張 斌，蘇道磊，申金超，董曉娜，程海澤

（1. 濟(jì)南市地震監(jiān)測(cè)中心，濟(jì)南，250001；2. 山東省地震局，濟(jì)南，250001）

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2020年2月18日17 時(shí) 7 分山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)（36.47°N；116.64°E）發(fā)生MS4.1地震，震源深度10 km。截至2020年3月2日，共監(jiān)測(cè)到余震活動(dòng)36次，其中，ML0.0～0.9地震18次，ML1.0～1.9地震14次，ML2.0～2.9地震2次，ML3.0～3.9地震2次，最大余震為2月20日ML3.7地震。地震活動(dòng)發(fā)生在中國(guó)大陸東部省會(huì)城市，又是“弱震”地區(qū)，且有感范圍較大，有感余震次數(shù)較多，引起了廣泛關(guān)注。

山東濟(jì)南4.1級(jí)地震發(fā)生后，山東省地震局及濟(jì)南市地震監(jiān)測(cè)中心第一時(shí)間在震中附近布設(shè)了4個(gè)流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站（圖1），并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至山東省地震臺(tái)網(wǎng)中心及濟(jì)南市地震臺(tái)網(wǎng)中心。流動(dòng)臺(tái)對(duì)震區(qū)ML0.2以上地震形成有效監(jiān)測(cè)，積累了豐富的地震序列觀測(cè)資料，對(duì)于開(kāi)展地震重定位提供了震相資料。

精確的地震定位對(duì)于研究地震活動(dòng)構(gòu)造、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地震應(yīng)急、震后減災(zāi)救災(zāi)等具有非常重要的意義。Waldhauser等[1]提出的雙差重定位是國(guó)內(nèi)外廣泛使用的相對(duì)定位方法，被認(rèn)為是提高小震震源位置精度的一種有效手段。眾多地震學(xué)者利用該方法開(kāi)展了大量研究，在斷層走向及孕震層深度等方面獲得了豐富的研究成果[2-7]。

本文依據(jù)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)和流動(dòng)臺(tái)記錄的震相數(shù)據(jù)，選取合理的地殼速度模型，采用雙差重定位方法對(duì)濟(jì)南4.1級(jí)地震序列進(jìn)行重新定位，結(jié)合震源機(jī)制解對(duì)發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行討論。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

濟(jì)南長(zhǎng)清地區(qū)在大地構(gòu)造上位于魯西塊體內(nèi)部。魯西塊體位于齊河-廣饒斷裂以南，聊蘭斷裂以東，東以郯廬斷裂帶為界，由魯西隆起和濟(jì)陽(yáng)坳陷“一隆一坳”構(gòu)造單元組成，基底由泰山巖群、TTG巖系和古元古代造山花崗巖組成，蓋層中以NW向脆性正斷層為主[8]。魯西塊體分為魯西北沉降斜坡帶、魯中南較強(qiáng)烈斷隆、魯西南斷陷3個(gè)次級(jí)新構(gòu)造單元。濟(jì)南處于NE向魯西北沉降斜坡帶與魯中南部較強(qiáng)烈斷隆的交界地帶上，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以長(zhǎng)時(shí)期、間歇性的斷塊差異升降運(yùn)動(dòng)為特征，上升山地與沉積盆地的格局在第三紀(jì)末形成，第四紀(jì)以來(lái)只是繼承性活動(dòng)，該區(qū)斷裂較為發(fā)育，其中，NNW、NEE、NNE向3組斷裂規(guī)模較大。歷史上曾記載1835年平陰5級(jí)和1622年長(zhǎng)清5?級(jí)地震2次。自1970年以來(lái)，震中周邊30 km范圍內(nèi)僅記錄到ML3.0以上地震2次，現(xiàn)代地震活動(dòng)較弱。距離此次濟(jì)南4.1級(jí)地震較近的區(qū)域斷裂有長(zhǎng)清斷裂、東阿斷裂、肥城斷裂（圖1）。

