2013年吉林前郭MS 5.8震群序列研究

薛艷 曾憲偉 劉桂萍 蔡宏雷

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

2）寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001

3）吉林省地震局，長春 132000

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp），2013年 10月 31日11：00吉林前郭發(fā)生MS5.5地震（震中 44.6°N、124.2°E，震源深度 8km），近 7min后再次發(fā)生MS5.0地震，11月22～23日該序列又發(fā)生 3次 5級地震，震級最大的為 11月 23日06：00MS5.8地震。根據(jù)地震序列類型的判定依據(jù)可知（蔣海昆等，2007），本次前郭地震為典型的震群型事件，又稱多震型地震（蔣海昆等，2007）。統(tǒng)計1970年以來中國大陸發(fā)生的5級以上多震型地震后發(fā)現(xiàn)，事件開始后2小時內(nèi)接連發(fā)生2次強震的有24次，其中22次事件沒有發(fā)生后續(xù)強震（吳開統(tǒng)等，1990；蔣海昆等，2007），僅有2個特例，即1997年新疆伽師6.4級震群和本次前郭MS5.8震群。此外，對于1個5級多震群，前郭地震序列包含的5級地震數(shù)量之多、發(fā)震時間之集中在東部地區(qū)近百年來都非常少見。

在地震序列研究中，我國學者取得了豐碩的成果。焦遠碧（1998）系統(tǒng)研究了中國大陸5級以上地震序列的b值，結果表明，地震序列的b值與主震震級和序列類型有關。在類型相同的情況下，主震震級越大，序列b值越高；在主震震級相近的序列中，孤立型序列b值最小，主余型和雙震型b值居中且差別不大，多震型b值在6、7級地震序列中都是最大的。而蔣海昆等（2007）系統(tǒng)研究了161次序列，結果顯示，b值與主震震級有關，震級越大，b值越大；不同序列類型間b值的差異不大。劉蒲雄（1992）研究認為，雙震型序列（多震型的一種）是2組相關聯(lián)斷層相繼活動的結果，2次主震有明顯不同的斷層面解，它們的較大余震斷層面解分別相似于2次主震的斷層面解。而震群型地震也可能涉及2組或多組斷層的活動（張竹琪等，2008；張四昌等，1994）。

前郭震群發(fā)生后，韓立波反演了前郭地震序列中主要事件的震源機制解（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/267992.shtm），結果顯示既有逆沖型地震，又有走滑型地震。王未來①給出的2013年10月31日～11月23日地震序列的精定位結果顯示，該序列發(fā)生在NE向的扶余-肇東斷裂附近，余震密集區(qū)還顯示出一定的NWW向分布的跡象，5次5級地震的震源較淺，特別是11月23日MS5.8地震震源深度小于5km，其余幾次5級地震震源深度為 5～8km。此外，劉莎等（2014）利用2013年11月1～24日前郭地區(qū)流動臺記錄的地震波形資料，探討了震源區(qū)附近地震各向異性特征。

雖然關于前郭震群前人已經(jīng)取得了一些研究成果，但仍有很多問題需要研究，如王未來①王未來，2013，私人交流僅對不足1個月的地震序列進行了重新定位，其后該序列又發(fā)生了多次地震，這些地震的精定位結果如何？該震群的發(fā)震構造怎樣？此外，本次震群序列5級地震數(shù)量多，起伏活動顯著，故有必要對序列特征，特別是早期序列特征進行深入研究，以期為地震序列的早期趨勢判定積累震例。為此，本文首先使用Hypoinverse-2000（以下簡稱 Hypo2000）絕對定位法對前郭MS5.8地震序列（2013年10月31日～2014年4月30日）進行重新定位，再將絕對定位的結果作為初始值進行雙差定位；然后結合震源機制解和區(qū)域構造背景探討該地震的發(fā)生機制；最后使用吉林區(qū)域臺網(wǎng)提供的地震目錄（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp）分析該序列的活動特征，為序列研究積累資料。

