遼寧燈塔M5.1地震序列重新定位研究

孫素梅，馬 莉，許振峰，李鐵亮

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

0 引言

北京時(shí)間2013年1月23日12時(shí)18分，在遼寧省燈塔市與沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)交界（41.50°N，123.20°E） 發(fā)生 MS5.1 地震，震源深度7 km，此次地震屬于孤立型地震，發(fā)生在NE向的營(yíng)口—佟二堡斷裂帶東北端附近，屬于鄭廬斷裂帶北段。震中位置距離燈塔市約10km，距遼陽(yáng)市中心約20km，距沈陽(yáng)市中心約30km。燈塔市、遼陽(yáng)市及沈陽(yáng)市震感強(qiáng)烈，持續(xù)20 s左右時(shí)間，遼寧省內(nèi)大部分城市及鄰省長(zhǎng)春市等均有震感。該地震打破了自1999年岫巖5.4級(jí)地震序列后遼寧地區(qū)長(zhǎng)達(dá)13年的5級(jí)地震平靜，更重要的是它處在長(zhǎng)期無(wú)震的遼北地區(qū)。

目前在我國(guó)地震定位中研究推廣應(yīng)用雙差地震定位方法。雙差定位法最初由Waldhauser和 Ells鄄worth 提出［1-2］，目前在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。楊智嫻等［3］把我國(guó)中西部地區(qū)的地震利用雙差地震定位法重新定位，得到了中西部地區(qū)地震震源分布的更加精細(xì)的圖象；刁桂苓［4］通過(guò)對(duì)中小地震震源機(jī)制解及其反演的應(yīng)力場(chǎng)得到逆斷層類(lèi)型構(gòu)造的性質(zhì)；黃媛［5］對(duì)于新疆巴楚—伽師MS6.8強(qiáng)震及其余震利用雙差定位法重定位精定位后定位，結(jié)果與傳統(tǒng)定位方法的原始定位結(jié)果震中分布圖像更加集中，與當(dāng)?shù)氐牧叶瓤疾旌驼鹪礄C(jī)制解結(jié)果更加協(xié)調(diào)；呂堅(jiān)等［6］采用雙差定位方法對(duì)汶川8.0級(jí)地震重新定位，得到地震發(fā)震過(guò)程中斷裂的破裂過(guò)程；鄭勇、陳九輝等［7］通過(guò)利用P波到時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)M3的余震進(jìn)行重新定位，做出汶川地震強(qiáng)余震震源機(jī)制解及其與發(fā)震構(gòu)造的關(guān)系。由此可見(jiàn)雙差地震定位方法的研究遼寧地區(qū)地震發(fā)展趨勢(shì)具有一定的指示意義。

地震的精定位研究［8-9］可以在一定程度上反應(yīng)地震空間的走向分布，對(duì)地震發(fā)生所處的斷裂進(jìn)行研究與探討［10-13］。本文對(duì)遼寧燈塔地震序列中的事件利用雙差定位方法進(jìn)行重新定位。對(duì)該地震本身和地震序列的研究可以在一定程度上反應(yīng)遼寧中北部地區(qū)所處的應(yīng)力背景，及該區(qū)發(fā)生地震活動(dòng)的特點(diǎn)。

1 使用的方法及原理

在雙差定位法［14］中，使用兩個(gè)地震的走時(shí)差的觀測(cè)值與理論值的殘差即為雙差來(lái)確定它們的相對(duì)位置［15］：

在公式（1） 中，drijk為雙差，可用于觀測(cè)量是絕對(duì)走時(shí)的目錄震相到時(shí)和互相關(guān)的相對(duì)走時(shí)差兩種情況。由于在雙差定位算法中地震叢的絕對(duì)位置誤差影響結(jié)果，通常在反演時(shí)對(duì)方程（2）做減權(quán)處理，使地震叢質(zhì)心允許做微小的移動(dòng)，用來(lái)校正初始絕對(duì)位置中可能存在的誤差。

