起始时间相比从南加州台网目录分析的时间更早，发展过程也变得更连续平缓（图4）；且大地震激发的地震波所引起的动态地震触发在整个南加州广泛存在，而不是仅集中在热泉周围等少数对动态应力特别敏感的位置（图5）。

图5. 2010年Mw 7.2 El Mayor-Cucapah地震后地震触发情况分析图。(A)南加州地震台网目录显示在175 km内发生了地震触发。(B)地震模板检测目录显示在275 km内发生了地震触发，这很可能是由主震地震波传播时的动态应力引起的。(C和D)红线表示地震活动性随到主震震中距离的变化，黑色虚线表示在2008-2009年之间计算得到的第95百分位数的周地震发生率。

同时，模板识别技术仍存在一些缺陷：（1）仅能同半径~100-200米内的地震存在比较好的互相关。这就要求所使用的模板事件必须能充分代表研究区地震的基本特征，没有模板就检测不了相应特征的地震。（2）要求检测到的地震之间至少间隔2秒，以降低不同模板事件之间被重复检测的可能性。但会导致发震时刻一致，而发震位置仅存在微小差异的地震被排除。

通过地震模板检测获得的新目录中增加了大量的微地震，包含了丰富的时空特征，为认识地震和断层的物理性质、断层深部结构、触发地震的不同机制及地震的破裂过程等提供有用的约束。

参考文献：

Peng, Z., and P. Zhao (2009), Migration of early aftershocks following the 2004 Parkfield earthquake, Nat Geosci, 2,877-881, doi:10.1038/ngeo697

Ringdal, F., and S. J. Gibbons (2006), The detection of low magnitude seismic events using array-based waveform correlation, Geophys. J. Int., 165(1), 149-166, doi:10.1111/j.1365-246X.2006.02865.x.

Shelly, D. R., G. C. Beroza,and S. Ide (2007), Non-volcanic tremor and low-frequency earthquake swarms, Nature, 446, 305-307, doi:10.1038/nature05666.

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