Seismogenic structure of the Qingshiling, Gaizhou, earthquake swarm
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摘要: 利用双差定位方法对盖州青石岭震群2012年2月至2015年8月的地震活动进行了重新定位,并使用CAP方法和P波初动法计算了ML≥4.0地震的震源机制解,之后结合盖州地区的地震地质资料,分析了青石岭震群的发震构造.结果表明:青石岭震群在平面上呈NW向分布,地震活动主要分布在6 km×3 km的矩形范围内,震源深度为7—10 km;较大地震的震源机制解的走向与精定位后地震的优势分布方向一致;综合分析双差定位结果、震源机制解和发震区的地震地质等资料,初步认为九寨—盖县北段西北侧存在NW向次级铲式正断层,青石岭震群即为该断层在区域应力场作用下不断地左旋走滑-拉张错动造成的.Abstract: Using double difference earthquake location algorithm, we relocated the Qingshiling earthquake swarm which lasted from February 2012 to August 2015. We also obtained the earthquake focal mechanism solutions of the swarm by cut and paste (CAP) method and the P-wave first motion method, and then according to the seismo-geological conditions, we discussed the seismogenic structure of the sequence. The results demonstrated that the distribution direction of the relocated earthquakes is NW, and the earthquakes of the swarm mainly distributed in a scope of 6 km×3 km with the focal depths varied from 7 km to 10 km. The strike of some large earthquakes coincided with the predominant distribution direction of the relocated swarm. Based on double difference results, focal mechanisms and local geological conditions, we preliminarily surmised that there lies a listric secondary normal fault of NW trending to the northwest side of the Jiuzhai-Gaixianbei fault, and Qingshiling earthquake swarm may be caused by that listric normal fault which is controlled by continuous left-lateral strike slip motion under regional stress field.
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引言
自2012年2月2日开始,盖州青石岭地区(40.56°N,122.36°E)发生了一系列中小地震,据辽宁地震台网提供的地震目录,截至2015年8月25日,该序列共记录到ML1.0—1.9地震411次,ML2.0—2.9地震130次,ML3.0—3.9地震20次,ML4.0—4.9地震6次,地震序列位置如图 1所示.
图 2给出了青石岭地震序列的M-t图,从图中可以看出,该序列中存在多次地震活动的起伏现象,并伴随着ML≥4.0地震的发生.历史上,该震群附近曾发生1975年海城MS7.3地震和1999年岫岩MS5.4及MS5.1地震. 2015年8月4日ML4.8地震为该序列的最大地震,周边各市县均有震感,造成了较大的社会影响.
利用地震精定位、震源机制、区域应力场特征及地震地质构造来研究地震发震构造的方法在国内已得到广泛应用(吕坚等,2008;李志海等,2014;李金,王琼,2015).本文拟通过研究青石岭地震序列的精定位结果和主要地震的震源机制解,并结合地震地质情况和区域应力场,综合研判该序列的发震构造.
1. 地震地质和构造应力场
盖州ML4.8地震的宏观震中位于被金州断裂所分割的下辽河—渤海沉降区与辽东上升隆起区(万波,钟以章,1997)的交界地带,金州断裂以西为下辽河—渤海海域,以东为辽东山地.从地壳厚度的分布来看,辽东半岛上地幔凹陷区地壳厚度为35 km左右,两侧的辽东湾(渤海)和北黄海沿岸地壳厚度分别为29—32 km和31—32 km,地壳等厚线整体呈NE--NNE向(辽宁省地质矿产勘查局,1989),金州断裂充当了辽东半岛西侧的幔隆与幔坳的过渡带(万波等,2013).
