2019年甘肅夏河M5.7地震震源機制解和震源深度確定

袁伏全 黃浩 蔡麗雯 李啟雷 趙燕杰 劉興盛

摘要：為了準確測定2019年甘肅夏河M5.7地震的震源深度，利用青海、甘肅和四川數(shù)字地震臺網(wǎng)寬頻帶數(shù)字地震波形資料，采用CAP方法和區(qū)域速度模型反演夏河地震震源機制，并采用逆時成像技術(shù)進一步約束了此次地震的震源深度。結(jié)果表明，夏河M5.7地震是一次逆沖兼走滑型地震，震源深度為5.4km;基于遙感解譯和野外調(diào)查新發(fā)現(xiàn)的夏河斷裂可能是甘肅夏河5.7級地震的發(fā)震構(gòu)造，即節(jié)面I（走向305/傾角52/滑動角50°）為發(fā)震斷層面。

關(guān)鍵詞：夏河M、5.7地震;CAP方法;震源深度;逆時成像

中圖分類號：P315.3??? 文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0521-08

0引言

2019年10月28日，甘肅省甘南藏族自治州夏河縣（102.69°E，35.10°N）發(fā)生M5.7地震，震源深度10km。本次地震發(fā)生在構(gòu)造特征復(fù)雜的甘東南地區(qū)，沒有造成嚴重的人員傷亡，受傷人員均屬避震不當造成的輕微擦傷。地震發(fā)生后，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）給出的震源深度為13.5km，全球矩心矩張量研究中心給出的震源深度為16.3km，而國內(nèi)研究機構(gòu)利用CAP方法反演得到的震源深度為7km或8km。獲得準確的震源深度對于探明夏河M5.7地震的發(fā)震構(gòu)造機制具有重要意義，而各機構(gòu)給出的震源深度存在顯著差異，因此需要進一步測定更加精確的結(jié)果。

基于寬頻帶波形記錄的CAP方法（Zhao，Helmberger，1994，1996），可通過對Pnl波和面波分別賦予不同的權(quán)重值和時間移動以降低對速度模型的依賴性，還可以利用更大方位角覆蓋范圍內(nèi)記錄的S波或面波信息以增加震源深度測定的可靠性，故CAP方法在精確測定震源深度等相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用（呂堅等，2008;韋生吉等，2009;曾祥方等，2013;趙韜等，2019;Jiang etal，2019;Lei et al ，2019）。逆時成像技術(shù)是一種非線性反演技術(shù)，基于較好的觀測臺網(wǎng)和合理的速度模型在人工地震（許力生等，2013b）、2016年青海門源6.4級地震（黃浩等，2017）和2014年云南魯?shù)?.5級地震（魏強等，2017）精確定位中已展現(xiàn)出優(yōu)勢。

為深入研究甘肅夏河及鄰區(qū)的孕震機理和地震活動性，本文搜集了青海、四川和甘肅地震臺網(wǎng)的波形資料，利用CAP方法反演了夏河M、5.7地震的震源機制解和最佳震源矩心深度，利用逆時成像技術(shù)獲得了夏河M5.7地震的震源深度。

1地質(zhì)構(gòu)造背景

甘東南地區(qū)位于兩條區(qū)域性大斷裂——東昆侖斷裂和西秦嶺北緣斷裂圍限中（圖1），由迭部—白龍江斷裂帶、光蓋山—迭山斷裂帶、臨潭—宕昌斷裂帶、禮縣—羅家堡斷裂等多條規(guī)模較大的斷裂（帶）共同組成了該地區(qū)復(fù)雜的“V”字型構(gòu)造體系（鄭文俊等，2013）。受青藏高原北東向擠壓作用的影響，甘東南地區(qū)新構(gòu)造運動和地震活動強烈，褶皺分布廣泛（俞晶星等，2012;張國偉等，2004;侯康明等，2005）。該地區(qū)曾發(fā)生過1654年天水南和1879年武都南兩次8級大地震，公元前186年甘肅武都7～7%級地震、公元143年甘谷7級、734年天水7級地震、公元842年碌曲7～7%級地震、公元1573年岷縣6%級地震、1837年岷縣北6級地震等以及2013年岷縣漳縣6.6級地震。

