引用本文
刘俊清, 甘卫军, 刘财, 张晨侠, 高金哲, 梁诗明. 2013年吉林前郭 MS5.5震群的双差法重新定位及震源机制 [J]. 地震地质, 2017,39(5): 981-993.
LIU Jun-qing, GAN Wei-jun, LIU Cai, ZHANG Chen-xia, GAO Jin-zhe, LIANG Shi-ming. RELOCATIONS AND FOCAL MECHANISM SOLOTIONS OF MS5.5 QIANGUO EARTHQUAKE SWARM IN JILIN PROVINCE IN 2013 [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(5): 981-993.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.05.008
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2013年吉林前郭 MS5.5震群的双差法重新定位及震源机制
刘俊清1,2, 甘卫军3, 刘财1,*, 张晨侠2, 高金哲2, 梁诗明3
1 吉林大学, 地球探测科学与技术学院, 长春 130026
2 吉林省地震局, 长春 130117
3 中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
*通讯作者: 刘财, 教授, E-mail:liucai@jlu.edu.cn。

〔作者简介〕 刘俊清, 男, 1977年生, 2010年于吉林大学获地球物理学硕士学位, 高级工程师, 主要从事地震火山监测预报研究工作, E-mail:liujq9@gmail.com。

收稿日期: 2016-07-25
基金项目: 中国地震局地震行业科研专项(201508009)资助
摘要

基于区域数字地震台网的震相资料、 松辽盆地中部地壳速度结构, 使用双差定位方法对2013年10月31日开始的吉林省前郭爆发性震群序列进行重新定位。根据重新定位后的地震群空间分布图像结合震中区附近的物探资料探讨发震构造的特征。重定位后EW、 NS和UD 3个方向大致的定位精度分别为0.9km、 0.7km和1.2km, 地震序列震呈NW向密集条带状分布, 长度约12km, 正交NE向, 宽约6km。震群序列中地震震源深度较浅, 80%的地震分布在6~8km深度范围内, 在深度剖面上震群序列表现为明显的密集现象。根据重新定位后震群序列的空间分布特征、 序列中等震连发特征以及较大级别地震的震源机制解, 推断发震构造为克山-大安断裂带内的推覆逆冲构造。冲断面向E倾斜, 近地表倾角较陡, 深部几乎平直, 表现为典型的铲形逆冲断层的特征, 断层面纵向破裂长度大于横向破裂长度。根据发震构造的特征可以推断3个5级地震发生在下层冲断面上, 余震主要在冲断面上部触发。

关键词: 前郭震群; 双差定位方法; 松辽盆地; 推覆构造
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)05-0981-13
RELOCATIONS AND FOCAL MECHANISM SOLOTIONS OF MS5.5 QIANGUO EARTHQUAKE SWARM IN JILIN PROVINCE IN 2013
LIU Jun-qing1,2, GAN Wei-jun3, LIU Cai1, ZHANG Chen-xia2, GAO Jin-zhe2, LIANG Shi-ming3
1 College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
2 Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130117, China
3 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

We relocated a seismic swarm, which started in a mass from 31 October, 2013 in Qianguo County of Jilin Province, by using double difference location method, based on the phase data of regional digital seismic network and the crustal velocity model of Sunliao Basin. The characteristics of seismogenic fault have been investigated based on the spatial distribution image of the seismic swarm and the geophysical data near the epicenter area. The relocated epicenters of the swarm earthquakes have a precision of 0.9km in E-W, 0.7km in N-S and 1.2km in U-D direction, and show an apparent concentrated seismic belt trending N-W, with a length and width of 12km and 6km, respectively. The source depths of all events are shallow, with 80%in a range of 6~8km, and the events are apparently crowded together on the depth cross section. According to the relocated spatial distribution characteristics of the seismic swarm, the features that the medium size events happened successively, and the focal mechanism of the large size events in the swarm, we infer that the seismogenic tectonics of Qianguo seismic swarm is the thrust nappe structure inside the Keshan-Da'an fault zone. The fault plane inclines to the East direction, and is steep when close to the ground surface, which shows the typical characteristics of a listric thrust fault. The longitudinal length of the rupture plane is greater than the transverse length. According to the features of seismogenic tectonics, we infer that the three MS≥5.0 earthquakes occurred at the lower layer of the thrust rupture surface of the fault, while the aftershocks were triggered by the three events and occurred mainly at the upper layer of the rupture surface.

