蓋州震群的重新定位

王亮 黃金水 焦明若 曹鳳娟 李彤霞 梁一婧

1)中國(guó)科學(xué)與技術(shù)大學(xué)，合肥市金寨路96號(hào) 230026

2)遼寧省地震局，沈陽(yáng)市皇姑區(qū)黃河北大街44號(hào) 110034

0 引言

2012年2月～2013年9月在海城-岫巖老震區(qū)西南部的蓋州地區(qū)連續(xù)發(fā)生了5次4級(jí)地震，分別為2月2日ML4.7、4.2地震、7月12日ML4.2地震、11月1日ML4.0地震以及2013年3月30日ML4.0地震，表現(xiàn)為震群形式。該地區(qū)震群發(fā)生之前近年來(lái)地震活動(dòng)相對(duì)較弱。

從蓋州震群所處區(qū)域(以下簡(jiǎn)稱蓋州地區(qū))地質(zhì)構(gòu)造來(lái)看，該震群發(fā)生在金州斷裂和海城-營(yíng)口斷裂之間。金州斷裂帶(萬(wàn)波等，2010)是遼東半島地區(qū)主要的區(qū)域性斷裂，也是遼寧南部地區(qū)規(guī)模較大、切割較深、延伸穩(wěn)定、活動(dòng)性強(qiáng)、構(gòu)造行跡清楚的斷裂構(gòu)造。斷裂在第四紀(jì)時(shí)期表現(xiàn)出明顯的活動(dòng)性，斷裂的南端發(fā)生過多次5級(jí)地震。海城-營(yíng)口斷裂(雷清清等，2008)通常被認(rèn)為是金州斷裂的北段。平行于郯廬斷裂帶北段的營(yíng)口-佟二堡斷裂，走向?yàn)楸睎|向15～30°，全長(zhǎng)近60km，周邊主要地震發(fā)生在附近北西向的大洋河斷裂上。

蓋州地區(qū)歷史上沒有5級(jí)以上地震記錄，從1970年有小震記錄以來(lái)發(fā)生過2次4級(jí)以上地震，分別為1981年10月18日ML4.7和1989年1月12日ML4.8地震。歷史上2次4級(jí)地震與本震群位置非常接近(圖2)。但這2次4級(jí)地震后只有較少的余震發(fā)生，并未構(gòu)成震群。蓋州地區(qū)從1981年開始地震活動(dòng)較為密集，至1998年地震活動(dòng)開始減弱。之后在2002年和2006年分別發(fā)生2次相對(duì)集中的地震活動(dòng)，但震級(jí)和規(guī)模都很小。直至本次4級(jí)震群的發(fā)生，該地區(qū)4級(jí)地震平靜已達(dá)23年之久(圖3)。

從2012年2月開始的本次震群來(lái)看，震群位于北東向的金州斷裂北端和北東向海城-營(yíng)口斷裂南端，震群序列整體上呈北西向，即蓋州震群并不是發(fā)生在北東向的金州斷裂北端，很可能發(fā)生在金州斷裂和海城-營(yíng)口斷裂之間的北西西向構(gòu)造上。北東向和北西向構(gòu)造的判定對(duì)遼寧地區(qū)地震活動(dòng)的意義不同(一般北東向?yàn)榭卣饦?gòu)造，北西向?yàn)榘l(fā)震構(gòu)造)。由此，蓋州震群所在的構(gòu)造是否是沿北西向的一個(gè)新的活動(dòng)斷裂，對(duì)判定該地區(qū)未來(lái)地震危險(xiǎn)性評(píng)估起到關(guān)鍵作用。為此，本文采用雙差定位法，對(duì)蓋州地區(qū)的震群進(jìn)行重新定位，分析蓋州震群小震空間分布特征，判定蓋州震群所在構(gòu)造的性質(zhì)。