夏河M5.7地震震中附近斷裂的發(fā)育情況不明，無明確的與該地震有關(guān)的地表斷裂。張波等（2020）基于遙感解譯和野外調(diào)查新發(fā)現(xiàn)兩條隱伏斷裂，該斷裂暫被命名為夏河斷裂（F1）和達麥一合作斷裂（F2）。震中周圍已知的斷裂包括北側(cè)的西秦嶺北緣斷裂鍋麻灘段（F4）和南側(cè)的臨潭—宕昌斷裂西段（F3）（圖1）。

夏河斷裂以拉卜楞寺為界為西段和東段：西段走向近EW，長度54km;東段走向ESE（110°），長度39km，可見較典型的線性地貌，包括斷層陡坎、左旋、斷層溝槽和斷層埡口等連續(xù)出露的斷層地貌，為全新世活動斷裂線，斷裂表現(xiàn)為南高北低的宏觀差異構(gòu)造地貌，在較大幾何尺度上表現(xiàn)為地形的坡折，穿過斷裂的多條大沖溝和山脊顯示同步左旋。因此，該斷裂是一條兼具逆沖和左旋走滑分量的斷裂，斷面傾向南西（200°）（張波等，2020）。達麥一合作斷裂位于震中北東側(cè)，傾向NE，傾角65°，發(fā)育在二疊系灰褐色砂巖、灰?guī)r和三疊系灰黃色板巖之間，地表無明顯斷錯地貌，山脊和沖溝無同步變形，為一條前第四紀斷裂（張波等，2020）。西秦嶺北緣斷裂鍋麻灘段走向近EW，長約165km，以左旋走滑活動為主，傾向南，傾角45°～65°。臨潭—宕昌斷裂西段由南、北兩支組成，走向分別為NE-ENE和WNW，以左旋走滑活動為主（何文貴等，2013;鄭文俊等，2013）。

2研究方法

2.1CAP方法

CAP方法（Zhao，Helmberger，1994;Zhu，Helmberger，1996）是一種使用體波和面波聯(lián)合反演的方法。該方法將寬頻帶數(shù)字地震記錄分為體波（Pnl）和面波，采用頻率-波數(shù)方法（F-K）（Zhu，rivera，2002）計算臺站的格林函數(shù)，利用格林函數(shù)得到合成地震圖，在反演過程中對Pnl波和面波分別賦予不同的權(quán)重，通過格點搜索方法搜索、擬合、反演地震事件的最佳震源機制解。由于該方法分別對體波、面波進行擬合，大大減小了地殼速度模型及地殼橫向不均勻性對反演結(jié)果的影響。

2.2逆時成像技術(shù)

逆時成像技術(shù)是總結(jié)前人的研究成果并針對面臨的具體問題提出的一種確定地震震源中心的非線性反演技術(shù)（許力生等，2013a，b）。該技術(shù)未采用任何近似，避免了傳統(tǒng)定位方法存在的缺陷，其可行性已被多種數(shù)值實驗所證實，且基于人工地震資料的檢驗（許力生等，2013b）表明，它能夠在合理的精度水平上確定發(fā)震時刻、震源位置和震源深度。該技術(shù)直接采用直達波信號構(gòu)建包絡(luò)信號，采用互相關(guān)技術(shù)測量觀測到時，提升了觀測到時的準確性和客觀性。利用波形聚束方法直接建立觀測到時和震源位置的非線性關(guān)系，繞開了蓋戈類方法的線性化過程，從而杜絕了非線性問題線性化過程造成的精度丟失（Liang et al ，2020;趙博等，2019）。許力生（2013a，b）已經(jīng)對逆時成像技術(shù)的原理做過詳盡的描述，因此本文只做扼要介紹。

設(shè)ξ為震源中心、ro為發(fā)震時刻、xn為第m個觀測臺站的位置、tn為震源信號在臺站m的觀測到時，用S表示振幅歸一化后的第m個臺站的第n個分量（可以是直達P波、直達S波或者它們的包絡(luò)線），觀測點的數(shù)目為M且每個觀測點有N（N≤3）個分量，定義：