由當(dāng)前的震源以及記錄的第k個(gè)震相的臺(tái)站位置可求出事件 i和j的走時(shí)，分別對(duì)震源位置（x，y，z） 和發(fā)震時(shí)刻t求偏導(dǎo)數(shù)。震源參數(shù)將變化Δx，Δy，Δz，Δt四個(gè)參數(shù)值，用以更好的模型來(lái)擬合數(shù)據(jù)。我們將所有的臺(tái)站方程組成線性方程組：

（4） 式中，d為含雙差的數(shù)據(jù)矢量，G為含偏導(dǎo)數(shù)的M×4N階（M是雙差的觀測(cè)數(shù)，N是地震數(shù)）偏導(dǎo)數(shù)矩陣，W為對(duì)每個(gè)方程加權(quán)后對(duì)角矩陣。m 為長(zhǎng)度 4N ［Δx，Δy，Δz，ΔT］的包含特定的震源參數(shù)變化矢量。將4個(gè)方程展開(kāi)，在重新定位時(shí)加將所有地震平均位移約束為0的約束條件，對(duì)每個(gè)坐標(biāo)方向和發(fā)震時(shí)刻都分別有：

本方法雖然為施加約束的原始方法，但是適合最小二乘法的共軛梯度法加約束來(lái)求解更精確的解（Lawson and Hanson，1974）。

2 資料準(zhǔn)備

2.1 資料選取范圍

燈塔地區(qū)1998年之前屬于地震活動(dòng)較弱地區(qū)，但1998年以來(lái)該區(qū)小震活動(dòng)逐漸增多。從2001年開(kāi)始本地區(qū)發(fā)生地震震級(jí)較小多為1至2級(jí)地震。燈塔震群活動(dòng)從2008年后開(kāi)始活動(dòng)。從M-t圖（圖1） 上看該區(qū)2001年地震頻次較高，2002至2008年地震活動(dòng)并不明顯，2009年地震震級(jí)和頻次比之前顯著增強(qiáng)。因此我們選擇資料從2008年開(kāi)始的地震事件記錄為研究對(duì)象。

圖1 遼寧燈塔地區(qū)M-t圖Fig.1 M-t Map of Liaoning lighthouse area

本文的研究區(qū)域范圍為遼寧燈塔地區(qū)（123.0～123.9°E，41.0～41.6°N），為了盡可能的提高數(shù)據(jù)量，我們計(jì)算時(shí)選取更大區(qū)域范圍內(nèi)（122～124°E，40～43°N） 的 2008年 1月1日至2013年12月1日遼寧燈塔及鄰近地區(qū)小震震相資料。震相報(bào)告中所涉及臺(tái)站包括：5個(gè)國(guó)家地震臺(tái)，30個(gè)區(qū)域地震臺(tái)（圖2）。

圖2 遼寧地震臺(tái)網(wǎng)分布圖Fig.2 Distribution map of Liaoning seismic network

2.2 一維速度模型建立

雙差定位方法雖然能夠在最大程度地消除由地殼速度結(jié)構(gòu)橫向不均勻性引起的定位誤差，但地震定位中選取所在區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)依然影響定位結(jié)果，因此我們需要選用盡力接近郯廬斷裂帶燈塔區(qū)域的速度模型，本文參考中朝地臺(tái)東北緣地區(qū)得地震層析成像的研究結(jié)果［16］，利用其初始速度模型和層析成像結(jié)果圖，計(jì)算出燈塔地區(qū)的一維速度模型，通過(guò)試算結(jié)果驗(yàn)證速度模型的合理性，最后確定出最終的速度模型，具體結(jié)果如表1所示。

表1 一維速度模型表

3 定位結(jié)果概述

地震序列發(fā)生在遼寧省遼陽(yáng)市燈塔縣與沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)交界區(qū)域，為2008年起開(kāi)始活躍發(fā)生的小震序列。本地區(qū)盡管在2001年開(kāi)始有小震記錄，但是地震并不活躍，到2008年1月該地區(qū)才出現(xiàn)地震加強(qiáng)出現(xiàn)態(tài)勢(shì)，2012年出現(xiàn)最大前震為MS4.1級(jí)；其中3級(jí)以上地震有9條。本次5級(jí)地震為弱震區(qū)發(fā)生的中強(qiáng)震，具有極大的研究意義。

