盛敏漢 儲日升 王清東 曾求 馬海超

1) 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077 2)中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)測定，北京時(shí)間2019年12月26日18時(shí)36分34秒，湖北省應(yīng)城發(fā)生M4.9中等地震(圖1(a))，震中位于113.40°E、30.87°N，震源深度10km。震中距離應(yīng)城市區(qū)不到20km，烈度Ⅵ度，地震導(dǎo)致附近部分房屋出現(xiàn)開裂，距離震中90km的武漢市區(qū)有明顯晃動。

圖 1 研究區(qū)域構(gòu)造(a)及反演震源參數(shù)所用速度模型(b)(a)中紅色五角星表示應(yīng)城地震主震，藍(lán)色五角星表示目錄余震，震源球表示機(jī)制解，藍(lán)色三角形為參與震源參數(shù)反演的地震臺站，其中隨州臺(SZH)離主震近且數(shù)據(jù)質(zhì)量高，用來模板匹配識別余震，以紅色邊框標(biāo)識，黑色斷層數(shù)據(jù)引自鄧起東等(2003)，紅色斷層數(shù)據(jù)引自李恒等(2020)；(b)中震源區(qū)CRUST1.0模型引自Laske等(2013)，其中紅線對應(yīng)S波、藍(lán)線對應(yīng)P波，應(yīng)城及鄰區(qū)平均一維速度模型引自Shen等(2016)，其中灰線對應(yīng)S波、黑線對應(yīng)P波(取為S波速的1.732倍)

在地質(zhì)構(gòu)造上，湖北省跨越秦嶺褶皺系與揚(yáng)子地塊兩大構(gòu)造單元。以青峰-襄樊-廣濟(jì)斷裂為界，斷裂北側(cè)為秦嶺褶皺系，南側(cè)為揚(yáng)子地塊(圖1(a))。秦嶺褶皺系屬中央造山帶的組成部分，屬于強(qiáng)烈變形構(gòu)造單元，帶內(nèi)活動斷裂發(fā)育，控制著破壞性地震的發(fā)生；揚(yáng)子地塊相對穩(wěn)定，但仍存在破壞性地震且沿?cái)嗔逊植?張麗芬等，2011)。據(jù)湖北省地震志，自公元前143年有地震記載以來，省內(nèi)4.7級以上的破壞性地震有30多次，其中M6以上地震3次，19次地震的震級在M5.0～5.9之間。全省最大地震為公元788年竹山6.0級、1856年咸豐大路壩6.0級以及1932年麻城6.0級地震(熊繼平，1986)。自2000年以來，省內(nèi)最大地震為2013年12月16日巴東M5.1地震(Huang et al，2018)。2019年應(yīng)城M4.9地震發(fā)生在相對穩(wěn)定的揚(yáng)子地塊內(nèi)，研究其震源參數(shù)與余震活動性對于理解該地區(qū)發(fā)震構(gòu)造及評估地震危險(xiǎn)性具有重要意義。

精確測定地震的震源參數(shù)，如震源機(jī)制解和震源深度，是確定發(fā)震構(gòu)造、評估地震災(zāi)害、制定防震減災(zāi)策略的基礎(chǔ)(鄭勇等，2009；易桂喜等，2017)。本文利用寬頻帶波形資料，基于波形擬合方法獲取了應(yīng)城地震的震源機(jī)制解和震源深度?；诓煌乃俣饶Ｐ?，利用Bootstrapping抽樣技術(shù)測試反演結(jié)果，確保了震源參數(shù)的可靠性。此外，利用模板匹配技術(shù)檢測了應(yīng)城地震的前震和余震活動性。

