图1 本文用到的 1900—1970 年期间 1194 个台站的位置
Fig. 1 Distribution of the 1194 seismic stations in 1900-1970 used in this study
摘要 通过光学字符识别(OCR)软件, 整理世界地震台网 1918—1970 年的世界台站震相报告, 对该时期发生在亚洲及周边地区 7 级以上强震的震源位置及部分强震的震源机制(断层面解)进行测量。使用 1918—1970 年《国际地震资料汇编》(ISS)和 EHB Bulletin 的震相到时和到时差, 对该时段 338 个 7 级以上地震事件进行重新定位, 得到其中 316 个地震事件的可靠定位。使用 1933—1970 年 ISS 和 EHB Bulletin 的 P 波初动数据, 对该时段 244 个地震事件求解震源机制解, 得到其中 209 个地震事件的震源机制解。研究结果丰富了亚洲地区基于全球地震台网观测的 1918—1970 年仪器记录早期近现代强震目录震源机制资料, 并提供一种研究近现代地震的可行方法, 对开展其他地区或其他震级范围的仪器记录早期近现代地震研究具有启发作用。
关键词 光学字符识别(OCR); 近现代地震; 重定位; 文字识别; 震源机制解
小地震的发生可能具有一定的随机性, 而强震的发生必然与震源区活动构造及构造运动的动力学环境密切相关。因此, 强震的空间分布图像及其震源机制特性携带着震源区的主要活动构造带几何参数信息及构造应力场信息, 是地震学、地震工程学及地球动力学研究的重要基础资料。
虽然我国在 20 世纪 70 年代已初步建立基本上覆盖全国的现代地震观测网络, 中国地震局基于现代地震台网观测出版的全国性地震目录始于 1970年, 与国际上其他国家的现代地震目录形成时间(1965—1970 年)相当, 但是, 对于复发周期通常长达数百或上千年的给人类带来严重灾害的强震, 在地震工程学及地震危险性预测中有重要应用性的强震资料依然不足, 导致可能出现相关研究中推断的强震发生地点丢失的现象。
中国地震研究者经过大量历史档案文献的搜集、考证和整理工作, 先后整理汇编《中国地震年表》、《中国地震目录》、《中国地震历史资料汇编》、《中国地震目录》(第三版)、《中国历史强震目录》[1]和《中国近代地震目录》[2]等历史地震资料, 极大地丰富了我国历史地震目录。但是, 历史资料缺乏准确性和完备性, 历史地震目录存在震中位置不准确、缺少震源机制信息等缺陷。贾科等[3]基于国际地震中心的地震记录, 开展中国西南地区1900—1970 年 6 级以上地震定位结果与《中国历史强震目录》[1]的对比研究, 结果表明部分地震的发震位置相差近 100km, 完全不在一个发震构造。高彬等[4]对华北地区 1900—1970 年 5 级以上地震进行资料整理和重新定位, 也发现相同的问题。
现代地震观测仪在 19 世纪 90 年代已出现, 20世纪初开始在世界各地布设, 并将资料汇集于总部设在英国的国际地震中心[5]。依靠现代仪器记录建立的现代地震目录包含较准确的震中位置和震源机制信息, 可以校正主要依据历史文献记载所编辑的《中国历史强震目录》[1]中 1900—1970 时段中的可能错误, 还可以丰富宝贵的强震震源机制资料。因此, 进一步挖掘 1900—1970 年现代地震仪早期记录的地震资料, 对此时段内发生在亚洲的强震震源位置进行重新定位, 可以大大提高该时段近现代地震目录中震源参数的准确性, 对基于现代地震目录开展的工程地震学和地震地质学中的相关研究具有重要意义。事实上, 已有先行者在全球开展类似的工作, 并取得重要成果[6-7]。
除地震发生时间、地点和震级外, 震源机制解是描述震源的另一组重要基本参数, 近年来受到固体地球科学家越来越多的重视。哈佛大学和美国联邦地质调查局利用全球数字地震台网记录, 可以在震后几小时内反演出全球 5.5 级以上地震的震源机制解, 并在网上发布。许力生等[8]从 20 世纪 90 年代起开展同样的工作, 他们利用全球数字地震台网记录和中国数字地震台网记录, 震后数小时内在网上发布国外 6 级以上和国内 5 级以上强震的震源机制解。
