山東乳山地區(qū)震群特征及發(fā)震背景再研究1

李 鉑 崔 鑫 婁世平 楊玉永 張 輝

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山東乳山地區(qū)震群特征及發(fā)震背景再研究1

李 鉑 崔 鑫 婁世平 楊玉永 張 輝

（山東省地震局，濟南 250014）

2013年10月1日在山東省威海市乳山市發(fā)生3.2級地震，之后發(fā)生了一系列震群活動。截至2016年5月，山東臺網已經記錄到了1萬多次余震，其中3級以上地震9次，4級以上地震3次。頻繁的地震構造活動引起了乳山市及周邊地區(qū)強烈震感。為研究乳山震群的發(fā)震機理，本文利用山東臺網數字化地震波資料和新建的乳山臺陣資料，通過雙差精定位方法重新確定了震中位置。研究結果表明：余震序列呈現出NW向的條帶分布；采用CAP方法（Cut and Paste）反演震群中9次3級以上地震的震源機制解，結果顯示幾次較大地震的震源深度平均約為5km，與臺網編目定位的結果基本相同。從得到的精定位結果并結合震源機制解的結果來看，震群的走向是NW向，傾角是NE向，與最近的乳山斷裂有一定距離。由此推斷該區(qū)域可能是乳山斷裂的分支，或者有一條或多條隱伏斷裂。

乳山震群 精定位 震源機制

引言

2013年10月1日12時07分在山東省威海市乳山市（36.83°N，121.70°E）發(fā)生3.2級地震，之后形成震群活動，震群持續(xù)過程中先后在2014年1月7日、4月4日、2015年5月12日分別發(fā)生4.3、4.1和4.6級地震。自有史料記載以來，近場區(qū)共有兩次破壞性地震，分別是在1046年和1939年1月發(fā)生的5.0級和5.5級地震。進入20世紀70年代后，該區(qū)在1997年發(fā)生過3.5級地震，并于2005年發(fā)生4.3級地震震群。自山東數字化臺網建成以來，在該區(qū)發(fā)生如此強度大、頻率高、持續(xù)時間長的震群活動也實為罕見。

前人對乳山震群做了一些研究，例如利用山東臺網的數字化波形數據對2013—2014年的乳山震群序列進行重新精定位研究（曲均浩等，2014），利用自助抽樣技術對乳山震群序列兩次較大的地震進行多次重復反演，得到了大樣本量的震源機制解（鄭建常等，2015）。本文在此基礎上，擴大了數據采集時間，采用雙差精定位方法，利用乳山臺陣數據對震群進行重新定位，利用CAP方法對震群中3級以上的地震進行震源機制解研究。

乳山震群位于山東乳山白沙灘附近，在震中附近沒有較大的地表破壞，震中附近近場區(qū)發(fā)育有NE向、NNE向及近SN向4組主要斷裂，分別為乳山斷裂（全長約40km，總體走向15°，傾向SE，傾角多大于70°）、海陽斷裂（總體走向30°，傾向SE，傾角70°—80°）、朱吳斷裂（該斷裂長度約為9km，斷裂總體走向30°—50°，傾向NW或SE，大部分段落傾角在70°以上，個別段落為50°左右）和米山斷裂（總體走向5°，傾向SE，傾角40°—65°）。離震群最近的乳山斷裂為中更新世晚期活動斷裂，附近存在一些小的金礦成礦斷裂，離震群中心約17km（圖1）。

F1乳山斷裂；F2海陽斷裂；F3朱吳斷裂；F4米山斷裂

1 定位方法與資料

地震定位不但是地震學的基礎問題之一，也是很多其他科學研究的基礎，詳細研究地震的時空演化規(guī)律與斷層之間的關系，可為進一步探索地震孕育發(fā)生的過程提供有意義的線索。Waldhauser等（2000）提出了一種高精度的定位方法，稱為雙差定位方法，它是在主事件方法基礎上發(fā)展的一種相對定位方法。將該方法和層析成像方法結合，建立了雙差定位和速度結構聯合反演方法（Zhang等，2003），稱為TomoDD。雙差定位法在我國已得到廣泛應用，多位科研人員（黃媛，2008；劉建達等，2009；胡幸平等，2013）都在自己所研究的區(qū)域使用了雙差定位方法，并取得了較好效果。

