利用重測(cè)定的震源深度特征探討2013年吉林前郭5.8級(jí)震群發(fā)震因素*

劉雙慶，薛　艷，蔡宏雷，謝　靜

(1.天津市地震局，天津 300201；2.中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045；3.吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117)

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利用重測(cè)定的震源深度特征探討2013年吉林前郭5.8級(jí)震群發(fā)震因素*

劉雙慶1，薛艷2，蔡宏雷3，謝靜1

(1.天津市地震局，天津 300201；2.中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045；3.吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117)

摘要：利用Pn-Pg震相組合的局部搜索法，采用5種地殼速度模型對(duì)2013年吉林前郭5.8級(jí)地震震群進(jìn)行震源深度測(cè)定。計(jì)算結(jié)果顯示，5種結(jié)果的震源深度的主要分布特征相似。對(duì)選取的32個(gè)地震震源深度進(jìn)行重新測(cè)定，結(jié)果最小為6 km，最大14 km，主要集中在10 km左右，系統(tǒng)深度偏差約1.74 km，震源深度分辨率約1.58 km，重定位后地震震中優(yōu)勢(shì)分布呈北西向。與當(dāng)?shù)氐某练e層厚度分布對(duì)比，這些地震最有可能發(fā)生在盆地基底的基巖頂層，而不在油氣圈閉的沉積蓋層內(nèi)，并且地震震群分布走向與通榆—長(zhǎng)春斷裂走向相一致。結(jié)合該地區(qū)的歷史地震活動(dòng)與構(gòu)造關(guān)系，最后推測(cè)這些地震與北西向的通榆—長(zhǎng)春斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，而不是油田作業(yè)的直接產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：震源深度；Pn-Pg算法；定位精度；油田作業(yè)；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)；前郭震群

0引言

本文將利用地殼內(nèi)的直達(dá)波震相Pg和沿Moho面滑移的首波Pn進(jìn)行震相組合，重新測(cè)定2013年前郭震群進(jìn)行初始破裂點(diǎn)深度。這種Pn-Pg組合方法發(fā)揮了這兩個(gè)震相的離源射線上下反向而對(duì)震源深度變化更為敏感，以及初至震相到時(shí)提取精度高的雙重優(yōu)點(diǎn)。本文進(jìn)一步利用初始定位的震中位置，在震中附近采用局部搜索法，以獲取Pn-Pg最小走時(shí)殘差的震源深度和震中位置，并對(duì)不同速度模型的結(jié)果進(jìn)行討論，以此給出前郭震群比較合理的震源深度分布特征。

1區(qū)域構(gòu)造特征及Pn-Pg局部搜索法

1.1前郭地區(qū)局部地質(zhì)構(gòu)造

前郭地區(qū)位于松遼盆地中部，松遼盆地產(chǎn)生于燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期，從晚侏羅世到新生代，盆地經(jīng)歷了裂谷型斷陷、大型拗陷和萎縮上升階段，它是一個(gè)大型中新生代陸相沉積盆地(胡望水等，2005)。喜山運(yùn)動(dòng)的三次運(yùn)動(dòng)幕在松遼盆地都有表現(xiàn)。第一、三幕運(yùn)動(dòng)主要受印度板塊影響，產(chǎn)生的區(qū)域主壓應(yīng)力為NE—SW向，第二幕運(yùn)動(dòng)主要受太平洋板塊影響，產(chǎn)生的區(qū)域主壓應(yīng)力方向?yàn)镹W-SE或近東西向。在衛(wèi)星遙感圖像上可以地看到，盆地在喜山第二運(yùn)動(dòng)幕中產(chǎn)生了系列輕微的NW向構(gòu)造形跡線。而全新世以來，盆地內(nèi)的江河流向與湖沼分布都受到了NW向構(gòu)造線性體的控制，如大慶油田及鄰區(qū)地表的湖泡展布，這些線性體時(shí)隱時(shí)現(xiàn)地切過了大慶長(zhǎng)垣表層第四系。在扶余幅衛(wèi)星圖像上，不僅可以看到乾安周緣大大小小星羅棋布的湖泡呈NW向串珠狀排列，還可以看到靠近農(nóng)安附近呈NW向展布的波羅泡群及其一帶的全新統(tǒng)Q4沉積，切割并覆蓋了盆地東南隆起區(qū)中的NE向構(gòu)造群。在通榆幅衛(wèi)片上，還可以解譯出NW向的構(gòu)造線性體，斜穿了NE向弧形構(gòu)造帶，可見其形成時(shí)間最晚(祁林等，1992)。