式中：S（x，t）為廣義震源時間函數(shù);M為臺站數(shù);N為分量數(shù)。

對式（1）求積分，可得：

式中：E為廣義震源時間函數(shù)的積分;Tn為選用的直達波或其包絡(luò)線的有效持續(xù)時間。當式（2）取最大值時，ξ=x且T=t，震源中心及其激發(fā)時間即可確定。

由于速度模型的不確定性以及觀測誤差的存在，式（2）的解不是唯一的，往往是一個集合，因此，ξo和ro的模糊度可表示為：

基于上述公式，并借助觀測到時與理論到時的殘差的標準差描述震源位置的不確定性。

若各觀測信號返回震源時可以表示為S（E，r），則觀測到時r與理論到時r的殘差為：

如果用E和r描述E0和ro的不確定性，則ξ0及r模糊度可表示為：

3數(shù)據(jù)選取和計算結(jié)果

3.1數(shù)據(jù)選取與處理

本文選取青海、四川和甘肅省地震臺網(wǎng)寬頻帶地震臺站記錄的震中距小于240km、震相清晰且信噪比較高的波形記錄。根據(jù)初步反演時波形擬合的優(yōu)劣情況，在震中240km范圍以內(nèi)的41個臺（圖1）中，選用其中12個臺的波形資料進行CAP反演，這些臺站的寬頻記錄范圍在50s～20Hz內(nèi)的幅頻響應(yīng)平坦，并對夏河M5.7地震震中形成較好方位覆蓋。波形的數(shù)據(jù)處理過程如下：①對原始的速度記錄消除儀器響應(yīng)后進行積分得到位移記錄;②將位移記錄兩水平分量分別旋轉(zhuǎn)到R、T分量，分為Pnl波和面波兩個部分;③Pnl波與面波截取波形窗長分別為35s和60s，相應(yīng)的帶通濾波頻帶寬度為0.02～0.15Hz和0.02～0.1Hz;④以1s采樣率進行重采樣，與格林函數(shù)保持一致;⑤斷層面參數(shù)走向、傾角、滑動角搜索步長為5°，深度步長為1km，設(shè)Pnl波的權(quán)重為2，面波的權(quán)重為1。

3.2地殼速度模型

目前關(guān)于夏河地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)已經(jīng)有不少研究結(jié)果，如Xu和Song（2010）聯(lián)合反演青藏高原東緣P波速度和莫霍面深度所設(shè)定的初始速度模型;李少華等（2012）利用甘肅東南部及鄰區(qū)24個寬頻帶固定地震臺站記錄的2008年8月1日汶川地震余震的三分量全波形資料，采用小生境遺傳算法和反射率法相結(jié)合的波形反演方法，給出了甘肅東南部地殼速度模型;Zhang 等（2013）布設(shè)了一條跨越甘肅合作一景泰、長約430km的人工地震高分辨率寬角反射/折射探測剖面，得到了區(qū)域內(nèi)的P波速度模型;肖卓和高原（2017）對青藏高原東北緣及其鄰區(qū)進行雙差成像時，分別選取以上3種速度模型作為初始模型進行反演效果測試，結(jié)果顯示Zhang 等（2013）研究得到的速度模型總走時殘差（均方根、均值、方差）最小，震源位置空間誤差均值最小，因此本文將其作為最佳速度模型（表1）。

3.3 CAP方法反演結(jié)果

本文利用CAP方法反演夏河M5.7地震的震源機制解，圖2波形擬合結(jié)果顯示震源機制在震源深度為5.4km時擬合結(jié)果最好，最佳雙力偶解節(jié)面I的走向為305°、傾角為52°、滑動角為50°，節(jié)面Ⅱ的走向為179°、傾角為53°、滑動角為129°。