由于现有的全球震源机制数据库中缺乏 1900—1970 年期间仪器早期记录地震事件的震源机制, 因此开展这个时段地震震源机制的研究, 不仅可以为丰富震源机制资料提供新的途径, 而且对开展现今强震活动缺乏区的发震构造及地震危险性预测研究尤为重要。本文的研究目标包括以下 3 个方面。
1)使用地震仪记录的 ISS (International Seis-mological Summery)和 EHB (Engdahl, van der Hilst and Buland) Bulletin 震相到时资料, 用地球速度模型 Crust5.1, 对亚洲地区 1918—1970 年期间的强震(1900—1918 年的地震仅有个别台站的记录)进行重新定位, 并分析定位结果的可靠性。
2)基于地震仪记录的 ISS 资料中的 P 波初动数据, 使用改进的格点尝试法, 对亚洲地区 1933—1970 年的强震进行震源机制解的求解(1900—1933年的地震台站没有 P 波初动记录, 无法求解震源机制), 并对震源机制解进行质量分类。
3)1970 年前有大量印刷资料留存, 将这些宝贵的资料转化成正确的电子文档是一项重要的工作。本研究尝试利用光学字符识别软件整理 1918—1970 年世界地震台网的世界台站震相报告, 为今后开展类似的文档转换工作提供参考。
亚洲在七大洲中面积最大, 人口最多, 其范围覆盖地球总面积的 8.7% (总陆地面积的 29.4%)。据联合国 2010 年发布的信息, 亚洲人口总数约为 40亿, 约占世界总人口的 60.5%。亚洲的地震活动十分强烈, 在亚欧板块、印度洋板块和太平洋板块的作用下, 跨亚洲地区的环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带每年都发生很多破坏性地震, 造成极大的灾害和经济损失。在板块运动的作用下, 亚洲既拥有陆地上最高的山脉, 也拥有海洋中最深的海沟, 复杂多变的地形导致地震的次生灾害发生频率高, 毁坏性大, 也加大震后救援的难度。比如, 在 2017 年的九寨沟地震和 2008 年的汶川地震中, 除了地震造成的房屋倒塌等灾害外, 复杂的地形引起山体滑坡和泥石流, 堵塞道路并形成堰塞湖, 严重影响救援队伍进入灾区。亚洲其他地区遭受的地震危害与中国类似, 在 1900—1970 年全球 7 级以上大地震的记录中, 有约 1/3 分布于亚洲及其周边地区。仅在过去一百年间, 中国发生的死亡人数超过5 万的地震就有 3 次, 日本也发生过几次危害巨大的地震。对于亚洲地区的强震研究, 仅仅依靠近 40多年的现代地震台网记录是远远不够的。因此, 基于 1918—1970 年现代仪器测量的地震资料开展亚洲地区强震发震位置和震源机制的研究, 对于认识强震发震构造和开展地震危险性分析都具有十分重要的意义。
为了保障地震定位的精度, 需要有足够多的地震台站记录。考虑到 20 世纪初亚洲地区地震台网监测力度很弱, 本研究只对发生在那个时期的 7 级以上强震开展定位和震源机制测量。本文做如下设定: 1)研究区范围为 26°3′E—169°40′W, 11°7′S—77°43′N; 2)研究时段设定为 1918 年 1 月 1 日—1970 年 12 月 31 日; 3)定位地震的震级范围为 Ms≥7.0。本研究构建的含震源机制解的地震目录包括地震发生的时间、经度、纬度、震级和震源深度, 以及发震断层的走向、倾角和滑动角。
自 1882 年意大利地震学家 Milne, Ewing 和 Gray研制的摆式地震仪在日本东京大学成功地记录并绘制一个地方震的地面振动图以来, 20 世纪开始, 现代地震仪在世界各地陆续安装并投入观测, 全球范围的地震仪器记录越来越多地被收集和发布。1897年, Milne 开始收集世界各地 60 多个地震台站的记录, 并发布 Shide Circulars (BAASSC, 1900-1912)。1913 年 Milne 逝世后, 牛津大学 Turner 教授继续进行全球地震台站记录资料的收集和发布(BAASSC, 1913-1917)。1918 年, 这份全球地震报告被更名为《国际地震资料汇编》(International Seismological Summery, 1918-1963), 本研究的基础资料主要取自《国际地震资料汇编》报告, 该报告的资料来源于图 1 所示全球基准地震台网记录(从图 1 可见, 欧洲、日本和美国的地震台网较为密集, 南半球的地震台网较为稀疏)。
