2020-01-23四川石渠MS4.3地震震源機(jī)制及發(fā)震構(gòu)造研究

楊彥明 胡 博 戴 勇 張小艷

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲里木路80號(hào)，010010

2020-01-23 22:26四川省石渠縣(32.97°N，98.87°E)發(fā)生MS4.3地震，震源深度13 km，是繼2017-05-16石渠MS4.4地震后近年發(fā)生的第2次中強(qiáng)地震。震區(qū)地處青藏高原，與青海、西藏接壤，屬于三省交界地區(qū)，平均海拔超過4 200 m，地質(zhì)構(gòu)造上位于松潘-甘孜地塊，為巴顏喀拉前陸盆地褶皺帶，新生代以來以間歇性強(qiáng)烈抬升為主，地震活動(dòng)性較強(qiáng)[1]。

本文利用國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的四川、青海、西藏、甘肅等區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶固定臺(tái)站近震數(shù)字波形資料，采用gCAP全波形反演方法[2-3]對(duì)石渠MS4.3地震的震源機(jī)制和震源深度進(jìn)行反演，并從速度結(jié)構(gòu)模型、定位誤差、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面對(duì)反演結(jié)果的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和余震序列的空間展布特征，探討石渠地震可能的發(fā)震構(gòu)造，為震區(qū)周邊的地震危險(xiǎn)性分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)位于三疊系松潘-甘孜地塊，屬于地中海-喜馬拉雅構(gòu)造帶[4]，地塊呈倒三角形夾持于羌塘地體、東昆侖-西秦嶺造山帶和龍門山逆沖推覆帶之間[5]。松潘-甘孜地塊北面以東昆侖深斷裂、瑪沁-略陽深斷裂為界，與秦嶺大別皺褶系及柴達(dá)木盆地相分割；西南方向以金沙江-紅河深斷裂北段為界，與羌塘地塊相接；東南以龍門山深斷裂為界，與四川盆地相鄰。塊體內(nèi)部主要分為3個(gè)部分，鮮水河深斷裂以北為巴顏喀拉地槽褶皺帶，甘孜-理塘深斷裂以西為義敦地槽褶皺帶，2條深大斷裂的中間部分為雅江地槽褶皺帶。達(dá)日斷裂、玉科-泥曲斷裂、巴顏喀拉山主峰斷裂、爐霍-道孚斷裂、長(zhǎng)沙貢瑪斷裂、雜孕楚瑪爾河斷裂、曲麻萊斷裂、甘孜-理塘斷裂、玉樹-甘孜斷裂等眾多NW向的斷裂帶近似平行分布于塊體內(nèi)。

鮮水河深大斷裂帶為一條NW向的弧形左旋走滑深大斷裂帶，自瀘定向北，經(jīng)康定、爐霍至長(zhǎng)沙貢瑪進(jìn)入青海省境內(nèi)，貫穿整個(gè)川西高原[6]。該斷裂具有長(zhǎng)期活動(dòng)性，最早始于二疊紀(jì)，地震頻發(fā)，自有記錄以來共發(fā)生7級(jí)以上地震20余次[7]。長(zhǎng)沙貢瑪斷裂與爐霍-道孚斷裂北西延伸段交匯于石渠縣境內(nèi)，黃仕華等[8]認(rèn)為長(zhǎng)沙貢瑪斷裂為爐霍-道孚斷裂帶的次級(jí)斷裂，其左行剪切活動(dòng)強(qiáng)烈，長(zhǎng)沙貢瑪斷裂石渠段自有記錄以來共發(fā)生4級(jí)以上地震8次。此外，廣義的鮮水河斷裂帶包括玉樹-甘孜斷裂帶，而狹義的鮮水河斷裂帶、安寧河-則木河斷裂帶及小江斷裂帶為研究區(qū)內(nèi)地殼運(yùn)動(dòng)變形最強(qiáng)烈的斷裂帶[4]。

2 研究方法

gCAP(generalized cut and paste)方法[2]采用全波形反演震源機(jī)制，將體波和面波部分分別進(jìn)行擬合，可克服只利用體波或面波進(jìn)行求解的局限性。對(duì)于雙力偶震源，設(shè)u(t)為觀測(cè)位移，則相應(yīng)的理論位移s(t)可表示為：

(1)

