江西九江-瑞昌地震序列震源位置和發(fā)震構(gòu)造再研究

羅　麗　呂　堅　曾文敬　湯蘭榮

(江西省地震局， 南昌　330039)

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江西九江-瑞昌地震序列震源位置和發(fā)震構(gòu)造再研究

羅麗呂堅*曾文敬湯蘭榮

(江西省地震局， 南昌330039)

選取江西九江-瑞昌MS5.7地震序列2005年11月26日至2006年6月30日228次ML≥1.0的地震， 利用基于波形互相關(guān)技術(shù)的Hypodd定位方法進(jìn)行了重新定位， 最終獲得224次地震的精確震源參數(shù)。統(tǒng)計定位誤差(2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)在水平方向上為0.5km左右， 垂直方向上<2km。重定位后地震序列的震源深度主要集中在8～14km， 震中在NW和NE 2個方向展布， 其中又以NW向條帶地震居多。結(jié)合幾個主要地震的震源機(jī)制解、 地震序列展布方向和震區(qū)的構(gòu)造背景， 我們推斷NW向斷裂錯動產(chǎn)生了MS5.7主震， 在右旋兼逆推過程中觸發(fā)NE向斷裂， 產(chǎn)生了MS4.8最大余震。NE向斷裂的地震活動經(jīng)過短時間應(yīng)力調(diào)整后進(jìn)入相對平靜期， 之后則是NW向斷裂在長時間的應(yīng)力釋放過程中引發(fā)了一系列余震。MS5.7主震的發(fā)震構(gòu)造可能是NW向的洋雞山-武山-通江嶺隱伏斷裂， 而MS4.8最大余震的發(fā)震構(gòu)造可能是NE向的劉家-范家鋪-城門山斷裂。

九江-瑞昌地震Hypodd方法波形互相關(guān)發(fā)震構(gòu)造

0　引言

2005年11月26日8時49分， 在江西省九江縣與瑞昌市交界處發(fā)生了MS5.7地震(簡稱為江西九江-瑞昌地震)， 此次地震是華東、 華中地區(qū)近 30a來最強(qiáng)烈的1次地震。由于震區(qū)附近的斷裂構(gòu)造發(fā)育， 襄樊-廣濟(jì)斷裂帶與郯城-廬江斷裂帶均可能往此延伸， 而微觀震中位于長江中游南岸的瑞昌盆地內(nèi)， 地震造成的破壞明顯受到局部地質(zhì)和水文條件的影響， 給發(fā)震構(gòu)造的認(rèn)定帶來了較大的困難。對于本次地震的發(fā)震構(gòu)造和地震成因， 有些研究認(rèn)為與襄樊-廣濟(jì)斷裂帶有關(guān)， 發(fā)震構(gòu)造為瑞昌盆地下方的NW向隱伏斷裂(楊中書等， 2007； 呂堅等， 2008； 陳學(xué)忠等， 2008)； 有些研究認(rèn)為與郯城-廬江斷裂帶有關(guān)， 發(fā)震構(gòu)造為瑞昌盆地北緣的NE向斷裂或者有NW向隱伏斷裂參與(盧福水等， 2006； 李傳友等， 2008)， 迄今為止仍然沒有一致的認(rèn)識， 給震例總結(jié)研究帶來了很大的困難。

精確的震源位置可為判定發(fā)震構(gòu)造提供重要參考。目前中國地震觀測報告的震源位置通常采用的是絕對定位方法， 主要依據(jù)P波和S波的到時與到時差來確定， 定位誤差達(dá)數(shù)千米甚至更大。在假定臺站布局足夠合理的前提下， 地震定位精度主要受計算走時的速度模型以及震相到時讀數(shù)的準(zhǔn)確性影響。與絕對地震定位相比， Hypodd方法受未知的三維速度結(jié)構(gòu)影響較小， 能夠較準(zhǔn)確地確定地震間的相對位置， 而波形互相關(guān)技術(shù)的使用可以獲取更準(zhǔn)確的到時數(shù)據(jù)(黃媛， 2008)， 將兩者結(jié)合起來可以大幅度提高地震定位的精度。近年來， 該方法在國內(nèi)外已有廣泛應(yīng)用， 針對發(fā)震構(gòu)造的研究獲得了很好的結(jié)果(Haukssonetal.， 2005； Waldhauseretal.， 2008； 呂鵬等， 2011； 汪銳等， 2013； 黃浩等， 2014)。