1 定位方法簡介

1.1 Hypo2000方法

地震定位包括絕對定位和相對定位等2種方法。其中絕對定位法是在給定的地下速度模型的基礎上，計算假定地震位置的理論地震到時和觀測地震到時的偏差，通過迭代等手段搜索理論值和觀測值的最小偏差來確定地震的位置。Hypo2000定位方法采用傳統(tǒng)的Geiger方法（Geiger，1912）的基本思路，即將走時T在初值（x，y，z）附近作泰勒展開，取 1級近似，則為

式（1）中，T為實際走時，是相應于（x，y，z）附近一點（x′，y′，z′）的走時。在此基礎上建立觀測方程組，然后求解該方程組。算法上，即先將觀測方程組降維，不化成正規(guī)方程組，直接用奇異值分解最小二乘法方程組，在實際計算中采用多種數(shù)據(jù)加權（Klein，2007）。

1.2 雙差定位方法

雙差定位法（Waldhauser et al，2000、2002）是一種相對定位方法，可以給出地震的相對位置特征，以描述發(fā)震斷層的特性。目前，該方法在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛應用，并在幾次重大地震序列重新定位工作中發(fā)揮了重要作用（黃媛等，2008；王未來等，2012、2014；房立華等，2013；易桂喜等，2015）。雙差定位方法通過對一定空間范圍內(nèi)的地震事件兩兩組對，根據(jù)組對事件之間震相到時差來獲得事件對的相對空間分布，其基本方程（Waldhauser et al，2000、2002）為

式中，tik和Δtjk分別對應地震i、j到臺站k的到時（走時）殘差；Xi和Xj分別為2個震源的位置矢量；Sik和Sjk為2個震源位置到臺站k的地震射線的慢度矢量；εik和εjk分別為地震在臺站的到時拾取誤差。雙差定位法不僅同主事件法一樣能有效地減少由于地殼結構不夠精細而引起的誤差，而且適用于叢集地震的空間跨度較大的情況。

2 資料處理與結果分析

2.1 速度模型

前郭MS5.8震群發(fā)生在松遼盆地內(nèi)部。松遼盆地位于郯廬斷裂帶的西部，地跨東北3省及部分內(nèi)蒙古自治區(qū)。在地質(zhì)上，松遼盆地西部及北部是大興安嶺-內(nèi)蒙海西褶皺帶，東北部和東部為黑龍江、吉林海西褶皺，南部以EW向斷層與內(nèi)蒙古地軸相隔，依蘭-伊通斷裂帶從其東邊界通過（王連君，2003；云金表等，2003）。松遼盆地地殼厚度30～37km（劉殿秘等，2007）。張風雪等（2013）研究了中國東北地區(qū)遠震P波走時層析成像，結果表明，松遼盆地呈現(xiàn)以高速異常為主、高低速異常混合分布的特性。參考劉殿秘等（2007）提供的滿洲里-綏芬河二維速度剖面和劉洋等（2008）給出的松遼盆地南部人工地震測線速度剖面，可以確定本文定位使用的二維速度模型（表1）。

2.2 臺站及資料

本文資料來源于吉林地震臺網(wǎng)固定臺站和流動臺站記錄到的震相報告（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp），臺站分布及前郭MS5.8地震震中分布見圖1。

為保證結果的可靠性和精度，對可定位地震事件進行篩選，要求每個被選事件必須保證至少有4個臺站記錄的8個有效震相到時數(shù)據(jù)。因了解到極少數(shù)臺站（如SYZT臺）存在GPS時鐘對時不準的問題，故在定位過程中不采用該臺站的數(shù)據(jù)。此外，本文還對初至信噪比較低的地震逐一進行了Pg、Sg震相重新識別。