圖1 2012～2013年海城蓋州地區(qū)震中分布

1 方法概述

地震定位對(duì)地震空間分布乃至地球內(nèi)部物理構(gòu)造的研究都有重要意義。震源位置測(cè)定的精度主要受到可用定位震相的多少、區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)分布的均勻性、地震波到時(shí)讀數(shù)的精確程度以及研究區(qū)域所用的地殼速度結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確程度等因素的影響(Pavlis，1986)。目前常規(guī)的地震定位方法大多源于Geiger(1912)提出的一種線性的絕對(duì)定位方法，該方法對(duì)初始值的依賴性較大。相對(duì)地震定位方法主要有主事件定位法和雙差定位法，其可以有效減小速度結(jié)構(gòu)誤差的影響(Got et al，1994.)。在主事件定位方法中(Spence et al，1980;周仕勇等，1999)，每個(gè)事件僅相對(duì)于一個(gè)事件，即主事件重新定位。由于定位過程中所有事件必須和主事件相關(guān)，因此該方法限制了可重新定位地震叢的最大空間范圍。為了克服主事件定位方法的缺陷，Waldhauser等(2000)提出了雙差定位方法，其可以對(duì)很多較大空間范圍內(nèi)發(fā)生的地震同時(shí)進(jìn)行重新定位。

圖2 2012～2013年蓋州震群分布

圖3 1970～2013年蓋州區(qū)域(40.45°～40.55°N，122.30°～122.50°E)地震活動(dòng) M-t圖

雙差定位法應(yīng)用射線理論，把地震i相對(duì)于臺(tái)站k的到時(shí)T表示為沿射線路徑的積分

式中，τ是地震i的發(fā)震時(shí)刻，u是慢度，ds是路徑上的長(zhǎng)度。Waldhauser等(2000)針對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)到時(shí)進(jìn)行對(duì)比，得到了在各觀測(cè)點(diǎn)k事件i的走時(shí)殘差r和對(duì)當(dāng)前4個(gè)震源參數(shù)擾動(dòng)Δm的線性方程式

式中，r為走時(shí)殘差分別為觀測(cè)到時(shí)和理論到時(shí)，Δmi=(Δxi，Δyi，Δzi，Δti)。通過取一對(duì)事件的方程式(2)之差，得到地震i和j的相關(guān)震源參數(shù)的公式

式中，Δmi=(Δxi，Δyi，Δzi，Δti)，drij

k為這兩個(gè)地震之間觀測(cè)和走時(shí)差的殘差

式(4)被定義為雙差，也可表示為

式(5)展開即為

結(jié)合式(6)將所有臺(tái)站的方程組成矩陣形式表述:

式中，G是一個(gè)M×4N的偏微商矩陣;m含有待定震源參數(shù)的變化量;W是對(duì)每個(gè)方程加權(quán)的對(duì)角矩陣;M是雙差觀測(cè)數(shù)目;N是地震數(shù);d是雙差矢量。計(jì)算時(shí)假設(shè)質(zhì)心不變且所有地震重新定位后平均位移為0，通過迭代盡量減小殘差，最終得到震源位置參數(shù)。

2 資料處理與速度模型

由于蓋州地區(qū)本次震群活動(dòng)始于2012年，所以數(shù)據(jù)選取了2012年之后遼寧臺(tái)網(wǎng)記錄到整個(gè)遼寧地區(qū)(119°～126°E，38°～44°N)震相報(bào)告，并對(duì)震中距走時(shí)曲線進(jìn)行校正，刪除了大于5倍均方差的走時(shí)數(shù)據(jù)。之后選取了蓋州地區(qū)(40.45°～40.55°N，122.3°～122.5°E)的地震。共得到地震375個(gè)。其中4.0～4.9級(jí)5個(gè)、3.0～3.9級(jí)17個(gè)、2.0～2.9級(jí)77個(gè)，1.0～1.9級(jí)190個(gè)，0.0～0.9級(jí)86個(gè)。為了使得到的結(jié)果更加精確。只選取了震中距小于400km的地震走時(shí)數(shù)據(jù)。由于較近的地震觀測(cè)臺(tái)站受到地下速度不均勻性的影響更小，所以把震中距較小的臺(tái)站設(shè)置的權(quán)重較高。把震中距小于100km的地震射線權(quán)重設(shè)置為1，而震中距在100km和200km的權(quán)重設(shè)置為0.5，震中距大于200km的設(shè)置為0.25。

在速度模型選擇上本文借鑒了李志偉等(2006)環(huán)渤海地區(qū)層析成像對(duì)該地區(qū)的結(jié)果，并通過附近地震的觀測(cè)報(bào)告，應(yīng)用velest軟件進(jìn)行校正，得到的在本地區(qū)的P波速度一維模型如圖4所示。

