〔作者简介〕 刘方斌, 男, 1989年生, 2014年于中国地震局兰州地震研究所获构造地质学专业硕士学位, 工程师, 现主要从事数字地震学应用及地震序列研究, 电话: 0531-58622065, E-mail: liufangbin8908@163.com。
采用双差定位法对乳山台阵记录到的 ML≥1.0的1418个地震事件(2014年5月7日—2016年12月31日)进行重新定位, 利用P波初动和CAP方法对研究区内 ML≥1.5地震进行震源机制解反演, 根据震源机制解资料进行应力张量反演, 从而分析乳山地区应力状态以及震源机制一致性参数时空特征。结果显示: 1)乳山地震序列沿NWW-SEE向展布, 形成长约4km、 宽约3km的矩形活动带; 2)推测乳山地震序列发震断层走向为NWW-SEE、 近直立、 以走滑运动为主兼具一定逆倾滑分量; 3)采用自助线性应力反演(LSIB)方法得到乳山地区主压应力轴方向为25°, 倾角10°; 中等应力方向为286°, 倾角45°; 主张应力方向为125°, 倾角43°; 4)乳山地震序列的震源机制一致性参数随时间变化整体呈现平稳状态, 地震发生的空间位置与震源参数一致性空间分布关系较为吻合。
Many small earthquakes occurred intensively and continuously and formed an earthquake sequence after the ML3.8 earthquake happened at Rushan County, Shandong Province on October 1, 2013. Up to March, 2017, more than 13000 events have been recorded, with 3429 locatable shocks, of which 31 events with ML≥3.0. This sequence is rarely seen in East China for its extraordinary long duration and the extremely high frequency of aftershocks. To track the developing tendency of the earthquake sequence accurately, 20 temporary seismometers were arranged to monitor the sequence activities around the epicenter of the sequence since May 6, 2014.
Firstly, this paper adopts double difference method to relocate the 1418 earthquakes of ML≥1.0 recorded by temporary seismometers in the Rushan earthquake sequence(May 7, 2014 to December 31, 2016), the result shows that the Rushan earthquake sequence mainly extends along NWW-SEE and forms a rectangular activity belt of about 4km long and 3km wide. In addition, the seismogenic fault of Rushan earthquake sequence stretches along NWW-SEE with nearly vertical strike-slip movement and a small amount of thrust component.
Then we apply the P-wave initial motion and CAP to invert the focal mechanism of earthquakes with ML≥1.5 in the study area. The earthquakes can be divided into several categories, including 3 normal fault earthquakes(0.9%), 3 normal-slip earthquakes(0.9%), 229 strike-slip earthquakes(65.8%), 18 thrust fault earthquakes(5.2%), 37 thrust-slip earthquakes(10.6%)and 58 undefined(16.6%). Most earthquakes had a strike-slip mechanism in Rushan(65.8%), which is one of the intrinsic characteristics of the stress field.
According to the focal mechanism solutions, we further utilized the LSIB method(Linear stress inversion bootstrap)to invert the stress tensor of Rushan area. The result shows that the azimuth and plunge of three principal stress( σ1, σ2, σ3) axes are 25°, 10°; 286°, 45°; 125°, 43°, respectively. Based on the stress field inversion results, we calculated the focal mechanism solutions consistency parameter( θ)and the angle( θ1)between σ1 and P axis. The trend lines of θ and θ1 were relatively stable with small fluctuation near the average line over time. Furthermore, the earthquake sequence can be divided into three stages based on θ and θ1 values. The first stage is before September 16, 2014, and the variation of the θ and θ1 values is relatively smooth with short period. All focal mechanism solutions of the three ML≥3.0 earthquakes exhibited consistence. The second stage started from September 16, 2014 to July 1, 2015, the fluctuation range of θ and θ1 values is larger than that of the first stage with a relative longer period. The last stage is after July 1, 2015, values of θ and θ1 gradually changed to a periodic change, three out of the four ML≥3.0 earthquakes(strike-slip type)displayed a good consistency.
Spatially, earthquakes occurred mainly in green, yellow-red regions, and the focal mechanism parameters consistency θ was dominant near the green region(around the average value), which presents a steady state, and the spatial locations are concordant with the distribution of θ value. Moreover, all of ML≥3.0 earthquakes are located in the transitional region from the mean value to lower value area or region below the mean value area, which also indicates the centralized stress field of the region.
