2013年內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震震源斷層三維特征反演

王樹忠， 賈昊東

(內(nèi)蒙古治自區(qū)地震局烏加河地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015329)

2013年內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震震源斷層三維特征反演

王樹忠， 賈昊東

(內(nèi)蒙古治自區(qū)地震局烏加河地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015329)

采用Hyposat定位方法對(duì)2013年4月22日17時(shí)11分發(fā)生的內(nèi)蒙古通遼(122.4°E，42.9°N)5.3級(jí)地震及其周邊區(qū)域以往地震進(jìn)行初步定位，再使用雙差定位方法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行二次精確定位，從而得到該地區(qū)1976年以來小震較為精確的震源深度以及震中位置。利用得到的定位結(jié)果反演了主震的震源斷層面參數(shù)；同時(shí)利用cap方法計(jì)算通遼5.3級(jí)地震的震源機(jī)制解，結(jié)合震源斷層參數(shù)推斷該地區(qū)地殼應(yīng)力場及地質(zhì)構(gòu)造。結(jié)果顯示，2013年通遼科左后旗地震，與養(yǎng)畜牧隱伏斷裂活動(dòng)有關(guān)。

通遼5.3級(jí)地震；中小地震；震源機(jī)制；震源斷層面反演；區(qū)域應(yīng)力場

0 引言

2011年日本9.0級(jí)地震和2013年鄂霍次克海8.2級(jí)深震后，我國華北和東北地區(qū)地震形勢產(chǎn)生了新的變化，構(gòu)成了新的格局。就目前的地震活動(dòng)現(xiàn)狀而言，環(huán)渤海及周邊地區(qū)成為我國東部中等以上地震活動(dòng)的主題區(qū)域。遼蒙交界地區(qū)內(nèi)有松遼盆地、蒙遼交界斷裂系、郯廬斷裂帶中段、老震區(qū)等眾多地震地質(zhì)單元，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

遼蒙交界區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬新華夏系構(gòu)造帶，地處燕山山地與大興安嶺山地的復(fù)合部位，即松遼沉降帶西部沉降中心，NNE向嫩江破碎帶南支天山口—八里罕斷裂的東盤；南側(cè)的西遼河緯向斷裂，在該縣的西部與NNW向的胡虎爾河斷裂，NNE向的嫩江破碎帶相交錯(cuò)斷；北部的烏力吉木仁斷裂，其西端與胡虎爾河斷裂相交，其東段與嫩江破碎帶相切；東部有NE向的雙泡子斷裂，其西端與西遼河斷裂斜交。地區(qū)內(nèi)斷裂十分發(fā)育，互相交切成為若干斷塊，這些斷裂具有間歇性發(fā)育的特點(diǎn)。這些“多”字型或“歹”字型的構(gòu)造格局，成為有利于應(yīng)力集中和積累的特殊部位，構(gòu)成了遼蒙地區(qū)斷裂帶及所發(fā)生地震的分布格架。所以近幾年來，國家始終把遼蒙交界地區(qū)做為地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)之一。本研究圍繞2013年4月22日17時(shí)11分內(nèi)蒙古通遼市科左后旗發(fā)生的5.3級(jí)地震，反演遼蒙交界地區(qū)震源斷層，并分析其地殼應(yīng)力場。

1 資料的選取

為了更好地對(duì)內(nèi)蒙古通遼市科左后旗5.3級(jí)地震進(jìn)行分析，文章選取了發(fā)生在遼蒙交界地區(qū)，東經(jīng)118°～125°、北緯42°～45°區(qū)域內(nèi)，1976年1月1日至2014年11月30日的所有地震，共計(jì)2 200條記錄為基礎(chǔ)資料(圖1)。

圖1 遼蒙交界地區(qū)地震基礎(chǔ)資料圖

2 Hyposat初步定位

Hyposat方法采用Geiger法的基本思路，把走時(shí)T在初值(x,y,z)附近作泰勒展開并取一級(jí)近似為：

(1)