圖1 定位臺(tái)站、斷裂分布圖及主震震源機(jī)制解

長(zhǎng)清斷裂為第四紀(jì)早更新世活動(dòng)斷裂，總體走向 NNW，傾向SW，傾角55°～70°，全長(zhǎng)約 60 km，正斷層性質(zhì)，衛(wèi)星影像顯示長(zhǎng)清斷裂具有左旋分量。斷裂切割的地層主要為寒武系、奧陶系，長(zhǎng)清以北段發(fā)育在濟(jì)陽(yáng)凹陷南側(cè)斜坡構(gòu)造部位，其北端截止于廣齊隱伏斷裂上。該斷裂在長(zhǎng)清以北隱伏于黃河洪沖積平原之下，長(zhǎng)清以南經(jīng)胡同店、南河洼，在馬頭一帶湮滅在泰安群變質(zhì)巖系中。東阿斷裂處于魯西隆起區(qū)的西北部邊緣，全長(zhǎng)約80 km，走向NE，傾角較大，傾向NW，正斷層性質(zhì)，晚更新世以來(lái)斷裂不活動(dòng)。肥城斷裂全長(zhǎng)約80 km，為弧形斷裂，由SW向、近EW向和SE向3段組成。斷裂向南傾，傾角58°～73°，性質(zhì)為正斷層。SW向段西起上水河，經(jīng)孝直至石橫止；近EW向段位于肥城縣老城區(qū)北，構(gòu)成肥城盆地的北邊界，多為隱伏狀；SE向段由寨山坡，經(jīng)孤山洼、朱家莊、魚(yú)池村、北白樓至夏張以東止。

2 數(shù)據(jù)和方法

長(zhǎng)清地區(qū)為弱震地區(qū)，4.1級(jí)地震震中50 km范圍內(nèi)有4個(gè)固定臺(tái)站，附近區(qū)域臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站密度相對(duì)較小。2月19日，山東省地震局及濟(jì)南市地震監(jiān)測(cè)中心在震中附近架設(shè)了4個(gè)流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)，臺(tái)站間距在5 km左右，與原區(qū)域地震臺(tái)站組成觀測(cè)臺(tái)陣，大大改善了該區(qū)觀測(cè)條件。本文采用的原始數(shù)據(jù)主要來(lái)源于山東區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)及流動(dòng)臺(tái)所記錄到的37次地震震相，震級(jí)分布范圍為ML0.2～4.6，震相主要為直達(dá)波Pg、Sg的到時(shí)資料。

雙差地震定位是一種相對(duì)定位方法，利用地震波的走時(shí)差反演震源位置。該方法主要采用2次相近地震到同一臺(tái)站的走時(shí)殘差之差，從而能夠有效地降低由于地殼速度結(jié)構(gòu)的不確定性而引起的誤差，且能對(duì)地震震源深度進(jìn)行有效約束。在重定位過(guò)程中，因長(zhǎng)清地震個(gè)數(shù)相對(duì)較少，本文采用奇異值分解法確定解方程的算法。設(shè)置最小連接數(shù)和最小觀測(cè)數(shù)均為6，震源間距小于5 km，地震對(duì)到臺(tái)站的距離小于300 km；P波到時(shí)權(quán)重為1.0，S波權(quán)重為0.75；地震定位迭代分組4次，5次迭代，參與計(jì)算的地震臺(tái)站為36個(gè)，最終得到30個(gè)震源結(jié)果參數(shù)。

雙差定位法雖然能夠有效地降低由于地殼速度結(jié)構(gòu)的不確定性而引起的誤差，但是由于采用水平分層的速度模型，震源處的速度結(jié)構(gòu)對(duì)定位結(jié)果有一定影響，因而應(yīng)該選擇盡可能接近實(shí)際的地層結(jié)構(gòu)。魯西塊體的速度結(jié)構(gòu)極不均勻，本文收集了多個(gè)魯西地區(qū)人工地震測(cè)深剖面獲得的二維速度結(jié)構(gòu)[9-11]，以及層析成像得到的三維速度結(jié)構(gòu)[12]，最終采用的速度結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 初始P波速度模型表