雙差定位的主要思路是：不再區(qū)分主事件和待定事件，而是將區(qū)域內符合條件（主要是滿足距離條件）的事件組成事件對，通過事件對的殘差的差來反演震中，這大大拓展了相對定位方法的使用范圍。雙差定位方法雖然對震中事件的選擇有一定的要求（事件對必須相距合適的距離），但可以較好地消除了絕對定位方法中由于速度結構模型的不確定性造成的定位誤差。

雙差定位的優(yōu)點包括：

（1）擴展了地震事件的使用范圍：主事件法要求地震事件距離主事件不能太遠，因此往往只能用于一個局部區(qū)域，雙差定位方法沒有主事件，可以讓任意兩個較近的事件組成事件對，因此可以在一個較大地域范圍應用。

（2）定位精度進一步提高：由于波形互相關技術提高了到時精度，而且使用的地震數據量大增（相對于主事件法），所以能夠得到高精度的震中位置。

其殘差為：

對事件組和的殘差做差，即雙重殘差：

公式（3）即為地震雙差精定位層析成像方法的聯合反演公式。

山東地震臺網自從數字化以來，可用的測震觀測臺站達到124個，絕大多數為寬頻帶的數字化臺站，在此基礎上，山東地震臺網中心又架設了包括16個臺站的乳山臺陣，監(jiān)測能力又得到了提高。乳山震群東面和南面基本上沒有觀測臺站，容易造成觀測空區(qū)，在西側和北側臺站比較密集，周圍臺站間距10—40km，臺陣的臺站間距為2—5km。

截至2016年8月山東數字臺網共記錄到了1萬5千余次乳山震群余震序列，震群可定位地震3315次，其余為單臺記錄，最大震級為2015年5月22日的4.6級地震。其中1.0—1.9級地震252次，2.0—2.9級地震35次，3.0—3.9級地震6次，4級以上地震3次（圖2）。

圖2 乳山地震序列M-T圖

我們選取了有4個及以上臺站或者臺陣記錄到的余震共2782次，重新定位過程中由于殘差和震相原因丟棄地震117個，最終選定定位地震共計2665個，最終定位殘差從0.157下降到0.134，共選用了13762個P波和S波到時數據。由于P波的拾取精度高于S波，所以在精定位的過程中將P波、S波以2:1的比率進行分配拾取，搜索半徑設定為5km。定位過程為相對定位，在定位中采用非線性最優(yōu)化的共軛梯度方法進行方程求解，搜索方向是互相共軛，迭代過程中去掉殘差相對較大的震相資料。為了檢驗其有效性，繪制了Pg、Sg震相的時距曲線（圖3），走時曲線圖所用數據為臺網原始震相數據的Pg波和Sg波震相數據，并刪除了距離走時曲線過遠的數據點。擬合走時曲線后，根據曲線斜率的倒數計算得到波速。從圖中可以看出，幾個震相的離散性都很低，說明原始數據有較好的質量。

圖3 P和S波的震相走時曲線

本文參考通過Messy GA方法反演得到的膠東半島、渤海灣盆地及其鄰區(qū)的P波地殼速度模型（張嶺等，2005；李霞等，2012）以及crust 2.0模型，所使用的速度結構如表1所示。

表1 地殼速度模型

圖4是山東數字化臺網的定位結果，圖5是雙差精定位后的結果，從結果上看余震的走向有一定的收斂性，震群的余震呈北西—南東向分布，在北東—南西向有不明顯的共軛交匯，在AA'條帶中間部分比較集中（圖5），AA'長約8km，BB'長度較短，約為3km；在北西向的延長線上有零星的地震分布。如果震群集中區(qū)域內存在隱伏斷層，那些零星的地震則可能是隱伏斷層面的小破裂導致的，隱伏的斷層也可能隨著地震活動性的減弱而逐漸變淺。