2013年10月1日在山东威海市乳山市(36.83° N, 121.70° E)发生ML3.8地震, 之后中小地震不断, 发生多次ML≥ 4.0地震。截至2017年3月, 已记录地震13i093次, 其中可定位地震3i429次, ML≥ 3.0地震31次。与历史地震序列相比, 该区域从未出现过如此高频、 时间持久的地震序列活动(曲均浩等, 2015)(图1)。
为精确跟踪乳山地震序列的发展趋势, 山东省地震局于2014年5月6日在序列震中附近陆续架设了20个流动台站, 为获取地震序列的精确空间位置及活动特征提供了丰富的观测数据。本文基于2014年5月7日— 2016年12月31日期间乳山流动台(简称: 乳山台阵)记录的地震资料, 选取ML≥ 1.0的1i418个地震事件采用双差定位法(Waldhauser et al., 2000)进行重新定位, 获取序列准确的空间分布; 通过P波初动方法(胡幸平等, 2008; 俞红玉等, 2013)计算研究区内346个1.5≤ ML< 3.6地震的震源机制解, 对于2个ML≥ 3.6地震采用CAP(Cut and Paste)方法(Zhu et al., 1996)进行计算; 最后根据震源机制解资料进行应力张量反演, 进而分析震源机制一致性参数的时空特征。
乳山台阵的架设对乳山地震序列形成全方位的包围(如图2), 为震源区地震定位及震源机制解的计算提供了宝贵的数据。本文采用Hyposat定位方法对2014年5月7日— 2016年12月31日期间记录的地震事件进行绝对定位, 共得到14i165次地震记录, 选取ML≥ 1.0、 震相数≥ 8的1i418个地震事件进行重定位, 选定348个ML≥ 1.5地震进行震源机制解反演。为保证计算过程中观测报告震相数据的可靠性, 对Pg、 Sg震相时距曲线进行拟合, 剔除明显错误或者误差较大的震相, 其相关系数达0.997以上(图3)。
双差定位法是1种高精度的相对定位算法(Waldhauser et al., 2000), 目前已被广泛应用于地震序列的重定位研究中(房立华等, 2013, 2014; Govoni et al., 2014; Fang et al., 2015)。本文综合对比Crust2.0及层析成像得到的胶东半岛地壳速度模型(张岭等, 2005; 李霞等, 2012; 曲均浩等, 2015), 选用不同模型关键深度的速度值作为本文初始模型的速度值(表1), 波速比设为1.73, 定位中事件对最大距离设为10km, 采用阻尼最小二乘法进行反演。定位共用到P波走时60i810个(72%), S波走时57i995个(72%)。通常情况下, P波到时的拾取往往比S波精确, 本文对P波震相数据权值赋为1.0、 S波震相为0.5, 经过6次迭代定位后残差由原来的0.003i2降低到0.000i5, 重新定位后计算得到1i393个结果(98.24%)。乳山地震序列时间窗较长, 双差定位所用的地震对数量明显增加, 提高了定位精度和重新定位后地震的数量。
图4为乳山地震序列重定位前后结果对比图, 重定位后地震展布线性趋势更加明显, 呈NWW-SEE向, 在震中区内形成1个长约4km、 宽约3km的矩形密集活动带。根据郑建常等(2015)、 曲均浩等(2015)基于CAP方法对乳山序列较大地震震源机制解的研究, 所得到的17个震源机制解中有16个节面优势走向为290° 左右, 与本文乳山台阵重定位结果地震展布方向基本一致。另外, 这一结果与郑建常等(2015)、 曲均浩等(2018)采用双差定位法对乳山台阵记录的部分地震重定位结果也基本一致。
震源机制解不仅含有断层运动方式及震源破裂过程的信息, 而且还能够反映地震前后震源区应力变化状态, 为区域构造应力场研究提供重要依据(李金等, 2015)。虽然1次中小地震的震源机制解不足以反映区域应力场的概况, 但大量中小地震震源机制解的总体特征在一定程度上能够代表区域构造应力场的方向(许忠淮等, 1983)。
