2021年11月18日寧夏靈武MS4.0地震震源參數(shù)研究

許英才，曾憲偉

寧夏回族自治區(qū)地震局, 銀川750001

0 引 言

據(jù)寧夏地震臺網(wǎng)測定，北京時(shí)間2021年11月18日20時(shí)42分54秒在寧夏回族自治區(qū)銀川市靈武市郝家橋鎮(zhèn)（38.01°N，106.27°E）發(fā)生MS4.0地震，震源深度21 km，本次靈武MS4.0（ML4.5）地震發(fā)生前一個(gè)月內(nèi)震中區(qū)及其附近并無小震活動，而震后一個(gè)月內(nèi)震中區(qū)附近發(fā)生小震僅8次，其中ML0.0～0.9地震1次，ML1.0～1.9地震6次，ML2.0～2.9地震1次，最大地震為11月20日ML2.0地震，最大震級差△M為2.5，根據(jù)震級差的地震序列分類思路（中國地震局編，1998），該地震序列的最大震級差符合△M≥2.5及地震頻次十分稀少的條件，為此屬于孤立型地震. 地震震中與靈武市、吳忠市、青銅峽市、永寧縣、銀川市的距離分別為11.1 km、11.3 km、27.6 km、30.9 km、51.8 km. 地震發(fā)生后，寧夏地震局立刻進(jìn)入地震應(yīng)急工作響應(yīng)狀態(tài)，第一時(shí)間派出10余人的現(xiàn)場工作隊(duì)赴震中開展應(yīng)急處置工作，該地震導(dǎo)致靈武市震感較為強(qiáng)烈，宏觀震中區(qū)個(gè)別房屋墻體出現(xiàn)少量輕微裂縫，銀川市也有明顯震感，部分高層住宅樓吊燈晃動明顯，該地震造成了一定的社會影響. 根據(jù)地震目錄統(tǒng)計(jì)，1970年以來靈武市及周邊地區(qū)（37.6°N～38.5°N，105.5°E～106.7°E）共發(fā)生MS4.0以上地震18次（即MS4.0～4.9地震13次，MS5.0～5.9地震5次），其中有10次（除了2021年靈武MS4.0地震）相對集中在本次MS4.0地震震中的20 km范圍內(nèi)（圖1），且均發(fā)生在1984～1988年期間，距本次MS4.0地震震中20 km范圍內(nèi)時(shí)間最近的地震為1988年4月12日靈武MS4.3地震，震級最大的為1987年8月10日靈武MS5.5地震和1988年1月4日靈武MS5.5地震，其5級地震的序列類型分別為主余型和多震型，而且這些5級地震發(fā)生前2個(gè)月內(nèi)均存在至少1次ML4.0以上的標(biāo)志性地震活動（許英才和曾憲偉，2020）；而距震中20 km以外的區(qū)域，時(shí)間最近的地震為2012年11月20日永寧MS4.6地震，其次為2010年6月22日永寧MS4.5地震.

圖1 靈武MS4.0地震震中附近區(qū)域構(gòu)造及1970年以來MS4.0以上的地震分布. 紅色和藍(lán)色虛線分別代表距震中半徑20 km和30 km，HL：黃河—靈武斷裂；NS：牛首山斷裂；GMH：關(guān)馬湖斷裂；CX：崇興斷裂；XHQ：新華橋斷裂；YC：銀川隱伏斷裂，下同F(xiàn)ig. 1 Regional tectonic structure near the epicenter of the MS4.0 Lingwu earthquake and the epicenters of the MS≥4.0 historical earthquakes since 1970. Red and blue dotted lines respectively represent the radius from the epicenter of 20 km and 30 km.HL: Huanghe-Lingwu fault; NS: Niushouhan fault; GMH: Guanmahu fault; CX: Chongxing fault; XHQ: Xinhuaqiao fault;YC: Yinchuan hidden fault, the same below

2021年11月18日靈武MS4.0地震也打破了該震中20 km范圍內(nèi)近33年無MS4.0以上地震的記錄，而且該范圍所在區(qū)域?qū)儆趨侵摇`武地區(qū)，MS4.0以上地震相關(guān)研究成果十分稀少，鑒于該地震為孤立型地震，本文擬采用Hypo2000方法（Klein, 2002）對該單個(gè)地震事件進(jìn)行絕對定位，以及初至P震相定位方法（曾憲偉等，2017，2019）測定該地震的初始破裂深度；然后基于近震波形擬合反演的gCAP方法（Zhu and Ben-zion, 2013）計(jì)算其震源機(jī)制解、矩張量解、矩震級和震源矩心深度；最后基于震源機(jī)制和應(yīng)力場模擬的方法（萬永革，2020）計(jì)算已有區(qū)域應(yīng)力場體系在靈武MS4.0地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力，分析和探討該地震的震源參數(shù)特征，為吳忠—靈武地區(qū)補(bǔ)充和完善MS4.0以上地震的相關(guān)資料.