經(jīng)過(guò)雙差地震定位法計(jì)算，在挑選出的102個(gè)地震重新定位，得到101個(gè)地震（占選取地震事件總數(shù)的99%）的震源位置參數(shù)。本文選取主要地震事件周邊10 km范圍內(nèi)的58個(gè)地震進(jìn)行研究。

3.1 誤差分析

結(jié)果展示出經(jīng)過(guò)重新定位后的位置和深度的情況，也就是dN，dE，dZ三個(gè)參數(shù)的效果。重新定位后水平和垂直方向標(biāo)準(zhǔn)差分別為±0.07km和±0.09 km，其中東西向和南北向如圖3所示，最大為70 m，誤差較小；垂直向誤差為90 m，誤差略大。由于深度的確定一致為地震研究中較為困難的問(wèn)題。所以認(rèn)為整體定位后的誤差，還是在可以接受的范圍內(nèi)的。圖中橫軸坐標(biāo)為誤差值，單位為m，縱軸坐標(biāo)為地震數(shù)量。

圖3 水平向和垂直向誤差結(jié)果圖Fig.3 Horizontal and vertical error results

圖4 定位前后空間分布對(duì)比Fig.4 Comparison of spatial distribution before and after positioning

3.2 定位前后空間對(duì)比分析

圖4（a） 為定位前震中分布，4（b） 為定位后震中分布，對(duì)比定位前后地震的空間分布發(fā)現(xiàn)，定位后地震更為集中，且地震整體呈北南向展布。地震活動(dòng)主要可以分為兩叢，主震發(fā)生在地震序列的南端。重新定位后，地震比較密集分布在主震周?chē)恢煤椭髡鸨辈績(jī)蓚€(gè)地方．與定位前基本一致，而四周小震分布有著明顯變化，改變定位前小震偏東分布的格局，去除小部分散亂分布地震外，整體趨勢(shì)還是沿郯廬斷裂帶方向大致南北展布。

3.3 定位前后深度對(duì)比分析

圖5為定位前后地震深度分布圖，其中（a）為定位前深度分布，（b）為定位后深度分布，可以看出重新定位前的余震震源深度主要分布在6～11 km，部分為12～14 km。重定位后地震的集中震源深度為6～10 km，少量集中在2～5 km，占參加定位事件總數(shù)的91%。符合本地區(qū)淺源地震歷史規(guī)律。但相較而言，深度的結(jié)果比較一般，雖然有收斂，但和震相報(bào)告做出深度大體一致，沒(méi)有明顯的變化。從重定位后的震源深度數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，燈塔地震及前震和余震都是發(fā)震位置非常淺，大部分余震發(fā)生在上地殼，體現(xiàn)出郯廬構(gòu)造帶營(yíng)口—佟二堡斷裂帶為薄皮構(gòu)造。

圖5 定位前后深度對(duì)比圖Fig.5 Depth comparison before and after positioning

圖6 定位前后深度隨緯度和經(jīng)度分布Fig.6 Distribution of depth with latitude and longitude before and after positioning

經(jīng)過(guò)雙差重新定位后，2013年1月23日MS5.1級(jí)主震的震中位置為 （41.475°N、123.223°E），震源深度9.3 km。震前最大地震2012年4月4日4.1級(jí)最大前震的震中位置為41.483°N，123.234°E，震源深度 8.9 km。

3.4 定位前后經(jīng)緯度對(duì)比分析

圖6給出了定位前后，深度與經(jīng)緯度的相關(guān)分析，首先從深度隨緯度分布可以看出，定位前（圖6a），地震活動(dòng)主要集中在6 km，且部分小震活動(dòng)較深，而定位后（圖6c）主震較深，小震活動(dòng)較前（更加符合地震自然分布規(guī)律），定位后顯示出了該序列在緯度上展布大約為0.1度左右與定位前類(lèi)似，主要地震分布在6～12 km。其次從深度隨經(jīng)度分布可以看出，定位前（圖6b），地震活動(dòng)主要集中在5～10 km，部分小震活動(dòng)較深，地震展布尺度為0.1度，而定位后（圖6d） 地震深度分布在6～12 km。序列在經(jīng)度上展布尺度大約為0.05度左右。所以定位后（圖6c，d） 深度隨經(jīng)緯度的展布顯示了，該地震序列整體地震活動(dòng)是沿緯度（北南向）方向展布的。