Keyword: Qianguo seismic swarm; double difference relocation; Songliao Basin; nappe structure
0 引言

2013年吉林省前郭县MS5.5震群, 在约20d的时间内发生MS≥ 5.0地震5次, 最大为11月23日发生的MS5.8地震。这次震群活动导致大量建筑物倒塌和破坏, 极震区烈度达Ⅶ 度, 引起了吉林省政府部门乃至东北地区社会公众的广泛关注。

前郭震群是中国有台网记录以来在东北黑龙江块体上首次出现的强度大、 频率高、 分布范围集中、 爆发性强的震群活动, 也是2011年日本9.0级地震后, 中国东北地区首次出现的显著性构造事件。1997年新疆伽师强震群的研究发现(周仕勇等, 2001; 单新建等, 2002; 杨成荣等, 2002), 这种爆发性震群的发生对未来区域地震危险性判定具有特殊的意义, 需对其发震构造深入研究。

双差相对定位方法通常用来研究地震与构造的关系, 特别适用于地震在空间上丛集的情况, 该方法自2000年(Waldhauser et al., 2000)提出后, 在研究地震和断裂的空间关系方面得到广泛的应用。万永革等(2008)将双差相对定位方法用于1976年唐山地震研究中, 获得了滦县地震、 唐山地震和宁河-卢龙断裂带的断层具体分布位置及产状参数。采用双差定位方法对汶川8.0级地震及其余震序列重新定位后(陈九辉等, 2009; 赵博等, 2011), 发现余震明显地分段活动及发震断裂呈叠瓦状破裂的空间分布特征, 这一结果和地质探测结果完全一致。在芦山7.0级地震的构造机理研究中, 徐锡伟等(2013)利用地震序列双差定位的结果在震中区地表下方推断有盲逆断层的存在。大量的研究成果显示, 利用双差定位方法对地震序列重新定位后研究发震构造已经取得了很好的效果。

本文对2013年前郭MS5.5震群序列中的ML≥ 1.5地震进行重新定位, 获取更加准确的余震空间分布图像, 结合序列中较大地震的断层面解、 松辽盆地中部中上地壳的构造特点, 探讨震群的构造机理及发震构造, 并试图解释序列中中强震连发、 微小地震占优势的特征。

1 震中区地震地质背景及震群序列特征

地震序列特征与震中区地质构造背景及主震地震类型有关(蒋海昆等, 2006, 2007), 前郭震群震中区位于松辽盆地内部、 吉林省西部(图1a), 地貌上为广阔的平原区, 附近未见任何断错地貌, 地壳平均厚度约35km(傅维洲等, 1998; 李传友等, 1999)。震中区附近发育NE向和NW向多条隐伏断层(Shen et al., 2016)(图1a), 在卫星影像上断裂迹象不明显, 前郭MS5.5震群发生在克山-大安断裂带和扶余-肇东断裂之间, 克山-大安断裂带是松辽盆地内部规模最大的断裂带, 是典型的正反转构造(余中元等, 2015), 断裂带内部有很多分支断裂, 个别断裂深切基底, 总体走向NE, 断层面均倾向SE, 倾角较陡。扶余-肇东断裂总体走向NE, 倾向NW, 逆断兼左旋走滑性质, 属于前第四纪地壳断裂。

图 1 2013年前郭MS5.5震群宏观位置
a 松辽盆地中部区域, 是b图红色框区域的放大图, 蓝色圆圈为历史地震, 红色圆圈为2013年前郭MS5.5震群, 2016年乾安MS5.0地震与之属于同一构造部位, 蓝色五角星表示1119年前郭6$\frac{3}{4}$地震, 黑色三角表示固定地震台站, 绿色三角表示MS5.5震群后架设的流动观测点; b 中国东北地形及主要构造, 图中最大面积的深色区域为松辽盆地, 褐色圆圈表示5级以上地震; F5-1 扶余-肇东断裂, F5-3 克山-大安断裂, F5-4 第二松花江断裂Fig. 1 Macro position of the 2013 MS5.5 Qianguo earthquake swarm.