1 地震構(gòu)造背景

靈武MS4.0地震在構(gòu)造上主要發(fā)生在銀川地塹南部（圖1），銀川地塹東、西兩側(cè)分別為穩(wěn)定的鄂爾多斯塊體和阿拉善塊體，西南側(cè)為活動性強(qiáng)烈的青藏高原東北緣弧形構(gòu)造區(qū)，在青藏塊體NE向推擠的作用下，銀川地塹在阿拉善和鄂爾多斯塊體之間形成了走向NNE的盆嶺構(gòu)造，以永寧—靈武之間為界，北側(cè)為銀川地塹中、北部，南側(cè)為銀川地塹南部，本次地震震中20 km以內(nèi)范圍在構(gòu)造上仍屬于銀川地塹南部區(qū)域，1970年以來南側(cè)區(qū)域的地震活動性高于北側(cè)區(qū)域，并且地塹南部和中、北部在構(gòu)造上仍存在一定的差異（楊明芝等，2007）. 區(qū)域內(nèi)發(fā)育了多條活動斷裂以及一些隱伏斷裂，其中銀川隱伏斷裂（YC）北起銀川，穿過永寧，南至靈武西側(cè)，是一條較大規(guī)模的隱伏斷裂（柴熾章等，2011），斷裂傾向西且傾角范圍66°～82°，該斷裂北段為全新世活動斷層、南段為晚更新世活動斷層，控制了2010年永寧MS4.5和2012年永寧MS4.6地震的活動，其發(fā)震構(gòu)造為走向NNE且傾向NWW的右旋走滑斷層（曾憲偉等，2014；金春華等，2017）；新華橋斷裂（XHQ）為走向NNE向且傾向SE向的隱伏正斷裂（李倩等，2019a）；崇興斷裂（CX）為NNE走向且傾角近似陡立的正斷層（李倩等，2019b）；黃河—靈武斷裂（HL）則為一條規(guī)模宏大的走滑兼正斷的活動斷裂（酆少英等，2011），切穿了銀川地塹的莫霍面及下地殼，而且該斷裂兩側(cè)莫霍面存在錯(cuò)斷；關(guān)馬湖斷裂（GMH）位于牛首山北東側(cè)的臺地前緣（楊明芝等，2007），為總體走向約300°左右且向NE傾伏的正斷層，也是銀川地塹南西側(cè)第四紀(jì)盆地的邊界；牛首山斷裂（NS）為青藏高原東北緣最外緣的一條斷裂帶（陳虹等，2013），為走向NW、傾向SW且傾角約60°～70°的斷層，具有擠壓逆沖特征，也有明顯的右旋走滑. 本次靈武MS4.0地震微觀震中位于崇興斷裂（CX）中部，寧夏區(qū)域地震臺網(wǎng)給出的該地震定位震中（106.27°E，38.01°N）距離最近的銀川隱伏斷裂（YC）、新華橋斷裂（XHQ）以及黃河—靈武斷裂（HL）均不到10 km，而在震中南側(cè)約10 km左右范圍也存在一些走向錯(cuò)綜復(fù)雜的次級或分支斷裂.

根據(jù)吳忠—靈武地區(qū)歷史地震活動性資料（許英才和曾憲偉，2020），該區(qū)域具有多重共軛構(gòu)造的特征，而且1971～1988年期間發(fā)生的5次MS5.0以上地震中，有3次在震前存在顯著的廣義前震，地震序列類型較為復(fù)雜；而且該區(qū)域相關(guān)強(qiáng)震危險(xiǎn)性研究表明（曾憲偉等，2021），新華橋斷裂（XHQ）到崇興斷裂（CX）之間的區(qū)域仍存在發(fā)生中強(qiáng)震的危險(xiǎn)，本次靈武MS4.0地震發(fā)生在1983～1988年4次MS≥5.0歷史地震集中的老震區(qū)南緣，需重點(diǎn)關(guān)注.

2 靈武MS4.0地震震源參數(shù)計(jì)算

通過使用Hypo2000絕對定位方法得到靈武MS4.0地震的重定位位置，利用初至P震相定位方法計(jì)算該地震的初始破裂深度，然后基于gCAP方法反演其震源機(jī)制解、矩張量解、矩震級和震源矩心深度.

2.1 Hypo2000絕對定位

本文使用了寧夏地震臺網(wǎng)25個(gè)臺站的震相觀測報(bào)告（圖2中的紅色三角形），整體看出這些臺站的方位角覆蓋范圍較廣，其中距震中50～100 km范圍內(nèi)的近臺有著一定的數(shù)量且分布均勻，基于寧夏及鄰區(qū)平均地殼速度模型（楊明芝等，2007），通過Hypo2000進(jìn)行絕對定位（Klein,2002），得到靈武MS4.0地震定位結(jié)果參數(shù)為（見表1）：發(fā)震時(shí)間2021年11月18日20點(diǎn)42分53.59秒，震中經(jīng)、緯度分別為106.269 0°N和37.999 8°E（見圖8a），相比寧夏臺網(wǎng)定位結(jié)果（震中位置見圖1）南偏移了約1.1 km，其震源深度19.08 km，低于寧夏地震臺網(wǎng)給的21 km，走時(shí)均方根殘差由寧夏臺網(wǎng)正式觀測報(bào)告的0.432 s降為0.120 s，橫向誤差0.48 km，垂直（深度）誤差0.79 km，該地震Hypo2000定位結(jié)果精度得到一定程度的提高.可以看出，震中位置區(qū)別較小，但寧夏地震臺網(wǎng)定位的震源深度和本文Hypo2000及CENC結(jié)果均相差2 km左右，這可能與寧夏地震臺網(wǎng)編目過程中其MSDP定位程序用的是雙層地殼速度模型有關(guān)，分層過于簡單在一定程度上也影響了定位結(jié)果，尤其是震源深度影響較大，而Hypo2000定位結(jié)果和CENC結(jié)果基本一致，并且本文將Hypo2000定位結(jié)果作為震源機(jī)制計(jì)算的輸入.