通过分析辽东半岛地区的震源机制解、小震综合断层面解、原地应力测量和有限元模拟等资料认为整个辽东半岛处在NEE向近水平的主压应力场的作用下(高常波,钟以章,1998).基于相对均匀的地壳介质以及新近纪以来比较稳定的构造应力,辽东半岛作为传播地震弹性波的散射体,在区域内形成NE--NNE向和NW向两组以走滑为主的共轭剪切破裂面并相互交错(钟以章, 白云,1999;Zhong,Gao,2000),构成具有共轭破裂特征的棋盘格式构造(李四光,1969),海城MS7.3地震中NW向和NE--NNE向界面即为这一作用的结果(李荣安,于军,1985).
金州断裂可划分为金州—普兰店、普兰店—九寨、九寨—盖县北和盖县北—鞍山南等4段(万波等,2013).整个金州断裂为正断兼右旋走滑性质,与NEE向近水平的正应力方向相吻合(万波等,2013;张鹏等,2014),盖县北—鞍山南和九寨—盖县北两段的剪切错动方向与雁列断层的排列方向相反,为挤压型雁列断层(马文涛等,1995),盖州青石岭震群位于阶区内靠近九寨—盖县北的西北侧,具体位置如图 1所示.
2. 序列的重新定位与震源机制解反演
2.1 双差定位
地震精定位在地震序列研究中占据重要地位,它不仅可以呈现断层在地壳内部的展布形态,对推断破裂的扩展方向乃至确定震源的破裂面也具有重要作用.区域台网一般采用绝对定位(Geiger,1912)来确定地震三要素,但该方法的定位精度受到速度模型的精度和人工识别误差的制约.近年来,双差定位方法在国内外被广泛应用(黄媛等,2008;房立华等,2011;王长在等,2011),该方法具有不依赖震源到记录台站整条路径上的地震波速度结构(杨智娴等,2002),且定位精度与地震事件丛集区域大小密切相关的特点,地震丛集性越强,定位精度越高(秦双龙,2009),因此,双差定位法能够更好地适用于盖州青石岭地震序列的精定位研究.
本文地震的震相数据来自全国地震编目系统.重定位时要求每个地震有震相记录的台站数目不少于3个,定位前先对震相进行筛选,根据P波、S波的时距曲线,剔除错误或明显偏离理论走时的震相数据.图 3给出了本文所用震相数据的时距曲线.所用数据为筛选得到的3788条Pg波和4135条Sg波的到时数据.由于Pg波的到时读取精度一般比Sg波高,因此在计算中对Pg波赋予1.0的权重,Sg波赋予0.5的权重.所有地震事件均相对于震群的中心点进行定位.
双差定位虽然对速度模型的依赖性相对较小,但所采用的速度模型依然是层状结构,事件簇分布的图像尺度不可避免地受震源所在层的Pg和Sg波传播速度的影响,因此应尽可能地采用接近真实的地壳速度模型(曲均浩等,2015). 20世纪80年代开展的内蒙古东乌珠穆沁旗—辽宁东沟地学断面探测工作(高常波,钟以章,1998)为本研究提供了基础的区域一维速度模型,卢造勋等(2002)根据这一模型利用正交投影方法重建了辽东半岛的地壳和上地幔的三维速度结构.本文根据其研究成果,参考全球地壳速度模型Crust1.0(Laske et al, 2013),构建了辽东半岛地区的一维地壳速度模型(表 1).
表 1 辽东半岛地区地壳速度模型Table 1. Crustal velocity model of Liaodong Peninsula深度/km vP/(km·s-1) vP/vS 0 4.5 1.73 4 5.8 1.73 13 6.1 1.73 24 6.4 1.73 33 6.8 1.73 35 7.8 1.73 2.2 震源机制解反演
震源机制解反映了地震破裂的几何学和运动学特征,对解释青石岭震群的发震构造具有重要意义.青石岭震群周边台站分布不均匀,尤其是靠近渤海湾的海域,这使得利用P波初动及初动与幅值比联合反演震源机制解的方法受到限制.近年来,CAP(cut and paste)反演方法(Zhao, Helmberger,1994)在国内得到广泛地应用(韩立波等,2012;李金,王琼,2015),该方法利用体波(Pnl波)和面波联合反演矩张量解,分别拟合体波和面波,其结果对速度结构及地壳的横向差异不敏感,而且在震源矩心深度的确定上也具有优势(韦生吉等,2009;郑勇等,2009).