圖4 乳山震群地震序列臺網原始震中分布圖

圖5 乳山震群地震序列重新精定位后震中分布圖

圖6展現的是余震序列震中的三維分布及其在橫向和縱向的分布情況。從圖中可以看出余震主要位于地殼淺層，深度分布比較集中，主要在15km以內，極少數在20km以外分布，屬于近地表震群活動。從2014年初開始，余震的破裂深度在分布范圍上有所擴散，但在破裂位置上比較集中。

圖6 乳山震群精定位深度剖面分布圖

2 震源機制解

目前常用近震寬頻帶地震波形反演震源機制解（Helmberger等，1980；Zhu等，1996），其原理為：設（）是臺站記錄到的去除儀器響應后的地震波形，（）是相應的理論計算出的波形，一個雙力偶震源的理論合成位移（）的表達式如下：

采用頻率-波數（F-K）方法計算各個震中距的格林函數，由格林函數得出合成的地震圖后，把合成與觀測的地震數據進行互相關。

由互相關函數確定時間偏移：

在反演過程中，把觀測地震位移與合成地震位移相的一致性作為判斷正確與否的標準：

由于反演的震源機制參數較少，將經震中距矯正后的絕對誤差值作為誤差的目標函數，其表達式為：

上式中，為震中距，0為參考震中距，為指數因子，一般而言，體波和面波以2:1的比例設置。

本文對2013年乳山震群發(fā)生以來9次較大的地震的震源機制進行了反演，結果見表2。由表2可以看出幾次地震的主壓應力軸方向比較一致，節(jié)面走向也比較相似，幾次地震的節(jié)面Ⅰ走向都與精定位的震群走向方向比較一致，走向范圍在270°—320°之間，經緯度范圍在4km以內，最佳擬合的深度范圍在4.1—10.2km。

表2 乳山震群9次3級以上地震震源機制解

本文用CAP方法反演了2015年1月7日乳山4.2級地震的震源機制解作為震例來進行演示分析（圖7），在反演過程中，將理論波形與旋轉后的觀測波形進行濾波，濾波后得到了Pnl部分（0.05—0.2Hz）和面波部分（0.03—0.7Hz），采用相同范圍的濾波方法對理論地震圖進行濾波處理（蔡一川等，2015）。選擇相同的頻率范圍，既可以濾掉長周期地脈動和由速度積分所得位移造成的周期性漂移，也可以避免介質細結構所帶來的影響（楊歧焱等，2015），既可得到恰當的標量地震矩，也能較充分地反映地震波所攜帶的震源的一些必要信息。

圖8給出了擬合殘差隨著不同深度值的變化，從圖中可以看出震源深度為8.6km時反演的擬合殘差達到最小值，因此認為這次地震的震源深度在8.6km附近。這與山東地震臺網進行編目后的震源深度結果完全一致。

圖9中紅色波形曲線為理論值，黑色波形曲線為觀測值，每個臺站5個分向（體波垂向、體波徑向、面波垂向、面波徑向、面波切向）的波形參與反演，左側為對應的臺站代碼，下方是臺站所對應的震中距和該臺理論P波初至與觀測P波初至的差值，波形下方是相應分量的時間頻移量和波形擬合系數，從圖中可以看出擬合系數大都在80以上，數值越接近于100說明擬合效果越好，這也說明反演的可靠性。

擬合結果顯示，此次地震的震源機制解的節(jié)面Ⅰ走向為299.5°，傾角64°，滑動角16.7°；節(jié)面Ⅱ的走向為202°，傾角75°，滑動角153°，最佳擬合深度為8.6km，地震屬于近走滑型。