圖2 靈武MS4.0地震震源參數(shù)各方法使用的臺站分布，以及每個(gè)所使用的臺站初至P震相波形圖. 虛圓圈由內(nèi)到外分別代表距震中50 km、100 km、200 km和300 km的半徑；波形圖里的大寫字母為臺站名和其數(shù)字為震中距Fig. 2 Distribution of seismic stations for various methods to calculate the MS4.0 Lingwu earthquake source parameters and first arrival P phase waveform of each used station. The dotted circle from the inside to the outside respectively represents epicenter radius of 50 km, 100 km, 200 km and 300 km. The capital letters in the waveform are the station names and the numbers are the epicenter distances

表1 本文Hypo2000定位、CENC結(jié)果及寧夏區(qū)域地震臺網(wǎng)定位結(jié)果的對比Table 1 Comparison between the Hypo2000 location, CENC result and the location of Ningxia regional seismic network

圖8 （a）2021年11月18日靈武MS4.0地震震源機(jī)制、區(qū)域主壓應(yīng)力（白粗箭頭）和震源機(jī)制P軸（細(xì)黑箭頭）走向；（b）區(qū)域主壓應(yīng)力在節(jié)面I產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力及釋放的P軸；（c）區(qū)域主壓應(yīng)力在節(jié)面II產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力及釋放的P軸Fig. 8 The focal mechanism of the MS4.0 Lingwu earthquake on November 18th, 2021, strike of regional tectonic stress (thick white arrow) and the strikes of P-axis (thin black arrow) from focal mechanism. (b) The schematic diagram of relative shear stress and P-axis on the nodal plane I under the regional principal compressive stress. (c) Relative shear stress and P-axis on the nodal plane II under the regional principal compressive stress

2.2 初至P震相定位法測定震源深度

初至P震相定位法（曾憲偉等，2017，2019）具有比其它震相（譬如S震相）在人工拾取時(shí)相對更加準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，該方法原理是根據(jù)一定的速度模型，設(shè)定地震事件的初始震源位置為震源區(qū)中心，將該區(qū)域劃分為經(jīng)、緯度和深度方向的三維網(wǎng)格，然后通過直達(dá)波Pg以及首波Pn的走時(shí)方程，計(jì)算震相在各格點(diǎn)上的理論走時(shí)與實(shí)際觀測走時(shí)的走時(shí)殘差，搜索走時(shí)殘差最小值對應(yīng)的格點(diǎn)位置，即可給出最佳震源位置，而且Pn震相的加入可以很好地約束震源深度. 為此本文采用了21個(gè)臺站具有清晰P波記錄的走時(shí)數(shù)據(jù)（圖2藍(lán)色三角形），其中記錄Pn震相臺站數(shù)量為4個(gè)（即JNT、JYU、PLT和MIQ臺），這4個(gè)臺站震中距范圍介于279～288 km之間，剩下的17個(gè)臺站均為Pg震相記錄的臺站（震中距范圍主要介于11～227 km之間），然后基于寧夏地區(qū)的平均地殼速度模型（楊明芝等，2007）進(jìn)行計(jì)算，最后得到了初至P震相走時(shí)殘差隨震源深度變化曲線和震源區(qū)附近的走時(shí)殘差三維切片圖（圖3），其曲線和三維切片結(jié)果均顯示走時(shí)殘差在震源深度20 km處為最小，為此得到了2021年11月18日靈武MS4.0地震的初始破裂震源深度為20 km.

圖3 （a）靈武MS4.0地震初至P震相走時(shí)殘差隨震源深度變化曲線；（b）震源區(qū)附近的走時(shí)殘差三維切片F(xiàn)ig. 3 (a) Variation of the travel time residuals with depth of the first arrival P phase of the MS4.0 Lingwu earthquake; (b) 3D slices of travel time residuals near the earthquake source

2.3 gCAP方法反演震源機(jī)制解及矩張量解

gCAP方法（Zhu and Ben-zion, 2013）作為近震波形擬合反演的方法，是將震源機(jī)制在主軸坐標(biāo)系上分為表示斷層面純剪切錯(cuò)動的雙力偶分量（DC）、震源體收縮或膨脹的各向同性分量（ISO）、震源體優(yōu)勢方向的擠壓或張裂變形（CLVD）的組合，把地震波形分為Pnl（體波）和Surf（面波）兩個(gè)部分，然后對其進(jìn)行帶通濾波，計(jì)算觀測波形和理論波形之間的誤差函數(shù)，基于網(wǎng)格搜索獲取空間中誤差函數(shù)最小時(shí)對應(yīng)的最佳解.該方法具有對臺站分布、速度模型依賴較小等優(yōu)點(diǎn)，主要用于計(jì)算震源機(jī)制解和矩張量解. 根據(jù)本文Hypo2000定位結(jié)果和寧夏地區(qū)平均地殼速度模型（楊明芝等，2007），基于頻率—波數(shù)（即F-K）方法（Zhu and Rivera, 2002）計(jì)算不同震中距及深度的理論格林函數(shù)，深度范圍為0～30 km，步長1 km，理論格林函數(shù)的采樣率均為0.2 s，并選取了9個(gè)震中距介于106～279 km范圍具有清晰波形記錄的臺站（見圖2中的正方形），然后對這些臺站的波形進(jìn)行去均值、去趨勢及去儀器響應(yīng)等預(yù)處理，重采樣頻率為0.2 s并和格林函數(shù)的一致，波形三分量旋轉(zhuǎn)至徑向、切向和垂向分量，Pnl波和Surf波時(shí)窗長度分別為30 s和70 s，并用4階Butterworth帶通濾波器對Pnl波和Surf波進(jìn)行濾波，其濾波頻段分別為0.04～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz，反演只有雙力偶成分的震源機(jī)制斷層平面解時(shí)將ISO（即各向同性源）和CLVD（即補(bǔ)償線性矢量偶極子）成分限制為零，并只計(jì)算DC成分（即雙力偶），而反演矩張量解時(shí)需將這些成分全部參與計(jì)算，得到其全矩張量解.