從不同國內(nèi)外研究機構(gòu)給出的夏河M5.7地震震源機制解（表2）可以看出，該次地震為逆沖兼走滑型，節(jié)面走向為NNW，但震源深度存在差異，在5.4～16.3km。本文得到的震源機制解結(jié)果與GCMT和張波等（2020）給出的結(jié)果較為一致，表明本文利用CAP方法得到的結(jié)果比較可靠。圖3為夏河M、5.7地震波形擬合相關(guān)系數(shù)，共有12個臺站54個震相參與反演，其中相關(guān)系數(shù)≥90%的有29個，比例為53.7%;相關(guān)系數(shù)≥80%的有45個，比例為83.3%;相關(guān)系數(shù)≥70%的有54個，比例為100%，反演結(jié)果較可靠。

3.4逆時成像技術(shù)測定震源深度

本文選擇9個震中距小于130km的臺站（圖4、表3），平均震中距為82km，最近臺站（GS_HZT）的震中距僅為22km。從圖4可以看出，這些臺站對夏河地震震中的包圍較好，在四象限均有分布。因此，使用這些臺站的資料有利于確定這次地震的震源深度。

基于表1所示的地殼速度模型，本文測定夏河地震的破裂起始時刻為2019年10月28日1時56分47.41秒，震中位置（35.067°N，102.660°E），震源深度5.4km。發(fā)震時刻、震中緯度、震中經(jīng)度和震源深度的不確定性依次為0.08s、0.005°、0.005°和1.0km（圖4）。

4討論

本文采用CAP方法反演得到的2019年夏河M5.7地震的震源機制解與GCMT和張波等（2020）得出的結(jié)果較為一致，皆為逆沖兼具少量走滑類型?？紤]到本文收集了更豐富、對震中方位覆蓋更好的12個臺站的地震波形資料，采用了更貼近實際、經(jīng)過研究區(qū)域?qū)游龀上裱芯浚ㄐぷ浚咴?017）篩選的地殼速度模型（Zhang et al ，2013），雖然在CAP反演中對地殼速度模型要求不高，但羅鈞（2013）和潘瑞等（2019）研究均表明一個貼近實際的地殼速度模型能夠獲得較準確的震源機制解，因此，本文反演得到的震源機制解具有較高的可靠性。

4.1計算結(jié)果

本文利用CAP方法得出的夏河M5.7地震震源深度較淺（5.4km），比不同機構(gòu)得到的結(jié)果都淺，但與張波等（2020）的結(jié)果（震源深度為5.9km）接近。其原因為研究機構(gòu)需在震后短時間內(nèi)根據(jù)區(qū)域地震臺站波形資料和基于Crust 1.0或Crust 2.0等區(qū)域地殼速度模型獲得的格林函數(shù)庫計算并公布震源機制結(jié)果，而個人研究則有充足時間搜集不同地震臺網(wǎng)的觀測資料、測試不同速度模型下反演結(jié)果的優(yōu)劣，因此震源深度的差異可能與使用的觀測資料和速度模型不盡相同有關(guān)。為了進一步確認夏河M5.7地震的震源深度，本文使用逆時成像技術(shù)對其震源深度進行了再次測定，并確定了夏河地震的起始破裂點的位置。定位結(jié)果表明，夏河地震發(fā)生于2019年10月28日1時56分（47.41±0.08）s，震中位置（35.067±0.005）°N、（102.660±0.005°）E，震源深度（5.3±1.0）km。逆時成像技術(shù)測定的震源位置在水平面、深度-緯度和深度-經(jīng)度剖面的模糊度都分布均勻、相對較好?；诮饘掝l帶波形的CAP方法反演得到的該地區(qū)其他中等地震事件，如2013年岷縣漳縣6.6級地震（李曉峰等，2013）、2013年岷縣4.5級地震（王麗霞，張暉，2017）和2011年甘肅迭部4.0級地震（張輝等，2013）的震源深度為6～7km，這些研究結(jié)果均表明該地區(qū)的發(fā)震深度較淺，因此本文得到的夏河地震的震源深度較為可靠。