吉林省西部地区历史记载1119年曾发生6$\frac{3}{4}$地震(唐雅芝, 1988, 1990; 吴戈等, 1988; Shen et al., 2016), 曾经造成 “ 地震陷, 死数千人” 的地震灾害, 发生在第二松花江断裂和扶余-肇东断裂的交会部位, 西南距前郭MS5.5震群位置约91km(图1)。自1972年吉林省地震台网建立以来, 该区域地震活动水平较低(图1a, 2), 1998年沿嫩江断裂白城段发生ML 3.9地震及多次ML 2.0以上地震, 之后该区域地震活动有所增强。2003年在松原发生小震群活动(图1a), 持续约1个月时间, 0级以上地震发生80余次, 其中ML 3.0以上地震发生5次, 最大地震为ML 3.5。2006年在乾安查干花镇发生MS5.0地震序列(图1a), 该地震序列属于主余型地震。2009年12月21日在通榆县发生MS5.0地震, 属于孤立型地震, 12月22日在松原发生ML 4.0地震, 随后发生小规模震群活动(图2)。该地区2013年会商前, 前郭震群发生之前共有6次地震活动, 其中ML> 2.0地震2次, 最大为前郭ML 2.8地震, 地震活动比较平静。

图2 吉林省西部地震M-T图Fig. 2 The M-T map of earthquakes in the west of Jilin Province.

表1 序列中连发地震信息 Table1 The information of events in the seismic sequence

2013年前郭MS5.5震群, 截至2016年4月30日余震仍然没有结束, 地震发生后参与定位的地震台站共计52个, 包括吉林省、 黑龙江省、 内蒙古自治区、 辽宁省台网45个固定台站, 地震现场流动台7个, 所有台站对震中区形成很好的包围, 记录到完整的地震序列(图3), 余震记录下限为ML-0.3。地震序列中5级以上地震发生5次, 由于震级差Δ M≤ 0.5级, 根据《地震现场工作大纲和技术指南》(中国地震局监测预报司, 1998), 前郭地震序列属于震群型, 首发地震MS5.5为主震(吴开统, 1990)。序列中4.0级以上地震呈连发特征(表1, 图3a), 2~3级地震较少, 大多分布在0~1级区间内。

图 3 2013年前郭震群序列
a 2013年10月31日至12月31日地震序列; b 2014年1月1日至2016年4月30日地震序列Fig. 3 Qianguo earthquake swarm sequence.

2 震群序列重新定位

双差定位法是典型的相对定位方法, 适合于地震在空间上丛集的情况, 所有地震的重新定位结果相对于地震丛的质心位置。本文利用HypoDD相对定位法(Waldhauser et al., 2000), 定位过程中需要对地震事件进行两两组 “ 对儿” , 由于组成 “ 地震对儿” 的2个地震到台站之间的路径几乎是一致的, 路径异常(实际走时相对于理论走时的偏差)便可以从计算中消除, 这样就消除了地壳速度结构的横向不均匀性产生的定位误差, 从而显著地提高了定位精度, 有利于研究区域重复地震与断裂的关系, 以及发现隐伏断裂。

表2 地壳速度模型 Table2 The crustal velocity model

前郭MS5.5震群初始定位的台站(包括震后架设的流动台)共计52个, 由于震中距小的台站分布在松辽盆地内部, 台基条件很差, 而台基条件好的台站均分布在震中距较大的东部山区, 所以地震波形信噪比较低, 序列中较小地震的震相到时读取精度受到一定限制。选取序列中到时较清晰的ML≥ 1.5地震628个, 对一些初始定位残差较大的地震进行震相重新拾取后(图4)形成观测报告, 震相数据有8, 922条。在重定位过程中采用阻尼最小二乘(LSQR)求解双差走时方程, 设置最小连接数(MINLINK)和最小观测数(MINOBS)均为8, 震源间距< 10km, 震中距< 400km, P、 S波到时权重分别为1.0和0.7, 去掉一部分由于线性定位法产生的空震(Airquake)后, 最后有41个台站记录的408个地震符合成 “ 对儿” 条件。重新定位的地壳速度模型采用中朝地台东北缘地区地震层析成像结果(卢造勋等, 2002)(表 2), 根据吉林省西部波速比研究结果(张洪艳等, 2010), 波速比设定为1.73。

图 4 震相获取例子Fig. 4 The example of picking seismic phase.

图 5 地震序列重新定位前后震中分布和震源深度直方图
a, c 重新定位前序列震中、 震源深度分布; b, d 重新定位后序列震中、 震源深度分布; F5-1扶余-肇东断裂, F5-3 克山-大安断裂Fig. 5 The epicenter distribution and focal depth histograms before(a, c) and after (b, d)the relocation of the seismic swarm sequence.