gCAP方法得到的靈武MS4.0地震震源機(jī)制斷層平面解結(jié)果如圖4和表3所示，震源機(jī)制誤差隨深度變化圖呈“V”型特征變化，并且在19 km處誤差達(dá)到最小值，為此該地震的震源矩心深度為19 km，其觀測和理論波形擬合圖顯示擬合系數(shù)大于60%的約占76%，震源機(jī)制解節(jié)面I為走向280°、傾角61°、滑動角30°，矩震級為MW4.12.gCAP方法得到的靈武MS4.0地震矩張量解結(jié) 果如圖5、表2及表3所示，反演誤差在19 km處為最小，為此矩張量解得到的震源矩心深度也為19 km，該深度處的觀測和理論波形擬合圖顯示擬合系數(shù)大于60%的約占76%，其最佳雙力偶的震源機(jī)制解節(jié)面I為走向276°、傾角66°、滑動角27°，矩震級MW4.12. gCAP方法分別用 ζ 和 χ表示（Zhu and Ben-zion, 2013）全矩張量解中ISO和CLVD分量的大小，并給出了各分量的比例即ΛI(xiàn)SO（ISO分量占比）、 ΛDC（DC分量占比）及ΛCLVD（CLVD分量占比）的計(jì)算公式（1）、（2）、（3）和（4）. 由圖5知，該地震全矩張量解對應(yīng)ISO的ζ值為0.33，CLVD的 χ值為0.21. 通過上述公式計(jì)算得出該地震雙力偶成分占85.18%（表2），非雙力偶成分占14.82%，表明該地震為天然地震事件.

表3 2021年11月18日靈武MS4.0地震gCAP方法的斷層平面解和矩張量最佳雙力偶解參數(shù)Table 3 The parameters of fault plane solution and optimal double couple solution of moment tensor from gCAP method of the MS4.0 Lingwu earthquake on November 18th, 2021

圖5 （a）2021年11月18日靈武MS4.0地震矩張量解誤差隨深度變化圖;（b）矩張量解與觀測波形（黑色）與理論波形（紅色）擬合圖Fig. 5 (a) Variation of fitting error with depth during moment tensor inversion; (b) Moment tensor solution and fitting figure between the observed (black) and synthetic (red) waveforms for the MS4.0 Lingwu earthquake on November 18th, 2021

表2 2021年11月18日靈武MS4.0地震各分量在全矩張量解中的比例Table 2 The percentage of full moment tensor solution from the MS4.0 Lingwu earthquake on November 18th,2021

圖4 （a）2021年11月18日靈武MS4.0地震震源機(jī)制誤差隨深度變化圖；（b）震源機(jī)制和觀測波形（黑色）與理論波形（紅色）擬合圖，擬合圖里波形左側(cè)臺站名下方的數(shù)字為震中距（單位：km），波形下側(cè)的兩行數(shù)字分別為理論地震圖相對觀測地震圖的移動時(shí)間（單位：s）及兩者的相關(guān)系數(shù)（單位：%），下同F(xiàn)ig. 4 (a)Variation of fitting error with depth during focal mechanism inversion; (b) Focal mechanism solution and fitting figure between the observed(black) and synthetic(red) waveforms for the MS4.0 Lingwu earthquake on November 18th, 2021. The stations names are given on the left side of the waveforms, and the number below the everystation name is the epicenter distance (unit: km), and the numbers below the waveforms are the time shifts(unit: s) of the synthetics relative to the observations and the corresponding cross-correlation coefficients (unit: percentage) , the same below

本文的該地震震源機(jī)制誤差通過利用Bootrapping方法（Efron and Tibshirani, 1986）進(jìn)行評估，從而了解結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性. 在原有已經(jīng)計(jì)算的9個(gè)臺站基礎(chǔ)上，從之前預(yù)處理刪去的臺站中選取了波形質(zhì)量較好和方位角分布相對均勻的3個(gè)臺站（即HXT、WUH和SGS臺）加入計(jì)算，即以12個(gè)臺站為原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行抽樣，并按照放回抽樣的方式進(jìn)行，允許一些臺站被重復(fù)選中，也存在一些臺站未被采樣. 然后進(jìn)行Bootsrapping方法的1 000次反演，結(jié)果表明（圖6），走向、傾角和滑動角的標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.20°、3.19°和8.76°，圖6中看出這些震源機(jī)制參數(shù)分布相對集中，反映該地震的震源機(jī)制解結(jié)果比較穩(wěn)定可靠.

