1920年海原8(1/2)级大地震的多重破裂特征
MULTIPLE RUPTURE CHARACTERISTICS OF THE 1920 HAIYUAN M8(1/2) EARTHQUAKES
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摘要: 根据作者等人野外实地考察,1920年海原8(1/2)级大地震的地层断层全长225km,共由6条几何参数不同的次级断层呈有规律的斜列状组合而成.每一条次级断层都可分为形变性质不同的三段,其中中段以水平走滑性质为主;两端以垂直形变为主,表现为逆断层和正断层性质.垂直和水平位移的测量数据也表明,每一条次级断层的中段水平位移最大,向两端逐渐减小,以至消失,而垂直位移正好相反,中段小,两端大.整个断层的地震位移显示出多个峰值的形变特征.这种形变特征表明,海原大地震的6条次级断层都是各个相对独立的水平位移间断面(即位错面),每个位错面,都可以代表一次独立的次级地震破裂事件.作者等据此认为,巨大的8(1/2)级海原大地震可能是由6次相对独立的次级地震事件接续发生的结果.Abstract: Field survey by the authors reveals that, the overall length of the earthquake fault for the great 1920 Haiyuan, China, M8(1/2) Earthquake is 225 km, and that the fault consists of 6 sub-faults which show different geometries and stretch regularly in en-echelon configuration. Each subfault can be divided into three segments with different deformation features: the middle segment is essentially strike-slip type, while the two end-segments show predominant vertical displacement, being essentially normal or thrust type respectively. Measurements give the result that maximum horizontal displacement appears at the middle part of each subfault, and dies away gradually near the two ends, while the vertical displacement distributes in just thte opposite way, being small at the middle and large at the ends. The whole fault exhibits several peak displacements.This implies that the 6 subfaults of the great Haiyuan Earthquake are all independent displacement dis-continuities (dislocations), and each of them represents a rupture event. In this regard the authors suggest that the great M8(1/2) Haiyuan Earthquake might be the result of 6 successive subevents which occurred independently of each other.
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引言
珊溪水库位于浙江省温州市文成县与泰顺县交界处,隶属于浙东南褶皱带次级构造单元温州—临海坳陷带南部的泰顺—青田断坳,其西侧以北东向的余姚—丽水深断层为界(马志江等,2016)。该水库于2000年5月开始蓄水,蓄水前地质构造相对稳定,无历史地震记录(赵冬等,2006)。蓄水两年后,库区附近浅源地震频发,且持续至今,震群在时空上呈明显的丛集分布特性,地震总体沿贯穿水库的双溪—焦溪垟断裂成组成段优势分布,先后发生多组显著的高密度震群活动,时序上沿断裂走向由断层库区淹没区向断层两端迁移(钟羽云等,2015)。该水库的地震活动与库区岩性、断层分布及水库蓄水等特征密切相关。双溪—焦溪垟断裂为高倾角(>70°)、右旋走滑兼逆冲型断层,总长度超过20 km,切割深度在5 km以上,切穿变质岩地层基底,为库区附近淹没段最长的断层分支,并发育次级断面,破碎带周围竖向节理发育,胶结程度差,断层两侧为隔水性较好的层状岩层,此断面结构易于库水下渗(周昕等,2006;马志江等,2016)。珊溪水库孕震区是水库地震研究的热点(周昕等,2006;朱新运等,2010;钟羽云等,2015;马志江等,2016;马起杨,朱新运,2016;侯林锋等,2018),通过库区地震震源深度的定位圈定孕震区范围,为水库地震孕震机理的分析提供重要信息。