式中，i=1,2,3分別對(duì)應(yīng)垂直走滑型、垂直傾滑型及傾角45°傾滑型斷層，M0為標(biāo)量地震矩，Ai為輻射系數(shù)，φ為臺(tái)站方位角，Gi為格林函數(shù)，θ、δ、λ分別為走向、傾角和滑動(dòng)角。

u(t)=s(t)

(2)

設(shè)θ、δ、λ的取值范圍分別為0≤θ≤2π、0≤δ≤π/2、0≤λ≤2π，通過格點(diǎn)搜索方法對(duì)非線性式(2)進(jìn)行求解，從而對(duì)實(shí)際觀測(cè)位移進(jìn)行評(píng)估。

誤差函數(shù)可表示為：

(3)

式中，r為臺(tái)站震中距，r0為選定的參考震中距，p為比例因子[2]。在實(shí)際反演過程中，體波和面波需要根據(jù)實(shí)際情況給予不同的比例因子，從而避免面波部分的擬合誤差占據(jù)主要權(quán)重[9]。根據(jù)前人研究成果[10]，設(shè)置體波p為1，面波p為0.5，并由此計(jì)算實(shí)際觀測(cè)波形與理論波形之間的誤差函數(shù)，尋找最優(yōu)震源機(jī)制參數(shù)，最終獲得地震的震源機(jī)制解、震源深度及矩震級(jí)。

3 數(shù)據(jù)與模型

3.1 臺(tái)站分布與數(shù)據(jù)來源

利用國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的四川、青海、西藏、甘肅區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶固定臺(tái)站近震資料，選取震中距為0°～4°共26個(gè)臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)，并篩選出16個(gè)P波初動(dòng)清晰且分布均勻的臺(tái)站(圖1)波形作為最終參與反演的數(shù)據(jù)對(duì)象，包含青海臺(tái)網(wǎng)10個(gè)臺(tái)站、四川臺(tái)網(wǎng)5個(gè)臺(tái)站、西藏臺(tái)網(wǎng)1個(gè)臺(tái)站，研究所用的地震事件目錄從中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心獲取。

圖1 地震震中和臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of earthquake epicenters and stations

3.2 地殼速度結(jié)構(gòu)模型

石渠MS4.3地震涉及區(qū)域位于松潘-甘孜地塊，選取參與反演的臺(tái)站震中距較小，均在4°以內(nèi)。利用地震震中的地理坐標(biāo)，采用crust2.0(http://igppweb.ucsd.edu/～gabi/crust2.html)速度模型[11]給出震中的速度結(jié)構(gòu)，并設(shè)置品質(zhì)因子Q值，其中QS(S波品質(zhì)因子)為500，QP(P波品質(zhì)因子)為QS值的2倍，表1為研究區(qū)平均地殼速度結(jié)構(gòu)模型。

表1 研究區(qū)地殼速度模型

3.3 格林函數(shù)計(jì)算

采用頻率-波數(shù)(F-K)方法[12]計(jì)算不同深度、不同震中距的理論格林函數(shù)。設(shè)置深度為0～30 km，步長(zhǎng)為1 km，采樣率為0.2 s，計(jì)算選取的16個(gè)臺(tái)站的震中距，結(jié)果介于111～360 km，其中震中距最大為DUL臺(tái)，相距357.9 km；最小為DAR臺(tái)，相距111.2 km。

3.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)震中距為0°～4°、三分量齊全的近震數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將seed格式波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SAC格式。截取P波理論到時(shí)前10 s 至后800 s 波形，對(duì)原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)、去均值、去傾斜、去儀器響應(yīng)等處理，再采用0.2 s重采樣，利用0.05～2.00 Hz Butterworth帶通濾波器進(jìn)行濾波，以降低高頻噪聲的影響。將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至大圓路徑，將三分量E(水平東西向)、N(水平南北向)、Z(垂直向)旋轉(zhuǎn)為R(徑向)、T(切向)、Z(垂直向)后手動(dòng)拾取P波初動(dòng)到時(shí)。采用gCAP方法進(jìn)行全波形反演時(shí)，設(shè)定體波時(shí)窗長(zhǎng)度為30 s，面波時(shí)窗長(zhǎng)度為60 s，由于石渠MS4.3地震震級(jí)偏小，為保證結(jié)果的可靠性并提高信噪比，將波形數(shù)據(jù)截?cái)酁轶w波(Pnl)部分和面波(S)部分，分別采用4階Butterworth帶通濾波器進(jìn)行濾波，以減少噪聲和地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)的影響。體波部分濾波頻段為0.05～0.15 Hz，面波部分濾波頻段為0.06～0.1 Hz，震源機(jī)制解和震級(jí)的搜索步長(zhǎng)分別設(shè)置為5和0.1。