圖6 1 000次Bootstrapping計(jì)算的震源機(jī)制走向、傾角和滑動角結(jié)果Fig. 6 Strikes, dips and slides of focal mechanism calculated by bootstrapping in 1000 times

2.4 現(xiàn)今應(yīng)力場體系在靈武MS4.0地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力和正應(yīng)力

本文根據(jù)區(qū)域應(yīng)力場和震源機(jī)制關(guān)系的數(shù)值模擬方法（萬永革，2020），基于靈武MS4.0地震震源區(qū)所在的已有區(qū)域應(yīng)力場體系數(shù)據(jù)：即主壓應(yīng)力軸走向52°和傾伏角26°、主張應(yīng)力軸走向190°和傾伏角57°以及應(yīng)力形因子0.05（Wan, 2010）. 然后計(jì)算了該應(yīng)力場體系在不同形狀斷層面上產(chǎn)生的模擬震源機(jī)制、相對剪應(yīng)力和正應(yīng)力，也計(jì)算了該應(yīng)力場體系在本次靈武MS4.0地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面上產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力. 相對剪應(yīng)力和正應(yīng)力是將震源機(jī)制節(jié)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力統(tǒng)一采用最大剪應(yīng)力[即（主張應(yīng)力—主壓應(yīng)力）/2]進(jìn)行歸一化而得到的相對應(yīng)力（萬永革，2020）.

結(jié)果表明（圖7），應(yīng)力張量在不同形狀斷層面上產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力有所不同，模擬的震源機(jī)制類型也有所不同，而且震源機(jī)制、相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力均呈現(xiàn)一定的分區(qū)特征，其中剪應(yīng)力較大的區(qū)域主要相對集中在斷層面走向90°～180°且其傾角均為20°左右、傾角30°～90°且走向均為90°左右、傾角30°～90°且走向均為180°左右以及走向300°～330°且傾角70°～80°的范圍.

圖7 現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力體系在靈武MS4.0地震震源區(qū)模擬的各形狀斷層面的震源機(jī)制. （a）相對剪應(yīng)力分布；（b）相對正應(yīng)力分布. 模擬網(wǎng)格震源機(jī)制的區(qū)域應(yīng)力場數(shù)據(jù)來自Wan（2010）Fig. 7 Distribution of simulated focal mechanisms from fault planes with different shapes and (a) relative shear stress and (b) normal stress under current regional stress system in the MS4.0 Lingwu earthquake focal area, and the regional stress field data of simulating focal mechanisms in grids are derived from Wan (2010)

應(yīng)力張量在靈武MS4.0地震震源機(jī)制節(jié)面I（走向280.0°，傾角61.0°）上的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力分別為0.689和0.414，剪應(yīng)力的滑動角為51.8°，與該節(jié)面的觀測滑動角30°相差21.8°；而在其節(jié)面II（即走向174.4°，傾角64.1°）上的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力分別為0.817和-0.846，剪應(yīng)力的滑動角為-174.2°，與該節(jié)面的觀測滑動角147°相差27.2°，即剪應(yīng)力滑動角和該地震震源機(jī)制節(jié)面II的滑動角差別不大且相對剪應(yīng)力接近1（剪應(yīng)力最大為1），為此走向174°的節(jié)面II理論上也是該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的相對最優(yōu)釋放節(jié)面. 而節(jié)面I雖然有著一定的相對剪應(yīng)力和正應(yīng)力分量，但均不是最大，說明節(jié)面I既不是有利于產(chǎn)生最大剪應(yīng)力的形狀也不是有利于產(chǎn)生最大正應(yīng)力的形狀.

3 討論

3.1 震源深度及非雙力偶機(jī)制成因探討

本文Hypo2000測定的震源深度19.08 km，初至P震相定位法計(jì)算的震源深度為20 km，gCAP方法反演的震源機(jī)制和矩量解最佳的震源深度均為19 km，考慮到Hypo2000和初至P震相定位法測定的震源深度均為初始破裂深度，而gCAP方法反演的震源深度屬于震源矩心深度，可以看出，本次地震震源較深.