EHB Bulletin 包含 1960—2008 年的地震资料, 是 ISC (International Seismological Centre) Bulletin 的精简版。该目录使用 Engdahl 等[6]的算法, 显著地改善之前 ISS 等地震目录的震中定位精度。同时, 通过对地震波走时数据的残差校正, 反演得到全球速度结构。EHB Bulletin 目录持续更新至 2008 年, 直到新的 ISC 定位算法[9]在 2009 年投入使用。
使用最新的地球平均速度结构模型 Crust5.1 计算地震震相的理论走时, 能够有效地提高地震的定位精度。我们使用光学字符识别(optical character recognition, OCR)软件, 识别并整理 1918—1970 年期间 ISS 和 EHB Bulletin 中全球地震台记录的 P 波、S 波及其他震相到时与到时差; 使用 Schweitzer[10]的 HYPOSAT 程序, 对该时段的 338 个地震事件重新定位; 使用俞春泉等[11]改进的格点尝试法, 基于1933—1970 年期间 ISS 的 P 波初动数据, 求解该时段 244 个地震事件的震源机制解。
图1 本文用到的 1900—1970 年期间 1194 个台站的位置
Fig. 1 Distribution of the 1194 seismic stations in 1900-1970 used in this study
由于文档地震数据的扫描效果较差, 因此在OCR 识别过程中, 选择合适的识别软件极为重要。在对多个软件的识别结果进行测试后, 本研究采用Adobe 公司的 ABBYY 软件进行 OCR 识别。图 2 通过 1937 年 8 月 11 日发生在 6.8233°S, 116.1884°E 的地震数据, 展示 ABBYY 的识别效果。ABBYY 对数字的识别准确率可达 95%以上, 再经过简单的人工修正, 即能达到数据处理要求。即使有些到时数据的错误没有被纠正, 这些数据也会因为与正演结果的偏差太大而从数据集中剔除。虽然 ABBYY 对数字的识别准确率较高, 但对台站名称的识别效果较差, 原因可能是数字的结构相对简单, 可选择的范围较小。对于台站名称识别错误的情况, 本文尽量采用批量处理的形式给予纠正。这是由于台站名称的识别错误情况往往是相同的, 比如“b”被识别成“6”。这种相同的错误可以通过编程来批量地解决, 具体步骤如下: 1)浏览各个台站的识别结果, 对于单个台站, 列出常见的几种识别错误; 2)通过建立“字典”数据结构, 将常见的错误结果与正确结果相对应。
在 OCR 识别之后, 要将台站名称与定位程序中的代号对应起来, 这样才能与反演程序中的台站代号相对应, 完成反演步骤。本文采用字典的数据结构进行操作, 自动将台站名称转化为台站代号。在转化的过程中, 可能遇到多个台站名称相同的情况, 此时就要舍弃数据或者精确度。我们对这个问题的解决方法如下: 如果一个台站名称对应的几个台站相距较远(大于 0.5°), 则把这一台站名称对应的数据全部舍弃; 如果一个台站名称对应的几个台站相距较近(小于 0.5°), 就将这一台站名称对应的数据全部归属其中一个台站。这样做的好处是, 既可以保证一定的精确度, 也不会因舍弃的数据过多对结果造成影响。接下来, 是数据的预处理步骤。这部分比较琐碎, 因为除需要对识别错误的数字进行更正外, 还需要对格式进行调整, 以期满足反演程序的输入要求。格式调整后, 对于数据中没有的参数, 除将时间的标准差设为 1s 外, 其他参数(如反方位角和离源角等)则没有使用。经过以上处理后, 每个地震事件大约能得到 100~500 个有效的 P, S震相。