利用頻率-波數(shù)方法計(jì)算理論地震波形分別對(duì)頻率和波數(shù)進(jìn)行的積分[13]，使用傳播矩陣計(jì)算地震的全波場(chǎng)位移，最終獲得不同頻率的體波和面波理論地震波形[14]。利用格點(diǎn)搜索和互相關(guān)方法將實(shí)際地震波形與理論地震波形進(jìn)行擬合[13]，同時(shí)進(jìn)行全局搜索，尋找誤差函數(shù)最小的震源機(jī)制解[2]。

4 結(jié) 果

4.1 震源機(jī)制解

利用gCAP方法反演得到四川石渠MS4.3地震的最佳震源機(jī)制解，節(jié)面Ⅰ走向134°，傾角82°，滑動(dòng)角11°；節(jié)面Ⅱ走向42°，傾角79°，滑動(dòng)角171°。P、T軸的方位角分別為-92°、-1.5°，傾角分別為2.0°、13.4°。由圖2可知，在參與反演的16個(gè)臺(tái)站記錄的80個(gè)震相數(shù)據(jù)中，56個(gè)震相數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)大于0.8，占總數(shù)的70%；40個(gè)震相數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)大于0.9，占總數(shù)的50%，屬強(qiáng)相關(guān)，均方根誤差(RMS)為3.066×10-4，波形擬合較好，各震源機(jī)制參數(shù)結(jié)果的可信度高。

波形的濾波范圍：Pnl部分為0.05～0.15 Hz，S部分為0.06～0.1 Hz，波形下方數(shù)字表示理論波形相對(duì)實(shí)際波形的時(shí)移(單位s)和相關(guān)系數(shù)，時(shí)移為正值表示理論波形比實(shí)際觀測(cè)快，相關(guān)系數(shù)用百分比表示；左側(cè)大寫字母表示臺(tái)網(wǎng)名和臺(tái)站名，其下方數(shù)字為震中距(單位km)和相對(duì)偏移時(shí)間(單位s)；臺(tái)站波形按方位角排列圖2 震源機(jī)制解及理論地震波形(紅色)和觀測(cè)地震波形(黑色)對(duì)比Fig.2 The result of focal mechanism solution and comparison between synthetic(red) and observed(black) waveforms

4.2 震源深度及矩震級(jí)

將震源機(jī)制解的反演誤差作為震源深度函數(shù)[15]，分析誤差隨震源深度的變化關(guān)系。利用不同深度的最佳震源機(jī)制解結(jié)果，以波形最小擬合均方根誤差作為四川石渠MS4.3地震的最佳質(zhì)心深度，由圖3可知，除1 km和2 km深度外，反演得到的震源機(jī)制解在不同深度上的變化較小，表明該地震以走滑型為主，反演的震源機(jī)制解穩(wěn)定性和可靠性較高。該地震的最佳質(zhì)心深度為9 km，震級(jí)為MW4.53，屬于淺源地震。

圖3 震源機(jī)制解隨不同震源深度變化及擬合均方根誤差Fig.3 Variation of focal mechanism solution with different focal depths and RMS

5 分析與討論

在求解震源機(jī)制解的過程中，主要有3個(gè)方面的因素會(huì)對(duì)結(jié)果的可靠性造成影響：1)地殼速度結(jié)構(gòu)誤差，包括S波、P波速度及品質(zhì)因子大??；2)震中定位的準(zhǔn)確性；3)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。為測(cè)試震源機(jī)制解結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，本文將從這3個(gè)方面對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 速度結(jié)構(gòu)模型誤差影響

根據(jù)品質(zhì)因子Q值的變化[16]，對(duì)速度結(jié)構(gòu)模型中的QS和QP進(jìn)行調(diào)整(表2)，重新計(jì)算格林函數(shù)并進(jìn)行g(shù)CAP反演。從表3可以看出，震源機(jī)制解和最佳質(zhì)心深度無變化，均方根誤差(RMS)減小了0.001×10-4，震級(jí)變化了0.01，表明品質(zhì)因子Q值幾乎不影響震源機(jī)制解和質(zhì)心深度，對(duì)震級(jí)影響較小。