對(duì)現(xiàn)今或喜山三幕區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)最為敏感和直觀的就是近代地震。垂直于NE—SW區(qū)域主壓應(yīng)力作用方向發(fā)育的NW向構(gòu)造線和斷裂面，是地應(yīng)力不斷積累的地帶。劉天革和隋紅(1985)統(tǒng)計(jì)東北地區(qū)歷史地震活動(dòng)的研究結(jié)果得出，整個(gè)東北地區(qū)共記載有60多次M≥4地震，其中32次是沿著NW方向遷移發(fā)震或成對(duì)出現(xiàn)。其余20多次則發(fā)生在NW向斷裂與NE向斷裂的交切點(diǎn)上。這些強(qiáng)震的特點(diǎn)是余震分布往往呈NW向展布，等震線形狀往往呈NE、NW雙軸型。顯然，東北地區(qū)發(fā)震機(jī)制是由于NW向斷裂應(yīng)力積累而活動(dòng)，或者是由此誘發(fā)了NE向斷裂共同參與活動(dòng)而發(fā)震。而位于松遼盆地南部地區(qū)的乾安油田，油田周圍所有的泡子都逐漸干涸或消亡，說明該NW向新構(gòu)造圈閉仍處于隆起狀態(tài)中(祁林等，1992)。

在本次地震震群地區(qū)，分布著通榆—長(zhǎng)春斷裂、雙山—前郭斷裂、大安—都德斷裂、第二松花江斷裂以及其他鄰近斷裂體系(圖1)。圖1中虛線框里的斷裂分布抽取自盤曉東等(2007)。其中通榆—長(zhǎng)春斷裂為一條隱伏斷裂，斷裂切過Moho面，是控制中央凹陷帶南部長(zhǎng)嶺凹陷的兩個(gè)次級(jí)凹陷(即乾安次凹陷和黑帝廟次凹陷)的分界斷裂。由于第四紀(jì)以來的多次活動(dòng)，導(dǎo)致沿通榆—長(zhǎng)嶺—懷德一線出現(xiàn)了一個(gè)活動(dòng)構(gòu)造地貌單元，即松遼分水嶺，形成了北部區(qū)的松花江水系與南部區(qū)的遼河水系。而大安—都德斷裂沿NNE向從吉林省的大安一帶向北到黑龍江省的都德一帶，主要活動(dòng)時(shí)期為中侏羅世到白堊紀(jì)及晚更新世末期，全新世以來也表現(xiàn)出較強(qiáng)的活動(dòng)性。2005年7月25日發(fā)生于黑龍江省林甸5.1級(jí)地震就與該斷裂的活動(dòng)有關(guān)。2006年3月31日乾安—前郭5.0級(jí)地震則發(fā)生在這兩條斷裂的交匯部位(盤曉東等，2007)。

1.2Pn-Pg局部搜索法

Pn-Pg深度定位方法由朱元清和石耀霖(1990)提出。本文從走時(shí)方程的角度，解析地給出Pn、Pg震相組合相對(duì)Pg、Sg震相組合，其提高震源深度變化對(duì)走時(shí)差異影響的效果。為簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)，考慮一層地殼模型，假定震中距為Δ，震源深度為h，T0、TPg、TPn分別是直達(dá)波、P波和首波的到時(shí)，則走時(shí)方程有

(1)

(2)

(3)

參考華南走時(shí)表，假定VPg=1.73VSg=6.01 km/s，VPn=7.98 km/s，則典型κ值見表1。從表1中可以看出，用Pn、Pg震相組合相對(duì)Pg、Sg震相組合，深度變化對(duì)兩者走時(shí)差的影響在2倍以上，對(duì)于Pn處于盲區(qū)的情形，可以通過沿Moho面滑移來處理(朱元清，石耀霖，1990)。震源深度越淺震中距越大，本文的震相組合方法對(duì)深度變化的敏感性更大。

表1　不同震中距不同深度時(shí)的靈敏度κ分布

而Pn-Pg震相組合方法的深度誤差估計(jì)，推導(dǎo)如下：

當(dāng)Δ?h時(shí)，式(2)與式(1)相減，得

(4)