震源深度是确定孕震区范围的重要位置参数,能够反映地壳岩石流变特性和脆塑性特征(Scholz,2002),因此准确地确定震源深度一直是地震学研究的重要内容之一。然而震源深度的反演既依赖于地震波波速模型,又与发震时刻之间存在折衷,尤其是稀疏台网下,对震源深度的测定尤为困难。经典线性走时拟合方法是目前使用较为广泛的地震定位方法,通过拾取多个地震台的P波、S波震相到时,给定波速模型拟合各个台站的观测到时,使全部台站的走时误差达到最小,从而解算出发震时刻和震源位置。在此基础上发展的诸如联合定位法、相对定位法和双重残差法等方法,均是基于走时计算,需要计算观测值与理论值之间的残差函数,对台网的台站密度和波速模型的依赖较大(崇加军等,2010)。
地震波深度震相蕴含丰富的震源深度信息,为震源深度定位提供了一种新的途径。深度震相是指地震波从震源上行出射经地表反射后传播至台站而形成的震相。震相经地表反射后的传播路径与其对应参考震相的传播路径相似,因此两者到时差主要与震源深度相关,利用深度震相进行震源深度定位可以规避传统走时定位发震时刻与定位深度的折衷性,且基本不依赖于震中距,降低了传统方法对传播路径的三维波速模型的依赖。不同深度震相有其相应的优势震中距范围。中强震在震中距远的波形记录上能够观测到远震深度震相pP和sP。对于中小地震可以采用近震深度震相(sPg,sPn,sPL)来约束震源深度(张瑞青,吴庆举,2008;崇加军等,2010)。因首波的发育需要超过临界震中距,故以首波Pn为参考震相的深度震相sPn,观测台站的震中距通常大于100 km。震相sPg在地壳速度结构具有一定梯度时发育较为明显,其观测台站的震中距介于50—100 km之间。对于震中距50 km以内的台站,上行S波经地表反射转化为P波则会沿地表浅部直接传播到台站,传播过程同时耦合P波在地表浅部的多次波及散射波,其震相为sPL震相(崇加军等,2010;Wang et al,2011)。由于sPL震相发育于较近震中距,可约束中小地震震源深度,适用于类似于珊溪水库这样震群震级普遍偏小的弱震区。
1. 地震概况
珊溪水库蓄水后表现出间歇性的震群活动,最大余震与主震的震级差较小,持续时间长。浙江省地震监测台网记录到的最近一次高密度震群活动从2014年9月持续至2015年3月底,此次震群中地震的最大震级为ML4.2。自2002年起,浙江省地震局在珊溪水库的库区逐步建成了子台密度较大的水库地震监测台网,覆盖整个库区,库区周边台站及地震分布见图1。台网记录到的震群的最小完备震级Mc由2002年初始的ML1.5降至2014年的ML0.3(于俊谊,马起杨,2017),库区监测能力不断提高,台网的定位能力得到了改善。2014年之前监测到的水库地震,由于受台网台站密度条件限制,定位精度有限,台网定位地震的空间分布较为离散,未能显示出明显的优势分布方向;而台网定位的2014年震群的地震空间展布与贯穿库区的双溪—焦溪垟断裂一致,定位精度显著提高。
图 1 珊溪水库区域断裂、地震和台站分布图灰色填充区为珊溪水库,三角形为台站,圆圈代表2014年震群,加号为2014年之前地震,黑线为断层Figure 1. Fault structure and distribution of earthquakes and stations in Shanxi reservoir regionGray region indicates Shanxi reservoir,and its surrounding fault system is depicted by line segments,open circles denote the swarm epicenters of the year 2014 while plus signs denote the swarm before the year 2014,seismic stations are indicated by triangles2. sPL震相