震源机制解是1种采用地震学方法来判别断层错动方式和地震发震机制的方法。在震源机制的求解过程中, P波初动法是计算中小地震震源机制比较常用的方法, 该方法有快速简便的优点, 但同时要求P波震相数据不能太少, 并且在震源球面上有足够的覆盖区域(崔效锋等, 2011)。而乳山台阵及增设的海岛台, 将震中位置包裹得较好, 可有效满足P波初动法的使用条件。本文采用许忠淮等(1983)提出的格点尝试法对1.5≤ ML< 3.6地震求解P波初动震源机制解。计算过程中, 对于1次地震, 其初动数据要求至少有8个, 矛盾符号比均< 0.2, 共获得震源机制解346个。
CAP方法是将宽频带记录到的波形分成Pnl和面波2部分, 分别赋予不同的权重, 在给定速度模型的前提下采用频率-波数法(F-K)计算各个台站位置的格林函数, 由震源函数及格林函数合成理论波形, 将理论波形与实际观测波形进行互相关, 拟合出残差最小的机制解作为最终反演结果。其优点在于反演过程中完整地使用了波形记录, 全面地反映了震源信息, 对震源深度的反演起到很好的约束性。另外, 该方法允许各时间窗理论波形和观测波形进行相对滑动拟合, 大大减少了地壳速度结构模型对反演结果的影响, 降低了对台站数量和方位角分布的要求, 提高了信噪比和反演精度, 适用于震级略大的小地震及中、 强地震震源机制解的研究(罗钧等, 2015), 本文2次3.6级以上地震的震源机制解均采用该方法求得。2014年5月7日— 2016年12月31日期间ML3.0以上地震震源机制解见表2。
根据Zoback(1992)对震源机制的分类标准(表3), 对上述震源机制进行分类统计。统计结果显示, 在348次ML≥ 1.5地震震源机制解中, 有NF型3次(0.9%), NS型3次(0.9%), SS型229次(65.8%), TF型18次(5.2%), TS型37次(10.6%), UD型58次(16.6%)。为进一步研究乳山地震序列震源机制空间的分布特征, 将震源机制解按上述分类标准进行区分并投影在图5上, 从图中可见, 乳山地区沿着NWW-SEE向分布的走滑型地震具有频次上的绝对优势。
本文采用统计方法展示震源机制解的各参数分布状态, 由于无法判断震源机制解中的2个节面哪个是断层面, 故对2个节面合并分析。图6为348个ML≥ 1.5地震的震源机制解各参数的每10° 间隔的归一频度图。据走向显示, 节面主要集中在NWW-SEE向和近S向2个优势方向, 其中NWW-SEE向节面与本文序列重定位展布方向基本一致, 由此判定其应为乳山序列发震断层面, 这一结果与曲均浩等
此外, 对上述震源机制解的P轴和T轴进行投影(图7), 结果发现: 不同类型的震源机制解的P轴和T轴的方向不同。其中, SS型(65.8%)和TS型(10.6%)P轴和T轴的方向具有相对较好的一致性, 呈NNE和SEE向分布; UD型(16.6%)P轴和T轴的方向分布相对杂乱; NF型和NS型整体占比较小(< 2%), 无法判断。尽管各类型的P轴和T轴方向各异, 但P轴总体优势方向为NNE— NEE向(图7a), T轴优势方向为SEE— SSE向(图7b), 两者呈现正交关系, 且轴向急剧调整的现象很少, 表明该区域构造应力场的优势方向分布具有相对均匀性和稳定性。另外, 从P、 T轴的倾角统计分析可以看出, 两者作用力呈现低角度, 主要集中在0° ~30° 。
震源机制一致性参数是区域构造应力场3个主应力轴
其中, θ 为震源机制一致性参数, 最大值为270° , 最小值为0° (刁桂苓等, 2004; 赵英萍等, 2004; 程万正等, 2006; 泽仁志玛等, 2009; 付虹等, 2011), α =∠σ 1OP, β =∠σ 2OB, γ =∠σ 3OT(图8)。
