寻找南加州的隐蔽地震

地震遵循著名的幂律关系，较小事件的发生频率大于较大事件。因此，地震目录由小地震主导，但由于信号保真度问题，仍然缺少更大数量的更小事件。为了克服这些限制，研究人员将模板匹配检测技术（template-matching detection technique）应用于南加州区域地震网络的整个波形存档。这项工作产生了181万次地震目录，增加了10倍，这为深部断层带的几何形状，前震行为和成核过程以及地震触发机制提供了重要的信息。在此类目录中解决的丰富细节将有助于下一代地震和断层分析。相关研究成果发表在2019年5月的Science上。

自地震仪器时代开始以来，地震目录已成为许多地震和断层研究的基础。①随着局部震级的发展，地震大小可以首次进行定量比较；②这直接导致地球科学中第一个幂律关系的建立；③这种经验关系表明，对于幅度（M）的量级减小，地震频率将增加十倍。这种关系的意义是深远的：地震目录本身都是不完整的，因为在可检测性阈值以下总会有更多的小地震。这些隐藏事件填补了地震记录中的空白，是更好地了解断层深部几何形态、前震和群体过程、以及地震触发和成核的关键。然而，将这种幅度范围扩大到越来越小的事件时会受到信噪比问题的困扰以及需要从近同步地震中解读重叠地震图。

图1 QTM地震目录

一种称为模板匹配的技术在各种情况下成功地检测到传统技术遗漏的小地震。模板匹配将先前已识别地震的地震图作为模板，利用邻近事件之间的地震波形的相似性，将其与连续波形数据进行交叉相关。该技术的应用将检测到的地震数量扩大了10倍（新的地震目录简称QTM）。然而，其庞大的计算需求限制了其对较小地震网络的使用以及仅持续数天至数周的数据集。为了克服这些限制，研究人员使用了200个NVIDIA P100图形处理单元阵列，在南加州地震网络（SCSN）的连续波形存档上执行模板匹配，并为整个南加州地区制作了地震目录。在这些计算过程中，在2000—2017年期间SCSN目录中列出的近284 000次地震被用作模板事件。然后，使用基于聚类的双重算法重新定位所得到的检测，以获得精确的相对震源。

图2 San jacinto断层带地震活动

QTM目录展示了预期的幂律关系。在10年的研究期，最初的SCSN目录有近180 000次地震，而QTM目录包含181万次地震。QTM目录几乎含有所有M> 0.3的地震，而SCSN目录中只有M> 1.7的地震。检测率的系统性提高导致南加州每天发现约495次地震，事件发生时平均时间仅为174 s。而SCSN目录，地震平均间隔约1753s，证明QTM目录中新发现的事件提供了关于地震活动如何随时间演变的更详细的图像。

图3 2012年期间布劳利地震群

QTM目录中重新定位的震源提供了对孕震深处断层带几何形状的深入了解。在QTM目录中，断层带的内部结构明显更清晰，最终将改进断层图，更好地了解断层带的三维几何形状，以及对地震和断层过程进行更真实的模拟。

地震序列如何开始是地震科学中最基本的问题之一。在典型的地震序列中，主震之前偶尔会出现较小的前震，其中地震群可能受到流体或地震滑动等外部因素的驱动，并且具有复杂的时间模式而没有明显的主震。关于序列开始的详细观察是至关重要的，因为它们可以提供对地震触发机制的深入了解并限制地震成核的物理过程。QTM目录提供了重新审视这些重要问题的机会。研究人员展示了2012年加利福尼亚州布劳利地震群发生期间地震活动的幅度-时间分布，其中包括3天内10次M> 4的地震和非常多的小震。在QTM目录中，序列开始的时间似乎比SCSN目录中的时间早了近10小时，并且在此期间观察到另外36起M~0.5的地震。通过使用模板匹配目录，能够更好地解决地震群和震后序列的时空演变，从而提高对这些过程的理解。

