2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的震源機(jī)制及其中心解的測定＊

許英才 曾憲偉 王 銀 崔 瑾

（寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001）

引言

據(jù)寧夏區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)測定，2020年6月9日21時(shí) 32分 42秒中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)（37.46°N，105.31°E）發(fā)生ML3.4地震，其震中位于天景山斷裂帶北緣與阿拉善地塊南緣的交匯處。地震發(fā)生后，當(dāng)?shù)夭糠秩朔从秤姓鸶?，隨后寧夏地震局立即召開地震緊急會(huì)商。雖然該地震為中衛(wèi)地區(qū)為數(shù)不多的一次顯著性地震事件，且發(fā)生在1970年以來地震相對較少的地區(qū)，屬于孤立型地震，但該地震震中20 km范圍內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生M6.0以上地震3次，其中1次為寧夏中部地區(qū)歷史上最大震級的地震（圖1），即1709年中衛(wèi)南7?級地震。該地震曾經(jīng)造成了嚴(yán)重的破壞和人員傷亡，震后產(chǎn)生了一條大于30 km的地震破裂帶，其震中烈度Ⅸ—Ⅹ度[1]，其極震區(qū)和破壞區(qū)的橢圓長軸分別為近似水平向和北西西向，而且1709年中衛(wèi)南7?級地震和2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的震中距離僅僅7 km左右。而上一個(gè)距離最近的顯著性地震要追溯到1976年6月28日中衛(wèi)ML4.4地震，時(shí)間上已經(jīng)過去45年，加之該地區(qū)地震數(shù)量不多且震中附近的先前地震震源機(jī)制結(jié)果資料十分稀少。2020年6月9日ML3.4地震震中50 km范圍內(nèi)，天景山活動(dòng)斷裂帶為其最近的主要構(gòu)造，該斷裂帶下延深不大[2]，僅20 km左右，屬于基底斷裂，新生代以來在經(jīng)歷了早期強(qiáng)烈的擠壓活動(dòng)階段后，大約在第四紀(jì)早更新世中晚期，其活動(dòng)方式轉(zhuǎn)為沿弧形斷裂帶的左旋走滑，現(xiàn)今為一條強(qiáng)烈的左旋剪切變形帶；該斷裂帶處于阿拉善地塊和祁連山地槽褶皺區(qū)之間的走廊過渡帶東端，也位于青藏高原東北緣，斷裂北東側(cè)為中衛(wèi)—清水河盆地，而南西側(cè)是香山和天景山隆起，兩盤高差達(dá)1100余米。

圖1 2020 年 6 月 9 日中衛(wèi) ML3.4 地震震中及其周邊區(qū)域M5.0以上歷史地震（公元876—1969年）和ML3.0以上地震（1970—2020年）分布（白線為塊體線，粗黑線為斷裂）Fig.1 The distribution of M≥5.0 historical earthquakes （AD 876—1969） and ML≥3.0 earthquakes （1970—2020）in the epicenter of the ML3.4 Zhongwei earthquake on June 9，2020 and its adjacent areas （the white lines represent the block border，and the thick solid lines represent the faults）

為此有必要進(jìn)一步了解和分析此次地震具體的主要震源參數(shù)，即本文采用gCAP方法[3-4]反演中衛(wèi)ML3.4地震的震源機(jī)制解和震源矩心深度，并用Hash方法[5]計(jì)算該地震的震源機(jī)制作為補(bǔ)充和對比，然后計(jì)算兩種方法的震源機(jī)制中心解[6]，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造資料，分析其可能的錯(cuò)動(dòng)方式，為中衛(wèi)地區(qū)的后期震情跟蹤及趨勢判定補(bǔ)充相關(guān)基礎(chǔ)資料。

1 方法與數(shù)據(jù)

gCAP方法原理是將地震事件波形分成Pnl，SH波及面波段分別擬合[3-4]，滑動(dòng)每個(gè)波段并使其吻合最好，主要采用近震事件的體波和面波信息進(jìn)行全面約束，分別對Pnl以及面波不同的權(quán)重系數(shù)，且綜合考慮了Pnl和面波的振幅比因素，對震源機(jī)制解和震源深度有著相對更好的約束能力，也是國內(nèi)測定震源機(jī)制和震源深度主要手段之一[7-9]；Hash方法也是計(jì)算震源機(jī)制解常見相對穩(wěn)定可靠的方法之一[5]，其原理是通過量取直達(dá)P波初動(dòng)極性以及直達(dá)P波和直達(dá)S波的振幅來計(jì)算斷層面解，而其計(jì)算的S/P振幅比可用于約束界面，該方法主要用于測定中小地震的震源機(jī)制解[10-11]。