3.5 地震序列的總體特征分析

重新定位后，地震分布圖像顯示出收斂的效果見(jiàn)圖7，圖中地震比較密集分布在主震周?chē)恢茫▓D中下圈位置）和主震北部（圖中上圈）兩個(gè)區(qū)域，而四周小震分布有著明顯變化，改變定位前小震偏東分布的格局，去除小部分散亂分布地震外，整體趨勢(shì)還是沿郯廬斷裂帶方向大致南北展布。

圖7 雙差定位后震中分布圖Fig.7 Epicenter distribution after double difference location

從圖8可以看出，從2008年開(kāi)始，以月為單位記，地震分布開(kāi)始為北端發(fā)震（最北端小圈）然后跳到南端（白圈），震前又在北端附近（北端深灰圈） 發(fā)生幾次小震后在南端（黑圈）發(fā)生主震及余震，呈現(xiàn)地震群北（北端小圈）—南（白圈）—北（深灰色圈）—南（黑圈） 遷移活動(dòng)態(tài)勢(shì)，并明顯呈現(xiàn)出“中間稠密，左右即東西兩邊相對(duì)稀疏”這樣一種分布特征。

圖8 隨著時(shí)間變化震中分布圖Fig.8 Epicenter distribution with time variation

圖9 三條剖面走向圖Fig.9 Three section strike diagram

為了了解地震序列震源深度的分布特征，以地震集中程度為準(zhǔn)則做出沿北南（AA′） 和北東 （BB′） 西北 （CC′） 做三個(gè)截面，如圖10（a）、（b）、（c） 所示。結(jié)果顯示這三個(gè)截面的地震深度情況大致相同，即大部分地震的震源深度集中在3～12 km之間，發(fā)震范圍在10 km以?xún)?nèi)，截面AA′上的震源向北東向傾斜，傾角為5°，截面BB′上的震源向北東向傾斜，傾角為45°，沿北西CC′的地震主要是震后余震分布顯示出地震活動(dòng)較弱。

從CC′深度剖面來(lái)看，余震分布較少，并沒(méi)有出現(xiàn)密集明顯分布，而方向性上偏離AA′和BB′方向，從剖面方向上來(lái)看與郯廬斷裂的支線營(yíng)口—佟二堡斷裂方向明顯不同。在地表并未發(fā)現(xiàn)破裂，故可推測(cè)可能在這個(gè)地區(qū)存在隱伏斷裂，如圖10中CC′截面所標(biāo)識(shí)為北西向的。雖然呈現(xiàn)北西方向性的特征，但是地震數(shù)目過(guò)少，還需要做出進(jìn)一步研究來(lái)加以論證。

圖 10AA′、BB′、CC′剖面地震深度圖Fig.10 AA′、BB′、CC′Profile seismic depth map

從AA′深度剖面圖10中可以看出淺色點(diǎn)為發(fā)震時(shí)間最早的2008至2010年地震震源深度值整體來(lái)看都大于主震的震源深度，而后隨著時(shí)間的發(fā)展，接近于主震及主震發(fā)生后的深色部分深度增加，存在明顯的下降趨勢(shì)。而在BB′剖面上的深度值沒(méi)有AA′刨面深度值的明顯變化，震源深度并沒(méi)有隨著時(shí)間發(fā)展也就是主震的發(fā)生而出現(xiàn)趨勢(shì)性變化，筆者認(rèn)為這個(gè)剖面為主震的響應(yīng)剖面而不是和AA′剖面一樣為主震影響剖面。CC′剖面上的震源深度為藍(lán)色及深藍(lán)色居多，著重表現(xiàn)為主震發(fā)生后的剖面性質(zhì)，其隨著時(shí)間的發(fā)生出現(xiàn)下降—下降—發(fā)震—上升的趨勢(shì)變化，總體來(lái)看深度為6～9 km范圍內(nèi)。