藍色沙灘球為3次4級以上震源機制解，紅色填充的沙灘球為6次3—4級地震的震源機制解，白色區(qū)域的藍點代表壓縮P軸，紅色和藍色區(qū)域的黃點代表拉張T軸

圖8 CAP方法的最佳擬合深度和波形擬合

圖9 乳山4.2級地震的理論地震圖和觀測地震圖的對比

3 結論

本文利用雙差定位方法對乳山可定位地震進行了重新精定位，震源相對位置明顯集中，更清晰地反映出了活動構造圖像，震群沿優(yōu)勢方向主要分布在橫向AA'約8km、縱向BB'約3km的區(qū)域內，精定位后對地震活動性進行分析，能得到一些常規(guī)定位地震及地表活動構造研究所未能發(fā)現的構造活動信息，對震群序列的走向也有了比較清晰的認識。

本文又利用CAP方法對2013年乳山震群發(fā)生以來9次較大的地震的震源機制進行反演，從結果可以看出幾次地震的主壓應力軸方向比較一致，節(jié)面走向也比較相似，幾次地震節(jié)面Ⅰ的走向都與精定位的震群分布的走向比較一致，為270°—320°，根據得到的震群走向也基本可以判斷節(jié)面Ⅰ和節(jié)面Ⅱ的關系。幾次較大余震的范圍都在主震半徑4km以內，最佳擬合的深度為4.1—10.2km。本文利用乳山2014年1月7日4.2級地震作為震源機制解演示震例，節(jié)面Ⅰ走向為299.5°，傾角為64°，滑動角為16.7°；節(jié)面Ⅱ的走向為202°，傾角為75°，滑動角為153°，矩震級W4.22，經過深度擬合反演，震源深度8.6km左右為最佳的擬合的雙力偶解，與其余幾次較大的震源機制解的節(jié)面數據對比，結果基本一致。乳山及附近地區(qū)的斷裂活動主要為NE—NNE向發(fā)育，之前的地震活動也多與此相關。經過重新精定位可以看出，乳山震群離主干斷裂有一定距離，NW向可能存在已知的小的成礦分支斷裂，其活動與該地區(qū)可能存在一條或者多條隱伏的次級斷裂活動有關系，有待進一步驗證。

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Characteristics and Background of Shandong Rushan Earthquake Sequences

Li Bo, Cui Xin, Lou Shiping, Yang Yuyong and Zhang Hui

(Earthquake Administration of Shandong Province, Ji’nan 250014, China)

An earthquake withS3.2 occured in Weihai city of Shandong province on October 1st, 2013, followed by a series of earthquake sequences. Until now (May, 2016), the Shandong Seismic Network has recorded more than ten thousand aftershocks, among which there are nine events with magnitude overS3.0 and three overS4.0. Since then frequent seismotectonic activities have been perceived in Rushan and the surrounding areas. To understand the mechanism of Rushan earthquake swarms better, we collected and analyzed the digital seismic wave data from Shandong Seismic Network and the seismic array data from the newly-built Rushan station, and relocated the epicenter location and the sequence distribution with the Double-Difference method, and got a N-W stripe distribution from the aftershock sequence. The CAP (Cut and Paste) method was applied to inverse the focal mechanism solution three times of the earthquakes overS4.0 and 6.0 times of the earthquakes overS3.0—4.0. The results showed that the average focal depth of several great earthquakes was 5km, about the same with that of the seismic network. TheS3.2 earthquake in Rushan happened on January 7, 2014, was analyzed with the detailed result of nodal planeⅠ(strike angle 299.5°, dip angle 64°and rake angle 16.7°) and nodal planⅡ(strike angle 202°, dip angle 75° and rake angle 162°). The strike distribution of the earthquake swarms is NW while the dip distribution NE. Because the certain distance between the distribution and the Rushan fault, it can be deduced that this area may belong to the part of Rushan fault, or there may be some undiscovered faults.

Rushan; Accurate relocation; Focal mechanism

10.11899/zzfy20170305

山東省地震局重點研發(fā)計劃項目（YF1706），中國地震局地震科技星火項目（XH16024Y）

2016-12-14

李鉑，男，生于1983年。工程師。主要研究方向為地震監(jiān)測與地震預報。E-mail：lbjjwgaj@163.com