李 鉑 崔 鑫 婁世平 楊玉永 張 輝

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山東乳山地區(qū)震群特征及發(fā)震背景再研究1

李 鉑 崔 鑫 婁世平 楊玉永 張 輝

（山東省地震局，濟(jì)南 250014）

2013年10月1日在山東省威海市乳山市發(fā)生3.2級地震，之后發(fā)生了一系列震群活動(dòng)。截至2016年5月，山東臺網(wǎng)已經(jīng)記錄到了1萬多次余震，其中3級以上地震9次，4級以上地震3次。頻繁的地震構(gòu)造活動(dòng)引起了乳山市及周邊地區(qū)強(qiáng)烈震感。為研究乳山震群的發(fā)震機(jī)理，本文利用山東臺網(wǎng)數(shù)字化地震波資料和新建的乳山臺陣資料，通過雙差精定位方法重新確定了震中位置。研究結(jié)果表明：余震序列呈現(xiàn)出NW向的條帶分布；采用CAP方法（Cut and Paste）反演震群中9次3級以上地震的震源機(jī)制解，結(jié)果顯示幾次較大地震的震源深度平均約為5km，與臺網(wǎng)編目定位的結(jié)果基本相同。從得到的精定位結(jié)果并結(jié)合震源機(jī)制解的結(jié)果來看，震群的走向是NW向，傾角是NE向，與最近的乳山斷裂有一定距離。由此推斷該區(qū)域可能是乳山斷裂的分支，或者有一條或多條隱伏斷裂。

乳山震群 精定位 震源機(jī)制

引言

2013年10月1日12時(shí)07分在山東省威海市乳山市（36.83°N，121.70°E）發(fā)生3.2級地震，之后形成震群活動(dòng)，震群持續(xù)過程中先后在2014年1月7日、4月4日、2015年5月12日分別發(fā)生4.3、4.1和4.6級地震。自有史料記載以來，近場區(qū)共有兩次破壞性地震，分別是在1046年和1939年1月發(fā)生的5.0級和5.5級地震。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，該區(qū)在1997年發(fā)生過3.5級地震，并于2005年發(fā)生4.3級地震震群。自山東數(shù)字化臺網(wǎng)建成以來，在該區(qū)發(fā)生如此強(qiáng)度大、頻率高、持續(xù)時(shí)間長的震群活動(dòng)也實(shí)為罕見。

前人對乳山震群做了一些研究，例如利用山東臺網(wǎng)的數(shù)字化波形數(shù)據(jù)對2013—2014年的乳山震群序列進(jìn)行重新精定位研究（曲均浩等，2014），利用自助抽樣技術(shù)對乳山震群序列兩次較大的地震進(jìn)行多次重復(fù)反演，得到了大樣本量的震源機(jī)制解（鄭建常等，2015）。本文在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)采集時(shí)間，采用雙差精定位方法，利用乳山臺陣數(shù)據(jù)對震群進(jìn)行重新定位，利用CAP方法對震群中3級以上的地震進(jìn)行震源機(jī)制解研究。

乳山震群位于山東乳山白沙灘附近，在震中附近沒有較大的地表破壞，震中附近近場區(qū)發(fā)育有NE向、NNE向及近SN向4組主要斷裂，分別為乳山斷裂（全長約40km，總體走向15°，傾向SE，傾角多大于70°）、海陽斷裂（總體走向30°，傾向SE，傾角70°—80°）、朱吳斷裂（該斷裂長度約為9km，斷裂總體走向30°—50°，傾向NW或SE，大部分段落傾角在70°以上，個(gè)別段落為50°左右）和米山斷裂（總體走向5°，傾向SE，傾角40°—65°）。離震群最近的乳山斷裂為中更新世晚期活動(dòng)斷裂，附近存在一些小的金礦成礦斷裂，離震群中心約17km（圖1）。

F1乳山斷裂；F2海陽斷裂；F3朱吳斷裂；F4米山斷裂

1 定位方法與資料

地震定位不但是地震學(xué)的基礎(chǔ)問題之一，也是很多其他科學(xué)研究的基礎(chǔ)，詳細(xì)研究地震的時(shí)空演化規(guī)律與斷層之間的關(guān)系，可為進(jìn)一步探索地震孕育發(fā)生的過程提供有意義的線索。Waldhauser等（2000）提出了一種高精度的定位方法，稱為雙差定位方法，它是在主事件方法基礎(chǔ)上發(fā)展的一種相對定位方法。將該方法和層析成像方法結(jié)合，建立了雙差定位和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演方法（Zhang等，2003），稱為TomoDD。雙差定位法在我國已得到廣泛應(yīng)用，多位科研人員（黃媛，2008；劉建達(dá)等，2009；胡幸平等，2013）都在自己所研究的區(qū)域使用了雙差定位方法，并取得了較好效果。