九江-瑞昌MS5.7地震后， 已有一些研究(呂堅等， 2007； 楊中書等， 2007)利用震相的走時差數(shù)據(jù)進(jìn)行了部分余震序列的Hypodd方法定位， 但這些研究沒有充分利用積累的流動臺網(wǎng)資料(當(dāng)時湖北局架設(shè)的3個流動臺未接入江西臺網(wǎng)中心)， 也沒有分析更為可靠的波形互相關(guān)雙差數(shù)據(jù)， 對于研究1個中強(qiáng)地震的破裂特征、 描繪發(fā)震構(gòu)造特別是隱伏斷層的分布而言定位精度相對有限。因此， 非常有必要全面整合九江-瑞昌地震序列的觀測記錄， 在使用震相走時差數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 增加波形互相關(guān)雙差數(shù)據(jù)約束， 進(jìn)一步提高九江-瑞昌地震序列的定位精度。本文重新整合了固定臺站和流動臺站的波形數(shù)據(jù)， 在全面分析震相記錄和絕對定位的基礎(chǔ)上， 引入波形互相關(guān)技術(shù)， 利用結(jié)合波形互相關(guān)的Hypodd方法對2005年九江-瑞昌MS5.7地震序列進(jìn)行重新定位， 以對現(xiàn)有結(jié)果進(jìn)行比較和補(bǔ)充， 同時結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景探討其發(fā)震構(gòu)造。

1　Hypodd方法重新定位

1.1算法原理

Waldhauser等(2000)提出了Hypodd方法， 該方法利用信號的走時差反演震源位置， 能夠有效地消除震源至臺站的共同傳播路徑效應(yīng)， 對地殼速度模型的依賴性相對較小。對于同一臺站k記錄到的地震事件i和j， Hypodd定義為

(1)

(2)

式(2)中Δm(Δx，Δy，Δz，Δτ)為震源參數(shù)的偏移量。假定一共得到M個雙差數(shù)據(jù)， 地震事件數(shù)為N個， 將所有臺站記錄到的所有事件的雙差方程聯(lián)立可得到如下線性方程組：

WGm=Wd

(3)

式(3)中， G是1個M×4N的偏微商矩陣， m為震源參數(shù)偏移量， W是用以對每個方程加權(quán)的對角線矩陣， d為雙差矢量。

計算時利用式(4)約束所有地震重新定位后平均位移為零， 也即質(zhì)心不動。通過迭代， 使得定位殘差逐漸減小， 從而得到最終的定位結(jié)果。

(4)

圖1　參與計算的臺站分布及江西臺網(wǎng)初始定位結(jié)果Fig. 1　Seismic stations and initial location results.

1.2地震數(shù)據(jù)和模型選取

2005年11月26日九江-瑞昌MS5.7地震發(fā)生時， 江西北部及鄰區(qū)的地震監(jiān)測能力相對較弱， 距離此次地震震中距<250km的臺站只有5個。地震發(fā)生后， 江西、 福建、 湖北3省地震局先后架設(shè)了流動數(shù)字地震臺網(wǎng)， 包括丁家山、 范鎮(zhèn)、 獅子洞、 武皎、 涌泉、 武穴和黃梅7個子臺， 流動臺間距約20km左右。圖1 給出了流動臺站分布和此次地震江西臺網(wǎng)初始定位結(jié)果的相對位置， 大部分余震在流動臺網(wǎng)包圍的范圍內(nèi)。此次地震的余震序列雖然發(fā)育， 但絕大多數(shù)余震的震級都在ML1.0以下。本文從地震目錄中選取出2005年11月26日至2006年6月30日發(fā)生的ML1.0以上地震， 再刪減少于4個臺站記錄和波形質(zhì)量不高的事件， 最終得到了228次符合要求的地震事件記錄?？紤]到初始震源參數(shù)對定位結(jié)果存在一定程度的影響， 為了得到更為可靠的精確定位結(jié)果， 自行編寫程序?qū)⒐潭ㄅ_站和流動臺站的波形數(shù)據(jù)整合到一起， 并采用Hypsat方法(Schweitzer， 2001)對這些地震進(jìn)行了重新定位， 將所得的定位結(jié)果作為Hypodd定位的初始震源位置。在數(shù)據(jù)整合處理時， 我們發(fā)現(xiàn)獅子洞臺的授時在2005年12月25日0時前存在1s的鐘差， 這一情況在江西臺網(wǎng)的初始定位中并沒有引起注意， 我們在重定位過程中進(jìn)行了全面校正。