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图 2 sPL射线路径示意图(a)和万阜台记录的三分向位移波形(b)图(a)中黑色为sPL及其参考震相Pg,灰色射线示意相对sPL震相其它深度震相则需更远的震中距才发育Figure 2. Schematic illustration of sPL ray path (a) and three-component displacement waveforms recorded at Wanfu station to view sPL phase (b)Black ray for sPL-Pg pair and gray for other depth phases which appear in farther epicentral distance in Fig.(a)近震深度震相和其参考震相的走时差,与震源深度近于线性相关,可以用于约束地震震源深度。本文使用频率−波数域方法(Zhu,Rivera,2002)计算不同深度上走滑型双力偶源的三分量格林函数,来合成万阜台的理论地震图,以观测sPL震相随震源深度变化的敏感特性。速度模型采用从全球地壳模型CRUST1.0 (Laske et al,2013)提取的一维分层模型。如图3a所示,sPL与P波的到时差随着深度增加而明显增大,近乎呈线性关系。敏感性测试中波形合成采用的双力偶源震源机制是基于库区发震构造由CAP (cut and paste)波形拟合方法(Zhao,Helmberger,1994;Zhu,Helmberger,1996)反演所得,符合库区实际情况。近震CAP方法是一种全波形拟合反演方法,由于反演结果对地壳速度模型和结构横向变化的依赖性相对较小,因此被广泛应用于震源机制和震源深度反演,其原理是在给定的参数空间中网格搜索使波形拟合误差达到最小的最佳解。2014年珊溪水库震群震级最大的主震震源机制和震源深度的CAP反演结果(图3b)显示,断层走向127°,倾角83°,滑动角−177°,为高倾角右旋走滑型震源机制,且走向与余震展布一致,表明其发震构造为双溪—焦溪垟断裂。
图 3 基于sPL和CAP方法确定2014年珊溪水库震群主震震源深度(a) sPL震相敏感性测试,灰色波形表示不同深度三分向理论波形,红色波形表示万阜台显示的主震最佳拟合深度;(b) CAP反演所得的主震最优震源机制(左)和震源深度(右)Figure 3. Focal depth determined by sPL and CAP method for the mainshock of the Shanxi reservoir swarm in 2014(a) sPL phase depth sensitivity test,where gray waveforms represent three-component synthetics at different focal depths and red ones represent data recorded by Wanfu staion at best fitting;(b) Focal mechanism (left) and depth (right) determined by CAP method3. 结果分析
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表 1 珊溪水库震群七次地震事件震源深度的测定结果Table 1. Focal depths of seven events from Shanxi reservoir seismic swarm序号 发震时刻 震中位置 ML 震源深度/km 年−月−日 时:分:秒 东经 北纬 sPL结果 台网结果* CAP结果 0 2014−10−14 04:14:57 119.94 27.71 4.2 5 4 4 1 2014−09−17 20:47:31 119.95 27.71 3.5 4—5 4 4 2 2014−09−23 17:40:25 119.94 27.71 3.7 4—5 4 4 3 2014−10−15 15:49:27 119.95 27.71 4.0 5—6 5 5 4 2014−10−15 16:37:24 119.96 27.70 4.0 6 5 5 5 2014−10−23 08:35:02 119.93 27.72 3.7 5 4 4 6 2014−10−26 07:03:41 119.97 27.69 3.4 4 4 / *引自浙江省数字地震台网中心地震目录(内部资料). 图 4 表1中万阜台水库震群事件1—6的位移波形图Figure 4. Displacement records of six events labeled with one to six in Table 1 at Wanfu station with vertical (red),radial (blue) and tangential (green) componentsThis page contains the following errors:
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4. 讨论与结论