其中：T為實(shí)際走時(shí)，T′是相對(duì)于(x,y,z)附近一點(diǎn)的(x′,y′,z′)的走時(shí)。將觀測方程組降維，并利用奇異值分解最小二乘法對(duì)其進(jìn)行求解。

經(jīng)過Hyposat初步定位(主要是將單臺(tái)確定的地震全刪除)后，地震數(shù)由原來的2 200余條精簡到1 199條；再次進(jìn)行雙差定位將少于3個(gè)臺(tái)站定位的地震刪除(由于內(nèi)蒙古東部地區(qū)臺(tái)站較為稀疏，又通過反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)從地震數(shù)量和質(zhì)量考慮臺(tái)站數(shù)大于等于3時(shí)效果為佳)，再次精簡到1 136條。得到的結(jié)果更真實(shí)可靠(表1)。

表1 兩次定位前后對(duì)比

3 雙差精定位

利用雙差地震定位法對(duì)2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼市科左后旗5.3級(jí)地震附近，遼蒙交界地區(qū)1976—2014年發(fā)生的中小地震進(jìn)行重新定位，重新定位后的地震表現(xiàn)為叢集分布，基本位于地殼中上部和中地殼層。震源深度的確定一直以來是地震定位中的一個(gè)難題，本文研究2013年內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震附近(118°～125°E，42°～45°N)區(qū)域內(nèi)的1 199條地震中，533條地震沒有震源深度記錄，占地震總數(shù)的44.5%，嚴(yán)重影響了該地區(qū)地殼應(yīng)力場的分析。因此在對(duì)該地區(qū)進(jìn)行雙差地震定位之前先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初次定位，經(jīng)過Hyposat定位后震源深度數(shù)據(jù)計(jì)算完整，達(dá)到了100%，但準(zhǔn)確性較差。以1980年定位臺(tái)站數(shù)在3個(gè)以上的地震目錄為例，將未定位、Hyposat初次定位以及雙差定位所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(表1)。原始數(shù)據(jù)中1980年地震目錄中沒有震源深度的信息，而經(jīng)過Hyposat定位后得到了震源深度，經(jīng)過雙差定位后震源深度參數(shù)更為精確。由圖2可以明顯地看到，經(jīng)過Hyposat與雙差定位2次定位后所得的震源深度更為準(zhǔn)確，地震更為叢集。

研究區(qū)域內(nèi)的地震，通過雙差地震定位法精確定位后地震的震源深度范圍是0～25 km(圖2)，相對(duì)于雙差定位前5～10 km的深度范圍更加合理。與王新嶺等[1]用PTD方法測定巴林右旗5.9級(jí)地震震源深度20 km，以及中國東部的地震震源深度集中分布在5～24 km的計(jì)算較為吻合。

注：紅色圓點(diǎn)代表經(jīng)過Hyposat和雙差2次定位后得到的震源深度結(jié)果；藍(lán)色圓點(diǎn)表示只用Hyposat定位方法進(jìn)行定位的震源深度結(jié)果圖2 通遼5.3級(jí)地震震群經(jīng)過雙差定位與未經(jīng)過雙差定位震源深度對(duì)比圖

注：右上角方框內(nèi)容為圖中標(biāo)注藍(lán)點(diǎn)的放大，表示通遼5.3級(jí)地震的余震震中分布圖。圖3 Hyposat、雙差定位后震中分布圖

圖1為利用原始地震資料所繪制出的震中分布圖，圖3為經(jīng)過2次定位后所得到的震中分布圖。繪制圖1、圖3中的區(qū)域均為(東經(jīng)118°～125°，北緯42°～45°)區(qū)域相同、所用地震資料相同，通過2圖的對(duì)比，很明顯地看出重新定位后的地震數(shù)據(jù)所繪制出來的震中分布圖，空間方面更加叢集。