數(shù)據(jù)處理方面，gCAP方法要求對波形進(jìn)行去均值、去線性趨勢、去波形尖滅以及去除儀器響應(yīng)，并將N、E、U向的三分量旋轉(zhuǎn)至R、T、Z分量，然后再進(jìn)行4階Butterworth帶通濾波器的濾波，其體波濾波范圍 0.05—0.2 Hz，面波濾波范圍 0.06—0.1 Hz，然后計(jì)算不同震中距的理論格林函數(shù)，將格林函數(shù)合成得到理論波形和之前預(yù)處理的波形進(jìn)行擬合和反演；Hash方法則要求選取P波初動(dòng)清晰以及S波段滿足一定的高信噪比（即S波段的SNR至少大于3才能使用）的臺(tái)站，其帶通濾波范圍1—15 Hz，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)到R、T、Z坐標(biāo)系，根據(jù)波形記錄情況選擇合理的波形最低信噪比的閾值，其設(shè)置的最低信噪比為2.5。其計(jì)算的速度模型采用楊明芝等[12]的寧夏及鄰區(qū)平均地殼速度模型，分別經(jīng)過一系列預(yù)處理后，計(jì)算過程中其gCAP和Hash方法所使用的臺(tái)站情況如圖2所示，該地震的兩種方法主要利用震中200 km范圍內(nèi)的臺(tái)站，其中g(shù)CAP方法所使用臺(tái)站為9個(gè)，震中距范圍主要在100—200 km之間；Hash方法使用臺(tái)站為10個(gè)，震中距范圍約在30—200 km之間。

圖2 gCAP方法和Hash方法所使用的臺(tái)站分布（a）和寧夏及鄰區(qū)平均地殼速度模型（b）Fig.2 The distribution of seismic stations used by gCAP and Hash method （a），and the average crustal velocity model in Ningxia and its adjacent areas （b）

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 gCAP 方法結(jié)果

2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的理論與觀測波形擬合誤差隨深度分布情況（圖3a）表明，gCAP方法得到的最佳擬合的震源矩心深度為12 km，即在12 km處誤差函數(shù)為極小值。而其最優(yōu)深度處的理論與觀測波形擬合圖顯示（圖3b），其最佳震源機(jī)制解某節(jié)面為走向 255°，傾角 79°，滑動(dòng)角?20°，矩震級MW3.5，參與反演的臺(tái)站共9個(gè)，參與計(jì)算的震相有45個(gè)。綜合來看，整體理論與觀測波形的擬合系數(shù)大于60%的有29個(gè)，占所有震相總數(shù)的64%；其中Pz和Pr相關(guān)擬合系數(shù)大于60%的占Pz和Pr總數(shù)的61%，Sz、Sr和Sh相關(guān)擬合系數(shù)大于60%的占Sz、Sr和Sh總數(shù)的67%，表明理論波形和觀測波形的相關(guān)性相對較好。

圖3 gCAP方法測定的2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的波形擬合誤差隨深度變化圖（a）及觀測波形（黑）和理論波形（紅）的波形擬合圖（b），擬合圖波形左上角字母為臺(tái)網(wǎng)及臺(tái)站名，下側(cè)為震中距（單位：km）和方位角（單位：°）；波形下側(cè)的兩行數(shù)字分布為理論波形相對觀測波形的移動(dòng)時(shí)間（單位：s）及其相關(guān)系數(shù)（單位：%）Fig.3 The variation of waveform fitting error with depth （a） and the fitting figure （b） between observed （black） and synthetic（red） waveforms of the ML3.4 Zhongwei earthquake on June 9，2020 by gCAP method.Letters in the upper left corner are the network and station names，and epicentral distance （in km） and azimuth （in degree） are under the station names.Numbers under the waveforms are the time shifts （in second） of the synthetic waveforms relative to the observation waveforms and their correlation coefficients （in percentage）

