2013年遼寧燈塔M5.1地震震源機(jī)制中心解及震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征分析*

戴盈磊，萬(wàn)永革，孔祥雪，王承偉，索 銳

(1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；3.河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201)

0 引言

2013年1月23日12時(shí)18分，遼寧省遼陽(yáng)市燈塔市與沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)交界處(41.48°N，123.20°E)發(fā)生5.1地震，震源深度7 km。該地震位于郯廬斷裂帶北延段走向NE的營(yíng)口—佟二堡斷裂東北端附近，屬于孤立型地震事件。該地震是自1999年岫巖5.4級(jí)地震后，遼寧地區(qū)發(fā)生的最大地震，打破了遼寧內(nèi)陸地區(qū)5級(jí)地震長(zhǎng)達(dá)13 a的平靜格局(焦明若等，2014)，且震中位置處在地震活動(dòng)性較低的遼寧中北部地區(qū)，具有一定的指示意義。地震發(fā)生后，不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者基于不同方法和數(shù)據(jù)相繼給出了該地震的震源機(jī)制解，如中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所(2013)第一時(shí)間使用了CAP方法計(jì)算了燈塔5.1地震的震源機(jī)制解；李彤霞等(2014)、王巖等(2016)使用了P波初動(dòng)方法；林向東等(2017)在研究華北地區(qū)震源機(jī)制分區(qū)特征時(shí),使用FOCMEC方法求解了該地震的震源機(jī)制解；蘇培臻等(2020)對(duì)遼寧地區(qū)中小地震震源機(jī)制進(jìn)行研究時(shí)，同樣使用CAP方法得到了燈塔地震的震源機(jī)制解。但這些結(jié)果存在明顯的差異性和離散度，究竟選擇哪一個(gè)作為后續(xù)相關(guān)研究的依據(jù)，值得探討。謝弘臻和王九洋(2018)根據(jù)sPL-Pg等震相數(shù)據(jù)使用入射角法和單純形法重新測(cè)定了燈塔地震震源深度為14 km；孫素梅等(2018)對(duì)燈塔地震序列進(jìn)行了重新定位。但以上研究并未對(duì)該地震發(fā)生的動(dòng)力學(xué)背景進(jìn)行深入分析。

本文使用基于P波初動(dòng)極性和S/P振幅比的HASH方法(Hardebeck，Shearer，2002，2003)求取2013年燈塔5.1地震的震源機(jī)制解，將已有結(jié)果的差別進(jìn)行量化，給出燈塔5.1地震的震源機(jī)制中心解。為了進(jìn)一步研究本次地震孕育和發(fā)生的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，收集2001—2013年遼寧地區(qū)128次2.5～4.8地震的震源機(jī)制解，反演該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。進(jìn)而模擬在其作用下，可能出現(xiàn)的各種震源機(jī)制類(lèi)型，為深入研究燈塔5.1地震的發(fā)震條件和遼寧中北部孕震機(jī)理提供數(shù)據(jù)和參考。

1 HASH方法計(jì)算燈塔M5.1地震震源機(jī)制解

為了保證較高的臺(tái)站分布率，本文從震中距小于200 km的32個(gè)臺(tái)站提取P波初動(dòng)和S/P振幅比數(shù)據(jù)，其具體分布如圖1所示。其中，P波初動(dòng)極性符號(hào)直接從遼寧地震臺(tái)正式觀測(cè)報(bào)告讀取。在SAC軟件環(huán)境下，將所選臺(tái)站的觀測(cè)波形旋轉(zhuǎn)至、、方向，去儀器響應(yīng)，卷積到位移記錄，進(jìn)行1～15 Hz的帶通濾波，剔除信噪比小于3的波形。標(biāo)注P波和S波到時(shí)時(shí)，為了保證精準(zhǔn)度，人工量取徑向分量和垂直分量的直達(dá)波峰值，矢量求和后，作為P波振幅；由于轉(zhuǎn)換波可能在直達(dá)S波前到達(dá)，取S波到時(shí)的前后1 s內(nèi)，3個(gè)分量上的最大振幅作為S波振幅。由圖1可知，計(jì)算輸入了23個(gè)P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)，不包含emergent極性符號(hào)；22個(gè)S/P振幅比數(shù)據(jù)，而可使用的有效振幅比數(shù)量是16個(gè)，因?yàn)榻馑銜r(shí)S/P振幅比的最小閾值設(shè)置為大于2.5，有6個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足該條件被舍棄。