1 方法

本研究利用CAP(Cut and Paste)波形擬合方法(Zhu et al，1996)獲取應(yīng)城地震的震源機(jī)制解和震源深度。CAP方法在點(diǎn)源假設(shè)的條件下，利用近震波形數(shù)據(jù)，通過波形擬合來獲取震源參數(shù)。不同震源機(jī)制解的地震波輻射花樣存在差別，不同深度的地震其波形在振幅以及深度震相到時(shí)上均會體現(xiàn)差異，CAP方法利用不同震源機(jī)制解、不同深度的合成波形來擬合各個臺站的觀測波形(Chu et al，2013；Wang et al，2020)。計(jì)算理論地震圖采用的是頻率-波數(shù)法(Zhu et al，2002)，該方法適用于水平層狀模型。通過頻率域和波數(shù)域積分，由傳播矩陣計(jì)算理論波形。最后通過網(wǎng)格搜索震源參數(shù)，找到合成波形和觀測波形擬合最佳情形下的解。該方法的優(yōu)點(diǎn)是將三分量波形切割成體波段和面波段分別進(jìn)行時(shí)移擬合，其優(yōu)勢在于：①體波段、瑞利面波段以及勒夫面波段波形可以用不同的時(shí)移量分別擬合，從而可以有效降低反演結(jié)果對速度模型的依賴，減小速度模型不準(zhǔn)確帶來的影響；②體波、面波分開反演，使用不同的幾何擴(kuò)散因子矯正振幅，利用不同的權(quán)重來反演體波和面波，可以有效降低面波振幅過大從而主導(dǎo)反演結(jié)果帶來的影響。在點(diǎn)源假設(shè)情形下，斷層面和輔助面的輻射花樣相同，因此CAP方法得到的震源機(jī)制解需要結(jié)合其他信息才能辨別發(fā)震斷層和輔助斷層面，例如破裂方向性、余震的分布等。

模板匹配方法廣泛用于檢測地震目錄中缺失的小地震(Peng et al，2009；Zhang et al，2015；楊慧等，2018；Zhu et al，2019；Ma et al，2020)。本研究利用滑動時(shí)窗互相關(guān)(Sliding-window Cross-correlation，簡稱SCC)方法(Yang et al，2009)檢測應(yīng)城地震目錄之外的余震。SCC方法以單臺單分量或多分量地震波形作為模板，將模板波形和同臺站的連續(xù)波形進(jìn)行滑動互相關(guān)，當(dāng)互相關(guān)系數(shù)大于一定的閾值時(shí)，便認(rèn)為檢測到了一個和模板事件位置相近、震源機(jī)制解相似的地震。根據(jù)被檢測地震和模板地震的振幅比A/At，還可以估算被檢測地震的震級M

M=Mt+lg(A/At)

(1)

其中，Mt為模板地震的震級。SCC方法可以有效地檢測低信噪比事件，相比于短時(shí)平均比長時(shí)平均方法(即STA/LTA)，能檢測到更小的地震事件。

2 數(shù)據(jù)與速度模型

選用震中距小于300km的寬頻帶地震臺來反演震源參數(shù)(圖1(a))。首先人工檢查原始數(shù)據(jù)，剔除質(zhì)量差的波形記錄；然后去除儀器響應(yīng)，再將東西、南北分量的波形旋轉(zhuǎn)至徑向和切向。在反演中，體波段和面波段的時(shí)窗長度分別為40s和70s，濾波頻帶分別為0.06～0.1Hz和0.02～0.1Hz。主震前1天和后7天的連續(xù)波形數(shù)據(jù)被用于模板匹配方法來檢測小地震。

選用了震源區(qū)的CRUST1.0模型(Laske et al，2013)以及Shen等(2016)由面波頻散獲得的剪切波速度結(jié)構(gòu)作為反演震源參數(shù)的速度模型。Shen等(2016)的模型為中國地區(qū)地殼和上地幔三維剪切波速度模型，經(jīng)度和緯度方向上的網(wǎng)格間隔為0.5°，深度方向上的間隔為0.5km。將震源區(qū)300km以內(nèi)網(wǎng)格的速度均值作為一維速度模型，并令vP/vS=1.732(圖1(b))。由于頻率-波數(shù)法合成理論波形不能將震源放在速度分界面上，在用CRUST1.0模型反演過程中，震源起始搜索深度設(shè)置為1km，搜索步長1km；在利用Shen等(2016)模型時(shí)，震源起始深度放置于1.5km處，深度方向上的搜索步長也為1km。