由于雙力偶機(jī)制對應(yīng)于平面斷層上的純剪切運(yùn)動，而非雙力偶機(jī)制則主要體現(xiàn)為其它復(fù)雜的震源破裂，從地震事件起因角度來說主要?dú)w因于（Miller et al., 1998; 李圣強(qiáng)等, 2013; 張廣偉和雷建設(shè), 2015; 梁姍姍等, 2019; 殷偉偉和張蕙, 2021）滑坡和火山噴發(fā)這類平移過程激發(fā)的地震、巖漿液的平流事件或巖漿侵入引起的地震、地?zé)釁^(qū)以及礦山的地震、俯沖帶及洋中脊轉(zhuǎn)換帶地震、上地幔多形相變帶內(nèi)的深源地震以及熱物質(zhì)上涌引起的地震等；從破裂過程角度來說，非雙力偶機(jī)制主要來源于復(fù)雜斷層面的張性破裂或剪切破裂、多重震源破裂的疊加、共軛斷裂交匯區(qū)非平面結(jié)構(gòu)的破裂、高孔隙流體壓力引起的拉張或閉合破裂、非均勻性以及各向異性介質(zhì)中的多態(tài)相變或剪切破裂等（Frohlich,1995; Julian et al., 1998; Vavryuk, 2002; Lei et al.,2012）. 另外，非雙力偶成分中有一部分比例也有可能不是真實(shí)震源破裂過程的反映，屬于觀測或計(jì)算誤差所致（白起鵬，2021），尤其是CLVD分量盡可能越小則越接近真實(shí)的震源破裂過程.gCAP方法的矩張量解計(jì)算得出靈武MS4.0地震非雙力偶成分占14.82%，表明該地震的震源破裂過程較為復(fù)雜，其呈現(xiàn)的復(fù)雜性可能和震源區(qū)域的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，但也可能是其它原因. Foulger等（2004）研究多次火山地震發(fā)現(xiàn)剪切和拉張斷裂因流體的應(yīng)力作用引起了體積補(bǔ)償過程所致；梁姍姍等（2019）結(jié)合吉林MS5.1地震矩張量和該區(qū)域莫霍面隆起且減薄現(xiàn)象等其它資料結(jié)果，認(rèn)為熱物質(zhì)上涌不僅僅改變了其莫霍面形態(tài)，其深部熱物質(zhì)流體流入交叉型斷裂導(dǎo)致了該地震的發(fā)生. 由于本次靈武MS4.0地震發(fā)生在銀川地塹南部區(qū)域，且該區(qū)域地殼下方存在莫霍面錯(cuò)斷且隆起的現(xiàn)象（許英才等，2018），該區(qū)域泊松比偏高，并存在上地幔物質(zhì)上涌以及地殼減薄，上地幔隆起約6 km，其莫霍面深度最淺約36 km，人工地震探深結(jié)果（酆少英等，2011）也顯示和前述基本一致的莫霍面特征，可能表明銀川地塹南部上地幔物質(zhì)上涌導(dǎo)致了莫霍面形態(tài)的改變，使其向上凸起并影響了震源區(qū)的一些斷層；根據(jù)銀川地塹地殼速度相關(guān)資料（李清河等，1999），銀川地塹下地殼存在一近長80 km的低速異常透鏡體，推測是局部熔融作用所致；銀川地塹相關(guān)地殼深部熱結(jié)構(gòu)資料表明（嚴(yán)烈宏和王利，2002），銀川地塹地表熱流值為56.8 mw/m2，地殼熱流對地表熱流的貢獻(xiàn)只占40%，而有60%的熱流來源于地幔，由于地表熱流并不高，但是地幔熱流卻很高，而且較大地震震源深度在15～25 km之間，在這個(gè)深度巖層溫度大致為300～500 °C范圍，當(dāng)處于該溫度范圍時(shí)，其巖石主要呈現(xiàn)為脆性的特征，這可能是在此深度范圍上中強(qiáng)地震容易發(fā)生的一種解釋，似乎表明地幔熱流和銀川地塹的中強(qiáng)地震有更密切的關(guān)系，這些依據(jù)更有利于本次靈武MS4.0地震震源深度19～20 km發(fā)生機(jī)理的一種解釋，也說明靈武中等地震容易發(fā)生在較高熱流區(qū)域地帶；再結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造斷層結(jié)果，震中所在區(qū)域不僅僅有NNE向或NS向斷層，而且也存在近EW向的斷層，總體形成了交叉型斷裂結(jié)構(gòu)，上地幔物質(zhì)上涌可能導(dǎo)致熱物質(zhì)流體長期影響著這些斷裂，對斷層有著一定的弱化作用，從而影響著震源區(qū)不易形成較大應(yīng)力的積累，并以中等程度的地震方式釋放，這也是震源區(qū)長達(dá)33年還是無MS5.0以上地震的可能原因之一，為此本文矩張量解結(jié)果結(jié)合銀川地塹地殼結(jié)構(gòu)、地殼深部熱結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造等資料，初步分析認(rèn)為本次靈武MS4.0地震的發(fā)震機(jī)理可能和銀川地塹上地幔物質(zhì)上涌活動有關(guān).