3 定位結(jié)果及特征

基于上述雙差定位方法及參數(shù)設(shè)置，獲得了30次地震活動(dòng)重定位結(jié)果（圖2）。重定位前后地震震中分布如圖2a、2b所示。為顯示序列分布的時(shí)空變化特征，利用不同的顏色代表不同時(shí)段的地震分布。圖2色標(biāo)顯示余震活動(dòng)集中發(fā)生于主震后前3天，之后僅發(fā)生3次小震，地震活動(dòng)明顯減少。與重定位前相比，重定位后地震震中位置有所緊縮，線性條帶特征更加清晰。重定位后地震序列破裂面長(zhǎng)約2.5 km，寬約1 km，大致優(yōu)勢(shì)分布的走向?yàn)?20°。主震兩側(cè)的破裂呈明顯不對(duì)稱(chēng)分布，以西北側(cè)破裂為主。

圖2 雙差重定位前后濟(jì)南4.1級(jí)地震序列震中分布圖

地震重定位剖面能夠清晰地反映斷層深部結(jié)構(gòu)形態(tài)。圖3展現(xiàn)了地震序列在走向AA?剖面及垂直剖面BB?橫截面上的分布特征。橫截面在平面上的位置投影如圖2所示，投影的地震事件取自距離橫截面1.5 km范圍內(nèi)。AA?剖面表明地震分布具有分段性，主要集中在NW向條帶的東南端，距離震中±0.5 km范圍內(nèi)。4.1級(jí)主震及2次較大余震的震源深度較淺，其余小震活動(dòng)位于主震下側(cè)，反映了4.1級(jí)地震破裂始于淺部，然后向深部擴(kuò)展。同時(shí)4.1級(jí)主震及ML3.7、ML3.1余震明顯有震感也驗(yàn)證了這3次地震的震源深度較淺。BB?剖面顯示斷層面具有分層性（圖3中虛線部分），斷層面傾向SW，發(fā)震斷層傾角約50°。

震源深度是探討地震孕育和發(fā)生的深部環(huán)境、地殼介質(zhì)的流變性質(zhì)以及圈層構(gòu)造等諸多大陸動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的重要參數(shù)[13]。雙差重定位能夠?qū)Φ卣鹫鹪瓷疃冗M(jìn)行有效約束。濟(jì)南4.1級(jí)地震序列雙差重定位前后的震源深度如圖4所示：重定位前震源深度在5～8 km呈現(xiàn)較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)分布；重定位后所有地震的深度小于10 km，并集中于3～5 km，形態(tài)更接近于正態(tài)分布。重定位震源深度表明破裂均發(fā)生在上地殼，震源深度較淺，與“地震序列雖然震級(jí)較小但多次有感”相吻合。

圖3 重定位后地震序列沿AA?、BB?剖面的分布特征

圖4 重定位前后的地震震源深度分布統(tǒng)計(jì)圖

圖5 為重定位前后殘差分布圖，殘差大小能夠反映地震定位的精度。臺(tái)網(wǎng)定位的均方根殘差（Rms）集中分布在0.1～0.2 s，重定位后絕大部分均方根殘差小于0.02 s。均方根殘差的平均值由臺(tái)網(wǎng)定位的0.174 s減少到重定位后的0.013 s，殘差明顯減小。

圖5 重定位前后的均方根殘差分布圖

4 震源機(jī)制及發(fā)震構(gòu)造初探

震源機(jī)制解直觀地反映了地震破裂幾何特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，是研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的基礎(chǔ)。地震序列震源機(jī)制及重新定位后的余震時(shí)空分布對(duì)于確定發(fā)震構(gòu)造、判定未來(lái)地震趨勢(shì)具有重要意義。