4 CAP方法計(jì)算通遼5.3級(jí)地震震源機(jī)制解

CAP方法反演震源機(jī)制解主要是通過計(jì)算給定震源機(jī)制解的理論波形與實(shí)際觀測波形進(jìn)行對(duì)比，不斷變換震源參數(shù)，擬合最好的機(jī)制解為最終的反演結(jié)果[2]。利用CAP方法反演2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震得到震源機(jī)制解的2個(gè)節(jié)面。斷層面節(jié)面1的參數(shù)為：走向310°、傾角75°、滑動(dòng)角7°；節(jié)面2的參數(shù)為：走向219°、傾角84°、滑動(dòng)角163°，地震震源是走滑型(圖4)，反演震級(jí)為MW4.94(與中國地震局地球物理研究所韓立波博士計(jì)算的震源機(jī)制解結(jié)果基本相同，其中走向、傾角等略有不同，斷層面基本一致)。對(duì)不同深度的反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并擬合出不同深度誤差變化的關(guān)系(圖5)，不難看出最佳震源深度為9 km。

圖4 CAP方法反演的震源機(jī)制解、臺(tái)站、反演誤差、相互關(guān)系示意圖

圖5 不同深度誤差和震源機(jī)制隨不同震源深度的變化圖

5 利用現(xiàn)代小震和區(qū)域應(yīng)力場確定大震斷層面參數(shù)

利用萬永革等[3]在唐山7.8級(jí)地震震源斷層求解中采用的模擬退火算法和高斯—牛頓法聯(lián)合求解的方法，即首先采用模擬退火算法得到全局搜索初始解，然后采用高斯—牛頓法對(duì)解進(jìn)一步優(yōu)化，不僅可以獲得最佳解，還可以求得解的誤差范圍，從而對(duì)解進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼市科左后旗5.3地震發(fā)生后，該地區(qū)小震活動(dòng)仍然很活躍。利用這些小震資料反演該地震的震源斷層，分析其附近區(qū)域中、小地震的發(fā)生是否與該地震有關(guān)，是否是該地震震源斷層面或者兩側(cè)巖體的繼承性活動(dòng)。如果存在同一個(gè)地震震源側(cè)面或兩側(cè)巖體的繼承性活動(dòng)，說明該地區(qū)的小震活動(dòng)對(duì)中強(qiáng)地震有指示意義。

利用G-S算法以及最小二乘擬合參數(shù)所得到震源斷層面為走向47.249 1°，傾角75.888 2°的斷層，斷層面的4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)見表2所示。根據(jù)裴惠娟等[4]給出的2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震的位置與周邊活動(dòng)斷裂分布圖， 可知文章計(jì)算的震源斷層與此次地震周邊養(yǎng)畜牧隱伏斷裂分布較為吻合。圖6為1976年以來通遼地震周邊中小地震震源深度發(fā)震頻率圖。從圖6可以看出，該地區(qū)大部分地震均與計(jì)算得到的震源斷層面有關(guān)，大致發(fā)生在10～20 km左右，與2013年4月22日通遼5.3級(jí)地震震源深度基本吻合。該區(qū)域中小地震垂向較集中，基本上集中在所求震源斷層面上(圖7c)；且大部分中小地震均集中在所求斷層面附近，并且基本上以斷層為中心兩邊呈現(xiàn)對(duì)稱分布(圖7d)。

表2 震源斷層面的4個(gè)頂點(diǎn)

圖6 震源深度發(fā)震頻率圖

6 結(jié)論與討論

本文利用雙差地震精定位方法、CAP方法、震源斷層擬合方法反演了2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼科左后旗5.3級(jí)地震附近地區(qū)中、小地震，獲得了準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果看，該區(qū)域中小地震震源具有以下特征。

1) 震源較淺。文章通過雙差地震精定位與震源斷層擬合所得到的震源深度結(jié)果基本一致。自1976年以來，2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震附近區(qū)域中小地震震源深度主要集中在8～20 km(圖6)，個(gè)別1～2個(gè)地震在30 km以上，可能與該地區(qū)資料較差、計(jì)算錯(cuò)誤有關(guān)，屬于上地殼脆性層內(nèi)發(fā)生的地震。

2) 位置集中。采用雙差地震精確定位，對(duì)內(nèi)蒙古遼蒙交界地區(qū)地震進(jìn)行定位后，發(fā)現(xiàn)1976年以來的小震震源空間位置向2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震附近聚集。根據(jù)這一結(jié)果，研究了該地區(qū)震源深度、震源斷層，但由于對(duì)該地區(qū)的研究較少，可以佐證的例子較少，今后還需對(duì)該地區(qū)做進(jìn)一步的分析研究。