表1　九江-瑞昌地區(qū)地殼速度模型

Table1　Crustal velocity model

深度/kmVP/km·s-1波速比(VP/VS)0～34.801.713～105.8010～186.1518～266.4026～356.8035+8.00

圖2　九江臺記錄的2個相似地震的波形互相關(guān)示例Fig. 2　Example of waveform cross-correlation of two similar events recorded at station JUJ.

Hypodd定位算法中采用的是水平分層速度模型， 雖然算法本身較好地克服了速度橫向不均勻性的影響， 對地殼速度模型的依賴性相對較小， 但仍需盡可能選用接近真實的地殼速度模型。本文采用的速度結(jié)構(gòu)是震源區(qū)附近區(qū)域的模型， 來源于人工地震測深與重力剖面的綜合研究結(jié)果(王椿鏞等， 1997a， b)(表1)。

1.3波形互相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用

由于人工拾取震相到時更多地依賴于經(jīng)驗， 對于初動不清楚的震相， 難免出現(xiàn)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。而Hypodd定位過程中只要求提供地震對之間的相對到時， 且大震之后的余震序列通常發(fā)生在1個相對較小的區(qū)域范圍內(nèi)， 區(qū)域構(gòu)造相同， 地震事件波形相似性極高， 因此波形互相關(guān)方法尤其適用于大地震發(fā)生后對一定時間范圍內(nèi)余震的監(jiān)視(黃媛， 2008)。本文選擇了離震中較近且記錄時間較長的JUJ(九江臺)和FZT(范鎮(zhèn)臺)的記錄進(jìn)行波形互相關(guān)計算， 計算示例見圖2。根據(jù)本地區(qū)的工作經(jīng)驗， 在進(jìn)行波形互相關(guān)計算前， 對地震波形做如下處理： 首先將波形資料在0.6～8Hz范圍內(nèi)濾波， 將P波震相前1s至之后3s的波形作為時間窗， 將所有地震事件的垂直分量波形進(jìn)行時間域的波形互相關(guān)運算， 相關(guān)系數(shù)閾值定為0.7。經(jīng)過以上預(yù)處理步驟， 得到了FZT臺P波滿足相關(guān)條件的互相關(guān)數(shù)據(jù)3,353對， JUJ臺P波滿足相關(guān)條件的互相關(guān)數(shù)據(jù)2,973對。

在Hypodd定位過程中， 選取臺震距離<200km、 震源間距<4km、 走時觀測臺站震相記錄數(shù)≥8的地震采用共軛梯度法(LSQR)進(jìn)行迭代計算。在迭代過程中， 第1輪將觀測報告中的走時差賦予高權(quán)重以保證地震個數(shù)， 將P波走時差權(quán)重設(shè)為1， S波走時差權(quán)重設(shè)為0.9， P波互相關(guān)走時差權(quán)重設(shè)為0.40； 第2輪對互相關(guān)相對走時賦予高權(quán)重以保證定位精度， 將P波互相關(guān)走時差權(quán)重設(shè)為0.85， 互相關(guān)走時差的震源間距<2km。