本文将 IASP91 与 CRUST5.1 模型相结合, 作为震源参数的反演模型。相对于其他标准模型(如PREM, AK135), IASP91 模型的优势在于对主要震相到时的计算较为准确。对于那些对局部速度结构敏感的震相(Pn, sS 和 pP 等地表反射震相), 我们采用 CRUST5.1 代替 IASP91 的地壳速度结构, 对于其他震相, 则采用 IASP91 进行计算。对地震进行初次定位时, 先使用固定深度定位。本文使用 0 和 30km 作为初始深度, 进行两次定位。之所以选这两个深度, 是因为 7 级以上地震的震源深度中位数大约为 30km, 而以 0km 作为初始震源深度可以更好地反演浅源地震的震中位置。HYPOSAT 程序定位的时候进行多次迭代, 迭代后进行正演计算残差, 去掉残差较大的几组数据, 使结果更具可靠性。确定震中位置后, 反演程序进行进一步的迭代, 更精确地确定震源深度, 并对震中的位置做微小的调整。我们在几次反演结果中选择水平方向不确定度最小的作为最终结果, 记录发震位置和发震时间等。由于本文研究的时段(1900—1970 年)全球地震台网稀疏, 台间距为数百公里, 因此缺乏对震源深度的约束。将震源深度设为 0, 10 或 30km 进行测试, 结果表明对定位结果(震中位置)影响不大。
OCR将读取的纸版文件(左)转换成符合定位程序HYPOSAT格式要求的数字输入文件(右)
图2 OCR识别结果示例
Fig. 2 Illustration of OCR
本文使用 ISS 和 EHB Bulletin 的震相到时数据和到时差, 借助 IASPEI91 模型和 CRUST5.1 模型, 对 1918—1970 年期间的 338 个地震事件进行定位, 得到其中 316 个可靠性好、精度高的定位结果。我们从定位结果中可以发现, 震中位置的反演精度与台站记录数有关。对于台站记录数较多的地震事件(震级大或发震年份晚), 震中位置的误差较小, 在0.1°之内; 对于台站记录数较少的地震事件(震级小或发震年份早), 震中位置的误差较大, 在1°之内。
由于震源深度的反演结果存在较大误差, 且近现代强震的震相到时数据中鲜有 pP 或其他对震源深度敏感的震相, 因此对近现代强震震源深度的测定较为困难。由于本文将初始震源深度设为 0 和 30km, 进行两次深度计算, 取水平方向不确定度最小的作为最终结果, 因此反演结果中仅有部分地震事件得到非 0 或非 30km 且稳定的震源深度。其中, 震源深度为 0~15km 的地震有 108 个, 15~50km 的有 148 个, 50~200km 的有 43 个, 200km 以上的有17 个。
在地震定位的精确度方面, 95%的置信区间内, 经度的不确定度平均为 0.199°, 纬度的不确定度平均为 0.168°; 除确定深度的定位结果外, 深度的不确定度平均为 15.59km; 定位的走时均方根残差为6.67 s, 走时差的均方根值为 9.47 s。
从图 3 可以清楚地看出, 尽管由于台站稀疏, 台网方位角覆盖度低, 导致板块边缘地震的定位误差大, 但本文确定的 50km 以上的中-深源地震绝大多数发生在太平洋或菲律宾板块向欧亚板块俯冲的岛弧一带, 清晰地揭示出这 3 个构造板块间的相互接触关系。我们注意到, 印度尼西亚北部苏维拉西海附近地震的定位精度较差, 原因可能是该地区在本文研究时段(1900—1970 年)内几乎没有地震台站(图 1)。在中国大陆松潘-甘孜块体内部也有一个地震的定位误差较大, 经查证, 此地震是发生于 1923年 3 月 24 日的四川道孚地震, 由于当时全球地震台网建立不久, 数据较少, 数据质量较差, 因此定位结果不够精确。图 3 显示, 由于陆地上地震台站的方位角分布较好, 因此定位结果通常比发生在大洋或大洋边缘地区的地震好。
十字符号的交点为震中位置, 十字符号中横线和竖线的长度分别代表经度和纬度定位误差的大小
图3 1918—1970年亚洲地区7级以上地震定位误差
Fig. 3 Epicenter distribution and location errors of the earthquakes with Ms≥7.0 in Asia from 1918 to 1970
将本文定位结果与文献[3-4]中相同地震的定位结果(二者都是基于现代地震仪记录的定位)进行比较, 可以发现二者基本上一致, 证明了本文结果的稳定性与可靠性。图 4 展示本文定位结果对《中国历史强震目录》[1]中 7 级以上地震震中位置的修正, 由于《中国历史强震目录》主要参考现场灾害考察的文献档案, 因此对震中的确定有较大的人为因素导致的不确定性。