3) 震源斷層面比較一致。從震源斷層擬合結(jié)果以及對(duì)2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震震源機(jī)制解來看，附近區(qū)域內(nèi)1976年以來所發(fā)生的中小地震，與通遼5.3級(jí)地震基本處于同一個(gè)震源斷層面上。從而可以推斷，通遼5.3級(jí)地震前期該地區(qū)附近中小地震頻發(fā)與該地震有關(guān)。密切關(guān)注內(nèi)蒙古東部地區(qū)的中小地震，是判斷內(nèi)蒙古東部地區(qū)中強(qiáng)地震是否發(fā)生的重要依據(jù)。

注：D、SD、DD、DF分別表示震源深度，以及震源深度在水平、垂直的投影和不同震源深度小震發(fā)生頻度。小震分布在水平面(圖a)、斷層面(圖b)和垂直與斷層面的橫斷層(圖c)上的投影，小震距離斷層面距離的分布(圖d)。圓圈表示精定位小震，粗線表示斷層面辯解。AA’為斷層上邊界端點(diǎn)。圖7 震源斷層反演的基礎(chǔ)資料信息

利用模擬退火方法與高斯-牛頓法聯(lián)合求解的方法，使用遼蒙交界地區(qū)1976年以來中小地震資料，反演2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼科左后旗5.3級(jí)地震附近震源斷層面，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)中小震叢集，并且這些中小地震均發(fā)生在通遼5.3級(jí)附近的震源斷層面內(nèi)。由于對(duì)通遼5.3級(jí)地震有關(guān)的研究、文章以及該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地殼應(yīng)力場的相關(guān)研究較少，很難找到與該震源斷層面相近的地殼應(yīng)力場情況信息與之互為論證。

[1] 王新嶺, 張國民, 馬宏生, 等. 用PTD方法測定巴林左旗5.9級(jí)地震震源深度[J]. 地震, 2004, 24(4): 51-56.

[2] 韓立波, 蔣長勝. 2011年6月8日新疆托克遜MS5.3地震震源機(jī)制解反演[J]. 地震學(xué)報(bào), 2012, 34(3): 415-422.

[3] 萬永革, 沈正康, 刁桂苓, 等. 利用小震分布和區(qū)域應(yīng)力場確定大震斷層面參數(shù)方法及其在唐山地震序列中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2008, 51(3): 793-804.

[4] 裴惠娟, 韓曉明, 張帆, 等. 內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震序列特征及發(fā)震背景分析[J]. 地震工程學(xué)報(bào), 2015, 37(1): 242-247.

3-DCharacteristicsInversionofHypocenterFault-planeofthe2013TongliaoM5.3Earthquake

WANG Shu-zhong, JIA Hao-dong

(Wujiahe Seismic Station, Inner Mongolia Bayannur 015329, China)

On April 22, 2013 17:11, anM5.3 earthquake occurred in Inner Mongolia Tongliao city (122.4°E， 42.9°N). The earthquake and earthquakes before and after the earthquake in the source region are firstly located using the Hyposat and then relocated using the double difference fine positioning inversion method. On basis of the relocated accurate epicenters, the parameters of the source fault of theM5.3 earthquake are inversed; at the same time, the focal mechanism solution of the earthquake is calculated using the CAP method which is used to infer the crustal stress field and geological structure in the region combining with the source fault parameters. The results show that the earthquake is related to the activity of the Yangxumu buried fault.

TongliaoM5.3 earthquake; moderate and small earthquakes; focal mechanism; source fault plane inversion; regional tectonic stress field

王樹忠，賈昊東. 2013年內(nèi)蒙古通遼5.3級(jí)地震震源斷層三維特征反演[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(4):70-74.

2017-04-28

王樹忠(1970—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，工程師，主要從事地震監(jiān)測工作．E-mail：wangshuzhong123@126.com

P315.3

A

1003-1375(2017)04-0070-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.013