表2 Q值調(diào)整后的研究區(qū)地殼速度模型

為測(cè)試S波和P波速度的影響，將波速分別增加和減小5%，得到新的速度結(jié)構(gòu)模型，再次計(jì)算格林函數(shù)并進(jìn)行g(shù)CAP反演。利用高速異常速度模型反演的結(jié)果為：節(jié)面Ⅰ走向133°，傾角82°，滑動(dòng)角10°；震級(jí)MW4.57，質(zhì)心深度9 km。利用低速異常速度模型反演的結(jié)果為：節(jié)面Ⅰ走向134°，傾角80°，滑動(dòng)角12°；震級(jí)MW4.47，質(zhì)心深度7 km。與crust2.0速度模型相比，走向差為0°～1°，傾角差為0°～2°，滑動(dòng)角最大差為1°，震級(jí)差最大為0.06，深度差為2 km。結(jié)果表明，增加S波和P波速度的擾動(dòng)對(duì)震源機(jī)制解的影響較小，對(duì)震級(jí)和質(zhì)心深度存在一定影響。分析可知，改變品質(zhì)因子Q值和S波、P波速度對(duì)震源機(jī)制解結(jié)果的影響較小，同時(shí)也說明gCAP方法對(duì)地殼速度結(jié)構(gòu)模型的依賴程度較小。

表3 不同影響因素下震源機(jī)制解結(jié)果

5.2 定位誤差影響

通常情況下，地震的定位誤差不超過3 km[13]，本文將震中位置分別向東、南、西、北各移動(dòng)5 km，測(cè)試定位精確度對(duì)震源機(jī)制解的影響。從表3可以看出，改變震中位置對(duì)震源機(jī)制解中滑動(dòng)角的影響較大，對(duì)走向和傾向的影響很小，結(jié)果均為走滑型地震。矩震級(jí)和地震質(zhì)心深度分別相差0.04～0.06和2～4 km，影響相對(duì)較大。

5.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量影響

在初始反演時(shí)，選取數(shù)據(jù)質(zhì)量較好、方位角分布均勻的16個(gè)臺(tái)站進(jìn)行震源機(jī)制反演，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波形擬合較好。為測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)結(jié)果的影響，將已剔除的7個(gè)臺(tái)站波形數(shù)據(jù)加入反演計(jì)算，結(jié)果見表3。從表中可以看出，震源機(jī)制解中3個(gè)角度值的變化量最大為3°，矩震級(jí)相差0.05，質(zhì)心深度相差2 km。進(jìn)一步將信噪比最差的3個(gè)臺(tái)站波形數(shù)據(jù)加入計(jì)算，即26個(gè)臺(tái)站全部參與反演，計(jì)算結(jié)果與23個(gè)臺(tái)站參與計(jì)算的結(jié)果一致。因此認(rèn)為，反演獲得的震源機(jī)制解的變化量在5°以內(nèi)，反演結(jié)果較為穩(wěn)定。

5.4 誤差估計(jì)

利用gCAP方法進(jìn)行震源機(jī)制求解的過程屬于非線性反演，本文采用Sheng等[17]的誤差估計(jì)方式，利用bootstrap方法[18]分析震源機(jī)制解的誤差，以便進(jìn)一步評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。將最終反演的16個(gè)臺(tái)站作為抽樣對(duì)象，每個(gè)樣本抽取按照放回抽樣的方式從波形數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇，允許某些臺(tái)站的波形記錄被重復(fù)選取，同時(shí)也存在部分臺(tái)站未被采樣。重復(fù)進(jìn)行1 000次抽樣，獲得震源機(jī)制的反演結(jié)果。bootstrap方法的計(jì)算結(jié)果表明，走向、傾角、滑動(dòng)角的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.20°、2.26°和4.88°。根據(jù)誤差評(píng)估方法以2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為結(jié)果的誤差，最終獲得石渠MS4.3地震震源機(jī)制解的走向、傾角、滑動(dòng)角誤差分別為2.40°、4.52°和9.76°。圖4為1 000個(gè)震源機(jī)制解的頻數(shù)分布，從圖中可以看出，走向、傾角、滑動(dòng)角的分布高度集中，表明震源機(jī)制解的結(jié)果較為可靠。