3 定位結(jié)果分析

3.1 定位前后結(jié)果對(duì)比

應(yīng)用雙差定位方法對(duì)蓋州2012年以來(lái)的地震進(jìn)行了重新定位，其中被4個(gè)以上臺(tái)站記錄的地震共180次，對(duì)其中178次地震得到了定位結(jié)果，且多次迭代計(jì)算使雙差定位計(jì)算后的誤差接近于0。發(fā)現(xiàn)定位后地震分布更為集中，沿北西向分布特征明顯(圖5)。而從定位前后的深度對(duì)比來(lái)看(圖6)，定位前震源深度主要分布在4～10km，且分布有些零散。而定位后深度主要集中在5～8km。顯現(xiàn)出地震活動(dòng)更為集中，可判斷地震活動(dòng)主要集中在一個(gè)較小的活動(dòng)斷層。

3.2 震群活動(dòng)時(shí)間遷移及深度剖面分布分析

由于震群從2012年2月2日開始活動(dòng)直至2013年9月為止，時(shí)達(dá)600天。為深入了解該震群的活動(dòng)特征，分別按發(fā)震的前后(首次地震之后的天數(shù))順序，繪制了震中分布圖(圖7)并沿震群展布方向AA'和垂直方向BB'和CC'作剖面分析圖8和圖9。發(fā)現(xiàn)地震活動(dòng)沿北西向分布，且隨時(shí)間向西北方向展布(圖7)，震源深度有逐步變淺的態(tài)勢(shì)(圖9(a))。而通過BB'和CC'的剖面可以發(fā)現(xiàn)，震群的北西段和東南段都發(fā)生在一個(gè)傾角大約在5°～10°的剖面上。結(jié)果表明該震群活動(dòng)集中，且應(yīng)該發(fā)生在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的斷層面上。而斷層面的破裂尺度較小，長(zhǎng)度上不超過6km(圖9(a))，其傾角大約為 5°～10°左右(圖 9(b)、(c))。

圖4 地震定位采用的蓋州地區(qū)地殼P波一維速度模型

圖5 利用雙差方法對(duì)蓋州地區(qū)2012年以來(lái)地震定位前(a)后(b)的震中分布

圖6 利用雙差方法對(duì)蓋州地區(qū)2012年以來(lái)地震定位前(a)后(b)的震源深度分布

4 討論與結(jié)論

圖7 定位后震中隨時(shí)間分布特征

圖8 定位后震中隨時(shí)間分布的剖面劃分

本文應(yīng)用雙差定位的方法對(duì)蓋州地區(qū)2012年2月2日～2013年9月15日發(fā)生的4級(jí)震群進(jìn)行了重新定位。重新定位結(jié)果表明，震群沿北西西向分布明顯。且震群分布接近于金州斷裂的北端，距海城營(yíng)口斷裂有一定距離。定位后，震源深度分布范圍相對(duì)較為集中，主要集中在5～8km。通過與地震空間展布與時(shí)間次序的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該震群有逐漸向北西向展布的趨勢(shì)。通過對(duì)該震群的剖面分析可以發(fā)現(xiàn)，震群中的主要地震分布在金州斷裂附近，隨時(shí)間向北西向展布。震源深度在8km左右，深度逐漸變淺。而通過對(duì)該震群的剖面分析可以發(fā)現(xiàn)，在該震群活動(dòng)的北西段剖面和東南段剖面，震群活動(dòng)的截?cái)嗝鎯A角都在20°～30°。

圖9 定位后震中隨時(shí)間分布的剖面分析

綜上所述，認(rèn)為該震群活動(dòng)發(fā)生在金州斷裂北段與海城營(yíng)口斷裂南段的一個(gè)新的活動(dòng)斷層上，目前認(rèn)為該斷層破裂尺度較小，長(zhǎng)度不超過6km，深度較淺，大約在3～8km左右。該斷層面的破裂可能是遼寧北西向應(yīng)力場(chǎng)長(zhǎng)期積累所致。

致謝:感謝周龍泉研究員對(duì)本文的幫助與支持，感謝蔣長(zhǎng)勝博士以及匿名審稿老師對(duì)本文提出的修改意見。