根据波形记录的质量,选择距青石岭地震序列200 km内的台站的记录参与反演.由于锦州台、南票台、首山台和绥中台等与地震序列之间间隔了渤海湾,面波震相与理论地震图的面波拟合效果较差,黄58台为深井台,盖县台地震计的北方向与真北方向在一段时间内存在夹角,因此,本文仅选择岫岩台、鞍山台、瓦房店台、孤山台、本溪台、丹东台、大连台、横山台、辽阳台和沈阳台(图 1右下角小图中空心三角形)的波形参与反演.速度模型选择表 1所列的一维层状模型. Pnl波和面波的反演波段分别为0.05—0.15 Hz和0.033—0.067 Hz,同时赋予体波更高的权重以避免反演过程中面波信息的影响,Pnl波和面波的相对权重比为2:1.
3. 结果分析
3.1 青石岭震群精定位结果
筛除台站记录不足3个的地震,经双差定位后,得到青石岭震群311次地震的定位结果.图 4a, b分别为青石岭震群辽宁省台网定位的结果和本次精定位后的结果,对比两图可以看出,精定位后地震分布更加集中.地震序列中震级最大的地震,即2015年8月4日ML4.8地震,台网定位的震中为(122.432°E,40.480°N),震源深度为10 km;重定位后,震中为(122.426°E,40.485°N),震源深度为8.5 km,重新定位后震中向西偏移0.7 km,更加靠近金州断裂的九寨—盖县北段.地震序列中两次最大的地震,即2012年2月2日ML4.7和2015年8月4日ML4.8地震,均发生在该序列的东南端.重定位后的震群活动展布呈现较为清晰的NW向,主要的地震活动沿长轴AA′线性分布,延展长度约6.5 km,垂直于AA′方向的短轴BB′宽约3 km,震群中主要的地震活动集中在约6 km×3 km的矩形框内.由于青石岭震群持续时间较长,因此本文从2012年2月开始,以两个月为间隔填充地震颜色,蓝色代表地震序列中2015年8月4日ML4.8地震及后续小震.从图 4b中可以看出,地震序列的震中分布随时间的迁移并不明显.图 4c给出了辽宁省台网定位和重新定位后不同深度地震次数的统计情况.从图中可以看出,重新定位后,震群中主要地震的震源深度变深,集中分布在7—10 km范围内,与CAP方法获得的ML4.7和ML4.8地震的矩心深度较一致.
图 4 青石岭震群初始定位结果和重定位结果对比(a)初始定位结果;(b)双差定位结果;(c)初始定位(蓝)和双差定位(红)的震源深度分布Figure 4. Initial location and relocation of Qingshiling earthquake swarm(a) Initial location of Qingshiling earthquake swarm; (b) Relocation of Qingshiling earthquake swarm by double difference earthquake location algorithm; (c) The focal depth distribution of the earthquake swarm calculated by initial location (blue) and double difference earthquake location algorithm (red)3.2 震源机制解结果
采用CAP方法计算青石岭震群中两次ML≥4.5地震的震源机制解,而其余ML≥4.0地震则采用P波初动方法计算其震源机制解.图 5a,b分别给出了2012年2月2日ML4.7地震和2015年8月4日ML4.8地震的震源机制解随深度的变化.