雙差定位的主要思路是：不再區(qū)分主事件和待定事件，而是將區(qū)域內(nèi)符合條件（主要是滿足距離條件）的事件組成事件對，通過事件對的殘差的差來反演震中，這大大拓展了相對定位方法的使用范圍。雙差定位方法雖然對震中事件的選擇有一定的要求（事件對必須相距合適的距離），但可以較好地消除了絕對定位方法中由于速度結(jié)構(gòu)模型的不確定性造成的定位誤差。

雙差定位的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）擴(kuò)展了地震事件的使用范圍：主事件法要求地震事件距離主事件不能太遠(yuǎn)，因此往往只能用于一個(gè)局部區(qū)域，雙差定位方法沒有主事件，可以讓任意兩個(gè)較近的事件組成事件對，因此可以在一個(gè)較大地域范圍應(yīng)用。

（2）定位精度進(jìn)一步提高：由于波形互相關(guān)技術(shù)提高了到時(shí)精度，而且使用的地震數(shù)據(jù)量大增（相對于主事件法），所以能夠得到高精度的震中位置。

其殘差為：

對事件組和的殘差做差，即雙重殘差：

公式（3）即為地震雙差精定位層析成像方法的聯(lián)合反演公式。

山東地震臺網(wǎng)自從數(shù)字化以來，可用的測震觀測臺站達(dá)到124個(gè)，絕大多數(shù)為寬頻帶的數(shù)字化臺站，在此基礎(chǔ)上，山東地震臺網(wǎng)中心又架設(shè)了包括16個(gè)臺站的乳山臺陣，監(jiān)測能力又得到了提高。乳山震群東面和南面基本上沒有觀測臺站，容易造成觀測空區(qū)，在西側(cè)和北側(cè)臺站比較密集，周圍臺站間距10—40km，臺陣的臺站間距為2—5km。

截至2016年8月山東數(shù)字臺網(wǎng)共記錄到了1萬5千余次乳山震群余震序列，震群可定位地震3315次，其余為單臺記錄，最大震級為2015年5月22日的4.6級地震。其中1.0—1.9級地震252次，2.0—2.9級地震35次，3.0—3.9級地震6次，4級以上地震3次（圖2）。

圖2 乳山地震序列M-T圖

我們選取了有4個(gè)及以上臺站或者臺陣記錄到的余震共2782次，重新定位過程中由于殘差和震相原因丟棄地震117個(gè)，最終選定定位地震共計(jì)2665個(gè)，最終定位殘差從0.157下降到0.134，共選用了13762個(gè)P波和S波到時(shí)數(shù)據(jù)。由于P波的拾取精度高于S波，所以在精定位的過程中將P波、S波以2:1的比率進(jìn)行分配拾取，搜索半徑設(shè)定為5km。定位過程為相對定位，在定位中采用非線性最優(yōu)化的共軛梯度方法進(jìn)行方程求解，搜索方向是互相共軛，迭代過程中去掉殘差相對較大的震相資料。為了檢驗(yàn)其有效性，繪制了Pg、Sg震相的時(shí)距曲線（圖3），走時(shí)曲線圖所用數(shù)據(jù)為臺網(wǎng)原始震相數(shù)據(jù)的Pg波和Sg波震相數(shù)據(jù)，并刪除了距離走時(shí)曲線過遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。擬合走時(shí)曲線后，根據(jù)曲線斜率的倒數(shù)計(jì)算得到波速。從圖中可以看出，幾個(gè)震相的離散性都很低，說明原始數(shù)據(jù)有較好的質(zhì)量。

圖3 P和S波的震相走時(shí)曲線

本文參考通過Messy GA方法反演得到的膠東半島、渤海灣盆地及其鄰區(qū)的P波地殼速度模型（張嶺等，2005；李霞等，2012）以及crust 2.0模型，所使用的速度結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 地殼速度模型

圖4是山東數(shù)字化臺網(wǎng)的定位結(jié)果，圖5是雙差精定位后的結(jié)果，從結(jié)果上看余震的走向有一定的收斂性，震群的余震呈北西—南東向分布，在北東—南西向有不明顯的共軛交匯，在AA'條帶中間部分比較集中（圖5），AA'長約8km，BB'長度較短，約為3km；在北西向的延長線上有零星的地震分布。如果震群集中區(qū)域內(nèi)存在隱伏斷層，那些零星的地震則可能是隱伏斷層面的小破裂導(dǎo)致的，隱伏的斷層也可能隨著地震活動(dòng)性的減弱而逐漸變淺。

