2019年四川長寧MS6.0地震孕震機(jī)理分析

陳 揚 陳 輝 彭 露 周玉柱 李夢媛

1 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都市東三路1號，610059 2 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都市東三路1號，610059 3 成都理工大學(xué)數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點實驗室，成都市東三路1號，610059 4 成都理工大學(xué)計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院(牛津布魯克斯學(xué)院)，成都市東三路1號，610059

2019-06-17四川長寧地區(qū)發(fā)生MS6.0地震，震中位于長寧縣雙河鎮(zhèn)，震源深度16 km，極震區(qū)烈度達(dá)Ⅷ度，四川、云南、貴州、重慶等多地震感明顯。此次MS6.0地震是四川盆地邊緣地區(qū)歷史最大地震[1]，使得長寧地區(qū)地震災(zāi)害研究再次回到地震學(xué)術(shù)界視野[2-3]。

2015年以來，長寧地區(qū)中等強度地震頻發(fā)。部分學(xué)者認(rèn)為這一系列地震與工業(yè)作業(yè)、流體注入有關(guān)[4-9]，也有學(xué)者認(rèn)為與區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)[1,10]。關(guān)于此次長寧MS6.0地震的孕震機(jī)理目前仍存在較大爭議。地震序列精確定位后的空間展布特征和震源機(jī)制反演特征是確定序列發(fā)震構(gòu)造和判定孕震機(jī)理的有效方法，而長寧MS6.0地震發(fā)生后，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)給出的地震震源機(jī)制解差異巨大。為此，本文采用寬頻帶波形資料和震相報告數(shù)據(jù)，使用Geiger重定位方法對長寧MS6.0地震序列空間分布特征展開研究，然后使用ISOLA近震全波形反演方法對序列中MS≥5.0地震震源機(jī)制進(jìn)行反演，討論本次長寧地震發(fā)震成因，以期研究該區(qū)域地震觸發(fā)機(jī)制和孕震機(jī)理，為后期長寧地區(qū)工業(yè)注水活動提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

長寧地區(qū)位于四川盆地南緣，揚子板塊西緣，地震活動頻繁。長寧MS6.0地震震中位于長寧-雙河復(fù)式大背斜，背斜軸跡呈NW-SE方向展布，其中西北區(qū)域狹窄、東南區(qū)域?qū)拸V，背斜從西北端向西南端彎曲成近東西方向(圖1)。震中區(qū)以西為華鎣山斷層帶，由若干大小不等的斷層組成；震中區(qū)以東發(fā)育多條平行褶皺構(gòu)造帶，對區(qū)域內(nèi)沉積構(gòu)造和構(gòu)造變形作用明顯[10]。震中區(qū)內(nèi)褶皺斷裂走向較為復(fù)雜，主要為NE、NW、EW向，可能與揚子板塊周圍構(gòu)造帶的相互擠壓[11]以及多期構(gòu)造作用有關(guān)[12]。

圖1 長寧區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造[10]Fig.1 Regional geological structure of Changning

2 地震序列重定位

2.1 方法與數(shù)據(jù)

采用Geiger定位法對長寧地震序列(2019-06-17～07-04)進(jìn)行震源重定位。Geiger定位法是通過地震波的走時和空間關(guān)系建立目標(biāo)函數(shù)：

(1)

選取迭代初值m0=(x0,y0,z0,t0)求導(dǎo)獲得校正量，使用奇異值分解(SVD)最小二乘法求解，使時間殘差逐漸最小化，從而獲得最優(yōu)定位解[13]，重定位流程見圖2。

圖2 地震震源重定位流程Fig.2 Flow chart of hypocenter relocation

截至2019-07-04 11:00，共記錄到MS2.0及以上余震563次。其中，5.0～5.9級地震4次，4.0～4.9級地震21次，3.0～3.9級地震83次，2.0～2.9級地震455次。根據(jù)Wen等[14]對四川區(qū)域地下一維層狀速度模型的研究成果(表1，表中M為莫霍面深度)，對長寧MS6.0地震及余震進(jìn)行重新定位。

