2019-05-18松原MS5.1地震震源機(jī)制與地震參數(shù)分析

陳 闖 危自根 李 偉 高金哲 姜 輝

1 吉林省地震局，長春市凈月大街5788號(hào)，130117 2 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號(hào)，430077 3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥市金寨路96號(hào)，230026 4 中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號(hào)，100081

松遼盆地位于我國東北地區(qū)中部，是以興蒙海西褶皺為基底，經(jīng)燕山運(yùn)動(dòng)發(fā)展起來的大型中生代陸相沉積盆地[1]。中生代早期以來，松遼盆地在太平洋板塊向歐亞板塊西向的俯沖作用下發(fā)生擠壓拉伸構(gòu)造變形，在松原地區(qū)形成了NE向扶余-肇東斷裂和NW向第二松花江斷裂[1-2]。中國地震臺(tái)網(wǎng)中心資料顯示，2006年以來松原地區(qū)發(fā)生多次MS5.0以上地震，造成了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)該地區(qū)發(fā)震機(jī)理和地質(zhì)環(huán)境的研究十分必要。

為研究松原地區(qū)地震活動(dòng)性，在研究區(qū)布設(shè)10個(gè)密集的流動(dòng)地震臺(tái)(圖1)，并記錄到2019-05-18發(fā)生的MS5.1地震及其相關(guān)余震數(shù)據(jù)，本文利用這些地震數(shù)據(jù)，結(jié)合中國地震局在松原周邊布設(shè)的13個(gè)寬頻帶固定臺(tái)站數(shù)據(jù)，采用接收函數(shù)和面波聯(lián)合成像方法獲得研究區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)，再利用絕對(duì)走時(shí)方法重定位得到震源深度，最后選用CAP方法反演得到地震的震源機(jī)制解，以探討地震的發(fā)震機(jī)理和研究區(qū)的孕震背景。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景和臺(tái)站分布Fig.1 The tectonic setting and station distribution in the study region

1 震源區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)模型

精準(zhǔn)的速度結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)確反演震源機(jī)制至關(guān)重要，本文利用多頻接收函數(shù)和面波數(shù)據(jù)聯(lián)合反演震源區(qū)下方的S波速度[3]，并將該速度作為CAP方法求解震源機(jī)制的速度模型之一。該方法能夠減小面波單獨(dú)反演速度時(shí)平均積分效應(yīng)的不足及接收函數(shù)單獨(dú)反演結(jié)果的非唯一性，提高反演結(jié)果的可靠性和分辨率[4-6]。截取S1臺(tái)站記錄到的MS5.5以上及震中距在30°～90°范圍內(nèi)的遠(yuǎn)震事件，采用時(shí)間域迭代反褶積方法[3]提取P波徑向接收函數(shù)，0.5°橫向分辨率的面波相速度頻散曲線(8～50 s)來自研究區(qū)最新的面波層析成像結(jié)果[7]。在初始模型設(shè)置中，初始S波速度模型來自于面波層析成像結(jié)果[7]，接收函數(shù)和面波頻散曲線的加權(quán)值分別設(shè)置為0.7和0.3，第1層和第2層的層厚設(shè)置為1 km，其他層厚設(shè)置為2 km，反演深度為0～60 km。在聯(lián)合反演過程中，將挑選后的接收函數(shù)分別在30°～60°及60°～90°范圍內(nèi)進(jìn)行疊加，再同時(shí)擬合P波到時(shí)前5 s和后30 s的3個(gè)頻段(G=1，G=2，G=3)的接收函數(shù)和相速度頻散曲線(圖2)。反演的S波速度(圖2(a)中紅線)表明，S1臺(tái)站下方的地殼速度從地表往下逐漸增大，8 km后速度逐漸減小，16 km后又逐漸增大。

圖2 多頻接收函數(shù)和面波聯(lián)合反演示意圖Fig.2 Schematic diagrams for joint inversion of mutifrequency receiver function and surface wave data

2 松原MS5.1地震絕對(duì)走時(shí)方法重定位

在重定位過程中，S波來自最新發(fā)布的噪聲面波層析成像結(jié)果[7]，P波速度為S波速度的1.78倍[8]。本文基于23個(gè)地震臺(tái)站記錄到的震相清晰的P波到時(shí)資料(圖3)，采用HYPOINVERSE-2000程序[9]進(jìn)行定位。結(jié)果表明，重定位的松原MS5.1地震位于第二松花江斷裂上，震源深度為5.8 km(表1)，比臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的10 km淺。

圖3 23個(gè)臺(tái)站紀(jì)錄到的震后40 s的波形Fig.3 40 s waveform after the earthquakes occur recorded by 23 stations

3 CAP方法反演地震震源機(jī)制

本文選用CAP方法[10]反演松原MS5.1地震的震源機(jī)制，選取23個(gè)臺(tái)站的波形記錄，去除限幅和波形質(zhì)量較差的臺(tái)站資料，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去除儀器響應(yīng)和線性趨勢及重采樣等預(yù)處理，將波形數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)至大圓路徑。經(jīng)過預(yù)處理后，保留震中周邊方位角覆蓋較均勻的13個(gè)寬頻帶臺(tái)站資料，在處理后的三分量波形記錄中分別截取60 s長度的面波數(shù)據(jù)，在垂直向和徑向的波形記錄中分別截取30 s長度的Pnl波數(shù)據(jù)，并分別在0.01～0.10 Hz和0.01～0.15 Hz頻段內(nèi)進(jìn)行濾波，以壓制小尺度三維速度結(jié)構(gòu)造成的影響。