圖4 乳山震群地震序列臺網(wǎng)原始震中分布圖

圖5 乳山震群地震序列重新精定位后震中分布圖

圖6展現(xiàn)的是余震序列震中的三維分布及其在橫向和縱向的分布情況。從圖中可以看出余震主要位于地殼淺層，深度分布比較集中，主要在15km以內(nèi)，極少數(shù)在20km以外分布，屬于近地表震群活動(dòng)。從2014年初開始，余震的破裂深度在分布范圍上有所擴(kuò)散，但在破裂位置上比較集中。

圖6 乳山震群精定位深度剖面分布圖

2 震源機(jī)制解

目前常用近震寬頻帶地震波形反演震源機(jī)制解（Helmberger等，1980；Zhu等，1996），其原理為：設(shè)（）是臺站記錄到的去除儀器響應(yīng)后的地震波形，（）是相應(yīng)的理論計(jì)算出的波形，一個(gè)雙力偶震源的理論合成位移（）的表達(dá)式如下：

采用頻率-波數(shù)（F-K）方法計(jì)算各個(gè)震中距的格林函數(shù)，由格林函數(shù)得出合成的地震圖后，把合成與觀測的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)。

由互相關(guān)函數(shù)確定時(shí)間偏移：

在反演過程中，把觀測地震位移與合成地震位移相的一致性作為判斷正確與否的標(biāo)準(zhǔn)：

由于反演的震源機(jī)制參數(shù)較少，將經(jīng)震中距矯正后的絕對誤差值作為誤差的目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為：

上式中，為震中距，0為參考震中距，為指數(shù)因子，一般而言，體波和面波以2:1的比例設(shè)置。

本文對2013年乳山震群發(fā)生以來9次較大的地震的震源機(jī)制進(jìn)行了反演，結(jié)果見表2。由表2可以看出幾次地震的主壓應(yīng)力軸方向比較一致，節(jié)面走向也比較相似，幾次地震的節(jié)面Ⅰ走向都與精定位的震群走向方向比較一致，走向范圍在270°—320°之間，經(jīng)緯度范圍在4km以內(nèi)，最佳擬合的深度范圍在4.1—10.2km。

表2 乳山震群9次3級以上地震震源機(jī)制解

本文用CAP方法反演了2015年1月7日乳山4.2級地震的震源機(jī)制解作為震例來進(jìn)行演示分析（圖7），在反演過程中，將理論波形與旋轉(zhuǎn)后的觀測波形進(jìn)行濾波，濾波后得到了Pnl部分（0.05—0.2Hz）和面波部分（0.03—0.7Hz），采用相同范圍的濾波方法對理論地震圖進(jìn)行濾波處理（蔡一川等，2015）。選擇相同的頻率范圍，既可以濾掉長周期地脈動(dòng)和由速度積分所得位移造成的周期性漂移，也可以避免介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)所帶來的影響（楊歧焱等，2015），既可得到恰當(dāng)?shù)臉?biāo)量地震矩，也能較充分地反映地震波所攜帶的震源的一些必要信息。

圖8給出了擬合殘差隨著不同深度值的變化，從圖中可以看出震源深度為8.6km時(shí)反演的擬合殘差達(dá)到最小值，因此認(rèn)為這次地震的震源深度在8.6km附近。這與山東地震臺網(wǎng)進(jìn)行編目后的震源深度結(jié)果完全一致。

圖9中紅色波形曲線為理論值，黑色波形曲線為觀測值，每個(gè)臺站5個(gè)分向（體波垂向、體波徑向、面波垂向、面波徑向、面波切向）的波形參與反演，左側(cè)為對應(yīng)的臺站代碼，下方是臺站所對應(yīng)的震中距和該臺理論P(yáng)波初至與觀測P波初至的差值，波形下方是相應(yīng)分量的時(shí)間頻移量和波形擬合系數(shù)，從圖中可以看出擬合系數(shù)大都在80以上，數(shù)值越接近于100說明擬合效果越好，這也說明反演的可靠性。

擬合結(jié)果顯示，此次地震的震源機(jī)制解的節(jié)面Ⅰ走向?yàn)?99.5°，傾角64°，滑動(dòng)角16.7°；節(jié)面Ⅱ的走向?yàn)?02°，傾角75°，滑動(dòng)角153°，最佳擬合深度為8.6km，地震屬于近走滑型。

