2013年吉林前郭5.8級震群精定位及發(fā)震構(gòu)造分析

張洪艷 張廣偉 王曉山 盛儉 盧燕紅 張宇

1）吉林省地震局，長春凈月大街5788號 130117

2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京海淀區(qū)安寧北里1號 100085

3）河北省地震局，石家莊槐中路262號 050021

0 引言

2013年10月31日～11月23日，吉林省前郭縣陸續(xù)發(fā)生了5.5、5.0、5.3、5.8、5.0級地震，5次地震均發(fā)生在NE向扶余-肇東斷裂與NNW向查干泡-道字井?dāng)嗔呀粎R部位，本次地震序列中強(qiáng)震均有成對發(fā)生的特點，與該區(qū)域2006年3月31日（圖1，藍(lán)色圓）發(fā)生的5.1級地震震中的最近距離僅8km。

10月31日5.5級地震發(fā)生后，吉林省和黑龍江省地震局在震中附近共布設(shè)9個流動觀測臺站（圖1），從11月1日起，流動臺的架設(shè)工作陸續(xù)完成，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至吉林省地震局臺網(wǎng)中心。架設(shè)的流動臺對震區(qū)形成較好的監(jiān)測覆蓋，同時積累了較為豐富的序列觀測資料。

圖1 研究區(qū)地震、臺站與構(gòu)造分布

本文依據(jù)研究區(qū)域的固定臺和流動臺所記錄的震相數(shù)據(jù)，采用雙差定位法對前郭序列重新定位，以獲取高質(zhì)量的序列數(shù)據(jù)，并根據(jù)重新定位的結(jié)果對該區(qū)的地震分布和發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行討論。

1 方法

采用由Waldhauser等（2000）提出的雙差定位法對地震序列進(jìn)行重定位。雙差法利用信號的走時差修定震源位置，這主要基于2個地震震源之間的距離遠(yuǎn)小于事件到臺站的距離，從而認(rèn)為震源區(qū)到臺站間的射線路徑幾乎相同（張廣偉等，2011），此時，在某臺觀測到的2次事件的走時差來自于事件之間的空間偏移，從而有效地降低了定位結(jié)果對速度模型的依賴性。

在雙差法中，相對位置的確定是由雙差（2個近距離地震i和j到同一臺站k的走時殘差之差）來確定的，如下式

其中，drijk為雙差，可表示為

2 資料及參數(shù)選取

2.1 資料

10月31日前郭5.5級地震發(fā)生后，吉林省地震局和黑龍江省地震局在前郭和乾安地區(qū)圍繞震中50km之內(nèi)陸續(xù)布設(shè)9個臨時觀測站，最遠(yuǎn)臺2204與震區(qū)相距較遠(yuǎn)，約48km，其余應(yīng)急流動臺的臺間距在15km左右，9個流動臺形成了臨時的小型觀測臺陣，對震區(qū)形成了比較好的監(jiān)控。吉林臺網(wǎng)利用省內(nèi)臺、周邊共享臺站以及流動臺，共同處理此次地震序列。截至2013年12月10日20時，45個數(shù)字化臺和9個流動臺共監(jiān)測到多臺和單臺事件782次，震級為-0.7～5.8，其中多臺可定位事件525次，單臺事件257次。本研究中，為了提高震相數(shù)據(jù)的可靠性和可用性，盡量減小人為判讀誤差，針對此次序列的525次多臺可定位事件采用常規(guī)定位方法重新定位，對震相數(shù)據(jù)以及殘差進(jìn)一步復(fù)核。經(jīng)過嚴(yán)格數(shù)據(jù)篩選，最終選用12個固定臺和9個流動臺記錄的343次地震事件（圖1），被4個及以上臺站記錄的共6550條震相數(shù)據(jù)，其中包括2388條P波和2497條S波到時數(shù)據(jù)。

圖1中所示扶余-肇東斷裂及查干泡-道字井?dāng)嗔训奈恢檬歉鶕?jù)“松原市活斷層探測與地震危險性評價”項目所收集的三維石油地震剖面資料，并進(jìn)行淺層人工地震探測及聯(lián)合鉆孔剖面探測后進(jìn)行了修正的。研究區(qū)內(nèi)的斷裂以NNW、NE向為主，其中NE向斷裂規(guī)模最大，對研究區(qū)內(nèi)基底起著主控作用，同時，衛(wèi)星影像顯示NE向斷裂具右旋分量，與NW向斷裂存在共軛關(guān)系，但從活動性角度來看，NW向的斷裂構(gòu)造較新，活動性較強(qiáng)。

由圖1可見，地震序列密集分布在查干泡-道字井?dāng)嗔雅c扶余-肇東斷裂交匯處，主要在查干泡-道字井?dāng)嗔褍蓚?cè)擴(kuò)展，密集區(qū)長軸約28km，短軸約26km，呈橢圓形展布。應(yīng)急流動臺在震區(qū)附近密集分布，綜合利用震源區(qū)附近近臺與遠(yuǎn)臺相結(jié)合，既對空間位置有較好的校正，也有利于進(jìn)一步提高震源深度的精度。

《傲慢與偏見》和《南方與北方》都有一個鮮明的牧師形象——柯林斯先生和黑爾先生?？铝炙瓜壬m然和班納特先生一家并不親近，但由于班納特先生沒有兒子，于是他便成了家族的繼承人。簡奧斯丁并沒有用大量篇幅去描寫宗教及其相關(guān)內(nèi)容，但從她對柯林斯的描寫中，我們可以窺探到她對這位牧師的態(tài)度。“柯林斯先生并不是個通情達(dá)理的人”[1]“先天的缺陷卻簡直沒有得到什么彌補”[1]。柯林斯是個守財奴，虛偽且自高自大，而其對咖苔琳太太不斷的奉承和討好更顯示出作者對這一角色的鄙夷。但從這一角色的設(shè)定和背景可以看出，牧師作為英國社會文化的一部分，起著相當(dāng)重要的作用。夏綠蒂正是因為柯林斯的財產(chǎn)和地位才嫁給他。

2.2 參數(shù)選取

雙差定位法主要采用走時殘差之差修定震源位置，從而有效地降低因?qū)ρ芯繀^(qū)地殼結(jié)構(gòu)了解不精細(xì)而引起的誤差，也可以較好地消除速度橫向不均勻性的影響。同時，雙差定位采用的速度模型為水平分層，因而震源處的速度對定位結(jié)果有一定的影響，所以速度模型的選取很重要。本文選用的一維速度模型如表1所示，該速度模型結(jié)合了人工地震（劉洋等2008）、層析成像（劉殿秘等，2007）、垂直反射地震技術(shù)（楊寶俊等，2003）等資料綜合得出。

雙差法采用絕對到時殘差之差修定地震位置。因此在定位前，利用選用的一維速度模型，采用HYPODD中計算走時的方法計算出理論走時，將所得理論走時與觀測走時相減，獲取定位中所需要的絕對走時殘差。本文最終選用殘差為±5s，震中距在200km范圍內(nèi)的到時資料，經(jīng)過篩選后的P、S波數(shù)據(jù)如圖2所示，該數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能較好地滿足重定位的需求。

表1 速度模型參數(shù)表

圖2 篩選后的P、S波的時距曲線

由于P波的拾取精度相比S波較高，因此將P波和S波的權(quán)重分別設(shè)為1和0.5。為了充分利用地震資料獲取更多的重定位數(shù)據(jù)，本文將初始確定事件對的搜索半徑設(shè)為10km，共有341個事件可以進(jìn)行配對并參與重新定位。采用共軛梯度法求解，3輪迭代中分別采用標(biāo)準(zhǔn)差的10、5、3倍作為截斷值，經(jīng)過反復(fù)迭代，最終得到穩(wěn)定解。

3 結(jié)果及分析

重定位后，共獲得336個地震事件的基本參數(shù)。地震序列產(chǎn)出的結(jié)果中，走時殘差得到了較大的改善，定位前走時殘差在0.060～0.956s之間波動，定位后走時殘差在0.002～0.095s間波動，重定位后走時殘差精度得到較大幅度的提高，均值為0.13s。

圖3、4給出重定位前、后地震序列震中分布平面圖以及沿不同剖面的震源深度分布圖，圖中可以清晰地看出重定位前、后震源位置的明顯差異。定位前震中和深度分布較為分散，均未呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢方向，地震彌散地分布在扶余-肇東斷裂和查干泡-道字井?dāng)嗔呀粎R部位，深度在0～20km內(nèi)的水平層狀現(xiàn)象較為明顯，5次5級地震的震源深度主要集中在4～14km范圍內(nèi)。重定位后的地震主要集中在查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝|側(cè)，震中分布的優(yōu)勢長軸走向為北偏西30°左右，與查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝ё呦蛞恢?，條帶狀更加明顯。震源深度剖面圖顯示，沿震中分布的優(yōu)勢長軸走向（A-B剖面），地震主要集中在5～15km范圍內(nèi)，5次5級地震的震源深度主要集中在8～15km范圍內(nèi)，表明該區(qū)的發(fā)震層較淺，主要集中在中上地殼；垂直震中分布的優(yōu)勢長軸走向剖面（C-D剖面）反映了沿斷層傾向的震源分布特征，傾向北東的斷層傾角較大，而傾向北西的斷層傾角較緩。

本次地震附近的主要斷層有3條，分別為查干泡-道字井?dāng)嗔?、扶?肇東斷裂、克山-大安斷裂。查干泡-道字井?dāng)嗔炎呦騈NW，傾向NE。重定位前NE和NW向為地震序列的優(yōu)勢方向，從修正后的斷層分布圖可以看到，震區(qū)附近構(gòu)造主要是NE-NNE向的扶余-肇東斷裂及NNW向的查干泡-道字井?dāng)嗔?，查干?道字井?dāng)嗔驯环鲇?肇東斷裂左旋錯開。重定位后的結(jié)果顯示，地震序列主要集中分布在查干泡-道字井?dāng)嗔训臇|側(cè)，沿著NW向的破裂比EW向破裂更加充分，初步推測此次地震NNW向查干泡-道字井?dāng)嗔哑鹬骺刈饔?，與NE向的扶余-肇東斷裂一起控制著此次地震序列的發(fā)展形態(tài)。

圖3 重定位前地震序列平面圖（a）和AB剖面（b）、CD剖面（c）的震源深度分布

圖4 重定位后地震序列平面圖（a）和AB剖面（b）、CD剖面（c）的震源深度以及震源機(jī)制分布

4 5.5和5.8級地震序列的對比分析

2013年10月31日發(fā)生5.5、5.0級地震，相隔22天后，11月22、23日分別發(fā)生5.3、5.8、5.0級地震，2次序列間隔時間較長，地震頻度和強(qiáng)度均有明顯不同。地震序列在時空方面的變化暗含震源破裂的相關(guān)信息，因此，依據(jù)地震序列的時空變化圖像并結(jié)合震源參數(shù)、地質(zhì)以及相關(guān)的地球物理資料研究震源處的發(fā)震構(gòu)造，是目前廣大地震學(xué)者較關(guān)注的問題（呂堅等2008；鄭勇等2009；龍思勝等，2004；Ratehkovski et al，2004）。為了探尋5.5和5.8級地震序列的異同，本研究采用同樣的定位方法針對2次序列重新定位，最終獲得5.5級序列154次和5.8級181次事件的精定位結(jié)果。通過重定位前后地震序列分布對比，并結(jié)合幾次強(qiáng)震的震源機(jī)制解來判別2次序列斷層的破裂方式和地震的構(gòu)造含義，可為震情趨勢判斷提供必要的依據(jù)。

圖5 5.5級（a）～（d）和 5.8級（e）～（h）地震序列重定位前平面分布（a）、（e）；深度緯度向（b）、（f）和經(jīng)度向側(cè)面圖（c）、（g）以及頻度圖（d）、（h）

2次序列重定位前的平面圖（圖5）顯示，小震在查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝Ф?cè)分散地分布，其中斷裂東側(cè)的地震活動強(qiáng)度優(yōu)于西側(cè)，另外，5.8級序列從時間進(jìn)程上看，地震從西向東的遷移性較顯著，5.8級序列中地震的密集區(qū)主要在斷裂的東側(cè)。2次序列在時間和空間上呈現(xiàn)出震中整體向查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝|側(cè)遷移，方向由NWW向NW向過渡，經(jīng)緯向深度的剖面圖顯示，5.5、5.8級序列的震源深度主要集中在0～10km和5～18km，分層現(xiàn)象顯著。

圖6 5.5級（a）～（d）和 5.8級（e）～（h）地震序列重定位后平面分布（a）、（e）；深度緯度向（b）、（f）和經(jīng)度向側(cè)面圖（c）、（g）以及頻度圖（d）、（h）

重定位后的平面圖和經(jīng)緯向剖面圖（圖6）顯示2次地震序列的衰減、頻度、強(qiáng)度以及余震分布區(qū)的形狀均有較大差別。5.5級序列的平面圖顯示2次主震均位于斷裂帶上，其余地震分布在斷裂帶兩側(cè)，其中東側(cè)地震密集度強(qiáng)于西側(cè)，主體優(yōu)勢方向為NWW。而5.8級序列的平面圖則顯示3次主震與余震均一致地分布在斷裂東側(cè)，條帶狀明顯，呈NW向展布，與查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝ё呦蛞恢?。同時，注意到5.8級序列在空間位置上向扶余-肇東斷裂帶靠攏，而5.5級序列則主要集中在查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝е卸??？梢姴楦膳?道字井?dāng)嗔驯敝蓚?cè)地震活動強(qiáng)度、密度有較大不同，表明斷裂兩側(cè)構(gòu)造特征差異較大，斷裂東側(cè)為此次地震能量的主要釋放區(qū)。從剖面圖上可以看出，5.5級序列以簇狀分布為主，震源深度較淺，頻度圖更直觀地展示出5.5級序列深度集中在6～12km；而5.8級地震序列分布具有顯著差異，其破裂方式以雙側(cè)破裂為主，且沿斷裂NE向震源有明顯加深趨勢，這可能表征靠近扶余-肇東斷裂發(fā)震層有所加深。

震后中國地震局地球物理研究所韓立波博士（2013）給出4次5級地震的地震矩張量反演結(jié)果（表2），4次5級地震均位于含走滑分量的逆沖型斷層上；Global CMT（2013）僅給出11月23日5.8級地震的震源機(jī)制，結(jié)果也表明5.8級地震位于走滑分量的逆沖型斷層上。松原MS≥5.0震群發(fā)生在松遼盆地內(nèi)部，處于松遼盆地中央凹陷帶與東南隆起帶相交接的部位，在這種不同地質(zhì)單元的交接位置容易產(chǎn)生能量的積累而成為孕震的有利環(huán)境（李傳友等，1999）；從深部結(jié)果看，太平洋板塊俯沖至中國東北大陸下約600km（Leiet al，2005），太平洋板塊的附?jīng)_是東北地區(qū)深震活動的重要動力來源，2011年日本MW9.0巨震引發(fā)SEE向同震位移（Ozawa et al，2011），可能是造成2011年以來東北地區(qū)地震活動頻度增加的重要原因。吉林松原MS≥5.0震群震源深度都較淺，人工地震測深結(jié)果顯示，松遼盆地位于莫霍面上隆區(qū)，地幔上隆引起地幔流體的入侵，在存有儲集空間的中地殼形成低速-高導(dǎo)層（衛(wèi)平生等，2008；印長海等，2013），中地殼的低速-高導(dǎo)層會沿斷裂面等薄弱帶上侵，這也許是觸發(fā)地震的重要因素。結(jié)合重定位后震源位置及震源機(jī)制反演結(jié)果，本研究初步推測此次地震的發(fā)震構(gòu)造可能為NNW向查干泡-道字井?dāng)嗔眩罄m(xù)我們將收集震區(qū)地震地質(zhì)、地球物理和科學(xué)考察等資料進(jìn)行深入研究，以進(jìn)一步揭示前郭震群的發(fā)震機(jī)理。

表2 震源機(jī)制解結(jié)果

5 結(jié)語

利用固定臺和流動臺觀測資料，采用雙差定位法對吉林前郭2013年10月31日～12月10日地震序列重新定位，同時采用同樣的方法對5.5級和5.8級地震序列重新定位，獲得了整個地震序列以及2次分序列的精定位結(jié)果。

整個序列的定位結(jié)果顯示震中位置和震源深度均有較大改善。定位后的震中分布和震源深度改善了定位前的彌散形態(tài)和分層現(xiàn)象，定位后整個序列的優(yōu)勢長軸走向為北偏西30°左右，與查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝ё呦蛞恢?，密集區(qū)的擴(kuò)展長度達(dá)21km，震源深度的優(yōu)勢范圍為5～15km。同時，震源深度剖面圖顯示傾向NE的斷層傾角較大，而傾向NW的斷層傾角較緩。

5.5和5.8級地震序列重定位的結(jié)果顯示，2次序列的地震頻度、震源深度、震中分布的條帶形狀以及擴(kuò)展方向等均有明顯不同。2次序列均沿查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝U(kuò)展，經(jīng)緯向剖面圖顯示，5.5級序列以簇狀分布為主，震源較淺，優(yōu)勢深度為6～12km；而5.8級序列分布具有顯著差異，其破裂方式以雙側(cè)破裂為主，優(yōu)勢深度為8～14km。結(jié)合震源機(jī)制解、地質(zhì)等相關(guān)資料初步推測，2次地震序列的發(fā)震構(gòu)造為NNW向的查干泡-道字井?dāng)嗔?。其中?.8級序列沿斷裂分布的長度約19km，5.5級序列沿斷裂分布的長度約10km，盧顯（2007）指出余震沿斷層方向分布的長度能較好地反映地震的破裂長度，可見5.8級序列的破裂長度明顯大于5.5級序列。

整個序列以及2次序列的重定位結(jié)果顯示，查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝蓚?cè)的地震活動強(qiáng)度、震中分布的優(yōu)勢方向和密度等差異較大，斷裂東側(cè)地震的頻度、強(qiáng)度明顯優(yōu)于西側(cè)，這間接反映出斷裂兩側(cè)的構(gòu)造特征差異較大。震區(qū)的查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝榇舜蔚卣鸬闹骺財嗔?，其與共軛的扶余-肇東斷裂一起控制著此次地震的發(fā)展態(tài)勢。

致謝：感謝吉林省地震局和黑龍江省地震局應(yīng)急流動觀測站為本研究提供了寶貴的監(jiān)測數(shù)據(jù)；感謝吉林省地震局臺網(wǎng)中心編目組整理出寶貴的序列資料；感謝中國地震局地球物理研究所韓立波博士提供的震源機(jī)制解資料；感謝北京市地震局武敏捷在程序方面提供的幫助；感謝審稿專家提出了寶貴的修改意見。