表1 一維速度模型

2.2 重定位結(jié)果分析

為確保得到精確的重定位結(jié)果，對余震進(jìn)行嚴(yán)格篩選，標(biāo)準(zhǔn)為：1)震級≥2.0；2)至少被6個地震臺站所接收；3)將研究區(qū)劃分成0.5 km×0.5 km×0.5 km小格，區(qū)塊中如果含有地震事件，則只選擇最大數(shù)量的臺站所記錄的地震事件，防止地震過度集中和維持相對統(tǒng)一的空間分布；4)每次地震至少包含4次P波或S波初至?xí)r間。剔除不符合條件的地震震中數(shù)據(jù)，最后得到研究區(qū)域463次地震的震中位置。

通過Geiger定位法得到長寧地震主震及余震震中分布(圖3)。從圖中可以看出，地震序列總體沿NW65°方向展布，長約25 km，寬約10 km，呈條帶狀分布。地震序列震源深度表現(xiàn)為西深東淺、北深南淺，即沿著NW-SE方向為北西深、南東淺。深度統(tǒng)計結(jié)果(圖4)顯示，重定位前余震震源深度在0～15 km之間，中小地震發(fā)震層位深度在15 km以上，主要分布于中上地殼，絕大多數(shù)地震深度分布在3～8 km，重定位后線性集中趨勢更加顯著，震中多集中分布在2～6 km之間，5次MS≥5.0地震的發(fā)震深度均在6～10 km之間。

圖3 長寧地震序列震源重定位分布Fig.3 Hypocenter relocation distribution of Changning earthquake sequence

圖4 重定位前、后震源深度統(tǒng)計對比Fig.4 Comparison of hypocenter depth statistics before and after relocation

3 ISOLA矩張量反演

3.1 方法與數(shù)據(jù)

反演數(shù)據(jù)來源于四川區(qū)域地震臺網(wǎng)提供的長寧MS6.0地震以及4次MS≥5.0余震震相報告。采用ISOLA全波形反演方法進(jìn)行震源機(jī)制反演[15]。ISOLA方法是將時間域迭代反卷積多點源矩張量反演方法發(fā)展到全波形矩張量反演中，其中任意矩張量產(chǎn)生的地震記錄均是基本地震記錄的線性組合，即

(2)

d=Gm

(3)

式中，d為N個波形值的列向量(每個三分量臺站包含的所有時間樣本)，G為N×6系數(shù)矩陣，每列為G1、G2、…、G6(每列都與d以相同方式排序)，m為mi系數(shù)的列向量。

由于波形反演得到的超定方程d=Gm無精確解，故采用最小二乘法得到近似解。將方程寫為：

m=(GTG)-1GTd

(4)

經(jīng)過最小二乘法和網(wǎng)格搜索法等對地震最優(yōu)矩張量解進(jìn)行反演。反演得到的矩張量m為對稱方陣，可進(jìn)一步將其分解為ISO(isotropic)、DC(double couple)以及CLVD(compensated linear vector dipole)[16]，即m=mISO+mDC+mCLVD。最后利用約化方差(VR)和條件數(shù)(CN)來快速評估理論波形和觀測波形之間的相關(guān)性。

3.2 矩張量反演結(jié)果

在利用ISOLA方法時，首先基于臺站對地震事件包圍相對完整、地震波形信噪比高、P波初動明顯的原則，對長寧MS6.0地震區(qū)域50～200 km之間的臺站進(jìn)行篩選(圖5)。將震中坐標(biāo)固定，在震源深度方向(Z方向)進(jìn)行搜索，搜索深度范圍為1～10 km，搜索步長設(shè)為1 km，每個臺站的濾波頻帶范圍設(shè)定為0.04～0.09 Hz。采用Liu等[2](圖6)的速度模型和離散波速法[17]計算全場格林函數(shù)，按照臺站震中距合成理論地震圖，在計算格林函數(shù)時，矩心時間在發(fā)震時刻5 s范圍內(nèi)以0.25 s作為搜索步長，并采用全矩張量求解模式進(jìn)行計算，最終反演得到長寧MS6.0地震震源機(jī)制解(圖7～9)。

從圖7、8可以看出，當(dāng)矩心時間和矩心深度發(fā)生變化時，最終解的觀測波形與合成波形的互相關(guān)系數(shù)也隨之發(fā)生變化，當(dāng)矩心時間為2.25 s、矩心深度為4 km時，互相關(guān)系數(shù)達(dá)到最高值0.916。圖9為最終解的觀測波形與合成理論地震圖。10個臺站中，剔除在反演過程中波形擬合較差的三分量波形數(shù)據(jù)后，平均約化方差VR=84%。長寧MS6.0地震震源參數(shù)顯示(表2)，主震節(jié)面Ⅰ走向/傾角/滑動角分別為20°/72°/151°，節(jié)面Ⅱ走向/傾角/滑動角分別為120°/62°/21°，P軸方位角、傾角分別為71°、6°，T軸方位角、傾角分別為337°、33°。