濟(jì)南4.1級(jí)地震周邊150 km范圍內(nèi)區(qū)域地震臺(tái)站能夠較好地包圍震中區(qū)，可以利用P波初動(dòng)法取得比較理想的震源機(jī)制反演結(jié)果。本文采用P波初動(dòng)法對(duì)5次ML2.0以上地震進(jìn)行了震源機(jī)制解反演，數(shù)據(jù)采用固定臺(tái)站、流動(dòng)臺(tái)及華北科學(xué)臺(tái)陣觀測(cè)資料，每個(gè)震源機(jī)制均采用15個(gè)以上的臺(tái)站初動(dòng)。表2結(jié)果表明，濟(jì)南4.1級(jí)主震震源機(jī)制解顯示為正斷性質(zhì)兼走滑分量，P波初動(dòng)符號(hào)在震源機(jī)制解上的投影圖見(jiàn)圖6。并與其他研究者采用CAP波形反演的震源機(jī)制結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，印證了反演結(jié)果相對(duì)可靠（圖1）。4次余震震源機(jī)制顯示為走滑性質(zhì)。P軸方位90°或270°左右，T軸方位350°左右，4次余震的主壓應(yīng)力軸方向近于水平，斷層錯(cuò)動(dòng)面傾角較陡，錯(cuò)動(dòng)方式以走滑型為主。這一結(jié)果與華北地區(qū)NEE-SWW方向的水平壓應(yīng)力和NNW-SSE方向的水平張應(yīng)力的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)基本一致。在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用之下，NW向斷裂發(fā)生左旋張扭性活動(dòng)。

余震震源分布特征、震源機(jī)制解節(jié)面B表明發(fā)震斷裂走向NW，傾角較大，具有左旋平移性質(zhì)，與區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)清斷裂性質(zhì)較為一致，推測(cè)濟(jì)南4.1級(jí)地震與長(zhǎng)清斷裂有密切關(guān)系，地震活動(dòng)可能為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下長(zhǎng)清斷裂及次級(jí)派生斷裂活動(dòng)的結(jié)果。

表2 長(zhǎng)清4.1級(jí)地震序列ML2.0級(jí)以上地震震源機(jī)制解

圖6 主震P波初動(dòng)符號(hào)在震源機(jī)制解上的投影圖

5 結(jié)論

本文利用區(qū)域臺(tái)網(wǎng)固定臺(tái)和流動(dòng)臺(tái)觀測(cè)資料，采用雙差定位法對(duì)山東長(zhǎng)清4.1級(jí)地震序列活動(dòng)進(jìn)行了重定位研究，獲得了30個(gè)震源位置參數(shù)，并對(duì)5次ML2.0以上地震的震源機(jī)制解進(jìn)行了反演分析，初步得到以下結(jié)論：

1）重定位后地震序列呈NW向分布，破裂方式呈不對(duì)稱(chēng)的雙側(cè)破裂，地震破裂始于深部，然后向淺部擴(kuò)展。震源深度優(yōu)勢(shì)范圍為3～5 km。發(fā)震斷層具有傾向SW、傾角較大的深部構(gòu)造特征。

2）震源機(jī)制解顯示主震為正斷兼走滑性質(zhì)，余震性質(zhì)為走滑型，節(jié)面優(yōu)勢(shì)方位具有NW向、發(fā)震斷層高傾角的特點(diǎn)；地震活動(dòng)的P軸方位角近EW向，T軸優(yōu)勢(shì)方位近SN向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)一致。

3）綜合重定位后地震分布方向、深部構(gòu)造形態(tài)、震源機(jī)制解特征，推測(cè)地震活動(dòng)可能為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下長(zhǎng)清斷裂及次級(jí)派生斷裂活動(dòng)的結(jié)果。

致謝 山東省地震臺(tái)網(wǎng)預(yù)警中心提供了流動(dòng)臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)，山東省地震預(yù)報(bào)中心崔華偉補(bǔ)充了華北科學(xué)臺(tái)陣數(shù)據(jù)，山東省地震預(yù)報(bào)中心戴宗輝提供了CAP反演震源機(jī)制的結(jié)果，在此表示衷心感謝！