圖1 本文研究所選臺(tái)站的分布

HASH方法通過(guò)使用不同梯度的速度模型進(jìn)行射線(xiàn)追蹤得到可靠的離源角(Hardebeck，Shearer，2002)，計(jì)算過(guò)程中，本文使用盧造勛等(2002)、趙宏陽(yáng)和陳曉非(2017)，鄭確(2018)提出的速度模型(圖2)。燈塔5.1地震震源機(jī)制解計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，節(jié)面Ⅰ走向?yàn)?2.85°，傾角為89.42°，滑動(dòng)角為175.83°。斷層面不確定度24°，輔助斷層面不確定度29°；P波極性數(shù)量23，初動(dòng)矛盾比0.00；逼近最優(yōu)解概率67%，臺(tái)站分布率76%；S/P振幅比數(shù)量16，平均lg(S/P)矛盾比0.49。本次地震強(qiáng)度中等，震中位于遼寧中北部，臺(tái)站分布均勻，用于計(jì)算的數(shù)據(jù)較為充足且可靠。在P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)和S/P振幅比數(shù)據(jù)的共同約束下，最終結(jié)果的質(zhì)量分級(jí)為“B”，在通?？山邮艿腁、B、C、D等4個(gè)質(zhì)量等級(jí)中(許英才等，2021)處于中上，比較理想。

圖2 本文計(jì)算使用的速度模型

2 震源機(jī)制中心解的確定

收集不同來(lái)源的燈塔5.1地震震源機(jī)制解，與本文結(jié)果一并列于表1。采用萬(wàn)永革(2019)提出的確定同一地震多個(gè)震源機(jī)制中心解的方法，求解得到與這些震源機(jī)制最小空間旋轉(zhuǎn)角的平方和最小的震源機(jī)制中心解，將中心解與各震源機(jī)制最小空間旋轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)差作為誤差范圍，選擇標(biāo)準(zhǔn)差最小的結(jié)果，給出最終解與各輸入震源機(jī)制的最小空間旋轉(zhuǎn)角(表1)。

表1 不同來(lái)源的燈塔M5.1地震震源機(jī)制解及本文得到的震源機(jī)制中心解和標(biāo)準(zhǔn)差

由表1可知，以不同來(lái)源震源機(jī)制作為初始解得到的中心解都差別甚微，標(biāo)準(zhǔn)差大體一致且精確到小數(shù)點(diǎn)后第4位，體現(xiàn)出中心解計(jì)算方法的穩(wěn)定性。其中以中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所給出的震源機(jī)制作為初始解得到的中心解標(biāo)準(zhǔn)差是最小的。本文以此結(jié)果(節(jié)面Ⅰ走向13.16°，傾角88.64°，滑動(dòng)角171.01°；節(jié)面Ⅱ走向103.38°，傾角81.01°，滑動(dòng)角1.37°)作為燈塔5.1地震的震源機(jī)制中心解。軸走向58.61°，傾角5.38°，不確定范圍分別是47.76°～68.76°和-2.28°～12.54°；軸走向184.64°，傾角80.91°，不確定范圍分別是63.32°～240.30°和73.20°～91.71°；軸走向327.92°，傾角7.31°，不確定范圍分別是317.06°～338.06°和-0.22°～14.88°，震源機(jī)制中心解的標(biāo)準(zhǔn)差為10.928 7°。

需要指出的是，以中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所測(cè)定的結(jié)果為初始解得到的中心解的標(biāo)準(zhǔn)差最小，但這并不表明該機(jī)構(gòu)給出的結(jié)果離最終選定的中心解最近。這6個(gè)初始解中，本文使用HASH方法求解的震源機(jī)制與最終選定的中心解距離是最近的，為4.90°。這是因?yàn)檎鹪礄C(jī)制中心解的求解是一個(gè)非線(xiàn)性的問(wèn)題，采用雅可比矩陣求解各參數(shù)的偏量可能有略微超出或未達(dá)到最優(yōu)解，但離最優(yōu)解應(yīng)很近(萬(wàn)永革，2019)，這就是選擇標(biāo)準(zhǔn)差最小的解作為最優(yōu)解的緣故，也說(shuō)明本文采用HASH方法計(jì)算燈塔5.1震源機(jī)制解是合理的。計(jì)算時(shí)輸入的各震源機(jī)制和本文計(jì)算所得的震源機(jī)制中心解及其不確定范圍利用萬(wàn)永革(2015)的應(yīng)力場(chǎng)表述方式，如圖3所示。圖3a中黑色弧線(xiàn)表示中心震源機(jī)制解的2個(gè)節(jié)面，綠色弧線(xiàn)為其不確定范圍，紫色弧線(xiàn)表示計(jì)算時(shí)輸入的各震源機(jī)制節(jié)面，紅色、藍(lán)色和黃色圓點(diǎn)表示中心解的軸、軸和軸，其不確定范圍用對(duì)應(yīng)顏色的封閉曲線(xiàn)表示；圖3b中壓縮和膨脹區(qū)域分別用藍(lán)色和紅色表示。從圖3可知，震源機(jī)制中心解的軸不確定范圍相對(duì)大一些，但整體上參數(shù)較為集中。