其中V″=VPgVPn/(VPn-VPg)。對(duì)于本文假定Moho面深度誤差0.8 km，Pn、Pg震相到時(shí)識(shí)別誤差0.1 s，震中誤差1 km，則震源深度計(jì)算誤差：

(5)

如果震中距較小，可以直接采用直達(dá)P波計(jì)算深度的誤差估計(jì)(傅淑芳，劉寶誠，1980)：

(6)

本文利用該方法進(jìn)行深度定位。考慮吉林省地震局人員在應(yīng)急編目過程中，因時(shí)間倉促等因素可能影響震相拾取精度，以及地震震中定位的誤差影響，本文對(duì)初至信噪比較高的附錄表中的地震逐一進(jìn)行了Pg、Pn震相重新識(shí)別，并結(jié)合100 km以內(nèi)的直達(dá)剪切波Sg震相，利用中國地震局推廣使用的MSDP軟件中的單純形法進(jìn)行重新定位(速度模型為華南走時(shí)表)，并將該定位震中結(jié)果作為搜索參考點(diǎn)。搜索過程取參考點(diǎn)水平面±0.2°范圍，步長(zhǎng)0.01°，深度取0～30 km，步長(zhǎng)1 km，即52 111個(gè)三維網(wǎng)格點(diǎn)。計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)到每個(gè)臺(tái)站的Pg、Pn理論走時(shí)，并與臺(tái)站人工提取的Pg、Pn走時(shí)進(jìn)行差值比較，單個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的走時(shí)殘差定義如下：

(7)

式(7)中上標(biāo)帶“*”為理論計(jì)算走時(shí)，帶“^”為人工提取的到時(shí)所對(duì)應(yīng)的儒略數(shù)時(shí)間。對(duì)于同臺(tái)同時(shí)提取了Pn、Pg震相時(shí)，只取Pn震相。N為震中距500 km內(nèi)Pn震相數(shù)，M為扣除了同臺(tái)Pn重復(fù)條件后的Pg震相數(shù)。

將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的走時(shí)進(jìn)行對(duì)比，可以獲取到最小走時(shí)殘差的網(wǎng)格點(diǎn)的走時(shí)、經(jīng)緯度和深度值。雖然經(jīng)緯度精度只有2位小數(shù)點(diǎn)，深度值只精確到整數(shù)，但已是本方法的精度限，而這個(gè)精度已能為本文的后續(xù)分析給予足夠好的支持。對(duì)于2013年12月8日前郭MS3.1地震，其分析所用到的流動(dòng)臺(tái)站和遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布如圖1所示。沿圖1中震中位置兩側(cè)及垂向方向進(jìn)行局部網(wǎng)格化，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的走時(shí)殘差，其切片如圖2a所示。可見其走時(shí)殘差分布呈近似橢球狀，橢球中心點(diǎn)殘差最小。但受速度模型分層(本例采用模型d)的影響，橢球是分層連續(xù)的。

2前郭震群的地震深度測(cè)定及其精度分析

2.1前郭震群的地震深度測(cè)定

本文處理了2013年10月31～12月27日前郭地震序列波形資料，由于方法的限制，只拾取至少有一個(gè)Pn震相清楚的地震地震事件，總共獲取了32個(gè)滿足條件的地震事件(表2)。極少量臺(tái)站(如SYZT臺(tái))存在GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí)不準(zhǔn)的問題。對(duì)32個(gè)滿足條件的地震沿震中距作Pg、Pn震相時(shí)距散點(diǎn)圖(圖3)，顯示絕大多數(shù)沒有顯著的GPS時(shí)鐘差異問題，所以只剔除了個(gè)別有問題臺(tái)站的震相，走時(shí)點(diǎn)狀圖不完全符合和達(dá)理論走時(shí)曲線，其原因可能與地殼各向異性有關(guān)。

表2　本文采用的地殼P波速度模型

表3　3種定位的結(jié)果對(duì)比

注：本表經(jīng)緯度由作者逐一拾取震相重定位的結(jié)果，可能與國家臺(tái)網(wǎng)中心公布的結(jié)果略有差異。對(duì)外以國家臺(tái)網(wǎng)公布結(jié)果為準(zhǔn).