4.2發(fā)震構(gòu)造

夏河M5.7地震震中周邊發(fā)育4條斷裂（圖1），分別為夏河斷裂（F1）、達麥一合作斷裂（F2）、臨潭—宕昌斷裂（F3）、西秦嶺北緣斷裂（F4），其中西秦嶺北緣斷裂鍋麻灘段和臨潭—宕昌斷裂西段距離夏河M5.7地震震中較遠（分別為27km、19km），因此判定這兩條斷裂不是本次地震的發(fā)震斷層。本文得到的夏河地震的發(fā)震斷層節(jié)面走向為305°，與震中附近夏河斷裂東段走向（110°）兩者之間的夾角僅為15°;本文得到的發(fā)震構(gòu)造和滑動角為50°，與夏河斷裂兼具逆沖和左旋走滑分量的活動性質(zhì)相一致。另外，達麥一合作斷裂位于二疊系與三疊系之間，而夏河斷裂發(fā)育于三疊系內(nèi)部，達麥一合作斷裂的深度相對更深，而本文得到的夏河地震震源深度為5.4km，根據(jù)震源位置和發(fā)震斷層面傾角的幾何關(guān)系，將震源位置投影至水平面后，震中距離發(fā)震斷層約4.1km，而夏河斷裂距離夏河地震震中北側(cè)約2.5km，因此節(jié)面I與夏河斷裂構(gòu)造特征具有較好的匹配性，推斷夏河斷裂為本次地震的發(fā)震斷層。

5結(jié)論

本文使用青海、甘肅和四川地震臺網(wǎng)寬頻帶數(shù)字地震波形資料，利用CAP方法反演2019年夏河M5.7地震的震源機制解，并結(jié)合逆時成像技術(shù)對其震源深度進行了再次測定，得到以下主要結(jié)論：

（1）本文反演獲得的震源機制解與GCMT和張波等（2020）給出的結(jié)果較為一致。節(jié)面I參數(shù)（走向305°/傾角52°/滑動角50°）與張波等（2020）基于遙感解譯新發(fā)現(xiàn)并暫命名為夏河斷裂的隱伏斷裂產(chǎn)狀（走向312°/傾角42°/滑動角48°）基本一致，因此節(jié)面I（走向305°/傾角52°/滑動角50°）應(yīng)為夏河M5.7地震的發(fā)震斷層面。

（2）本文得到的夏河地震的震源深度為5.4km，比不同機構(gòu)得到的結(jié)果都淺，與張波等（2020）給出的結(jié)果相近，符合該地區(qū)地震震源深度較淺的特征。

（3）由于缺乏近臺數(shù)據(jù)，USGS和GCMT等機構(gòu)給出的遠震事件震源深度常存在較大的不確定性，如2012年南北地震帶5次中等地震（李志偉等，2015）、2016年廣西蒼梧5.4級地震（趙韜等，2019）、2019年甘肅夏河M5.7地震的震源深度均存在明顯偏差，未來在使用USGS和GCMT等機構(gòu)給出的遠震事件震源深度時，應(yīng)該考慮震源深度的誤差。

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Determination of the Focal Mechanism and Focal Depth of the Xiahe， Gansu <5.7 Earthquake in 2019

YUAN Fuquan1， HUANG Hao CAI Liwen， LI Qilei， ZHAO Yanjie LIU xingsheng

（1. Qinghai Earthquake Agency， Xining 810001， Qinghai， China）

（2. Emergency Management Department of Qinghai Province， Xining 810001， Qinghai， China）

Abstract

In order to accurately determine the focal depth of the Xiahe， Gansu M5.7 earthquake， we used the broad-band waveforms from Qinghai Seismic Networks， Gansu Seismic Networks and Sichuan Seismic Networks to invert the focal mechanism of this earthquake on the basis of Cut-and-Paste （CAP） method and the regional velocity model. We further delimited the earthquake's depth by the time reversal imaging technique. We find that this earthquake is a thrust and strike slip one， and its focal depth is about 5 km. And its seismogenic fault is the Xiahe fault， which is newly discovered by remote sensing interpretation and field investigation， i. e. the plane （strike 305°/dips52°/rake50°）could be the seismogenic fault .

Keywords： theXiahe earthquake; CAP method; focal depth; time - reversal imaging technique