3 結(jié)果

由CRUST1.0模型獲取的最佳雙力偶解為：節(jié)面Ⅰ走向150°、傾向67°、滑動角15°，節(jié)面Ⅱ走向54°、傾向76°、滑動角156°，震級MW4.65(圖2)；由Shen等(2016)模型獲取的最佳的雙力偶解為：節(jié)面Ⅰ走向149°、傾向68°、滑動角15°，節(jié)面Ⅱ走向53°、傾向76°、滑動角157°，震級MW4.67(圖3)；2個模型對應(yīng)的最佳深度分別為7.0km和7.5km(圖4)。由此可以看出，由2個淺部結(jié)構(gòu)差異較大的模型獲得的震源參數(shù)，無論是震源機(jī)制解，還是震級與深度的差別均極其細(xì)微，進(jìn)一步說明了CAP方法不依賴速度模型的優(yōu)點(diǎn)。另外，震源機(jī)制解隨深度的變化不明顯(圖4)，說明了反演結(jié)果的穩(wěn)定性。用2個模型得到的最佳反演結(jié)果中，各個臺站的合成波形均能較好地?cái)M合觀測波形，說明了反演結(jié)果的可靠性。

圖 2 應(yīng)用CRUST1.0模型反演的震源機(jī)制解結(jié)果 觀測和合成波形分別用黑色和紅色表示；每一行波形前分別為臺站名、震中距(km)和方位角(°)；波形下方的數(shù)字表示時(shí)移值以及觀測波形和合成波形的互相關(guān)系數(shù)；時(shí)移值為正表示合成波形比觀測波形早到

圖 3 應(yīng)用Shen等(2016)模型反演的震源機(jī)制解結(jié)果圖中文字和符號同圖2

圖 4 震源深度反演結(jié)果(a)應(yīng)用CRUST1.0模型得到的誤差隨深度分布；(b)應(yīng)用Shen等(2016)模型得到的誤差隨深度分布

圖 5 1000次Bootstrapping反演結(jié)果(a)最佳深度分布；(b)斷層走向分布，右上角數(shù)值表示走向的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；(c)斷層傾向分布，右上角數(shù)值表示傾向的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；(d)斷層滑動角分布，右上角數(shù)值表示滑動角的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

應(yīng)城地震余震少(表1)，為了驗(yàn)證較少余震是否由目錄不全所造成，我們以主震及目錄余震波形作為模板，利用SCC方法檢測可能遺漏的地震。通過人工檢查連續(xù)波形，發(fā)現(xiàn)離主震較近的隨州臺(SZH)數(shù)據(jù)質(zhì)量高。以隨州臺記錄到的主震和余震的垂直分量波形作為模板進(jìn)行互相關(guān)檢測。由于第一個余震在主震之后幾分鐘內(nèi)發(fā)生，其波形受到了主震尾波的干擾，故從模板中去除了該事件。除了主震外，目錄余震震級均在M2.0以下，P波微弱，采用S波和其后續(xù)波形進(jìn)行模板匹配。將模板波形和連續(xù)數(shù)據(jù)濾波到0.8～2Hz，以模板事件S波前1s和后10s作為檢測時(shí)窗(圖6)，以互相關(guān)系數(shù)(CC)0.8作為閾值。在去除重復(fù)檢測之后，最終得到12個目錄之外的事件，其中1個事件發(fā)生在主震之前(圖7(a))，且沒有檢測到任何和主震相似的事件，表明應(yīng)城地震余震確實(shí)較少，屬于孤立型地震。根據(jù)振幅比，估算了檢測到的地震震級，從震級分布(圖7(b))可以看出，該地震序列不滿足G-R關(guān)系(Gutenberg et al，1944)。

表1應(yīng)城地震及中國地震臺網(wǎng)中心目錄中的余震

圖 6 模板匹配結(jié)果(a)主震及目錄余震作為模板波形；(b)目錄中最后一個余震作為模板的檢測結(jié)果；加粗波形表示2個波形相似，能互相檢測到的模板事件；數(shù)字表示地震的發(fā)生日期/時(shí)刻(北京時(shí)間)/震級

圖 7 應(yīng)城地震序列(a)地震序列M-t圖，圓圈標(biāo)記中國地震臺網(wǎng)中心目錄中的地震，五角星標(biāo)記模板匹配檢測到的地震；(b)震級與累計(jì)地震數(shù)