通过实际观测和正演分析可知,在震中距小于50 km的范围内,在近震深度发育sPL震相,sPL震相及其参考震相Pg之间的走时差与震中距无关,与深度存在线性关系,可用于约束震源深度。sPL震相具有低频特性,优势震中距30—50 km上的震相清晰,只在径向和垂向分量上出现,一般径向幅度大于垂向分量。
采用万阜台观测到的sPL震相测定的珊溪水库地震序列中7次地震事件(包括主震)的震源深度介于4—6 km,与地下活动断层探测结果相一致。跨库区的花状构造的三条平行分支断层在地下深约6 km处交会(侯林锋等,2018),地下4—6 km处岩石相对更为破碎,库水沿断裂面向深部渗透易汇集于此深度,孔隙压升高,正应力降低,打破应力平衡诱发地震(马志江等,2016)。断层浅部有断层泥的充填难以积累足够应变产生地震,太深岩石强度又超过周围偏应力水平,地震很难往深部发展迁移。与高密度台站下台网采用Hyposat方法和波形CAP反演的深度结果进行对比,表明sPL震相测定的震源深度是非常可靠的。
在地壳结构相对简单的情况下,sPL震相一般易于识别,可较好地应用于地震深度的测定,但不排除某些特殊情况,例如震源持续时间较长或震中距太近,sPL震相会受到扩展P波(Pnl)的干扰,震相拾取会相对困难。尽管精确拾取到时有时存在一定困难,但深度误差范围一般可控制在1—2 km之内。sPL震相的优势震中距为30—50 km,鉴于区域台网的台间距较小,通常不会大于50 km,sPL震相有很强的适用性。本文利用单台即可获取可信的震源深度,可运用于稀疏台网(如2014年之前珊溪水库台网),并适用于中小地震,扩展了其应用性。
本研究虽然通过波形拟合,但sPL震相是利用到时差与深度的近乎线性关系来约束地震,对于区域台网,尤其震群来说,其线性关系是相对固定的,且一般从未滤波的原始波形能直接识别sPL震相,以理论到时差为量板,无需震中水平位置信息,sPL震相可快速地测定出可靠的震源深度。
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[1] 翁文濒, 1921.甘肃地震结要.科学,6,9.
[2] 谢家荣, 1924.民国九年十二月十六日甘肃及其它各省之地震情况.地学杂志,8,9合期.
[3] Vpton close, Elsie Mccormic, 1922. Where the Mountains Walked. The Naaional Geographic Magaxirae, 12, 5.
[4] 国家地震局兰州地震研究所X1980.宁夏回族自治区地震队。一九二零年海原大地震,20—— 38.地震出版社,北京.
[5] 丁国瑜 1982.活动走滑断裂带的断错水系与地震.地震, 1; 3——8,
[6] 宋方敏、朱世龙、汪一鹏、邓起东,1983. 1920年海原地震中的最大水平位移及西华山北缘断裂地震重复率的估计.地震地质,5,4,29——37,
[7] 周俊喜,刘百茂,1983,海原地震断层(景泰段)全新世活动及海原地震水平断错.西北地震学报,5,4,104——105,
[8] 环文林、葛民、王士平、常向东、张维歧、万自成、柴积章、焦德成,1986, 1920年海原吟级地震的地震断层带及孕震构造考察研究的初步结果.国际地震动态,1; 3——7,
[9] 环文林、葛民、王士平、常向东、万自成、柴积章、张维歧、焦德成,1987. 1920年海原8级大地震形变带考察报告.中国大地震考察,第一卷,20——61.地震出版社,北京.
[10] 万自成、柴积章、王士平、葛民、环文林、常向东,1987. 192。年海原8级大地震的地质构造背景.中国大地震考察,第一卷 61——72,地震出版社,北京.
[11] 柴积章、万自成、环文林、葛民、王士平、常向东,1985海原一景泰断裂带的左旋错动特征.中国地震年鉴,300——310.地震出版社,北京.
[12] Wyss. M. and Brane. J. N., 1967. The Alaska earthquake of 28, March, 1964, A. Complex. multiple rupture. Bull. Seis. Soc. Amen 57, 1017,
[13] Miyamura, S., 1965. Multiple shocks and earthquake series pattern, Bull. Int, lest, Seis. Earthq.Eng., 2, 71——92,
[14] Umesh, Chandra, 1970. The Peru——Bolivia border earthquake of August 15, 1963. Bull. Seis. Soc.Amen, 60, 639——64G.
[15] 曾融生、师洁珊,1978, 1974年5月10日云南永善——大关主震的多重性.地球物理学报,21,160——173.