重新定位精度显著提高, EW、 SN和UD 3个方向的定位精度分别为0.9km、 0.7km和1.2km, 定位前后走时均方根残差为12ms。图 5是吉林省台网定位结果与本文重定位后的结果对比, 可以看出: 台网定位结果, 地震序列的震中分布范围比较大, 震源深度大部分在地下5~10km的范围内(图5a, c), 没有显示出明显的优势分布方向和深度范围。而序列重定位后, 震中明显地集中在长约12km、 宽约6km的NW向条带状区域内, 80%的地震震源深度在地下6~8km范围内(图5c, d)。

3 讨论
3.1 震源机制类型分析

通常利用地震的矩张量解来研究地震的发震机制; 在本研究中, 使用了gCAP方法(Zhu et al., 2013)进行地震的矩张量反演。图6和图7是以序列中最大地震(MS5.8)为例, 分别展示了反演过程中观测波形和理论波形的相关系数随深度变化及波形对比情况。采用Vavry#x0010d; uk(2001)提出的矩张量分解方法对5个MS≥ 5.0地震的矩张量矩进行分解, 结果显示, DC分量(双力偶)均 > 80% (表 2), 表明是典型的构造地震。为检验反演结果的可靠性, 将本文震源机制结果与GCMT、 中国地震局地球物理研究所(简称地球所)结果的震源球的旋转角K-angle(Kagan, 1991)进行了比较(表 3)。K-angle表示空间2个震源球之间最小的夹角, < 20° 表示2个地震具有相似的震源机制。表 3中 K-angle一列的值均< 20° , 表明我们反演获得的断层面解与GCMT、 地球所结果具有很好的一致性, 结果较为可靠。矩心深度一列显示, 5个地震介于6.4~8.7km之间, 根据地震破裂起始位置通常低于矩心位置的事实, 可以推断有4个MS≥ 5.0地震的震源深度应该> 8km, 与双差法重新定位的结果相一致。

图6 MS5.8 地震不同地震矩心深度与矩张量相关系数Fig. 6 The correlation vs. centroid depth of MS5.8 event.

表3 5个MS≥ 5.0地震的断层面解反演结果 Table3 The inversion results of fault plane solution from five MS≥ 5.0 events

图 7 MS5.8地震震源机制解及观测波形(黑色)和格林函数合成波形(红色)对比图
每行左侧大写字母表示台站. 台网名称, 下方的数字表示震中距和台站波形的相对平均偏移秒数; 每段波形下方的数字分别表示偏移秒数与约化方差VR值Fig. 7 Focal mechanism solution and comparison between observations(black) and synthetic(red)waveform from Green functions.

图8 地震类型Frohlich三角图投影及地震P, T轴分布
a 震源机制类型的Frohlich三角图, δ 表示主应力轴倾角, 红色十字符号表示地震; b 地震的P, T轴在Wulff网的下半球投影Fig. 8 The Frohlich triangle plot of events and the distribution of P and T axis.

为了直观、 定量划分地震的震源机制类型, 将P, T, B轴投影到Frohlich震源类型三角形图(Frohlich, 1992)上(图8a)。Frohlich利用方位球心投影将球面坐标系中的地震主应力轴转换到平面三角形坐标系中, 在三角图中将构造地震的类型划分为4种(Frohlich, 1992): 正断层型(Normal)、 逆断层型(Thrust)、 走滑型(Strike-slip)及剩余型(Odd)。其中, 剩余型是介于前3种典型类型之间的所有地震。结果显示有4个地震位于逆断层型地震区域, 属于典型的逆冲型地震。第2个地震MS5.0, 位于剩余型地震的边界位置, 接近走滑型地震类型。将断层面解的3个主应力轴投影到Wulff网上(图8b), 结果显示5个地震的主压应力轴方位角相对集中均为近EW向, 倾角很小。

2006年乾安MS5.0地震震中与本次震群属于同一构造部位, 根据其震源机制解研究结果(高金哲等, 2013), 属于逆冲型地震, 主压应力P轴方位角近EW向, 可以推断2013年前郭MS5.5震群与乾安地震属于同样的构造类型。