圖5 主震震中與地震臺站分布Fig.5 Distribution of epicenter and seismic stations

圖6 長寧地區(qū)地殼一維速度模型Fig.6 1-D crustal velocity model in Changning area

圖7 矩心深度與互相關(guān)系數(shù)Fig.7 Centroid depth and cross-correlation coefficient

圖8 長寧MS6.0主震矩心深度和波形互相關(guān)系數(shù)Fig.8 Centroid depth and cross-correlation coefficientof waveforms of Changning MS6.0 main shock

4 討 論

4.1 矩張量反演參數(shù)穩(wěn)定性評估

使用刀切法[18]評估矩張量反演參數(shù)的穩(wěn)定性，對長寧地震序列震源機(jī)制解展開研究。首先加入反演所需的地震臺站，根據(jù)Liu等[2]的一維速度模型，使用每次增減一個臺站或增減一個三分量臺站通道的方法，使得每個地震事件的所有斷層均向?qū)?yīng)的震源球進(jìn)行反演，圖10為5次地震的所有解節(jié)線圖。從圖中可以看出，5次地震斷層面節(jié)面線分布均較為集中，說明多次反演結(jié)果穩(wěn)定，震源機(jī)制反演參數(shù)值可靠。

紅色波形表示合成波形，黑色波形表示觀測波形，灰色波形表示未參與反演，藍(lán)色數(shù)字為約化方差圖9 觀測波形與合成波形對比Fig.9 Comparison between observed and synthetic waveform

表2 長寧地震序列震源機(jī)制解

圖10 采用刀切法分析震源參數(shù)不確定性Fig.10 Uncertainty of source parametersby Jackknifing method

4.2 孕震機(jī)理探討

對長寧地震序列重新定位后，發(fā)現(xiàn)地震序列總體沿NW65°方向呈長條狀分布，震中多集中在2～6 km深度，長寧主震震中分布在余震區(qū)東南端，絕大多數(shù)余震位于MS6.0地震北西側(cè)，主震附近及南東側(cè)余震較少，呈現(xiàn)單側(cè)破裂特征。研究地震序列震源深度整體分布趨勢發(fā)現(xiàn)，地震序列表現(xiàn)為西深東淺、北深南淺特征，即沿著NW-SE方向為北西深、南東淺。根據(jù)長寧地震重定位后的震源深度特征，沿長寧地震破裂方向AA′作垂直剖面圖[19](圖11)。