圖3 2013年燈塔M5.1地震震源機(jī)制中心解(a)及空間三維輻射花樣(b)

3 應(yīng)力場(chǎng)反演

本文收集燈塔5.1地震發(fā)生前2001—2013年遼寧地區(qū)2.5～4.8地震的震源機(jī)制解資料，共計(jì)128個(gè)(表2)。其中，2001—2007年的3.5～4.1地震的震源機(jī)制解從國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心獲取，震源機(jī)制解多采用P波初動(dòng)法求解；2008—2012年≥3.0地震的震源機(jī)制資料是王巖等(2016)使用P波初動(dòng)法給出的結(jié)果；2010—2013年2.5～3.0的震源機(jī)制解來(lái)自林向東等(2017)利用FOCMEC方法計(jì)算所得結(jié)果；這些震源機(jī)制中，采用P波初動(dòng)法求解的矛盾比不超過(guò)0.36。根據(jù)世界應(yīng)力圖(Zoback，1992)的方案對(duì)以上震源機(jī)制解進(jìn)行分類(lèi)，其中，正斷型33個(gè)、正走滑型10個(gè)、走滑型46個(gè)、逆走滑型7個(gè)、逆斷型17個(gè)，不確定型15個(gè)，正斷型和走滑型占70%，如圖4所示。

表2 2001—2013年遼寧地區(qū)ML2.5～4.8地震震源機(jī)制解

續(xù)表2序號(hào)發(fā)震日期震中位置λE/(°)φN/(°)ML震源機(jī)制解走向/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)資料來(lái)源172006-02-27123.0540.103.72173134國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心182006-05-06122.8540.673.629569-52國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心192006-06-18122.8340.673.734420136國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心202007-03-11120.0238.923.87181-40國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心212007-06-06120.6741.623.528728-95國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心222007-08-24123.0340.553.722253-101國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心232007-09-25123.6242.453.534750150國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心242008-01-14123.0340.533.2207613王巖等,2016252008-01-15122.8540.653.96590180王巖等,2016262008-04-28123.6041.883.07090180王巖等,2016272008-05-13121.9840.153.819582-174王巖等,2016282008-05-30123.3741.103.47590180王巖等,2016292008-11-03122.8840.634.11796027王巖等,2016302008-11-09122.9340.634.022925-137王巖等,2016312008-11-11122.7840.673.524249-99王巖等,2016322008-11-11122.8040.673.025842-101王巖等,2016332008-11-11122.7740.683.423851-76王巖等,2016342008-11-14122.9040.654.83348-75王巖等,2016352008-12-09123.1740.973.521077-161王巖等,2016362008-12-11122.9342.104.119663-161王巖等,2016372009-01-13122.9340.623.128428-45王巖等,2016382009-01-14123.0640.473.936680王巖等,2016392009-02-02122.8440.663.419781-131王巖等,2016402009-03-01122.5040.753.13584174王巖等,2016412009-04-02122.2539.333.41935525王巖等,2016422009-05-11122.9040.653.02648721王巖等,2016432009-05-17122.8340.663.12048144王巖等,2016442009-05-19122.3840.983.02351165王巖等,2016452009-07-19122.6740.694.3211671王巖等,2016462009-08-04121.6641.933.03033297王巖等,2016472009-08-26123.1740.983.12146418王巖等,2016482009-10-07122.6440.703.021466-171王巖等,2016492009-11-08121.6540.964.121276-172王巖等,2016502010-01-11122.8340.663.51155153王巖等,2016512010-01-15120.3741.672.9310.9974.81-48.24林向東等,2017522010-01-22123.0340.532.9275.0876.43-64.23林向東等,2017532010-01-23123.0440.533.23469-94王巖等,2016542010-01-26122.9240.652.687.4536.22-72.91林向東等,2017552010-01-28118.8839.972.7214.5685.0284.98林向東等,2017562010-02-05122.7540.672.824.8817.96-32.95林向東等,2017572010-02-06122.8240.672.5179.0846.92-69.25林向東等,2017582010-02-09122.8940.663.03050-269王巖等,2016592010-03-22122.2439.333.0288788王巖等,2016602010-03-23122.2339.332.5121.4756.17-53林向東等,2017612010-03-27123.2141.483.025571-73王巖等,2016