2　重定位結(jié)果分析

結(jié)合波形互相關(guān)的Hypodd算法重新定位后， 228次地震中最終獲得了224次地震的震源參數(shù)。通過奇異值分解法對其中少量地震進(jìn)行定位精度檢驗， 得到地震定位結(jié)果在水平方向上的定位偏差為0.5km左右， 垂直方向上的偏差<2km。通過與震相走時差數(shù)據(jù)對比， 波形互相關(guān)數(shù)據(jù)可將走時差的識別精度平均提高0.11s左右。通過與單純利用震相走時差數(shù)據(jù)的定位結(jié)果對比， 結(jié)合波形互相關(guān)數(shù)據(jù)后的定位結(jié)果平均偏差可降低1km左右， 相對于九江-瑞昌序列僅有的6km左右的破裂尺度而言， 可以揭示出更加精細(xì)的震源分布特征。

2005年九江-瑞昌地震發(fā)生時， 江西 “九五”數(shù)字地震臺網(wǎng)普遍采用交切法進(jìn)行地震定位； 由于交切法的定位精度較低， 特別是震源深度的誤差常常較大， 故江西地震臺網(wǎng)的觀測報告中絕大部分地震沒有給出震源深度。此次重定位后的地震序列震源深度主要集中在8～14km， 占總數(shù)的93%； 其中又以10～12km最具優(yōu)勢， 占46%(圖3)。張小濤等(2006)對九江-瑞昌地震序列波速比特征的研究結(jié)果表明， 在震源深度10km上下， 波速比平均值存在差異， 而差異層位正好是江西地區(qū)上地殼和中地殼的分界層位， 與MS5.7主震的震源深度(11km左右)也較為接近。這反映了震源位置附近存在速度結(jié)構(gòu)間斷面， 周圍介質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)可能存在變異， 或許與這次地震的孕育和發(fā)生有著密切聯(lián)系。

圖3　重定位后的震源深度分布Fig. 3　Focal depth distribution after relocation.

圖4　重定位后的震中分布圖及部分震源機(jī)制解Fig. 4　Epicenter distribution of relocated events and part of focal mechanisms.(1)劉家-范家鋪-城門山斷裂帶； (2)丁家山-桂林橋-武寧斷裂帶； (3)望夫山-大浪斷裂帶； (4)洋雞山-武山-通江嶺斷裂； (5)丁家山-獅子島斷裂； (6)長山-城門背斜

圖4 是重定位后的結(jié)果平面圖， 地震序列主要呈現(xiàn)NW(長度約6km)和NE(長度約4.6km)2個方向的優(yōu)勢分布； 其中又以NW向分布的地震居多， 且更具條帶狀特征分布， 表現(xiàn)出與洋雞山-武山-通江嶺斷裂近似的走向， NE向地震則與劉家-范家鋪-城門山斷裂的走向基本一致。MS5.7主震發(fā)生在NW向地震分布的西北端，MS4.8最大余震發(fā)生在NE向地震分布的西南端。

考慮到NW和NE 2個方向優(yōu)勢條帶分布的顯著差異， 筆者將2個條帶分開進(jìn)行討論。如圖4 所示， NW和NE 2個條帶的相交部分也有相當(dāng)數(shù)量的地震， 由于地下介質(zhì)狀況的錯綜復(fù)雜， 這部分地震的發(fā)生可能受到來自NW和NE 2個方向斷裂的作用和影響， 于是筆者并未將其劃分到某個單一條帶上， 而是放在2個條帶上進(jìn)行了討論。對這2個條帶我們分別沿著地震分布的優(yōu)勢方向(A—A′)和傾向(B—B′)作了地震震源深度的剖面圖(圖5， 6)。 從圖中可以看出， NW向和NE向條帶在7～17km的震源深度分布范圍內(nèi)均有地震， 但NW向條帶地震的震源深度以9～15km最具優(yōu)勢， NE向條帶地震的震源深度則主要集中在7～14km范圍內(nèi)。此外從2個條帶沿傾向方向的深度剖面圖中可以看出： NW向斷裂傾向NE， 傾角約為70°； NE向斷裂傾向SE， 傾角約為75°， 這一結(jié)果與呂堅等(2008)給出的主震震源機(jī)制解NW向節(jié)面和最大余震震源機(jī)制解NE向節(jié)面的傾角大致接近(表2)。

圖5　NW向條帶地震沿走向(A—A′)和傾向(B—B′)方向的震源深度剖面圖Fig. 5　Focal depths distribution of NW seismic belt along strike direction (AA′) and dip direction (BB′).