地震之间相互作用及相互触发的物理机制尚不清楚。地震触发的最常见解释是由断层位移引起的静态应力变化或由地震波引起的动态应力变化。这些物理过程对距离为r的应力变化的预期空间衰减有特定的预测，静态应力变化随r-3而衰减，动态应力变化随r-2衰减。大地震能够在较大的震源距离内引发小地震，但是在大地震发生后地震触发的空间特征的详细分析十分缺乏数据。

在研究人员研究的时间段内，地震网络附近发生的最大地震是2010年瞬时震级7.2的El Mayor-Cucapah地震，发生在下加利福尼亚州，靠近美国-墨西哥边境。QTM目录中的大量事件提供了对地震触发率的改进限制，例如，允许在主震后的一周内检查El Mayor-Cucapah地震如何影响整个南加州的地震活动率。研究人员展示了该地区的地震活动率变化相对于地震前2年每周平均地震活动率的情况。南加州板块边界的很大一部分表现出高于平均水平的地震活动率，这与主断层强烈活动相关。

使用非参数检验，研究人员还原了地震活动率变化与距离的函数关系。对于SCSN目录，地震活动率的显著增加只能到达大约175 km。这是主震的静态应力变化达到与固体地球潮汐应力（~2 kPa）相当的近似距离。因此，不能排除静态触发效应作为单独的触发机制。然而，在QTM目录中，地震活动率显著增加，远远超过这一深度，延伸到275 km。这表明El Mayor-Cucapah地震引发了南加州大部分地区的低震级地震活动，这在标准目录中无法解决。由于这些更远距离的事件是在震源距离处触发的，静态应力变化可忽略不计（<1 kPa），这些观测结果表明地震的广泛动态触发的发生并不局限于少数特别敏感的位置。对San Jacinto断层带和Salton Sea地热区进行的类似观察表明，这些都包含在研究者的分析中。这些结果意味着单一的物理机制不太可能触发地震，并且在El Mayor-Cucapah发生地震的情况下，机制清单还可能包括诸如耐震滑移和破裂附近的流体压力的震后扩散等过程。因此，通常在余震中观察到的复杂时空模式可能部分源于多个驱动机制的存在。

图4 2010年El Mayor–Cucapah地震之后对地震触发的分析

虽然模板匹配可以产生非常详细的地震活动目录，但结果仅限于已知地震的源区。模板事件通常仅与~100到200米范围内的其他地震交叉相关，这意味着某些事件将在模板不可用的区域中保持不被发现。但是，由于研究人员使用了一个跨越17年的起始目录，该目录对于M> 1.7的地震已经完成，因此模板目录中的限制可能导致的小事件总数是可以忽略不计的。模板可用性的未来改进可能源于深度学习技术的应用，这些技术最近在地震图的自动事件检测和表征方面显示出巨大的潜力。

在QTM目录中，事件间隔的时间分辨率是2.0 s，这是为了最小化不同模板事件之间重复检测的可能性而施加的限制。因为对于大多数记录而言，地震波列通常比这更长，所以目录将解决许多事件，这些事件至少部分地与其他事件重叠。但是，几乎同时发生但位置不同的事件将无法解决。

未来对地震活动性和相关危害的综合分析将有利于为其他地区构建类似的模板匹配目录。这将需要可靠的模板事件目录和高质量的三分量连续波形数据集。随着地震学家发现越来越小的地震，观测事件之间的平均时间将继续减少，从而揭示出更复杂的动态行为。这些丰富的时空模式为地震的物理过程和潜在的断层结构的反射特性，以及可引发地震的各种机制和外部载荷提供了有价值的约束，并且，还可以提供关于各个事件的破裂过程的额外信息。本研究中产生的地震目录是迄今为止最全面的，并且，未来此类目录将促进下一代地震和断层分析。

来源：RossZE, Trugman D T, Hauksson E, et al.Searching for hidden earthquakes in Southern California. Science, 2019, 364(6442): 767-771.

来源：中国地震科学实验场