3.2 構(gòu)造應(yīng)力與震源機(jī)制的關(guān)系

為了研討構(gòu)造應(yīng)力與本次靈武MS4.0地震震源機(jī)制P軸、斷層面等的關(guān)系，采取gCAP方法斷層平面解的P軸走向48°（圖8），以及節(jié)面I走向（即280°）和節(jié)面II走向（即174°），區(qū)域應(yīng)力場的主壓應(yīng)力軸走向?yàn)?2°，再結(jié)合前文計(jì)算剪應(yīng)力結(jié)果，即該地震震源機(jī)制節(jié)面I的相對剪應(yīng)力為0.689、節(jié)面II的相對剪應(yīng)力為0.817，并將這些要素直觀地繪制成示意圖（圖8b和圖8c），分析該地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面走向、P軸走向、區(qū)域主壓應(yīng)力軸走向與相對剪應(yīng)力之間的關(guān)系. 由于地震發(fā)生時(shí)釋放的應(yīng)力的主軸（即P、T軸）與震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的主軸之間存在著一定的關(guān)系即如圖9，地震震源機(jī)制解P軸、T軸主要反映的是震源區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)（陳運(yùn)泰和劉瑞豐，2021），并不是震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力本身，也就是說地震發(fā)生時(shí)釋放的應(yīng)力的P、T軸與震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的主軸之間是有著一定區(qū)別和聯(lián)系的，從理論上來說P、T軸和構(gòu)造應(yīng)力的最小主（張）應(yīng)力軸（最大主壓應(yīng)力軸）的方向以及最大主（張）應(yīng)力軸（最小主壓應(yīng)力軸）的方向都基本分別成45-θ的角度（陳運(yùn)泰和劉瑞豐，2021）. 對本次靈武MS4.0地震的震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面來說（圖8b和圖8c），不管哪個(gè)節(jié)面為發(fā)震面其區(qū)域主壓應(yīng)力和P軸的走向均是不變，而且其P軸和主壓應(yīng)力軸之間夾角也是一致的，由于震源機(jī)制的兩個(gè)節(jié)面均有可能是發(fā)震斷層面，如果走向280°的節(jié)面I是發(fā)震斷層面，則區(qū)域主壓應(yīng)力走向（β=52°）和節(jié)面I（即走向α=280°-180°=100°）的夾角θ為48°，產(chǎn)生的錯(cuò)動方式為左旋走滑；如果走向174°的節(jié)面II是發(fā)震斷層面，則區(qū)域主壓應(yīng)力走向（β=52°）和節(jié)面II（走向α=174°-180°=-6°）的夾角為58°，產(chǎn)生的錯(cuò)動方式為右旋走滑.已有相關(guān)巖石破裂三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)表明（Kirby,1980），破裂面的取向和引起破裂的應(yīng)力狀態(tài)存在一定的關(guān)聯(lián)（圖9），則破裂面和最小主（張）應(yīng)力軸（最大主壓應(yīng)力軸，即p3軸）的夾角隨內(nèi)摩擦系數(shù)的增大而減小，而地震發(fā)生時(shí)沿?cái)鄬用驷尫帕艘欢ù笮〉募羟袘?yīng)力，這相當(dāng)于在與斷層面成45°和 135°角的方向上釋放了數(shù)值上等于剪應(yīng)力大小的壓應(yīng)力和數(shù)值上也等于剪應(yīng)力大小的張應(yīng)力（Stein and Wysession, 2003），震源區(qū)在破裂之前其內(nèi)摩擦系數(shù)越大則破裂面與構(gòu)造主壓應(yīng)力的夾角就越小，則剪應(yīng)力就越小，斷層就越不容易產(chǎn)生滑動；反之若內(nèi)摩擦系數(shù)越小情況下破裂面和構(gòu)造主壓應(yīng)力的夾角就越大，則剪應(yīng)力就越大，斷層就越容易產(chǎn)生滑動. 這是由于如果假設(shè)某巖石是各向同性介質(zhì)且?guī)r性一致前提下，而且?guī)r石內(nèi)部存在不同方向的裂隙，該應(yīng)力（即使得巖石裂隙兩側(cè)產(chǎn)生錯(cuò)動的最大主應(yīng)力）作用于巖石的時(shí)候，一般情況應(yīng)力方向和破裂面夾角越大則破裂面所在區(qū)域抗剪強(qiáng)度可能就越大（相應(yīng)剪應(yīng)力就越大），夾角越小則抗剪強(qiáng)度就越?。ㄏ鄳?yīng)地剪應(yīng)力就越?。?

圖9 震源機(jī)制主軸與構(gòu)造應(yīng)力主軸關(guān)系示意圖（陳運(yùn)泰和劉瑞豐，2021）Fig. 9 Relationship between focal mechanism spindle and tectonic stress spindle (Chen and Liu, 2021)

從圖8b和圖8c可以看到走向52°的區(qū)域主壓應(yīng)力在節(jié)面I和節(jié)面II上產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力τ分別為0.689和0.817，即節(jié)面I產(chǎn)生的剪應(yīng)力要略小于節(jié)面II. 區(qū)域主壓應(yīng)力軸和節(jié)面I的夾角θ只有48°，而和節(jié)面II的夾角θ為58°，即后者夾角比前者夾角大了10°，由于主壓應(yīng)力軸和斷層面之間夾角越大，則表明該走向的斷層面所在的內(nèi)摩擦系數(shù)就越小，而內(nèi)摩擦系數(shù)越小則剪應(yīng)力就越大，所以這也較好解釋了具有較大夾角（即主壓應(yīng)力軸和斷層面之間夾角，下同）的節(jié)面II上的產(chǎn)生相對剪應(yīng)力要大于具有較小夾角的節(jié)面I上的剪應(yīng)力. 為此，在某區(qū)域的已知應(yīng)力場體系下，不同節(jié)面上的剪應(yīng)力和內(nèi)摩擦系數(shù)的不同主要?dú)w因于該走向的區(qū)域構(gòu)造主壓應(yīng)力所在的應(yīng)力場體系和斷層面的走向不同共同決定的，該應(yīng)力場體系在不同形狀斷層面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力不同，一般主壓應(yīng)力軸走向和斷層面走向之間的夾角越大，則該應(yīng)力場體系在該斷層面產(chǎn)生剪應(yīng)力就可能越大，地震就越有可能在剪應(yīng)力相對大的節(jié)面上破裂；然而剪應(yīng)力偏小的節(jié)面也有可能是地震的發(fā)震面，因?yàn)榈貧そ橘|(zhì)往往并不是均勻的介質(zhì)，而且地殼長期可能存在的一些隨機(jī)紋理也可能弱化了剪應(yīng)力偏小的破裂面區(qū)域，所以可能沿著已經(jīng)存在的斷層摩擦滑動或者沿著投影到這些斷層面的剪應(yīng)力方向滑動，有些地震也有可能在十分接近構(gòu)造應(yīng)力場的最優(yōu)釋放節(jié)面方向上發(fā)生而產(chǎn)生新的破裂，或者在走向十分接近構(gòu)造應(yīng)力場最優(yōu)釋放節(jié)面的已知斷層上發(fā)生. 本文靈武MS4.0地震震中所在區(qū)域的已有地表斷層走向大部分是NNE向，附近也存在近似EW向以及NNW向的未知斷層，已知斷層走向和本次地震震源機(jī)制NNW向和近EW向的節(jié)面有著一定的差異，由于地表已知斷層走向并不代表地殼深部地震破裂的走向，而且本次地震的震源深度較深，其深度可達(dá)19～20 km，由于兩個(gè)節(jié)面上的剪應(yīng)力均不小，為此都有可能是發(fā)震斷層面，只是節(jié)面II和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的最優(yōu)釋放節(jié)面方向最為接近，所以節(jié)面II理論上具有相對較大的剪應(yīng)力，而且區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場在節(jié)面I不需要產(chǎn)生相對較大的剪應(yīng)力就可以讓該節(jié)面I方向的破裂面產(chǎn)生錯(cuò)動，這歸因于主壓應(yīng)力和該節(jié)面的夾角相對偏小；而在節(jié)面II則需要產(chǎn)生相對較大的剪應(yīng)力才有可能讓節(jié)面II方向的破裂面產(chǎn)生錯(cuò)動，這歸因于主壓應(yīng)力和該節(jié)面的夾角相對偏大. 然而地殼介質(zhì)往往是不均勻的，不同區(qū)域不同方向的抗剪強(qiáng)度也有差異，雖然對同一個(gè)應(yīng)力體系下在節(jié)面II產(chǎn)生的理論剪應(yīng)力比節(jié)面I的大，但如果節(jié)面II區(qū)域介質(zhì)相對較硬即抗剪強(qiáng)度相對較大，則有可能因?yàn)橹鲏簯?yīng)力大小不夠而不容易產(chǎn)生錯(cuò)動，若要產(chǎn)生錯(cuò)動則需要更大的構(gòu)造應(yīng)力一定時(shí)間的積累；如果節(jié)面I區(qū)域介質(zhì)較脆即抗剪強(qiáng)度相對較小，則不需要相對較大的剪應(yīng)力也能使其產(chǎn)生錯(cuò)動. 本文也較為形象客觀給出了區(qū)域主壓應(yīng)力方向、已有區(qū)域應(yīng)力體系在靈武MS4.0地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面產(chǎn)生的剪應(yīng)力、該地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面和P軸等之間的聯(lián)系，即區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的主壓應(yīng)力等不同于P軸，而P軸的方向和震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面（破裂面和輔助面）一樣均屬于破裂面的固有屬性，而且和地震破裂面方向有關(guān)；區(qū)域構(gòu)造主壓應(yīng)力方向和地震破裂面的夾角是影響破裂面上剪應(yīng)力大小主要原因之一，但其夾角并不能影響其P軸的方向.