圖6　NE向條帶地震沿走向(A—A′)和傾向(B—B′)方向的震源深度剖面圖Fig. 6　Focal depths distribution of NE seismic belt along strike direction(AA′) and dip direction(BB′).

表2　較大地震的震源參數(shù)及震源機(jī)制解

Table2　Focal parameter and mechanism

序號發(fā)震時刻震級經(jīng)度/(°)緯度/(°)深度/km節(jié)面1節(jié)面2走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)12005-11-26,08:49MS5.7115.7229.711132455182237514422005-11-26,09:25ML4.5115.7329.66106148117203486332005-11-26,12:55MS4.8115.7329.67105471-16031771-2042005-12-03,07:46ML4.0115.7429.691430744-54187-134

綜上分析， 我們可以得到1個初步推論，MS5.7主震的發(fā)震構(gòu)造為NW向斷裂，MS4.8最大余震的發(fā)震構(gòu)造為NE向斷裂； NW向斷裂的深度和NE向斷裂相當(dāng)， 而且切割了NE向斷裂。此前有研究(呂新彪等， 1997； 崔學(xué)軍， 2003； 李傳友等， 2008)認(rèn)為， 九江—瑞昌地區(qū)NW向斷裂切割了NE向斷裂， 具有新生性， 這一結(jié)果正好與本文推論相吻合。

3　發(fā)震過程討論

根據(jù)呂堅等(2008)的研究結(jié)果(表2)，MS5.7主震和MS4.8最大余震的震源機(jī)制解不完全一致。為了探討本次地震序列的發(fā)震機(jī)理和破裂過程， 筆者等進(jìn)一步反演了2005年11月26日ML4.5次大余震和12月3日ML4.0較大地震的震源機(jī)制解(圖4， 表2)。從圖4 可以看出， 1號MS5.7主震的NW節(jié)面為帶有逆斷性質(zhì)的左旋走滑斷層， 2號ML4.5地震的2個節(jié)面均為逆斷層， 3號MS4.8最大余震的NE節(jié)面為帶有正斷性質(zhì)的右旋走滑斷層， 4號ML4.0地震的NW節(jié)面為帶有正斷性質(zhì)的左旋走滑斷層。這4次地震的震源機(jī)制存在一些差異， 其中1號和4號地震的震中同位于NW向條帶上， 震源機(jī)制解均存在1組走向NW， 傾向NE的節(jié)面； 2號和3號地震的震中同位于NE向條帶上， 震源機(jī)制解均存在1組走向NE， 傾向SE的節(jié)面。分析這4次地震的震源位置、 震源機(jī)制以及發(fā)生的先后順序， 我們推測：MS5.7主震發(fā)生在NW向斷裂上， 破裂時斷裂上盤往NW方向走滑兼逆推運動， 破裂過程中觸發(fā)了相交的NE向斷裂， 導(dǎo)致該斷裂上盤向NW方向逆沖， 繼而引發(fā)了2號ML4.5地震， 然后在構(gòu)造應(yīng)力場和自身的重力效應(yīng)下， NE向斷裂上盤往SW方向走滑并有所下沉， 引發(fā)了3號MS4.8最大強(qiáng)余震， NW向斷裂則在后續(xù)的應(yīng)力調(diào)整過程中發(fā)生了4號ML4.0地震， 斷層運動方向示意于圖7。

圖7　斷層運動方向示意圖Fig. 7　Diagram showing direction of fault movement.