2.2 Hash 方法結(jié)果

Hash方法得到的結(jié)果如表1所示，其震源機(jī)制某節(jié)面的走向344°，傾角89°，滑動(dòng)角176°，從表1可看出，初動(dòng)的極性分為兩種：impulsive和emergent，分別表示初動(dòng)清楚和初動(dòng)不易辨認(rèn)（即信噪比低），有一部分臺(tái)站初動(dòng)不清晰并不是信噪比低導(dǎo)致，而是這些臺(tái)站離節(jié)面近，其初動(dòng)就弱，為此需要一定的S/P振幅比來約束節(jié)面，保證其一定的約束能力。Hash方法充分采用了P波初動(dòng)極性和S/P振幅比的數(shù)據(jù)，而且在兼顧較高信噪比的前提下，可能較好的約束了節(jié)面。由于本次地震震級不大，實(shí)際上利用清晰P波初動(dòng)5個(gè)（條件滿足均為implusive），而S/P振幅比則達(dá)到6個(gè)（條件為滿足最低信噪比2.5），而剩下5個(gè)emergent的極性以及4個(gè)S/P振幅比沒有被利用，因?yàn)椴粷M足Hash方法的計(jì)算條件。為此本次地震雖然利用的P波初動(dòng)極性不多，但較好的利用了S/P振幅比數(shù)據(jù)。解的質(zhì)量主要受到尖銳P波極性的臺(tái)站數(shù)量和及其方位分布等的影響較大，而且初動(dòng)極性對節(jié)面的不確定度也有影響[5]，本次地震在兼顧P波極性、S/P振幅比的數(shù)量以及較高信噪比的前提下，其解的客觀質(zhì)量評級為D（Hash方法根據(jù)解的質(zhì)量評級從高到低客觀分為A、B、C、D、E和F類），屬于中等水平，并且前人Hash方法相關(guān)計(jì)算資料均采取D類以上的結(jié)果[10-11]，其中D類以上（含D類）結(jié)果均為可采用結(jié)果，為此本次地震計(jì)算結(jié)果基本在可接受的范圍內(nèi)。

表1 Hash方法測定的2020年中衛(wèi)ML3.4地震震源機(jī)制解等參數(shù)結(jié)果Table 1 Focal mechanism and other parameters of the Zhongwei ML3.4 earthquake in 2020 by Hash method

2.3 震源機(jī)制中心解

為對比和了解gCAP方法和Hash方法結(jié)果之間的離散程度，將該兩方法進(jìn)行同一地震多個(gè)震源機(jī)制中心解的測定[6]，得到分別以各個(gè)方法所得震源機(jī)制解結(jié)果為初始解給出的標(biāo)準(zhǔn)差（表2），可見兩種方法結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差基本一致（僅僅在小數(shù)點(diǎn)后4位有所差異），客觀表明這兩種方法計(jì)算得到的震源機(jī)制解結(jié)果是相對穩(wěn)定的。通過比較gCAP和Hash方法作為初始解得到的標(biāo)準(zhǔn)差，發(fā)現(xiàn)以gCAP方法的結(jié)果作為初始解所得的震源機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)差最小，然后得到最終中心解結(jié)果（表3和圖4），即最終中心震源機(jī)制的第一個(gè)節(jié)面的走向、傾角和滑動(dòng)角分別為：255.16°，86.53°和?10.52°，其第二個(gè)節(jié)面的走向、傾角和滑動(dòng)角分別為：345.80°，79.50°和?176.48°。其中壓應(yīng)力軸（P軸）走向和傾伏角不確定范圍分別為198.82°—221.82°和 2.05°—18.30°，張應(yīng)力軸（T軸）走向和傾伏角的不確定范圍分別為 289.68°—312.68°和?3.41°—13.22°，中間應(yīng)力軸（B軸）走向和傾伏角的不確定范圍分別為?34.78°—113.05°和 71.34°—89.87°。而其中心震源機(jī)制與gCAP及Hash方法結(jié)果的最小空間旋轉(zhuǎn)角基本一致，其中g(shù)CAP方法結(jié)果不僅僅其標(biāo)準(zhǔn)差最小而且其空間旋轉(zhuǎn)角也是相對最小，其最小空間旋轉(zhuǎn)角為12.09°，說明gCAP方法結(jié)果離中心解的距離也是相對最近。而此次地震中心震源機(jī)制和其不確定性見圖4，該圖表明，此地震的震源機(jī)制中心解測定的P軸誤差范圍相對略小，而B軸和T軸的誤差范圍相對略大。本文也給出了2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的震源機(jī)制中心解，并采用中心解結(jié)果作為本次地震的主要震源參數(shù)。