4 結(jié) 論

本文基于寧夏區(qū)域地震臺網(wǎng)的波形記錄，采用Hypo2000方法對2021年11月18日寧夏靈武MS4.0地震進(jìn)行了絕對定位，并用初至P震相定位法測定了該地震的初始破裂深度. 同時(shí)，利用近震波形擬合反演的gCAP方法反演了其震源機(jī)制解、矩張量解、矩震級和震源矩心深度，然后計(jì)算了現(xiàn)今應(yīng)力場體系在本次靈武MS4.0地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面上產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力，最后根據(jù)這些靈武MS4.0地震的震源參數(shù)特征分析和探討了該地震發(fā)震機(jī)制以及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和該地震震源機(jī)制的關(guān)系，得到的結(jié)論主要如下：

（1）靈武MS4.0地震的初始破裂深度為20 km，震源矩心深度為19 km，兩者相近，均揭示本次地震震源較深. gCAP方法反演的震源機(jī)制解節(jié)面I走向280°、傾角61°、滑動角30°；節(jié)面II走向174°、傾角64°、滑動角147°，矩震級為MW4.1.

（2）該地震的全矩張量解結(jié)果表明，靈武MS4.0地震雙力偶分量占主導(dǎo)，占全矩張量解的85.18%，是一起天然構(gòu)造地震事件，而非雙力偶分量僅占14.82%. 結(jié)合震源區(qū)所在的地殼深部熱結(jié)構(gòu)、莫霍面特征和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，初步分析認(rèn)為本次靈武MS4.0地震的發(fā)震機(jī)制可能和銀川地塹上地幔物質(zhì)上涌活動有關(guān).

（3）現(xiàn)今應(yīng)力場體系在靈武MS4.0地震震源機(jī)制節(jié)面I（走向近EW）產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力為0.689，而在節(jié)面II（走向近NS）產(chǎn)生的剪應(yīng)力為0.817. 通過比較兩個(gè)震源機(jī)制節(jié)面和P軸、主壓應(yīng)力軸以及節(jié)面上剪應(yīng)力等，認(rèn)為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場所在的主壓應(yīng)力與靈武MS4.0地震震源機(jī)制節(jié)面II之間的夾角要大于節(jié)面I，所以節(jié)面II上產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力較大. 結(jié)合相對剪應(yīng)力結(jié)果和已有地質(zhì)斷層右旋走滑的構(gòu)造背景，該地震在節(jié)面II剪切滑動的可能性要大于節(jié)面I，為此本次地震發(fā)震破裂面為節(jié)面II的可能性相對大一些. 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的主壓應(yīng)力軸有別于震源機(jī)制的P軸，P軸的走向取決于震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面的走向；而破裂面上相對剪應(yīng)力的大小主要受到區(qū)域構(gòu)造主壓應(yīng)力方向和地震破裂面之間夾角的影響.

致謝

本文的圖件主要用GMT軟件繪制. 審稿專家為本文提供了寶貴的修改建議. 作者在此表示感謝.

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