圖4 2001—2003年遼寧地區(qū)ML2.5～4.8地震震源機(jī)制分布

本文采用全局網(wǎng)格搜索算法(Wan，2016)進(jìn)行計(jì)算，該方法以斷層滑動(dòng)方向與剪應(yīng)力方向一致為原則，可考慮震級(jí)的不同對(duì)輸入震源機(jī)制分配相應(yīng)權(quán)重，從而得到精確的反演結(jié)果。結(jié)合應(yīng)力形因子(Gephart，F(xiàn)orsyth，1984)=(2-1)(3-1)(1、2、3，分別代表主壓應(yīng)力、中間應(yīng)力和主張應(yīng)力的大小)對(duì)3個(gè)主應(yīng)力的相對(duì)大小進(jìn)行判斷。設(shè)置3個(gè)主應(yīng)力軸的搜索步長(zhǎng)為1°，應(yīng)力形因子的搜索步長(zhǎng)為0.05，置信度水平為90%，進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演，所得結(jié)果及其不確定范圍見(jiàn)表3和圖5。圖5a為反演結(jié)果的等面積投影，圖中90%置信度水平下最大剪應(yīng)力所在截面用綠色弧線(xiàn)表示，剪應(yīng)力方向用黃色小箭頭表示，3個(gè)主應(yīng)力軸的90%置信區(qū)間用1，2和3周?chē)姆忾]曲線(xiàn)表示，輸入的震源機(jī)制節(jié)面用黑色弧線(xiàn)表示，主壓應(yīng)力軸的最優(yōu)方位用紅色大箭頭表示，“可能斷層面”的理論滑動(dòng)方向用紅色小箭頭表示，主張應(yīng)力軸的最優(yōu)方位用藍(lán)色大箭頭表示，“可能斷層面”的觀測(cè)滑動(dòng)方向用藍(lán)色小箭頭表示。圖5b是所得應(yīng)力狀態(tài)的三維表示。其中，主壓應(yīng)力的相對(duì)大小和方向用紅色填充，主張應(yīng)力的相對(duì)大小和方向用藍(lán)色填充。

圖5 應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果(a)及其三維示意(b)

表3 應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果

反演得到遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力軸為NEE向，主張應(yīng)力軸為NNW向，中間應(yīng)力軸傾角較陡；=0.45，3個(gè)主應(yīng)力軸基本呈等差排列(萬(wàn)永革等，2011)，屬走滑類(lèi)型。本文反演結(jié)果與已有研究結(jié)果(張萍，蔣秀琴，2000；葛榮峰等，2009；Wan，2010)比較一致，體現(xiàn)出遼寧地區(qū)NE—NNE向斷層為右旋走滑，NW向斷層為左旋走滑，幾乎所有地震都以走滑斷層作為發(fā)震構(gòu)造的背景特征(萬(wàn)波等，2017)。

4 震源機(jī)制與應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系

萬(wàn)永革(2020)提出了模擬不同應(yīng)力體系下，可產(chǎn)生的震源機(jī)制類(lèi)型及節(jié)面上剪應(yīng)力和正應(yīng)力表現(xiàn)的方法。本文基于該方法，得到在遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的約束下產(chǎn)生的各種震源機(jī)制類(lèi)型，及將其作用在燈塔5.1地震震源機(jī)制中心解2個(gè)節(jié)面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，并用最大剪應(yīng)力作歸一化，得到相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的震源機(jī)制解及相對(duì)剪應(yīng)力(a)和相對(duì)正應(yīng)力(b)分布