3.2 发震构造探讨

前郭震群的震中区分布有多条隐伏断裂, 除了规模较大的几条外, 其他断裂没有明确的位置与产状资料, 给发震机制研究带来了困难。为推测前郭震群的发震构造, 根据双差定位结果, 我们制作剖面A-A'和B-B'(图 9a), 剖面方位角分别平行于震群长轴和短轴方向。将定位后的所有地震投影到剖面上(图 9c, d), 结果显示震源深度分布存在分区丛集现象: 浅部小地震密集, 深部3个5级地震呈曲线排列。深度8~10km左右的地震连线可以构成1个倾向SE、 近地表发生转折后倾角较陡的断层面, 向上2km左右, 地震分布较稀疏, 推断可能为地震的空缺区域, 为上、 下地震丛集的分界面。该面以上是中小地震密集的区域, 如果沿下层密集地震带勾画1个断层面, 可见该断层面形态是底部面平直、 近地表几乎直立。图 9d显示地震横向分布在约6km宽的1个很窄的区域内, 图8c显示纵向破裂的直线距离约12km长。由此可见前郭震群是1次较特殊的纵向破裂长度大于横向破裂长度的地震事件。可以推断在较深断层发生错动后, 在滑动方向遇到很大的阻挡, 错动位移很小。在下层大级别地震发生后的很短时间内, 在上层断层面触发了大量较小级别的余震。深部3个地震均为连发地震的首震(图3), 连发地震的第2个地震均分布在上层余震密集区域内, 这或许就是强震连发的机理。同时, 小余震主要分布在上层断面的应力增强区域, 符合库伦破裂应力向铲形断层面内部集中的规律。

据中国满洲里-绥芬河地学断面研究结果, 由于太平洋板块向W的俯冲作用, 在远距离的松辽盆地上部地壳产生了逆冲推覆作用(Yang et al., 1997; 刘财等, 2012), 地下15km左右存在滑脱面(单玄龙等, 2009; 单伟等, 2009), 松辽盆地中部和北部可见中上地壳中存在推覆滑脱构造(杨宝俊等, 1996)。我们收集到震中区附近的物探资料, 图 9a中的C-C'剖面是单伟等(2009)物探剖面的大概位置, 该剖面垂直盆地内NE向背斜轴线, 切过扶余-肇东断裂与部分克山-大安断裂带。图 9b中①、 ②和③表示克山-大安断裂带内3条隐伏断裂的剖面(单伟等, 2009), ④为扶余-肇东断裂。前郭震群的震中区恰好位于推覆构造存在的区域, 也就是松辽盆地中部的肇源以南地区, 根据重新定位后的震群剖面分析, 前郭震群由滑脱面上的推覆构造的冲断层小规模错动引发, 有可能发生在滑脱面上克山-大安断裂带内的②或③分支断裂上。

图 9 地震序列深度剖面图与推测断层
a 2条剖面线条在重新定位后平面图上的位置; b 震中区附近的C-C'物探剖面(单伟等, 2009); c A-A'剖面地震震源深度分布图; d B-B'剖面地震震源深度分布图。蓝色五角星表示首发MS5.5地震; F5-1 扶余-肇东断裂, F5-3 克山-大安断裂Fig. 9 The earthquake sequence depth profiles and the forecast fault.

4 结论

采用双差定位方法对2013年松辽盆地前郭震群序列重新定位, 获得了更为准确的地震空间分布图像, 进而结合较大地震的震源机制解及震群序列特征分析了震群的发震断层与构造机理。推测松辽盆地中上地壳存在的逆冲推覆构造是本次震群的发震构造, 较大地震发生在下部滑脱面附近, 余震序列集中发生在铲形面内。2006年MS5.0地震与本次震群位置相同, 震源机制相同, 可见均是松辽盆地中部中上地壳推覆逆冲构造作用导致的。同一构造部位相隔8a出现同样级别的地震, 而且以爆发性震群的形式释放能量, 表明该区域地壳应力在持续增强, 未来该区域及附近地震危险性将进一步升级。震中区100km范围内曾发生1119年前郭 6$\frac{3}{4}$地震, 这次爆发性震群的活动对历史地震的重复发生是否具有前兆指示意义, 今后需密切关注西太平洋、 日本及周边环境大的构造事件对松辽盆地内部地震的触发作用。

致谢 吉林省地震局台网中心工作人员提供了本次震群的波形和震相资料, 审稿专家提出了宝贵的修改意见, 在此一并感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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