按照地震分布剖面來(lái)看地震活動(dòng)的三個(gè)方向：北南AA′、北東BB′、西北CC′。其中AA′和BB′為大部分前震方向，CC′為絕大部分余震的方向。主震發(fā)生在AA′和BB′的交匯處。結(jié)合震源機(jī)制一致性結(jié)果來(lái)說(shuō)，本次地震序列的前震具有一定的規(guī)律性，北南AA′、北東BB′方向影響主震為控震斷裂。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)雙差地震定位法在遼寧燈塔地區(qū)地震重新定位中的應(yīng)用，充分說(shuō)明雙差定位是一種定位精度比較高的定位方法。無(wú)論是殘差、測(cè)定誤差、震中分布圖還是震源深度等方面，都比原定位結(jié)果有較大改進(jìn)。

經(jīng)過(guò)重新定位后，均方根殘差精度有了提高，從重新定位前的2.82 ms降到0.8 ms。通過(guò)定位得到了遼寧燈塔地震序列主震附近區(qū)域的精確的活動(dòng)圖像。重新定位后，2013年1月23日 MS5.1主震的震中位置修正為 41.475°N、123.223°E，震源深度9.275 km。

余震比較密集分布在主震周?chē)恢煤椭髡鸨辈績(jī)蓚€(gè)地方。與定位前基本一致，而四周小震分布有著明顯變化，改變定位前小震偏東分布的格局，去除小部分散亂分布地震外，整體趨勢(shì)還是沿郯廬斷裂帶方向大致南北展布。余震密集成北西向線性分布，余震區(qū)長(zhǎng)約6 km，寬約4 km。震源深度分布在3～12 km間，主要為6～10 km。部分震中位置比定位前明顯發(fā)生變化與震源深度變化向斷裂帶靠近。對(duì)地震分布做出三條剖面后認(rèn)為AA′主震影響剖面，BB′剖面僅為地震響應(yīng)剖面，而CC′剖面為主震發(fā)生后的深度剖面，主要深度范圍為6～9 km。

結(jié)合圖10中所示的該段的余震CC′深度剖面來(lái)看，余震分布較少，并沒(méi)有出現(xiàn)密集明顯分布，而方向性上偏離AA′和BB′方向，從剖面方向上來(lái)看與郯廬斷裂的支線營(yíng)口—佟二堡斷裂方向明顯不同。在地表并未發(fā)現(xiàn)破裂，故可推測(cè)可能在這個(gè)地區(qū)存在隱伏斷裂，為CC′截面所標(biāo)識(shí)為北西向的。

遼寧燈塔地震序列地震趨勢(shì)發(fā)展具有一定規(guī)律性。地震震中的規(guī)律遷移，以小震群形式北—南—北—南的進(jìn)行遷移，最后主震及余震的發(fā)生都集中在最南端。

本次地震序列的前震具有一定的規(guī)律性。前震影響主震發(fā)生，而主震影響余震發(fā)生。地震活動(dòng)的三個(gè)方向：北南AA′、北東BB′、西北CC′。其中AA′和BB′為大部分前震方向，CC′為絕大部分余震的方向。主震發(fā)生在AA′和BB′的交匯處。結(jié)合震源機(jī)制一致性結(jié)果圖來(lái)說(shuō)，北南AA′、北東BB′方向影響主震為控震斷裂。

本文應(yīng)用雙差地震定位法對(duì)遼寧燈塔地區(qū)地震序列進(jìn)行了重新定位研究。在雙差定位程序使用過(guò)程中，不斷通過(guò)調(diào)整雙差地震定位法中兩個(gè)主程序參數(shù)對(duì)地震序列重新了定位，研究過(guò)程中也修改了一維速度模型，最終得到了研究地區(qū)較精細(xì)的震中分布圖像和有所收斂的震源深度剖面圖像以及小震精確定位結(jié)果，結(jié)果顯示遼寧燈塔震群大致呈北南向線性分布，初步推斷該地區(qū)存在一條隱性北西向地震條帶。