燈塔5.1地震震源機(jī)制中心解節(jié)面Ⅰ走向13.16°，傾角88.64°，滑動(dòng)角171.01°，相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力分別為0.878(最大為1)和-0.366(拉張為正)，剪應(yīng)力滑動(dòng)角-163.7°，與觀測(cè)滑動(dòng)角相差25.29°；節(jié)面Ⅱ走向103.38°，傾角81.01°，滑動(dòng)角1.37°，相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力分別為0.793和0.547，剪應(yīng)力滑動(dòng)角2.2°，與觀測(cè)滑動(dòng)角相差0.83°。很明顯，2個(gè)節(jié)面基本上都處于剪應(yīng)力最大區(qū)域，且剪應(yīng)力滑動(dòng)角與對(duì)應(yīng)節(jié)面的觀測(cè)滑動(dòng)角比較接近。李彤霞等(2014)推斷本次地震的發(fā)震構(gòu)造為營(yíng)口—佟二堡斷裂帶，對(duì)應(yīng)本次地震震源機(jī)制中心解節(jié)面Ⅰ，而該斷裂是在右行剪應(yīng)力作用下，使早期斷裂再活動(dòng)形成新的斷裂(單家增等，2004)；孫素梅等(2018)對(duì)燈塔5.1地震序列進(jìn)行重定位研究，認(rèn)為NS、NE向地震剖面為發(fā)震控制斷裂，對(duì)應(yīng)中心解節(jié)面Ⅰ，推測(cè)NWW向地震剖面是一條隱伏斷裂，對(duì)應(yīng)中心解節(jié)面Ⅱ。本文模擬在遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力條件下，2個(gè)節(jié)面震前都基本處于最大剪應(yīng)力加載狀態(tài)，而剪應(yīng)力導(dǎo)致的破裂形式與作為發(fā)震構(gòu)造的營(yíng)口—佟二堡斷裂的活動(dòng)形式一致。

綜合來(lái)看，本次地震是在遼寧地區(qū)整體走滑型構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的應(yīng)力積累，沿應(yīng)力場(chǎng)最優(yōu)節(jié)面的能量釋放。

5 結(jié)論

本文使用HASH方法計(jì)算2013年遼寧燈塔5.1地震震源機(jī)制中心解，結(jié)合有關(guān)學(xué)者和機(jī)構(gòu)給出的結(jié)果得到本次地震的震源機(jī)制中心解，反演遼寧地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)并研究本次地震發(fā)生的動(dòng)力學(xué)背景，主要得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)HASH方法，利用P波初動(dòng)極性和S/P振幅比數(shù)據(jù)計(jì)算得到燈塔5.1地震震源機(jī)制解走向12.85°，傾角89.42°，滑動(dòng)角175.83°。

(2)燈塔5.1地震震源機(jī)制中心解節(jié)面Ⅰ走向13.16°，傾角88.64°，滑動(dòng)角171.01°；節(jié)面Ⅱ走向103.38°，傾角81.01°，滑動(dòng)角1.37°，為走滑型地震。

(3)燈塔5.1地震前，遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力軸為NEE向，主張應(yīng)力軸為NNW向，它們的傾角均較小，3個(gè)主應(yīng)力軸基本呈等差排列，形成了走滑應(yīng)力體系。

(4)在遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，右行剪切應(yīng)力經(jīng)過(guò)積累，達(dá)到一定程度而發(fā)生燈塔5.1走滑地震。

本文使用HASH方法進(jìn)行求取，是為了與之前的成果形成對(duì)比，為計(jì)算該地震震源機(jī)制中心解提供一個(gè)補(bǔ)充。在反演遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，本文并沒(méi)有參照戴盈磊等(2020)對(duì)輸入的震源機(jī)制數(shù)據(jù)根據(jù)震級(jí)不同進(jìn)行加權(quán)的處理方式，因?yàn)檩斎霐?shù)據(jù)中，最小震級(jí)是2.5，最大震級(jí)是4.8，震級(jí)跨度并不大，且這里側(cè)重的是所謂“5級(jí)地震平靜期”遼寧地區(qū)的整體應(yīng)力狀態(tài)。已有研究表明，華北地震區(qū)5級(jí)以上地震一般具有較明確的構(gòu)造背景(環(huán)文林等，1997)。本文通過(guò)對(duì)遼寧地區(qū)震源機(jī)制解與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系研究，體現(xiàn)了在同一應(yīng)力體系下該地區(qū)可產(chǎn)生震源機(jī)制的多樣性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)燈塔5.1地震是典型的在背景構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生的破裂，驗(yàn)證了之前學(xué)者的推斷，并進(jìn)一步揭示了遼寧中北部地區(qū)的地震發(fā)生條件和活動(dòng)特點(diǎn)。

遼寧地震臺(tái)提供了本文研究數(shù)據(jù)，審稿專(zhuān)家提出了寶貴修改意見(jiàn)，在此一并表示感謝。