2.3 結果分析

通過對前郭MS5.8地震序列（2013年10月31日～2014年4月30日）進行重新定位，共得到83次地震事件。

表1 P波速度模型

圖1 測震臺站（固定臺與流動臺）和前郭M S 5.8地震震中分布

雙差定位結果顯示，水平誤差為 100～800m（圖2）。定位前，序列的震源深度為 0～10km（圖3（a））；定位后，序列的震源深度為 0～20km，其中絕大部分地震為 0～15km（圖3（b））。其中，5次5級地震的深度分別為10、5、9、7和 10km；序列中所有 4級地震和絕大多數(shù)3級地震震源深度為5～13km，其中66%的3級以上地震震源深度為8～15km。

圖2 重新定位的水平誤差分布

圖3 前郭 M S 5.8地震序列重新定位前（a）、后（b）震源深度分布

重新定位后，1級以上地震構成的余震區(qū)呈NW向分布，長軸約11km，寬約6km。余震區(qū)的西北端地震數(shù)量較少，震級也比較小。3級以上余震大體呈近EW向分布。NE走向的扶余-肇東斷裂穿過余震區(qū)，但與余震區(qū)的走向不一致（圖4（a））。從震源深度剖面看（圖4（b）、4（c）），NW走向的節(jié)面（即 AA′剖面）向西南傾，而 BB′剖面也反映出余震區(qū)南部的地震震源較深，而北部的較淺。分析認為，該序列的發(fā)震構造可能為NW走向的隱伏斷裂。

圖4 重新定位后的震中分布（a）與 AA′（b）、BB′（c）震源深度剖面

前郭地區(qū)位于松遼盆地中部。松遼盆地產(chǎn)生于燕山運動時期，從晚侏羅世到新生代，盆地經(jīng)歷了裂谷型斷陷、大型拗陷和萎縮上升等階段，是一個大型中新生代陸相沉積盆地（胡望水等，2005）。全新世以來，盆地內(nèi)的江河流向與湖沼分布都受到了NW向構造線性體的控制，這些線性體時隱時現(xiàn)地切過了大慶長垣表層第四系。在扶余衛(wèi)星圖像上，不僅可以看到乾安周緣大大小小星羅棋布的湖泡呈NW向串珠狀排列，還可以看到靠近農(nóng)安附近呈NW向展布的波羅泡群及其一帶的全新統(tǒng)（Q4）沉積，切割并覆蓋了盆地東南隆起區(qū)中的NE向構造群，可見其形成時間最晚（祁林等，1992）。

在本次前郭MS5.8震群震中區(qū)附近，發(fā)育著NW走向的通榆-長春隱伏斷裂，該斷裂切過莫霍面，是控制中央凹陷帶南部長嶺凹陷的2個次級凹陷（即乾安次凹陷和黑帝廟次凹陷）的分界斷裂。NNE向大安-都德斷裂從吉林省的大安一帶向北到黑龍江省的都德一帶，主要活動時期為中侏羅世到白堊紀及晚更新世末期，全新世以來也表現(xiàn)出較強的活動性。2005年7月25日黑龍江林甸5.1級地震與該斷裂的活動有關。2006年3月31日乾安-前郭5.0級地震則發(fā)生在這2條斷裂的交匯部位（盤曉東等，2007）。

結合精定位結果與區(qū)域構造，本文推測前郭MS5.8震群可能與NW走向的通榆-長春隱伏斷裂活動有關。此外，中國地震局地球物理研究所韓立波利用波形擬合方法給出了震源機制解（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/267992.shtm），即序列首發(fā)5.5級地震的震源機制解為：節(jié)面 I（走向 330°，傾角 60°，滑動角 50°），節(jié)面Ⅱ（走向 209°，傾角 48°，滑動角 138°），如果以本文NW向的余震區(qū)分布作為參考，則主破裂面為節(jié)面I，具有一定的逆沖分量，即西南盤向東北向走滑并兼仰沖。這與已有的該區(qū)域全新世NW向新構造處于隆起狀態(tài)的結論相吻合（祁林等，1992）。

3 地震序列活動特征

3.1 序列時間分布

吉林區(qū)域地震臺網(wǎng)提供的地震序列目錄為MS震級標度。圖5為前郭地震序列震級-頻度、M-t圖。由圖5（a）可以看出，頻度隨震級的分布基本符合正態(tài)分布，峰值震級為MS0.4，即該序列0.4級以上地震基本完整。由圖5可見，該序列活動主要集中在主震后1.5個月內(nèi)，大致可以分為3個起伏活動階段：第1階段為2013年10月31日～11月11日，第2階段為11月17日～12月1日，第3階段為12月2～13日。

在第1階段，序列的第1個地震（10月31日11時03分35秒5.5級地震）發(fā)生后不足7min發(fā)生5.0級地震，其后又發(fā)生4次4級地震，6次3級地震，3次2級地震，最大震級4.5級。顯然，3級以上地震，特別是4級地震明顯偏多。此外，余震強度衰減不明顯，維持在4.0～4.5級水平。

11月11日15時～17日08時序列1級以上地震平靜近6天（圖5（b）），同時1級以下地震也很少（圖5（c）），之后序列活動開始增強。17日09時發(fā)生1.8級地震，開始進入第2階段。19日發(fā)生3.4級地震，同時小震也開始增多，22日發(fā)生5.3級地震，23日發(fā)生5.8級序列最大地震，之后強度逐漸下降。

第3階段，即12月2日開始序列再次出現(xiàn)增強活動，2日發(fā)生2次1.1級地震，3日發(fā)生1.4級地震，4日發(fā)生2.0級地震，之后1級以上地震平靜3天多時間，7日15時后序列開始活動，發(fā)生1.5、3.1級地震，在此背景上發(fā)生了8日的4.3級地震?？梢姡?1月23日和12月8日2組起伏增強活動前，序列表現(xiàn)出平靜-增強-發(fā)震與增強-平靜-再增強-發(fā)震的特點。

3.2 震級-頻度關系與序列衰減

Gutenberg等（1944）提出的G-R關系lgN（M）＝a-bM是對于余震序列強度分布特征的最好描述。式中N是震級為M的地震次數(shù)；a和b為統(tǒng)計系數(shù)，分別反映地震活動水平和強度分布特征。此外，修正的大森公式（Utsu，1957、1961）n(t)＝K（t＋c）-p中的p值是對序列頻次隨時間衰減的定量描述。

作序列開始2013年10月31日～11月21日G-R關系圖（圖6（a）），取最低震級0.4級，利用最小二乘法計算b值。由圖6（a）可見，與以往絕大多數(shù)序列不同，該序列可以分2個震級段分別擬合2條直線，其一震級為0.4～2.0級，b值為0.56，相關系數(shù)為-0.996；其二震級為3.0～5.0級，b值為0.40，相關系數(shù)為-0.991。擬合峰值震級右側(cè)所有震級段，b值為0.36，相關系數(shù)為-0.97。序列開始至 12月 7日（圖6（b））的G-R關系圖顯示，與圖6（a）相同，仍具有分段擬合特征。其中，低震級段（0.4～2.0級）b值為0.65，相關系數(shù)-0.997；高震級段（3.0級以上）b值為0.42，相關系數(shù)為-0.988。擬合峰值震級右側(cè)所有震級段，b值為0.37，相關系數(shù)為-0.97。序列開始至12月31日的G-R關系圖顯示（圖6（c）），3級以上與3級以下地震依然不成比例，其中低震級段b值為 0.67，相關系數(shù)-0.998；高震級段b值為0.44，相關系數(shù)為-0.992。如果將整個序列擬合成 1條直線，則b值為 0.38，相關系數(shù)為-0.98（圖 6（d））。

圖5 前郭地震序列震級-頻度（a）及2級以上（b）、1級以上（c）地震活動 M-t圖

吉林地震臺網(wǎng)提供的序列目錄顯示，3級以上與3級以下地震不成比例，G-R關系呈2個線性段的特點。值得注意的是，震級的測定會影響G-R關系的擬合結果。為此，使用中國地震臺網(wǎng)中心提供的月報目錄（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp）再作G-R關系圖，并用最小二乘法計算b值（圖7）。由圖7可見，在MS5.8地震發(fā)生前（2013年10月31日～11月21日），G-R關系圖也顯示出高震級段與低震級段地震不成比例的特點，即呈2個線性段（圖 7（a））；MS5.8地震后，這種現(xiàn)象有所減弱（圖 7（b）、7（c））。綜合 2套目錄的結果認為，在序列早期（MS5.8地震前）2個線性關系段的存在是本次震群序列的主要特點。從較長時段看，與低震級段相比，序列4級以上地震明顯偏多。此外，2套目錄結果均顯示，在震后不同時段序列b值都非常低，為0.36～0.40。遠低于中國大陸及各區(qū)中強地震序列b值的平均值（蔣海昆等，2007）。

圖6 使用吉林地震臺網(wǎng)目錄的序列不同階段G-R關系

在大森余震衰減定律（Omori，1894a、1894b）的基礎上，劉正榮（1984）在研究有前震的地震的預測問題時，給出計算地震頻度衰減系數(shù)h值的方法，并據(jù)此進行序列類型判定。當h≤1.0時，地震序列為前震序列；當h＞1時，地震序列一般為余震序列，可以預測強余震。使用吉林地震臺網(wǎng)給定的地震目錄，取最低震級0.4級，計算不同時段序列的h值。震后7天，h值為1.39，預測強余震為4.3級；震后9天，h值為1.21，預測強余震為4.8級；震后 23天（2013年 10月 31日～11月 22日，即MS5.8地震前），h值為 1.11，預測強余震為 5.0級；MS5.8地震后（11月23日～12月31日）h值為1.43，預測強余震為3.2級?？梢姡贛S5.8地震前，h值預測的結果與實際偏差較大，但值得注意的是，在MS5.8地震前h值有變小的趨勢，且接近1；而MS5.8地震后h值明顯增大。

取最低震級0.5級，分別計算2013年10月31日5.5級地震后15天（10月31日～11月14日）和11月23日MS5.8地震后15天（11月23日～12月7日）的衰減系數(shù)p，結果分別為0.76、1.17。可見，5.5級地震后的早期階段序列衰減比較慢，MS5.8地震后序列衰減相對較快。

4 小結

圖7 使用中國地震臺網(wǎng)中心月報的序列不同階段G-R圖

（1）精定位結果顯示，余震區(qū)呈 NW走向分布，長軸約11km，短軸約6km。震源深度為5～15km，其中66%的3級以上地震震源深度為8～15km。結合區(qū)域構造特征認為，該震群可能與NW走向的通榆-長春隱伏斷裂活動有關。

（2）序列共包含5級以上地震5次，均集中在主震后1個月內(nèi)發(fā)生。具有5級地震頻次高、發(fā)震時間集中的特點。序列主要起伏活動可以分為3個時段：主震后10天，余震強度衰減不明顯；此后的2次起伏活動，地震活動分別表現(xiàn)為平靜-增強（震級爬升）-發(fā)生強震和增強（震級爬升）-平靜-再增強（震級爬升）-發(fā)生強震的特點。

（4）在序列早期（MS5.8地震前），序列3級以上與3級以下地震頻度不成比例，G-R關系呈現(xiàn)2個線性段的特點。與低震級段相比，序列4級以上地震明顯偏多。序列b值低，不同時段計算結果為0.36～0.4，遠低于中國大陸及各構造區(qū)中強地震序列b值的平均值（蔣海昆等，2007）。

（5）在MS5.8地震前h值有變小的趨勢，且接近1；而MS5.8地震后h值明顯增大。5.5級地震后的早期階段序列衰減比較慢，p值為0.76；MS5.8地震后序列衰減較快，p值為1.17。