从图 5可以看出,两次地震的震源机制解在5—15 km的深度范围内基本均无变化,反演结果随深度的变化相对稳定,2012年2月2日ML4.7地震的最佳矩心深度为9 km,2015年8月4日ML4.8地震的最佳矩心深度为10 km.图 6给出了两次地震的理论地震图与实际地震图的对比.从图中可以看出,两次地震的理论波形图与绝大多数台站所记录到的实际波形拟合较好,反演结果可信. 2012年2月2日ML4.7地震在最佳矩心深度处的节面参数为:节面Ⅰ的走向为241°,倾角为70°,滑动角为-113°,节面Ⅱ的走向为112°,倾角为30°,滑动角为-43°;2015年8月4日ML4.8地震在最佳矩心深度处的节面参数为:节面Ⅰ的走向为244°,倾角为62°,滑动角为-112°,节面Ⅱ的走向为104°,倾角为35°,滑动角为-55°.
表 2为2012年以来盖州青石岭ML≥4.0地震的震源机制解.从表中可以看出,震群中ML≥4.0地震节面Ⅱ的走向与精定位后震群的优势分布方向一致,除2012年2月2日ML4.3地震为近似走滑性质外,其余地震均显示出正断层的性质.
图 6 青石岭地震序列中ML4.7地震(a)和ML4.8地震(b)的理论地震图(红色)和观测地震图(黑色)的对比波形左侧为台站名称和震中距(单位:km),波形下方第一行数字为理论地震图相对于观测地震图的时移(单位:s),第二行数字为两者的相关系数Figure 6. Comparison of synthetic (red) and observed (black) seismograms for the ML4.7 event (a) and the ML4.8 event (b) in the Qingshiling earthquake swarmThe data on the left of waveforms are station names and epicentral distances (in km), and the numbers in the first line beneath the waveforms are the time shifts of the synthetic waveforms relative to the observed ones (in seconds), and the second line is cross-correlation coefficient of the two表 2 盖州青石岭地震序列ML≥4.0地震的震源机制解Table 2. Focal mechanism solutions of ML≥4.0 earthquakes in the Qingshiling, Gaizhou, earthquake swarm发震日期
年-月-日东经
/°北纬
/°ML 节面Ⅰ 节面Ⅱ 计算方法
(矛盾比)走向/° 倾角/° 滑动角/° 走向/° 倾角/° 滑动角/° 2012-02-02 122.42 40.48 4.7 241 70 -113 112 30 -43 CAP 2012-02-02 122.43 40.49 4.3 226 89 -174 136 84 -1 P波初动(0.06) 2012-07-12 122.41 40.49 4.2 229 59 -132 109 51 -42 P波初动(0.12) 2012-11-01 122.40 40.49 4.0 238 45 -111 88 49 -70 P波初动(0.15) 2013-03-30 122.41 40.49 4.0 230 34 -155 119 76 -58 P波初动(0.26) 2015-08-04 122.43 40.48 4.8 244 62 -112 104 35 -55 CAP 4. 发震构造
余震分布尺度与主震破裂尺度大致相当,根据震级与破裂尺度的经验公式(Wells,Coppersmith,1994;蒋海昆等,2007),震群中最大地震(ML4.8)的破裂尺度远小于震群主要活动区域的尺度,因此,青石岭震群可能是小尺度发震构造的整体性活动引起的.青石岭震群活动自2012年2月2日至2015年8月25日,持续了1300天.从图 2中可以看出,在青石岭震群活动的整个期间内,分别于2012年7月和11月、2013年3月和2015年8月出现了4次地震活动的起伏活跃现象,并伴随发生了4次ML≥4.0地震;从双差定位的结果(图 7)来看,这4次地震的起伏活动所伴随的地震活动并未出现明显的震群迁移现象,可见,青石岭震群的起伏活跃是同一断裂在同一位置多次破裂产生的.