任何1个地震序列都有发生、 发展和衰退的过程, 前震或在震群中较大地震发生之前, 小震的震源机制相对一致性往往是地震活动性增强的标志, 而震源机制的相对紊乱往往伴随着余震或地震群活动的减弱, 鉴于此, 根据震源机制的一致性与否可以判断震群中最大地震是否已经发生(陈颙, 1978)。陈颙(1978)研究发现, 强震前中小地震震源机制解趋于一致性的现象时有发生, 并提出用前震震源机制的一致性来描述地震活动性。黄显良等(2015)采用P波、 SV波和SH波的极性和振幅比联合求解2014年安徽省金寨ML3.9震群序列的震源机制解, 并得到该序列的震源一致性参数及P轴方位角随时间的变化关系。李丽等(2015)采用层状介质中点源位错模型的广义透射系数的快速算法和理论地震图拟合直达波最大振幅比来求解小震震源机制解, 计算了2001— 2012年山西地区281个中小地震的震源机制解, 分析了一致性参数时空分布与该地区中等地震活动的关系。李金等(2015)利用天山地震带306个震源机制解资料反演该区域应力场, 得出该区域震源机制一致性的时空分布与中强地震有一定关系。
本文利用上述348个中小地震的震源机制解作为输入数据, 采用Michael(1984, 1987)的自助线性应力反演(Linear stress inversion bootstrap, LSIB)方法计算乳山区域应力张量。在置信区间为95%情况下, 其最大主压应力
基于应力场反演结果, 计算了乳山地震序列348个ML≥ 1.5地震震源机制解的P、 T、 B轴与平均区域应力场3个对应主应力轴的方位角差, 获得震源机制一致性参数值θ , 其时序变化分布如图9a所示。主压应力
图中黑色虚线表示各小震震源机制解一致性参数的变化, 随机性较强, 数值变化区间较宽。参考前人(付虹等, 2011)的研究结论, 将均值作为控制线, 低于均值表示震源机制与构造应力场重合性较好, 构造应力场对该地区控制作用增强; 高于均值则控制作用减小。为便于分析变化趋势, 采用五点滑动平均法重新计算, 结果显示, 五点滑动平均法的趋势线在均值线附近波动, 曲线随时间的变化总体较平稳, 区内12次ML≥ 3.0地震中有10次地震的
图10为基于五点滑动平均法绘制的乳山地震序列ML≥ 1.5中小地震震源机制一致性参数θ 等值线分布图, 展示了乳山地震序列与震源机制一致性参数空间异常的分布关系。由于地震主要集中发生在图4线框内位置, 框外的地震样本数偏少, 计算可信度不高, 因而本文着重探讨线框内的地震震源参数一致性。如图所示, 地震主要发生在绿色、 黄红色及其交替区域, 震源机制一致性参数θ 整体上以绿色为主导(均值附近), 黄红色其次, 仅有少部分区域出现极低值, 一致性参数表现相对较为稳定, 地震发生的空间位置与震源参数一致性空间分布较为吻合, 研究区内ML≥ 3.0地震均位于均值线向低值区过渡或低于均值的区域, 有效体现了区域应力场集中的结果。
(1)利用双差定位对乳山台阵记录到的ML1.0以上1i418个地震事件进行重新定位, 获得了1i393个定位结果。精定位后的地震主要分布在乳山断裂的SE侧, 沿NWW-SEE向展布, 空间上形成1个长约4km、 宽约3km的矩形密集活动带。
(2)采用P波初动和CAP方法共反演得到348个ML1.5以上地震的震源机制解, 综合各地震震源机制解走向参数及序列精定位展布方向, 可判断乳山序列发震断层为NWW-SEE向; 根据滑动角和倾角的分布范围可推测该断层应以高角度的走滑运动为主, 兼具一定的逆倾滑分量。
(3)根据震源机制解反演得到乳山区域平均应力场, 其主压应力方向为25° , 倾角10° ; 中等应力方向为286° , 倾角45° ; 主张应力方向为125° , 倾角43° 。
(4)基于应力场反演结果, 得到乳山地震序列348个ML1.5以上地震震源机制一致性参数值
致谢 在本文成文过程中, 甘肃省地震局袁道阳研究员和山东省地震局王志才研究员在发震构造方面给予了指导和建议, 山东省地震局李霞高级工程师对本文提出了宝贵意见, 中国地震局地球物理研究所冀战波博士对GMT进行了指导, 新疆维吾尔自治区地震局李金工程师对ZMAP软件方面给予了帮助, 两名审稿专家对本文提出的宝贵意见和建议, 在此一并致谢。 文中图件采用GMT和ZMAP绘制。
The authors have declared that no competing interests exist.
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