5.5 發(fā)震構(gòu)造

石渠MS4.3地震的震源機(jī)制解為節(jié)面Ⅰ走向134°，傾角82°，滑動(dòng)角11°；節(jié)面Ⅱ走向42°，傾角79°，滑動(dòng)角171°，而實(shí)際的發(fā)震構(gòu)造需要根據(jù)震中區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征及余震的震中分布進(jìn)行推測(cè)分析[15]。石渠MS4.3地震發(fā)生后，截至2020-03-25共記錄到可定位余震36次，利用HypoDD相對(duì)定位法[19]對(duì)地震序列進(jìn)行重定位后發(fā)現(xiàn)，余震分布集中。從圖5可以看出，余震序列展布方向?yàn)镹W向，主要分布在主震偏NE側(cè)附近，具有向NE向傾斜的趨勢(shì)。震源區(qū)附近發(fā)育有長(zhǎng)沙貢瑪斷裂，走向NW，傾向NE，傾角為60°～75°，為左旋走滑型逆斷層。震源區(qū)內(nèi)的剪切作用是最重要的發(fā)震力學(xué)因素，由于NW向斷裂在構(gòu)造上受到的剪切應(yīng)力較NE向大，受到的正壓應(yīng)力比NE向小[6]，容易產(chǎn)生剪切滑動(dòng)，而長(zhǎng)沙貢瑪斷裂左行剪切活動(dòng)強(qiáng)烈也可印證這一特點(diǎn)[8]。

圖4 bootstrap抽樣計(jì)算的震源機(jī)制解結(jié)果Fig.4 The focal mechanism solution obtained by bootstrap sampling

根據(jù)震源區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征，綜合余震分布特點(diǎn)及震源機(jī)制解認(rèn)為，節(jié)面Ⅰ與長(zhǎng)沙貢瑪斷裂屬性一致，且余震序列優(yōu)勢(shì)分布方向也與節(jié)面Ⅰ吻合。因此，將節(jié)面Ⅰ作為四川石渠MS4.3地震的發(fā)震構(gòu)造更為合理，即長(zhǎng)沙貢瑪斷裂為地震的發(fā)震斷層，其走向、傾角和滑動(dòng)角分別為134°、82°和11°，為左旋走滑型地震。

圖5 石渠MS4.3地震余震序列重定位結(jié)果與震源機(jī)制Fig.5 The relocation results of aftershock sequences and focal mechanisms of Shiqu MS4.3 earthquake

6 結(jié) 語

1)利用gCAP方法反演獲得四川石渠MS4.3地震的震源機(jī)制解，結(jié)果表明，該地震為走滑型地震，不同震源深度的震源機(jī)制解反演得到的最佳質(zhì)心深度為9 km，矩震級(jí)為MW4.53。

2)為測(cè)試震源機(jī)制解的穩(wěn)定性和可靠性，從地殼速度結(jié)構(gòu)誤差、震中定位的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)質(zhì)量影響等3個(gè)方面進(jìn)行綜合分析認(rèn)為，當(dāng)反演獲得的震源機(jī)制解的變化量在5°以內(nèi)時(shí)，反演結(jié)果較為穩(wěn)定，可靠性較高，震源機(jī)制解可被接受。

3)使用bootstrap方法對(duì)震源機(jī)制解的誤差進(jìn)行分析，計(jì)算1 000次bootstrap抽樣結(jié)果的震源機(jī)制解，獲得石渠地震震源機(jī)制解的走向、傾角、滑動(dòng)角的誤差分別為2.40°、4.52°和9.76°，表明震源機(jī)制解結(jié)果較為可靠。

4)四川石渠MS4.3地震余震序列展布方向?yàn)镹W向，主要分布在主震偏NE側(cè)附近，具有向NE向傾斜的趨勢(shì)。震源機(jī)制解節(jié)面Ⅰ與長(zhǎng)沙貢瑪斷裂的特征相吻合，余震序列的優(yōu)勢(shì)分布方向與節(jié)面Ⅰ走向一致。綜合震源區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、主震震源機(jī)制及余震序列的空間分布特征認(rèn)為，此次地震的發(fā)震斷層為節(jié)面Ⅰ，即長(zhǎng)沙貢瑪斷裂，走向、傾角和滑動(dòng)角分別為134°、82°和11°，為左旋走滑型地震。

致謝:感謝中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心、四川省地震臺(tái)網(wǎng)和中國(guó)地震局地球物理研究所“國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本文研究提供相關(guān)數(shù)據(jù)；感謝朱露培教授提供gCAP程序包，本文部分圖件使用GMT進(jìn)行繪制。重慶市地震局黃世源高級(jí)工程師、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院盛敏漢博士及四川省地震局李大虎高級(jí)工程師在本文分析過程中提供了大力支持，在此一并表示衷心感謝!