图 7 青石岭震群重定位结果、ML≥4.0地震的震源机制及由此推测的发震构造(a)为青石岭震群的重定位结果;(b),(c)分别为沿剖面AA′和BB′的震源深度分布Figure 7. Relocation of the Qingshiling earthquake swarm, the focal mechanism solutions of ML≥4.0 events and the speculative seismogenic structure(a) is relocation of the Qingshiling earthquake swarm; (b) and (c) are focal depth distribution along profile AA′ and BB′, respectively图 7b中的AA′剖面图给出了青石岭震群可能的发震构造(棕色虚线).本文推测,在九寨—盖县北段的西北侧存在NW向次级铲式正断层,在剖面内表现为由浅至深、从A端至A′端的陡倾角—缓倾角—倾角变平—断层消失的产状特征,该推论与桂焜长(1993)的研究结果相一致.铲式正断层往往是陆壳伸展区构造运动的标志,这与震群中ML≥4.0地震的发震断层所表现出的拉张性质一致.此外,ML≥4.0地震的震源深度集中在8—10 km范围内,且投影在AA′剖面内的震源球表现出低倾角的特点,也与铲式正断层的产状特征相一致.
从图 7c中BB′剖面的震源分布来看,青石岭震群序列发震构造的倾向为SW,倾角约为70°,序列中较大地震集中分布在7—10 km深度范围内.将震群中ML≥4.0地震的震源机制解投影至BB′剖面上,可以推断,发震断层的上盘向SE方向错动,下盘向NW一侧错动,错动性质与区域应力场的方向一致.图 7a的精定位结果显示,震群中绝大多数地震活动主要沿AA′剖面线性分布,结合ML≥4.0地震的震源机制解方位角,可以推断青石岭震群发震断层的走向为NW向.综上,表 2中的节面Ⅱ为地震断层面解,又因本地区区域构造应力场的主压应力方向为NE向,故可推断发震断层具有左旋走滑兼正断的性质.
重新定位后,青石岭震群中两次最大地震更接近于金州断裂的九寨—盖县北段,张鹏等(2014)分析了金州断裂附近钻孔的应力状态后指出,地壳浅表层现今最大主应力方向为NEE向(N65°E—N85°E),揭示出金州断裂现今活动具有右旋走滑的特征.结合金州断裂的分段性,可以判断青石岭震群位于盖县北—鞍山南段与九寨—盖县北段之间形成的右旋左阶挤压型阶列内.万波等(2010)在研究辽东半岛发震构造和控震构造时曾指出,金州断裂的4个NE向断裂构造的结合部位或者端部,均存在NW向构造带发育,而这些NW向的构造是辽东半岛的主要发震构造.综合青石岭震群的双差定位结果和主要地震的震源机制解,可以推断,青石岭震群是金州断裂九寨—盖县北段在NEE向近水平主压应力场作用下出现的横向次级NW向铲式正断层发生左旋走滑-拉张错动形成的.此外,金州断裂在海城、熊岳、普兰店、金州等地也具有若干NW向排列的小条带(万波等,2010),钟以章和白云(1999)认为,这些小规模的NW向构造带具有发育历史短、断续展布、地表行迹不十分明显、新生性和地震危险性高的特点.
5. 讨论与结论
本文利用双差定位方法对盖州青石岭震群进行了重新定位,使用CAP方法和P波初动法计算了主要地震的震源机制解,并结合盖州地区的地震地质资料,分析了青石岭震群的发震构造,主要获得以下结论:
1) 采用双差定位方法对盖州青石岭震群的311次地震进行重新定位,重定位后的震群活动呈现较为清晰的NW向展布,延伸长度约为6.5 km.震群的主要地震活动集中在6 km×3 km的NW向框形内,深度主要集中在7—10 km的上地壳.震群中ML≥4.0地震发生在8—10 km深度范围内,是震群活动深度较深的位置.在沿地震展布方向的剖面内,密集分布的地震活动表现出越往西震源深度越浅、越往东侧震源深度越深的特点,发震断层倾角约为70°,倾向为SW.
2) 利用CAP方法计算了盖州青石岭震群中两次最大地震(ML4.7和ML4.8地震)的震源机制解,所得结果一致性很高.两次地震的最佳矩心深度分别为9 km和10 km,与精定位的结果接近.利用P波初动方法计算了地震序列中其余ML≥4.0地震的震源机制解,除2012年2月2日ML4.3地震为近走滑性质外,其余均显示出正断层的性质,走向呈现一致性,并与精定位后地震优势分布方向相吻合.