圖11 P波和S波速度垂直剖面圖Fig.11 P and S wave velocity profiles

圖11中色度代表相對速度擾動值，從圖中可以看出，長寧MS6.0地震震中處于P波和S波高低速異常體的過渡帶，P波和S波在橫向上均表現(xiàn)出較強的不均一性，圖中長寧MS6.0地震附近P波和S波速度高于左側(cè)，說明研究區(qū)地下東南部比西北部巖層結(jié)構(gòu)更加致密，力學(xué)性質(zhì)更強，使得巖層不易發(fā)生破裂和錯動。主震產(chǎn)生的地震波能量向西北部擴(kuò)展，導(dǎo)致余震在主震西北方向密集分布。矩張量反演結(jié)果顯示，節(jié)面Ⅰ走向/傾角/滑動角分別為20°/72°/151°；節(jié)面Ⅱ走向/傾角/滑動角分別為120°/62°/21°，震源深度為6 km。本研究得到的震源機(jī)制解與中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所給出的結(jié)果較為一致，結(jié)合重新定位后的地震分布特征，認(rèn)為節(jié)面Ⅱ為長寧地震主震斷層面，為發(fā)育在白象巖-獅子灘背斜的高傾角左旋走滑型地震。主震震源矩心深度為4 km，主壓應(yīng)力軸方位角、傾角分別為71°、6°，主張應(yīng)力軸方位角、傾角分別為337°、33°，與余震展布特征一致。通過分析每次地震的斷層面傾角特征可知，2019-06-17珙縣MS5.1地震發(fā)震斷層為逆傾滑動斷層，其余3次余震發(fā)震斷層均為逆沖型斷層。矩張量反演結(jié)果如表3所示，其中約化方差VR、條件數(shù)CN用來評判反演結(jié)果的正確性。從表中可以看出，5次地震DC含量均小于70%，其中2019-06-17珙縣MS5.1地震DC含量更是低至22.3%，地震中存在較大的非雙力偶成分，表明此次長寧MS6.0地震并非簡單的構(gòu)造地震。長寧地區(qū)注水活動頻繁，而此次長寧地震序列震源深度較淺，震中多集中分布在2～6 km深度，5次MS≥5.0地震矩心深度均小于10 km，同時表3中震源機(jī)制數(shù)據(jù)顯示非雙力偶含量(ISO+CLVD)占比很高，推測長寧地震的發(fā)生與工業(yè)注水活動息息相關(guān)。該結(jié)論與Wang等[8]和Li等[20]的研究結(jié)果一致。此外，長寧MS6.0地震序列震源機(jī)制解顯示，發(fā)震斷層走向以NW向和近NS向為主，P軸方位角以NE-近EW方向為主(表2)，長寧地震序列總體表現(xiàn)出NE-SW向擠壓，少量NW-SE向張拉特征。該特點反映出本次地震序列震源區(qū)域的主壓應(yīng)力方向應(yīng)該為NE-SW向。但發(fā)生在長寧地震南側(cè)的2018-12-16興文MS5.7和2019-01-03珙縣MS5.3地震呈現(xiàn)出NW-SE向擠壓和NE-SW向拉張?zhí)卣鱗1]，相隔不遠(yuǎn)卻呈現(xiàn)出完全相反的應(yīng)力場特征，說明四川盆地南部邊緣地區(qū)構(gòu)造變形特征具有顯著差異，該區(qū)應(yīng)力場轉(zhuǎn)變復(fù)雜。

表3 ISOLA矩張量反演結(jié)果

5 結(jié) 語

1)由地震序列重定位得到的463條震源數(shù)據(jù)可知，長寧MS6.0地震余震總體呈條帶狀分布在白象巖-獅子灘背斜。主震位于地震序列東南端，而絕大多數(shù)余震位于主震西北端，呈現(xiàn)單側(cè)破裂特征。分析P波和S波速度剖面可知，長寧地震序列東南端地下巖層結(jié)構(gòu)更加致密，力學(xué)性質(zhì)更強，使得巖層不易發(fā)生破裂和錯動。余震震源深度在0～15 km之間，絕大多數(shù)地震震中分布在2～6 km深度，沿NW-SE方向深度特征表現(xiàn)為北西深、南東淺。

2)主震矩震級為MW5.78，震源矩心深度為4 km，斷層面走向/傾角/滑動角為120°/62°/21°，為高傾角左旋走滑型地震。主壓應(yīng)力軸方位角、傾角分別為71°、6°，主張應(yīng)力軸方位角、傾角分別為337°、33°，與余震展布特征相符。2019-06-17珙縣MS5.1地震發(fā)震斷層為逆傾滑動斷層，2019-06-18長寧MS5.3、2019-06-22珙縣MS5.4以及2019-07-04珙縣MS5.6地震發(fā)震斷層均為逆沖型斷層。

3)從長寧MS6.0地震主震和4次MS≥5.0余震震源機(jī)制反演結(jié)果來看，雙力偶(DC)成分占比均不高，非雙力偶(ISO+CLVD)成分占比很高，且5次MS≥5.0地震矩心深度均小于10 km，同時層析成像結(jié)果表明長寧地震處于P波和S波高低速異常體的過渡帶，表明此次地震并非構(gòu)造地震。此次長寧MS6.0地震序列應(yīng)力場表現(xiàn)為以NE-SW向擠壓為主，而發(fā)生在長寧區(qū)域南側(cè)的2018-12-16興文MS5.7地震和2019-01-03珙縣MS5.3地震均表現(xiàn)為以NW-SE向擠壓為主，兩者應(yīng)力場方向差別明顯，表明長寧區(qū)域應(yīng)力場較為復(fù)雜。綜合分析認(rèn)為，此次長寧地震為流體注入以及地質(zhì)構(gòu)造活動共同引發(fā)。

致謝：感謝四川省地震局提供相關(guān)地震數(shù)據(jù)。