[16] 笠原庆一,1984.地震力学(日文) 52——79.地震出版社,北京.
[17] 罗灼礼,1980,震源应力场、形变场和倾斜场.地震学报,2,169——185,[1] 翁文濒, 1921.甘肃地震结要.科学,6,9.
[2] 谢家荣, 1924.民国九年十二月十六日甘肃及其它各省之地震情况.地学杂志,8,9合期.
[3] Vpton close, Elsie Mccormic, 1922. Where the Mountains Walked. The Naaional Geographic Magaxirae, 12, 5.
[4] 国家地震局兰州地震研究所X1980.宁夏回族自治区地震队。一九二零年海原大地震,20—— 38.地震出版社,北京.
[5] 丁国瑜 1982.活动走滑断裂带的断错水系与地震.地震, 1; 3——8,
[6] 宋方敏、朱世龙、汪一鹏、邓起东,1983. 1920年海原地震中的最大水平位移及西华山北缘断裂地震重复率的估计.地震地质,5,4,29——37,
[7] 周俊喜,刘百茂,1983,海原地震断层(景泰段)全新世活动及海原地震水平断错.西北地震学报,5,4,104——105,
[8] 环文林、葛民、王士平、常向东、张维歧、万自成、柴积章、焦德成,1986, 1920年海原吟级地震的地震断层带及孕震构造考察研究的初步结果.国际地震动态,1; 3——7,
[9] 环文林、葛民、王士平、常向东、万自成、柴积章、张维歧、焦德成,1987. 1920年海原8级大地震形变带考察报告.中国大地震考察,第一卷,20——61.地震出版社,北京.
[10] 万自成、柴积章、王士平、葛民、环文林、常向东,1987. 192。年海原8级大地震的地质构造背景.中国大地震考察,第一卷 61——72,地震出版社,北京.
[11] 柴积章、万自成、环文林、葛民、王士平、常向东,1985海原一景泰断裂带的左旋错动特征.中国地震年鉴,300——310.地震出版社,北京.
[12] Wyss. M. and Brane. J. N., 1967. The Alaska earthquake of 28, March, 1964, A. Complex. multiple rupture. Bull. Seis. Soc. Amen 57, 1017,
[13] Miyamura, S., 1965. Multiple shocks and earthquake series pattern, Bull. Int, lest, Seis. Earthq.Eng., 2, 71——92,
[14] Umesh, Chandra, 1970. The Peru——Bolivia border earthquake of August 15, 1963. Bull. Seis. Soc.Amen, 60, 639——64G.
[15] 曾融生、师洁珊,1978, 1974年5月10日云南永善——大关主震的多重性.地球物理学报,21,160——173.
[16] 笠原庆一,1984.地震力学(日文) 52——79.地震出版社,北京.
[17] 罗灼礼,1980,震源应力场、形变场和倾斜场.地震学报,2,169——185, -
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1. 彭骁,张蓓蕾. 多种方法测定2019年皎口水库地区2.5级以上地震震源深度. 地震科学进展. 2023(04): 145-152 . 百度学术
2. 赵韬,王莹,徐一斐,刘盼,刘春. 利用CAP方法和瑞利面波振幅谱联合反演宁强5.3级地震震源深度. 中国地震. 2023(04): 893-901 . 百度学术
3. 郑雪刚,马学军,赵鹏毕. 新疆伽师M_S6.4地震震源深度测定研究. 内陆地震. 2022(02): 130-138 . 百度学术
4. 尹晶飞,张明,汪贞杰,沈钰. 珊溪水库地震台阵建设. 地震地磁观测与研究. 2021(01): 126-131 . 百度学术
5. 龚俊,汪贞杰,戴煜暄. 联合测震和GPS资料反演双溪-焦溪垟断裂运动特征. 测绘科学. 2021(12): 1-6+15 . 百度学术
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