3) 综合精定位的结果、主要地震震源机制解的结果和区域地震地质资料,推测盖州青石岭震群在金州断裂的九寨—盖县北段西北侧附近存在NW向次级铲式正断层,震群中的主要地震活动即为该断层在区域应力场的作用下不断地左旋走滑-拉张错动造成的.
4) 从地质资料来看,金州断裂具有右旋走滑兼正断的性质,因此,由九寨—盖县北段和盖县北—鞍山南段形成了右旋左阶的限制性阶列,而震群中主要地震的震源机制解均具有正断性质,与阶区内的应力状态相矛盾,因此,尚需利用更精细的定位结果分析震群的三维构造模型,探讨其发震性质.
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图 4 青石岭震群初始定位结果和重定位结果对比
(a)初始定位结果;(b)双差定位结果;(c)初始定位(蓝)和双差定位(红)的震源深度分布
Figure 4. Initial location and relocation of Qingshiling earthquake swarm
(a) Initial location of Qingshiling earthquake swarm; (b) Relocation of Qingshiling earthquake swarm by double difference earthquake location algorithm; (c) The focal depth distribution of the earthquake swarm calculated by initial location (blue) and double difference earthquake location algorithm (red)
图 6 青石岭地震序列中ML4.7地震(a)和ML4.8地震(b)的理论地震图(红色)和观测地震图(黑色)的对比
波形左侧为台站名称和震中距(单位:km),波形下方第一行数字为理论地震图相对于观测地震图的时移(单位:s),第二行数字为两者的相关系数
Figure 6. Comparison of synthetic (red) and observed (black) seismograms for the ML4.7 event (a) and the ML4.8 event (b) in the Qingshiling earthquake swarm
The data on the left of waveforms are station names and epicentral distances (in km), and the numbers in the first line beneath the waveforms are the time shifts of the synthetic waveforms relative to the observed ones (in seconds), and the second line is cross-correlation coefficient of the two
图 7 青石岭震群重定位结果、ML≥4.0地震的震源机制及由此推测的发震构造
(a)为青石岭震群的重定位结果;(b),(c)分别为沿剖面AA′和BB′的震源深度分布
Figure 7. Relocation of the Qingshiling earthquake swarm, the focal mechanism solutions of ML≥4.0 events and the speculative seismogenic structure
(a) is relocation of the Qingshiling earthquake swarm; (b) and (c) are focal depth distribution along profile AA′ and BB′, respectively
表 1 辽东半岛地区地壳速度模型
Table 1 Crustal velocity model of Liaodong Peninsula
深度/km vP/(km·s-1) vP/vS 0 4.5 1.73 4 5.8 1.73 13 6.1 1.73 24 6.4 1.73 33 6.8 1.73 35 7.8 1.73 表 2 盖州青石岭地震序列ML≥4.0地震的震源机制解
Table 2 Focal mechanism solutions of ML≥4.0 earthquakes in the Qingshiling, Gaizhou, earthquake swarm
发震日期
年-月-日东经
/°北纬
/°ML 节面Ⅰ 节面Ⅱ 计算方法
(矛盾比)走向/° 倾角/° 滑动角/° 走向/° 倾角/° 滑动角/° 2012-02-02 122.42 40.48 4.7 241 70 -113 112 30 -43 CAP 2012-02-02 122.43 40.49 4.3 226 89 -174 136 84 -1 P波初动(0.06) 2012-07-12 122.41 40.49 4.2 229 59 -132 109 51 -42 P波初动(0.12) 2012-11-01 122.40 40.49 4.0 238 45 -111 88 49 -70 P波初动(0.15) 2013-03-30 122.41 40.49 4.0 230 34 -155 119 76 -58 P波初动(0.26) 2015-08-04 122.43 40.48 4.8 244 62 -112 104 35 -55 CAP -
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