4 討論

本研究利用CAP方法反演了2019年12月26日湖北應(yīng)城M4.9地震的震源機(jī)制解和震源深度。應(yīng)城地震以走滑為主，矩心深度約7.5km。CAP方法以點(diǎn)源假設(shè)為基礎(chǔ)，得到的震源機(jī)制解無法區(qū)分發(fā)震斷層面和輔助斷層面。在震中附近存在2條近共軛的潛北斷層和皂市斷層(圖1(a))，走向分別平行于應(yīng)城地震震源機(jī)制解的2個節(jié)面。因此，應(yīng)城地震的發(fā)震斷層應(yīng)該是這2條斷層其中之一，但是具體破裂發(fā)生在哪一條斷層，還需要依靠其他方法獲取。

發(fā)震斷層可以通過破裂方向性和余震的時(shí)空展布得到(何驍慧等，2020；蘇金蓉等，2013；Sheng et al，2020a)。稀疏臺網(wǎng)下中強(qiáng)地震的破裂方向可通過不同方位角的視震源時(shí)間函數(shù)的持續(xù)時(shí)間得到(Prieto et al，2017)，這種方法需要主震附近存在位置相近、震源機(jī)制解相似的小地震作為經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，來去除路徑效應(yīng)的影響。而應(yīng)城地震余震少，主震發(fā)生之后7天內(nèi)的目錄僅有6個余震，最大震級M1.9。余震震級小，波形信噪比低，難以作為經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)來反演破裂方向性。另外，該地震余震少，很難通過其空間展布獲得發(fā)震斷層。

通過模板匹配方法僅檢測到12個目錄中未記錄的小地震，主震和余震震級分布不滿足G-R關(guān)系，主震震級接近M5，卻缺乏M2～4的余震。根據(jù)前震和余震稀少、其能量總和不到主震能量千分之一的特點(diǎn)(王振聲，1982)，應(yīng)城地震可以被認(rèn)定為孤立型地震。以M2以下地震估算b值，結(jié)果為0.8，小于大多數(shù)地震序列的b值(1.0)。b值采用線性最小二乘估計(jì)，95%置信區(qū)間為 0.8±0.1。然而，一般認(rèn)為用來估算b值的地震數(shù)量最好在50以上(Eaton et al，2015)，因此本文的結(jié)果可能存在一定的誤差。該類型地震的發(fā)生可能和低應(yīng)力降有關(guān)聯(lián)(張勇等，2018)，主震應(yīng)力降越小，余震序列的b值也越小，余震數(shù)量則越少(Gibowicz，1973)。湖北地區(qū)大部分地震的應(yīng)力降均在1MPa以下(申學(xué)林等，2018)，低應(yīng)力降可能使得余震不易被觸發(fā)，可能形成孤立型事件。構(gòu)造活動強(qiáng)烈的地區(qū)應(yīng)力降則較高，我國龍門山斷裂帶北東段汶川地震余震區(qū)、青藏高原東北緣以及新疆天山中段地區(qū)的中小地震應(yīng)力釋放在5～10MPa的水平(趙翠萍等，2011)；美國加州中部帕克菲爾德地區(qū)應(yīng)力降的平均值約為6.75MPa(Allmann et al，2007)。

5 結(jié)論

本文基于寬頻帶地震波形資料及不同速度模型，利用CAP方法獲取了2019年12月26日湖北應(yīng)城M4.9地震的震源參數(shù)，并應(yīng)用Bootstrapping抽樣技術(shù)反演了震源參數(shù)，確保反演結(jié)果的可靠性；此外利用模版匹配方法識別了小地震。結(jié)果表明，應(yīng)城M4.9地震的矩震級為MW4.67，震源矩心深度7.5km；震源機(jī)制解節(jié)面Ⅰ走向149°、傾向68°、滑動角15°；節(jié)面Ⅱ走向53°、傾向76°、滑動角157°。其發(fā)震斷層為震源附近的潛北斷層和皂市斷層中的一條，這2個條斷層走向分別和2個震源機(jī)制解節(jié)面走向近乎平行，故無法辨別哪一條斷層才是發(fā)震斷層。應(yīng)城地震的余震異常少，且缺少M(fèi)2～4地震事件，通過模板匹配方法得到了目錄之外的12個小事件，余震的b值為0.8，余震活動顯示應(yīng)城地震為孤立型地震。