圖4 2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的震源機(jī)制（gCAP和Hash方法）及其中心解（即黑色弧線代表中心解的兩個(gè)節(jié)面，綠色弧線覆蓋區(qū)域代表其不確定范圍。紅、藍(lán)和橙色的點(diǎn)分別代表中心解P、T和B軸，其周圍對應(yīng)顏色的封閉曲線代表其各自的不確定范圍。綠點(diǎn)和黑點(diǎn)代表該兩個(gè)方法得到的P軸和T軸，紫弧線為該兩個(gè)方法得到的震源機(jī)制節(jié)面）Fig.4 The focal mechanism of the ML3.4 Zhongwei earthquake on June 9，2020 by gCAP and Hash method and their central focal mechanism （the black curves are the two nodal planes of central focal mechanism，and the coverage areas are the uncertainty range.Red，blue and orange dots are respectively P，T and B axes of the central focal mechanism， and the corresponding color around closed curve are their uncertainty range.Green and black dots are the P，T axes from these two methods，and the magenta curves are the nodal planes of focal mechanism from these two methods）

表2 gCAP方法和Hash方法給出的2020年中衛(wèi)ML3.4地震震源機(jī)制解和得到的中心機(jī)制解及標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Focal mechanism of the Zhongwei ML3.4 earthquake in 2020 by gCAP and Hash method and the center focal mechanism and its residuals

表3 兩種方法結(jié)果及最終中心解的兩個(gè)節(jié)面、P、T及B軸參數(shù)Table 3 The two nodals，P，T and B axes parameters of two method and the terminal center focal mechanism

2.4 震中附近相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造資料所揭示的變形特征

由于2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震震中發(fā)生在天景山活動(dòng)斷裂中段和1709年中衛(wèi)南7?級地震附近，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)構(gòu)造資料[2, 13]，圖5給出了天景山斷裂中段的地質(zhì)斷層分布。天景山活動(dòng)斷裂中段的構(gòu)造變形相對比較簡單，其構(gòu)造變形主要是以一條連續(xù)性較好的左旋正走滑斷裂，其表現(xiàn)以溝槽、斷層陡坎和小地塹為特征，而且其橫跨斷層的階地、水系和沖溝均發(fā)生了幅度不等的左旋位移。該中段發(fā)育了若干個(gè)次級地質(zhì)斷層組合，其中，SF1斷層為天景山中段西側(cè)的煙洞梁以西區(qū)域，斷層活動(dòng)以左旋走滑為主，其走向277°；SF2斷層主要為煙洞梁至窟窿山之間區(qū)段，長約23 km，總體南傾斜且傾角50°—80°，性質(zhì)為左旋逆走滑；SF3斷層位于窟窿山至青駝崖之間，長約18 km，南北各有一條斷層，近于平行，相距約 3 km，走向均為 283°—285°，而且 SF3斷層沿襲利用了早期的擠壓構(gòu)造帶，其活動(dòng)性質(zhì)由擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟校呦蛉≈?，而且在腰壩子溝處左旋扭?dòng)痕跡明顯；SF4斷層經(jīng)青駝崖、紅谷梁至雙井子，長約13 km，呈現(xiàn)向北東突出的弧形以及其逆斷層剖面，斷面總體南傾斜，而紅谷梁以西受第四紀(jì)以來的左旋走滑斷層切割或牽引，為一條繼承性斷層。

圖5 2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的震源機(jī)制中心解及其附近地質(zhì)斷層構(gòu)造（白色線為塊體線，地質(zhì)斷層數(shù)據(jù)來源于《天景山活動(dòng)斷裂帶1∶50 000地質(zhì)圖及說明書》[ 13]）Fig.5 The central focal mechanism of the Zhongwei ML3.4 earthquake on June 9，2020 and the adjacent geological fault structure（the white lines represent the block border，and geological fault data is from 《Geological map of Tianjingshan active fault zone （1∶50 000） and its instructions》[ 13]）

該中段活動(dòng)程度最強(qiáng)烈的為窟窿山—雙井子兩條次級斷層（即SF3至SF4斷層之間），自全新世中期和晚更新世晚期以來其活動(dòng)強(qiáng)度為整個(gè)斷裂帶中最大的一段[14-15]，而窟窿山—雙井子?xùn)|西兩側(cè)的次級剪切斷層（即SF1、SF2斷層及SF4斷層以西區(qū)域）活動(dòng)強(qiáng)度相對較低，而且1709年中衛(wèi)南7?級地震宏觀震中和地震主破裂帶就展布在窟窿山—雙井子段上，地震最大錯(cuò)距5.6 m，作為走向北20°西的一條強(qiáng)烈左旋走滑的地表破裂帶，其主壓應(yīng)力方向與剪切面走向的夾角在22°—33°之間，其地表破裂帶所反映的構(gòu)造應(yīng)力場為北80°左右。整體來看，天景山活動(dòng)斷裂帶的繼承性斷層調(diào)查結(jié)果也表明[16]，天景山斷裂帶為規(guī)模較大的斷裂帶，早期表現(xiàn)為擠壓逆斷，而晚期則轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@左旋走滑的特征，構(gòu)造應(yīng)力場由早期的近南北向轉(zhuǎn)變?yōu)橥砥诘谋睎|—北東東向。