為了進(jìn)一步分析這2條斷裂的活動情況， 筆者將主震后頭3d(2015年11月26—28日)以及后期(2015年11月29日—2016年6月30日)的震中分布進(jìn)行了對比(圖8)。 從圖中可以看出， NE向展布的地震基本發(fā)生在主震后頭3d， 據(jù)此推測NE向斷裂的活動是由NW向斷裂活動觸發(fā)的， 并經(jīng)過短時間應(yīng)力調(diào)整后進(jìn)入相對平靜期； 而NW向斷裂(主震的破裂面)在長時間的應(yīng)力調(diào)整過程中引發(fā)了一系列余震。

圖8　2015年11月26—28日(a)以及2015年11月29日—2016年6月30日(b)的地震分布圖Fig. 8　Epicenters of earthquakes occurring in the first three days (a) and afterwards (b).

綜上所述， 結(jié)合本次精定位的主震和最大余震所處的位置以及余震的展布方向， 推斷這2次地震的發(fā)震構(gòu)造為完全不同的2條斷裂， 主震的發(fā)震構(gòu)造可能為洋雞山-武山-通江嶺隱伏斷裂， 而最大余震的發(fā)震構(gòu)造可能為劉家-范家鋪-城門山斷裂， 這個結(jié)果與呂堅等(2008)的推論相符。

4　結(jié)論

本文應(yīng)用Hypodd定位方法， 并引入波形互相關(guān)技術(shù)， 研究獲得了九江-瑞昌MS5.7地震序列224次ML≥1.0地震的精確震源參數(shù)。重定位后， 震源位置的測定誤差(2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)在水平方向上為0.5km左右， 垂直方向上<2km。

與初始定位結(jié)果相比， 重定位后地震序列的震中呈現(xiàn)NW和NE 2個優(yōu)勢方向的分布特征， 震源深度主要集中在8～14km范圍內(nèi)， 其中又以10～12km的深度分布更具優(yōu)勢。結(jié)合幾個主要地震的震源機(jī)制解、 地震序列展布方向和震區(qū)的構(gòu)造背景， 推斷MS5.7主震的發(fā)震構(gòu)造可能為NW向的洋雞山-武山-通江嶺隱伏斷裂， 而MS4.8最大余震的發(fā)震構(gòu)造可能為NE向的劉家-范家鋪-城門山斷裂。

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Abstract

We collected seismic records of 228ML≥1.0 Jiujiang-RuichangMS5.7 earthquake sequence from Dec.26， 2005 to Jun. 30， 2006. By using double-difference method combined with waveform cross-correlation， those earthquakes were relocated and finally the accurate source parameters of 224 earthquakes were obtained. The errors are about 0.5km in horizontal and less than 2km in vertical direction， respectively. It was found that the depth of earthquake sequence concentrates in 8～14km range， and the epicenters are distributed along both NW and NE direction， and dominantly along NW direction. Combined with the focal mechanism， the distribution direction and the tectonic setting， we infer that the rupture of the NW-trending fault caused theMS5.7 main shock， and then the rupture probably encountered an asperity and triggered theMS4.8 strong aftershock. The NE-trending fault came into a seismically quiet period by stress adjustment in a short time， while the NW-trending fault released stress for a long time which caused a series of aftershocks. TheMS5.7 main shock is caused by the NW striking Yangjisshan-Wushan-Tongjiangling Fault and theMS4.8 aftershock occurred on the NE striking Liujia-Fanjiapu-Chengmenshan Fault.

RESTUDY ON HYPOCENTRAL LOCATION AND SEISMOGENIC TECTONIC OF THE JIUJIANG-RUICHANGMS5.7 EARTHQUAKE EQUENCE， JIANGXI PROVINCE

LUO LiLü JianZENG Wen-jingTANG Lan-rong

(EarthquakeAdministrationofJiangxiProvince，Nanchang330039，China)

Jiujiang-Ruichang earthquake， Hypodd method， waveform cross-correlation， seismogenic structure

2015-01-15收稿， 2016-02-29改回。

中國地震局地震科技星火計劃項目(XH12027)資助。
*

呂堅， 高級工程師， E-mail: Lvjian8438@163.com。

P315.2

A

0253-4967(2016)02-342-10

羅麗， 女， 1983年生， 2008年畢業(yè)于中國地震局地質(zhì)研究所， 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè), 獲碩士學(xué)位， 工程師， 現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測和預(yù)報方面的工作與研究， E-mail: 77277842@qq.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.009