藍(lán)色沙灘球?yàn)?次4級以上震源機(jī)制解，紅色填充的沙灘球?yàn)?次3—4級地震的震源機(jī)制解，白色區(qū)域的藍(lán)點(diǎn)代表壓縮P軸，紅色和藍(lán)色區(qū)域的黃點(diǎn)代表拉張T軸

圖8 CAP方法的最佳擬合深度和波形擬合

圖9 乳山4.2級地震的理論地震圖和觀測地震圖的對比

3 結(jié)論

本文利用雙差定位方法對乳山可定位地震進(jìn)行了重新精定位，震源相對位置明顯集中，更清晰地反映出了活動(dòng)構(gòu)造圖像，震群沿優(yōu)勢方向主要分布在橫向AA'約8km、縱向BB'約3km的區(qū)域內(nèi)，精定位后對地震活動(dòng)性進(jìn)行分析，能得到一些常規(guī)定位地震及地表活動(dòng)構(gòu)造研究所未能發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造活動(dòng)信息，對震群序列的走向也有了比較清晰的認(rèn)識。

本文又利用CAP方法對2013年乳山震群發(fā)生以來9次較大的地震的震源機(jī)制進(jìn)行反演，從結(jié)果可以看出幾次地震的主壓應(yīng)力軸方向比較一致，節(jié)面走向也比較相似，幾次地震節(jié)面Ⅰ的走向都與精定位的震群分布的走向比較一致，為270°—320°，根據(jù)得到的震群走向也基本可以判斷節(jié)面Ⅰ和節(jié)面Ⅱ的關(guān)系。幾次較大余震的范圍都在主震半徑4km以內(nèi)，最佳擬合的深度為4.1—10.2km。本文利用乳山2014年1月7日4.2級地震作為震源機(jī)制解演示震例，節(jié)面Ⅰ走向?yàn)?99.5°，傾角為64°，滑動(dòng)角為16.7°；節(jié)面Ⅱ的走向?yàn)?02°，傾角為75°，滑動(dòng)角為153°，矩震級W4.22，經(jīng)過深度擬合反演，震源深度8.6km左右為最佳的擬合的雙力偶解，與其余幾次較大的震源機(jī)制解的節(jié)面數(shù)據(jù)對比，結(jié)果基本一致。乳山及附近地區(qū)的斷裂活動(dòng)主要為NE—NNE向發(fā)育，之前的地震活動(dòng)也多與此相關(guān)。經(jīng)過重新精定位可以看出，乳山震群離主干斷裂有一定距離，NW向可能存在已知的小的成礦分支斷裂，其活動(dòng)與該地區(qū)可能存在一條或者多條隱伏的次級斷裂活動(dòng)有關(guān)系，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Characteristics and Background of Shandong Rushan Earthquake Sequences

Li Bo, Cui Xin, Lou Shiping, Yang Yuyong and Zhang Hui

(Earthquake Administration of Shandong Province, Ji’nan 250014, China)

An earthquake withS3.2 occured in Weihai city of Shandong province on October 1st, 2013, followed by a series of earthquake sequences. Until now (May, 2016), the Shandong Seismic Network has recorded more than ten thousand aftershocks, among which there are nine events with magnitude overS3.0 and three overS4.0. Since then frequent seismotectonic activities have been perceived in Rushan and the surrounding areas. To understand the mechanism of Rushan earthquake swarms better, we collected and analyzed the digital seismic wave data from Shandong Seismic Network and the seismic array data from the newly-built Rushan station, and relocated the epicenter location and the sequence distribution with the Double-Difference method, and got a N-W stripe distribution from the aftershock sequence. The CAP (Cut and Paste) method was applied to inverse the focal mechanism solution three times of the earthquakes overS4.0 and 6.0 times of the earthquakes overS3.0—4.0. The results showed that the average focal depth of several great earthquakes was 5km, about the same with that of the seismic network. TheS3.2 earthquake in Rushan happened on January 7, 2014, was analyzed with the detailed result of nodal planeⅠ(strike angle 299.5°, dip angle 64°and rake angle 16.7°) and nodal planⅡ(strike angle 202°, dip angle 75° and rake angle 162°). The strike distribution of the earthquake swarms is NW while the dip distribution NE. Because the certain distance between the distribution and the Rushan fault, it can be deduced that this area may belong to the part of Rushan fault, or there may be some undiscovered faults.

Rushan; Accurate relocation; Focal mechanism

10.11899/zzfy20170305

山東省地震局重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（YF1706），中國地震局地震科技星火項(xiàng)目（XH16024Y）

2016-12-14

李鉑，男，生于1983年。工程師。主要研究方向?yàn)榈卣鸨O(jiān)測與地震預(yù)報(bào)。E-mail：lbjjwgaj@163.com