利用 ISS 中 1933—1970 年期间 244 个地震事件的 P 波初动数据, 使用俞春泉等[11]改进的格点尝试法, 求得 209 个地震事件的震源机制解(图 5)。根据P 波初动对断层面解的约束程度, 我们将解分为 A, B, C 三类。A 类解为准确可靠的震源机制解, P 波初动在震源球投影图上分布比较均匀, 对得到的两个节面有较好的限制; B 类解为较为准确可靠的震源机制解, 可靠性比 A 类解略差, P 波初动在震源球投影图上分布比较合理, 基本上能够约束住两个节面; Ｃ类解的可靠性相对更差, P 波初动在震源球投影图上分布不均匀, 不能很好地约束两个节面, 但基本上能判断出震源机制解的性质。对于 C 类解, 其矛盾比相对较高, 且存在多组可能的断层面解。我们根据 2.3 节的定位结果, 推断是哪个构造带或断裂上的地震, 参照地震所在构造带或断裂的几何参数, 选取与其最匹配的解。131 个 C 类解是根据亚洲及邻区地质资料[12-14]确定的距图 3 所示地震最近的构造断层的走向和倾角, 并在格点尝试法程序自动给出的所有断层面解中选取与该断层走向最接近的一组作为最终断层面解, 同时兼顾解的矛盾比(在断层面参数接近情况下, 以矛盾比更低作为确定最终解的原则)。209 个震源机制的多解表达图、详细解和相应的震源机制节面参数信息量较大, 未列出, 可致信 zsy@pku.edu.cn 索取电子版资料。
为了研究 100 多年来亚洲地区构造运动的稳定性, 并论证本文测定的强震震源机制解的合理性, 我们下载了哈佛大学有关本文研究区 1976 年 1 月 1日至 2018 年 10 月 1 日的 7 级以上强震 CMT (central moment tensor)解(https://www.globalcmt.org)(图 6)。对比图 5 与图 6 可以看到, 近半个世纪以来, 哈佛大学测定的亚洲地区 7 级以上强震的震源机制解数目与我们挖掘历史文档记录测定的近现代 7 级以上强震的震源机制解的数目大体上相当, 我们测定的强震震源机制解对中国大陆部分地区(如南北地震带)以及天山构造带等重要活动构造带的强震资料有明显的补充。还可以看到, 太平洋或菲律宾板块向欧亚板块俯冲的岛弧一带地震的震源机制几乎都是逆冲型, 反映太平洋和菲律宾板块向欧亚板块俯冲的动力学过程; 天山构造带发生的强震破裂机制也是逆冲型, 反映天山南缘塔里木盆地等刚性地块向天山造山带下插的动力学过程[15]。
箭头的起点为本研究定位的震中位置, 箭头的终点指向《中国历史强震目录》[1]的震中位置
图4 本文定位结果对《中国历史强震目录》中部分地震位置的修正
Fig. 4 Correction for some earthquake epicenters listed in Catalogue of Strong Earthquakes of China
图5 亚洲及邻区1933年1月1日至1970年12月31日7级以上强震及震源机制空间分布
Fig. 5 Distribution of the focal mechanisms of the Ms≥7.0 earthquakes in Asia from Jan. 1, 1933 to Dec. 31, 1970
图6 亚洲及邻区1976年1月1日至2018年10月1日7级以上强震及震源机制空间分布(哈佛大学CMT解)
Fig. 6 Distribution of the focal mechanisms of the Ms≥7.0 earthquakes in Asia from Jan. 1, 1976 to Oct. 1, 2018 (Havard CMT Solutions)
本研究在前人工作的基础上, 通过地质资料、国内外地震台记录和近现代地震目录, 利用震相走时定位和 P 波初动求解震源机制解, 得到亚洲地区1918—1970 年间 316 个 7 级以上历史地震的重定位地震目录以及 1933—1970 年间 209 个历史地震包含震源机制解的近现代地震目录, 对亚洲地区近现代地震资料进行了较好的补充和完善。
由于震相到时存在误差, 定位结果中某些近现代地震的发震位置及震源深度误差较大, 尤其是发震时间早及台站记录少的地震, 发震位置及震源深度存在更大的不确定性。此外, 对于基于 P 波初动求解的断层面解, 如果 P 波初动的台站记录数据不够多, 数据点在震源球上的投影覆盖范围就不够大, 导致即使使用更精确的反演方法, 也难以约束断层面解。由于历史原因造成的观测限制, 我们尚未找到更好的对缺少观测地震事件的震源参数进行精确测量的方法, 本文结果仅能对缺乏强震台站记录地区开展强震发震构造等相关研究提供可用的参考资料, 对于结果的不确定性以及对相关研究的可能影响, 建议参考图 3 (定位结果的不确定性)进行详细的分析。
现代地震台网记录的历史很短, 地震地质、工程地震及地震危险性分析的相关研究常陷入地震目录太少或存在不确定性的困境。因此, 充分挖掘历史强震的信息, 并对其中部分错误进行修正, 是一项非常有意义的工作。本研究的另一个意义在于提供一种研究历史地震的可行方法, 可以对其他地区或其他震级范围的历史地震研究起到启发作用。
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Relocation and Focus Mechanism Estimation of the Strong Earthquake Ms≥7.0 from 1918 to 1970 around Asia and Analysis of Their Uncertainties
Abstract Through the software of optical character recognition (OCR), this study sorts out seismic phase report of seismic stations worldwide from 1918 to 1970, earthquake location and focal mechanisms (fault plane solution) of part of the earthquakes are measured in Asia and nearby areas at that time. Specific work is carried out in two aspects. 1) Using arrival time and arrival-time difference in 1918-1970 from International Seismological Summery (ISS) and EHB Bulletin, the relocation of 338 earthquakes are calculated, and 316 among them are reliable. 2) Utilizing P wave initial motion in 1933-1970 from ISS and EHB Bulletin, the focal mechanisms of 244 earth-quakes are calculated, and 209 among them are reliable. Based on global seismic network observation, the focal mechanisms of modern strong earthquakes in Asia from 1918 to 1970 have been enriched. Another important significance of this study is to provide a set of feasible methods for the study of modern earthquakes, which can be instructive in other regions or in other magnitudes.
Key words optical character recognition(OCR); modern earthquakes; relocation; character recognition; focal mechanism
doi: 10.13209/j.0479-8023.2020.058
收稿日期: 2019-12-06;
修回日期: 2020-03-26
宁夏回族自治区重点研发计划东西部合作项目(2018BFG02011)和国家自然科学基金(41674047)资助