為驗(yàn)證本文速度模型的可靠性，分別利用3種速度模型進(jìn)行震源機(jī)制反演，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。首先使用全球地殼模型Model_crust2[11](圖4中黑線)反演地震的震源機(jī)制，設(shè)置1 km間隔的1～20 km深度搜索范圍和步長為2°的0°～360°/0°～90°/-180°～180°的走向/傾角/滑動(dòng)角搜索范圍，結(jié)果見圖5(a)，得到地震的質(zhì)心深度為8 km，震級(jí)為MW4.85，兩組最佳雙力偶機(jī)制解為303°/74°/6°和212°/84°/164°，且大部分波形擬合效果較好。觀察反演誤差和深度的變化關(guān)系(圖6(a))可以發(fā)現(xiàn)，不同深度下的震源機(jī)制解很相似，表明結(jié)果較為穩(wěn)定，但深度約束不是很好，震源深度大于8 km的反演誤差隨深度的變化不明顯。再基于Model_ini速度模型[6](圖4中藍(lán)線)采用相同的設(shè)置參數(shù)反演地震的震源機(jī)制(圖5(b))，得到地震的質(zhì)心深度為7 km，震級(jí)為MW4.85，斷層節(jié)面解的走向/傾角/滑動(dòng)角分別為304°/71°/12°和210°/78°/160°。相較于Model_crust2速度模型而言，兩者的波形擬合結(jié)果相似，震源機(jī)制解也較為一致，而Model_ini模型的質(zhì)心深度約束得更好(圖6(b))。最后基于本文的S1臺(tái)站下方速度模型(Model_end，圖4中紅線)反演地震的震源機(jī)制，得到地震的質(zhì)心深度為8 km，震級(jí)為MW4.86，斷層節(jié)面解為303°/73°/10°和210°/80°/163°。與前2個(gè)模型結(jié)果相比，該模型的波形擬合效果有所提高，質(zhì)心深度約束也較好(圖5(c)和6(c))。由此可知，利用2種速度模型得到的震源機(jī)制解比較一致，而基于實(shí)際情況反演的Model_end速度模型得到的震源機(jī)制解可能更接近真實(shí)值。

表1 重定位前后數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 震源區(qū)速度模型Fig.4 Velocity model for focal area

黑線、紅線及藍(lán)線分別代表實(shí)際波形、理論合成波形及CAP反演中未使用的波形，左側(cè)為臺(tái)站代碼、方位角和震中距，波形上下數(shù)字分別表示最大相關(guān)系數(shù)(百分比形式)及達(dá)到最大相關(guān)系數(shù)所需的時(shí)移圖5 CAP反演結(jié)果和波形擬合Fig.5 Inversion results and waveform fitting for CAP method

4 結(jié) 語

本文利用3種不同的速度模型反演了2019-05-18吉林松原MS5.1地震的地震參數(shù)，結(jié)果表明，基于不同速度模型得到的震源機(jī)制解、矩震級(jí)及質(zhì)心深度都較為接近，并且與使用ISOLA方法測定的全矩張量結(jié)果[12]較為一致。采用CAP方法得到的震源深度(8 km)比采用絕對(duì)走時(shí)定位得到的結(jié)果(5.8 km)深約2 km，可能與CAP方法的結(jié)果代表能量釋放最大深度的矩形深度，而絕對(duì)走時(shí)得到的深度為震相起跳點(diǎn)處的震源破裂起始點(diǎn)深度有關(guān)。2 km左右的深度差異與5.0級(jí)左右的地震破裂尺度一致，驗(yàn)證了本文不同方法定位結(jié)果的可靠性。對(duì)松原地震震后半個(gè)月內(nèi)11個(gè)MS1.5以上余震進(jìn)行重定位后發(fā)現(xiàn)，重定位的余震距離松原MS5.1地震較近，且都位于第二松花江斷裂上，震源深度分布在3.57～6.88 km之間，表明第二松花江斷裂直接影響這些地震的發(fā)生。

圖6 CAP反演誤差隨深度變化Fig.6 The CAP inversion uncertainty vs. depth

將震源深度投影到本文接收函數(shù)成像結(jié)果上發(fā)現(xiàn)，松原MS5.1地震位于相對(duì)高速的深度上。接收函數(shù)反演的松原地區(qū)S波速度與人工地震反射剖面[13]及最新噪聲成像結(jié)果[14]一致，表明在松原地區(qū)下方的中地殼存在顯著的S波低速異常。已有的接收函數(shù)[15]與大地電磁測深[16]觀測資料表明，松原地區(qū)具有顯著減薄的巖石圈和雙層高導(dǎo)異常的殼幔結(jié)構(gòu)，說明研究區(qū)發(fā)生了與太平洋板塊西向深俯沖相關(guān)的巖石圈拆沉作用，并存在地幔熱物質(zhì)上涌。2006年以來的5級(jí)以上地震大多發(fā)生在8 km左右深度處，對(duì)應(yīng)研究區(qū)高速層，而基于已有研究認(rèn)為，地震發(fā)生在高波速異常區(qū)易于積累能量、孕育地震，而地震下方的低速異?？赡鼙砻骱心芙档蛿鄬用嬗行д龖?yīng)力的流體，這種特殊的地殼結(jié)構(gòu)在東側(cè)太平洋板塊持續(xù)向松遼盆地深俯沖的作用下導(dǎo)致了松原地區(qū)中強(qiáng)震的發(fā)生。

致謝：中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及吉林省地震局為本文提供流動(dòng)地震數(shù)據(jù)資料，中國地震局地球物理研究所、國家測震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心、北京數(shù)字遙測地震臺(tái)網(wǎng)、中國地震臺(tái)網(wǎng)中心和吉林省地震臺(tái)網(wǎng)中心為本文提供固定臺(tái)網(wǎng)地震數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝！