2013年通遼M S 5.3地震及其前震序列判定

韓曉明 劉芳 張帆 倪銘

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

0 引言

沿42°N線呈近EW向展布的赤峰-開原斷裂是興蒙造山帶和華北地臺(tái)這2個(gè)Ⅰ級(jí)板塊的分界線(馬杏垣，1987、1989)，該斷裂處于巖石圈厚度變異帶，斷裂兩側(cè)巖石圈厚度差異顯著(盧造勛等，2005)，也是地震活動(dòng)性分析中華北塊體與東北塊體的地理分界(孟憲森等，2007)。2013年4月22日17時(shí)11分赤峰-開原斷裂中段的內(nèi)蒙古一側(cè)發(fā)生通遼MS5.3地震，宏觀震中位于科爾沁左翼后旗甘旗卡鎮(zhèn)(42.98°N，122.36°E)。2013年1月21日該地曾發(fā)生ML4.4地震，它與4月22日通遼MS5.3地震發(fā)震時(shí)間相差約3個(gè)月，從空間位置差異和時(shí)間間隔上可以初步確定其為MS5.3地震的前震;值得注意的是，ML4.4地震發(fā)生后2天，在其東南方向約170km處的沈陽(yáng)燈塔發(fā)生5.1級(jí)地震，這就產(chǎn)生了ML4.4地震的前震歸屬問(wèn)題。根據(jù)前震的定義(陸遠(yuǎn)忠等，1985;朱傳鎮(zhèn)等，1996;陳運(yùn)泰等，2000;王林瑛等，2005;蔣海昆等，2006)，空間位置上的接近要比發(fā)震時(shí)間間隔上的接近更能體現(xiàn)前震的性質(zhì)。雖然ML4.4地震與燈塔5.1級(jí)地震的發(fā)震時(shí)間僅間隔2天，但考慮到其震中與通遼MS5.3級(jí)地震的震中比較接近，因此初步認(rèn)為ML4.4地震應(yīng)該為通遼MS5.3地震的直接前震。為了更加確切地判定其前震性質(zhì)，本文在地震序列統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)HypoDD雙差定位給出前震與主震較為精確的空間分布，考察前震與主震在震源深度上的“同源性”，通過(guò)震源機(jī)制求解分析前震序列的震源機(jī)制相似性，并結(jié)合地震序列的統(tǒng)計(jì)分析，綜合判定2013年1月21日ML4.4地震序列與通遼MS5.3地震的關(guān)系。

1 地震概況

1.1 地震地質(zhì)背景

松遼盆地是一個(gè)典型的中新生代大陸伸展型斷坳復(fù)合型盆地，其形成演化受2種動(dòng)力控制:一是地殼深部地幔物質(zhì)的熱動(dòng)力;二是太平洋板塊向亞洲大陸俯沖形成的動(dòng)力。盆地早期發(fā)育主要受第1種動(dòng)力控制，中、晚期發(fā)育主要受第2種動(dòng)力控制。由于2種動(dòng)力性質(zhì)的改變，在盆地發(fā)展過(guò)程中具有張、壓兩重性(遲元林，2002;劉殿秘，2008)。目前，松遼盆地仍主要受西太平洋板塊西行俯沖的影響而在盆地中部及周緣形成中強(qiáng)地震活動(dòng)地帶。自有歷史地震記錄以來(lái)，震中方圓150km范圍內(nèi)共發(fā)生MS≥5.0地震8次，其中最早記載的地震是1318年遼寧阜新5.0級(jí)地震，其震中距2013年通遼MS5.3地震約41.5km;在時(shí)間、空間上距離最近的是1942年7月9日內(nèi)蒙古通遼6.0級(jí)地震，其震中距2013年通遼MS5.3地震約35km(圖1)。

圖1 歷史及現(xiàn)代中強(qiáng)地震和斷裂構(gòu)造分布

1.2 地震序列

根據(jù)中國(guó)地震編目系統(tǒng)(http://10.5.202.22/bianmu/index.jsp)提供的正式地震目錄，2000年1月1日 ～2013年 5月14日，在通遼MS5.3地震的震中區(qū)(42.88°～43.08°N，122.25°～122.45°E)共記錄到82次地震，從其M-t圖(圖2)可以明顯看出，通遼MS5.3地震是在地震平靜區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)地震活動(dòng)增強(qiáng)的過(guò)程中發(fā)生的一次中強(qiáng)地震;地震活動(dòng)增強(qiáng)以來(lái)，即2013年1月21日～5月14日，在通遼MS5.3級(jí)地震震中區(qū)記錄到地震79次，其中ML5.0～5.9地震1次、ML4.0～4.9地震2次、ML3.0～3.9地震15次、ML2.0～2.9地震43次、ML1.0～1.9地震18次。1月21日ML4.4(MS3.9)地震與4月22日MS5.3地震時(shí)間相隔73天，該時(shí)間間隔介于“直接前震”和“廣義前震”之間(陸遠(yuǎn)忠等，1985;梅世蓉等，1993;王林瑛等，2005)。為了精確考察通遼MS5.3地震的空間分布形態(tài)，下面通過(guò)HypoDD雙差定位對(duì)震中區(qū)的地震事件進(jìn)行重新定位。

圖2 2000年1月1日 ～2013年5月14日震中區(qū) M L≥1.5地震 M-t圖

2 地震序列重新定位

盧造勛等(2002)結(jié)合人工地震探測(cè)資料對(duì)東北地區(qū)的上地殼和地幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，結(jié)果較可靠。因此，本文采用盧造勛等(2002)的層析成像結(jié)果構(gòu)建分層速度結(jié)構(gòu)(表1)，根據(jù)危自根等(2012)利用接收函數(shù)H-k的疊加分析結(jié)果將該區(qū)的波速比值設(shè)定為1.77。

表1 地震重新定位使用的速度模型

為準(zhǔn)確地分析余震活動(dòng)的時(shí)空展布形態(tài)，運(yùn)用共軛梯度算法對(duì)地震序列進(jìn)行了HypoDD雙差定位(Waldhanser et al，2000;楊智嫻等，2004;黃媛等，2008)。定位結(jié)果顯示，EW、NS和UD方向的定位誤差均值分別為0.8、0.7、1.1km，分布范圍分別為0.31～1.29、0.25～1.53、0.34～2.11km，水平向定位精度明顯優(yōu)于垂直向;走時(shí)殘差分布范圍為0.262～0.823s;重新定位后，震源深度集中分布于5.5～7.5km，從A1-A2的震源深度剖面可以看出，序列的震源深度整體表現(xiàn)出由NW向至ES向逐漸增加的趨勢(shì)(圖3(e))，前震序列6次事件的震源深度為5.8～8.1km，震源位置在垂直向的差異不大(圖3(d))。重新定位后，地震序列整體呈NW向展布，延伸約10km，余震分布于主震兩側(cè)，表現(xiàn)出雙側(cè)破裂特征;ML≥3.0余震集中于主震南側(cè)約2km處;前震序列中，震級(jí)較大的4次事件呈帶狀NW向展布，震級(jí)較小的2次事件明顯離散，這可能由較小震級(jí)地震事件的定位誤差較大所致(圖3(a))。MS5.3主震與ML4.4前震的震中位置相差約 1.8km，震源深度分別為 7.208、7.089km，表明震源位置比較接近，它們可能發(fā)生于同一斷層面。

圖3 HypoDD重新定位后通遼M S 5.3地震的前震和余震分布

3 震源機(jī)制解

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和震源物理研究表明(Mogi，1962;Nur，1972;Anderson et al，1973;Scholz et al，1973;Mjachkin et al，1975)，震源區(qū)介質(zhì)發(fā)生非彈性變形并呈現(xiàn)明顯的各向異性。這種各向異性可以有多種表現(xiàn)形式，如波形相似、介質(zhì)內(nèi)的裂隙呈優(yōu)勢(shì)取向排列或定向排列以及震源機(jī)制解相近等(Sobolev，1984;崔子健等，2012)。為進(jìn)一步判定通遼MS5.3地震的前震序列，以下通過(guò)求解震源機(jī)制考察前震序列的震源機(jī)制相似性。

對(duì)于MS5.3主震，采用CAP方法(Cut and Paste，縮寫為 CAP)(Zhu et al，1996)進(jìn)行震源機(jī)制求解;對(duì)于前震和余震，采用基于P波初動(dòng)的P波、S波振幅比方法(梁尚鴻等，1984;劉杰等，2004;胡新亮等，2004;張永久等，2007)進(jìn)行震源機(jī)制求解;這2種方法對(duì)臺(tái)站分布的依賴性相對(duì)較弱(林紀(jì)增等，1991;胡新亮等，2004;龍鋒等，2010)。

關(guān)于CAP方法和振幅比方法的比較詳細(xì)的計(jì)算原理可參見(jiàn)文獻(xiàn)，此處僅將2種方法求解震源機(jī)制的整體過(guò)程和相關(guān)約束原則做如下闡述:①在CAP方法求解過(guò)程中挑選地震事件的EVT格式波形記錄。首先將震中距為150～500km的臺(tái)站所記錄波形的儀器響應(yīng)去除，再將記錄波形旋轉(zhuǎn)至徑向、切向和垂向后將其分解為Pnl和Snl兩部分，用4階帶通濾波分別在0.05～0.2、0.05～0.1Hz頻段內(nèi)對(duì)Pnl、Snl的噪聲部分進(jìn)行壓制并賦予不同的權(quán)重，采用目前應(yīng)用較廣的頻率-波數(shù)(F-K)方法計(jì)算震中距的格林函數(shù)并得到合成地震圖，然后將理論地震圖與實(shí)際觀測(cè)波形進(jìn)行互相關(guān)，最終通過(guò)格點(diǎn)搜索方法反演求解震源機(jī)制。為減少速度模型及地震定位不甚精確等因素對(duì)結(jié)果的影響，通過(guò)在波形互相關(guān)過(guò)程中賦予Pnl和Snl不同權(quán)重且對(duì)二者采用不同的時(shí)移來(lái)保證反演結(jié)果的精確度。②在振幅比計(jì)算過(guò)程中，運(yùn)用層狀介質(zhì)中一點(diǎn)源位錯(cuò)模型計(jì)算綜合地震圖得到P、S最大振幅，并對(duì)P、S最大振幅的比值與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來(lái)確定震源機(jī)制;為保證震源機(jī)制解的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)際操作中約定參與計(jì)算的臺(tái)站個(gè)數(shù)≥5，精度≤0.2mm，記錄振幅≥0.5 mm且不限幅，震中距≤150km，以此保證 Pn、P11、Sn、S11等震相不參與計(jì)算。

根據(jù)1970年至今的地震資料，利用最大曲率方法(Woessner et al，2005)對(duì)震中及周邊120km范圍內(nèi)的ML1.5～5.0地震的G-R關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到區(qū)域最小完整性震級(jí)Mc=ML2.0(圖4);2007年以來(lái)內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)開始納入鄰省區(qū)的地震臺(tái)站進(jìn)行地震定位，目前震中區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力為ML≥1.5地震，定位精度為Ⅰ類。

圖4 震中及周邊的地震監(jiān)測(cè)能力評(píng)估

根據(jù)上述原理和方法，選取震中周邊信噪比較高、震中距為150～500km的15個(gè)臺(tái)站波形記錄進(jìn)行矩張量初步反演(圖5)，并選取理論波形和實(shí)際觀測(cè)波形擬合誤差較小的9個(gè)臺(tái)站重新進(jìn)行矩張量反演，求得通遼MS5.3地震的震源機(jī)制解為:節(jié)面Ⅰ走向221°、傾角85°、滑動(dòng)角 152°;節(jié)面Ⅱ走向 314°、傾角 62°、滑動(dòng)角 6°，基本為純走滑型震源機(jī)制，與國(guó)內(nèi)外其他研究結(jié)果基本一致(表2、圖6)。

圖5 通遼M S 5.3地震及周邊地震臺(tái)站分布

表2 通遼M S 5.3地震的震源機(jī)制解

受地震臺(tái)站的實(shí)際分布狀況(圖5)所限，對(duì)于較小震級(jí)的前震和余震很難得到精確的震源機(jī)制解，這進(jìn)而會(huì)影響到后期的結(jié)果分析。因此，對(duì)于ML≥3.0前震和MS≥3.0余震，統(tǒng)一利用基于P波初動(dòng)的振幅比方法求解震源機(jī)制。結(jié)果顯示，3次前震事件均為正斷層，特別是ML3.2、ML3.5地震的震源機(jī)制更為一致，節(jié)面和力軸參數(shù)都比較接近(表3、圖7)。相對(duì)來(lái)講，余震的震源機(jī)制類型變化較大，初期的2次余震與主震的震源機(jī)制類型相似，均以走滑為主;后期的2次余震分別為逆沖型和正斷層。

關(guān)于地震序列的震源機(jī)制相似性，陳颙(1978)對(duì)前震和余震進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，前震在空間上集中、震源機(jī)制解也較類似，而余震在空間上離散、震源機(jī)制解差異較大，并認(rèn)為主震前、后巖層或構(gòu)造的基本結(jié)構(gòu)是否變化是導(dǎo)致震源機(jī)制呈現(xiàn)一致性或紊亂性的主要因素。而在外界應(yīng)力作用保持穩(wěn)定的條件下，發(fā)震構(gòu)造的基本結(jié)構(gòu)中最能影響震源機(jī)制類型的因素是其幾何形態(tài)，若介質(zhì)中裂隙展布形態(tài)出現(xiàn)定向排列或其他各向異性，則這種規(guī)則的幾何形態(tài)很容易產(chǎn)生相似的震源機(jī)制。

圖6 通遼M S 5.3地震的震源機(jī)制解

表3 通遼M S 5.3地震的前震和余震(M L≥3.0)震源機(jī)制解

4 結(jié)論和討論

(1)通遼MS5.3地震具有一定的特殊性，它并沒(méi)有表現(xiàn)出前人總結(jié)的赤峰-開源斷裂北部中強(qiáng)地震具有的爆發(fā)突然、序列單調(diào)等特點(diǎn)(孟憲森等，2007)。本次MS5.3地震發(fā)生前有典型的前震活動(dòng)，且余震活動(dòng)具有一定規(guī)模，余震強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間均超越了以往的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

圖7 主震、前震和余震的震源機(jī)制解

(2)根據(jù)HypoDD重新定位的結(jié)果，通遼MS5.3地震序列整體呈NW向分布，震源深度由NW至ES方向呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢(shì)，序列延伸約10km，余震分布在主震兩側(cè)，呈現(xiàn)雙側(cè)破裂特征，較大震級(jí)的余震(ML≥3.0)則主要分布在主震南側(cè)。前震序列延伸約1.8km，序列中較大震級(jí)的地震呈NW向帶狀分布于主震的東南側(cè)。MS5.3主震與最大前震(ML4.4)的震中相距約1.8km，震源深度分別為7.208、7.089km，兩者的震源位置十分接近，具有一定的“同源”特征。

(3)分別用基于波形擬合的CAP反演方法和基于P波初動(dòng)的振幅比方法求解了MS5.3主震、ML≥3.0前震和MS≥3.0余震的震源機(jī)制解。MS5.3主震的震源機(jī)制為走滑型;余震的震源機(jī)制類型變化較大，由前期的走滑為主轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘哪鏇_型和正斷層;前震的震源機(jī)制類型比較一致，均為正斷層，這種震源機(jī)制的一致性進(jìn)一步明確了其所具有的前震性質(zhì)。同時(shí)應(yīng)注意到，ML4.4前震和后續(xù)2次前震的P軸方位并不一致，夾角約為90°，應(yīng)力軸方位在短期內(nèi)的變化可能由震源區(qū)本身的應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整引起，也可能與外圍的應(yīng)力觸發(fā)有關(guān)，ML4.4地震之后2天，在其震中南部約170km處發(fā)生燈塔MS5.1地震，燈塔地震的應(yīng)力觸發(fā)作用也可能導(dǎo)致上述前震的應(yīng)力軸方位發(fā)生改變，但這只是作者的主觀推測(cè)，若要準(zhǔn)確地揭示其原因，還需要從震中區(qū)的庫(kù)侖應(yīng)力加卸載作用方面開展研究。

(4)根據(jù)地震序列的時(shí)空分布特點(diǎn)和震源機(jī)制的相似性，綜合判定通遼MS5.3地震為前震-主震-余震型。

致謝:文中圖件由Matlab程序設(shè)計(jì)平臺(tái)和GMT程序包繪制完成，CAP反演程序來(lái)源于美國(guó)圣路易斯大學(xué)朱露培教授，匿名審稿專家提出了中肯和科學(xué)的修改建議，在此表示衷心感謝。