為此，地質(zhì)構(gòu)造資料反映這些地質(zhì)斷層以及其附近的其他構(gòu)造變形單位均存在不同程度的左旋走滑特征或者具有一定的左旋位移。而2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震的震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面理論上都有可能是該地震的發(fā)震斷層，如果斷層面是NEE向節(jié)面，則該地震為左旋走滑型地震，符合前述地質(zhì)構(gòu)造資料的解釋；但如果斷層面是近似南北向的節(jié)面，則該地震為右旋走滑型，和前文描述的該區(qū)域及毗鄰地區(qū)變形特征不符，為此就目前相關(guān)資料結(jié)果及其依據(jù)來看，近似南北向節(jié)面為斷層面的可能性相對較小。推測天景山斷裂中段北側(cè)的中衛(wèi)—清水河盆地區(qū)域也可能存在一些次支或隱伏斷層，其中一些斷層走向可能主要以近似水平為主，其變形特征可能和天景山活動(dòng)斷裂中段大體一致，認(rèn)為2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震可能是在這種區(qū)域應(yīng)力場背景下，沿著NEE向的剪切破裂引起的左旋走滑地震事件。

3 結(jié)論與討論

2020年6月9日中衛(wèi)ML3.4地震發(fā)生在天景山活動(dòng)斷裂帶中段以及1709年中衛(wèi)南7?級地震的極震區(qū)內(nèi)，本文利用gCAP和Hash方法得出該地震的震源機(jī)制解，并用該兩種方法的結(jié)果計(jì)算了其震源機(jī)制中心解。震源機(jī)制中心解結(jié)果表明，gCAP方法結(jié)果和Hash方法的結(jié)果基本一致，其中g(shù)CAP方法的結(jié)果最接近中心解的結(jié)果，即其最小空間旋轉(zhuǎn)角相對最小，為12.09°，且gCAP方法測定該地震矩震級大小為MW3.5，其震源矩心深度為12 km。本文采用中心解結(jié)果作為該地震的主要震源機(jī)制參數(shù)，即：節(jié)面 I走向 255°，傾角 87°，滑動(dòng)角?11°；節(jié)面 II走向 346°，傾角 80°，滑動(dòng)角?176°，該地震為走滑型地震，其主壓應(yīng)力軸的走向主要為NE向，并和天景山活動(dòng)斷裂帶區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的方向基本一致。

由于震中及鄰近區(qū)域北側(cè)毗鄰基底面很高、蓋層很薄且相對較硬的古老克拉通，即阿拉善地塊，而西南側(cè)緊挨相對更活躍、復(fù)雜且相對柔軟的祁連地槽。在長期青藏高原東北緣區(qū)域北東向強(qiáng)大推擠力的作用下，同時(shí)受到北側(cè)阿拉善和東側(cè)穩(wěn)定鄂爾多斯兩個(gè)相對堅(jiān)硬地塊阻擋，這種應(yīng)力格局引起了天景山活動(dòng)斷裂帶中段的強(qiáng)烈左旋走滑，這也是震中及毗鄰區(qū)域的變形框架條件。為此以該斷裂帶為邊界的附近斷塊或其他構(gòu)造也可能發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使斷塊邊界的一些次支或者其他隱伏斷裂也產(chǎn)生一些與之相應(yīng)的變形特征。綜合該地震的震源機(jī)制結(jié)果和震中附近區(qū)域的相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造資料，這些依據(jù)更傾向支持該地震為左旋走滑型地震，而且其NEE向的節(jié)面為其斷層面的可能性相對較大。

本文也為中衛(wèi)地區(qū)積累了震源機(jī)制解資料，然而該地震為孤立性地震，而且其震中50 km范圍內(nèi)弱震數(shù)量十分稀少且不利于開展地震精定位工作，至于是不是和歷史上1709年中衛(wèi)南7?級地震的發(fā)震斷層有關(guān)，還需要今后更多其他方面的研究工作來進(jìn)一步證實(shí)。

致謝

本文的圖件主要用GMT繪制。感謝萬永革教授為本文提供震源機(jī)制中心解程序。