在地震定位結(jié)果中，地殼速度模型會(huì)對(duì)結(jié)果有較大的影響。由于大慶地區(qū)石油物探剖面較多，可以為本文提供參考。劉洋等(2008)給出的大慶地區(qū)上地殼P波速度顯示，在地表3 km以下，速度剖面大多數(shù)超過4.5 km/s。松遼盆地及其南北延展地區(qū)是一個(gè)Moho面拱起帶，它由3個(gè)上地幔隆起組成，走向北東20°左右，地殼厚29～33 km，其東西兩面的地殼厚度在35 km以上(程學(xué)儒，1982)。松遼盆地東北隆起區(qū)Moho界面雙程反射旅行時(shí)變化范圍為9.6～11.0 s，深度范圍為30～34 km(楊寶俊等，2003)。在松遼平原形成過程中，白堊系沉積物起著重要作用。如果以各地質(zhì)時(shí)代地層厚度占中新生代地層總厚度的百分

比作為沉積物在平原形成過程中的貢獻(xiàn)率，則白堊系沉積物貢獻(xiàn)率達(dá)86.37 %，第三系為7.85 %，第四系為5.78 %(楊令賓，1995)，這種成分上的比例也為速度模型提供約束。東部張廣才嶺段的地殼厚于盆地段，為34～37 km，上地殼厚14～15 km，以中酸性與酸性巖石為主，VP為6.02 km/s；中地殼較薄5.5～7 km，以中酸性成分的變質(zhì)巖為主，VP為6.5 km/s；下地殼11～15 km，以基性成分的變質(zhì)巖為主，VP為6.85 km/s。盆地內(nèi)蓋層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，速度隨深度遞增，4.75～5.25 km/s，Moho面速度8.00 km/s(傅維洲等，1998)。對(duì)比華南廣東地區(qū)與松遼盆地的Moho面深度分布(滕吉文，曾融生，2002)，發(fā)現(xiàn)二者相差較小，松遼盆地略深約1 km。因此，在參考華南走時(shí)表模型的基礎(chǔ)上，給出了另外5種地殼速度分層模型(表2、圖4)，其中模型b、d、e含有地表低速層。

通過6種速度模型(表3中計(jì)算32個(gè)地震震源深度)，模型a、模型d、模型f的結(jié)果見表3。其他3種情況的結(jié)果，考慮篇幅的限制，僅將結(jié)果繪于圖5、6。圖5、6顯示：① MSDP的單純形法給出的結(jié)果相對(duì)偏淺；② 模型加入地表低速層后，深度值系統(tǒng)性偏淺約1 km；③ Moho面加深后，深度值系統(tǒng)性偏深約1 km；④ 增加了地表低速層后，大多數(shù)情況可降低走時(shí)殘差，特別是7個(gè)流動(dòng)臺(tái)震相加入定位的情況更為明顯(表3中加圓括號(hào)的ID號(hào)事件)。但如果進(jìn)一步增加蓋層厚度并降低蓋層的P波速度，則殘差變大。

不同速度模型的計(jì)算結(jié)果反映了一些共性特征：在前一組5級(jí)地震后和后一組5級(jí)地震后，小震深度都有變淺的趨勢(shì)。對(duì)于ID為10號(hào)的MS2.3地震，各種模型計(jì)算的結(jié)果都是最小的，范圍6～8 km，最小值為6 km。這個(gè)深度為中生代沉積的底部、基巖頂層深度。因此利用Pn-Pg組合定位的局部搜索方法，給出的32個(gè)地震深度都在6 km以下，位于盆地中生代沉積的底部、基巖頂層交界及以下。另外從搜索的震中分布顯示，5種模型給出的32個(gè)地震震中具有北西向分布特征。大震級(jí)的地震偏南深度偏深，小震級(jí)的地震偏北偏淺。

2.2前郭震群的地震深度精度分析

筆者對(duì)流動(dòng)臺(tái)的Pg到時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行先后排序，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)臺(tái)L2202離多個(gè)地震的震中非常近，約3 km以內(nèi)。為此，挑出了震中位置幾乎相同的3組

地震，ID號(hào)分別為10和16、25和26、27和29進(jìn)行單臺(tái)Pg-Sg走時(shí)對(duì)比。其中第1組前者深度較小，第2組二者深度相同，第3組后者深度較小。由于采樣率為100 sps，每個(gè)地震到L2202流動(dòng)臺(tái)的直達(dá)波Pg和Sg震相經(jīng)過局部放大可精確提取初至?xí)r刻點(diǎn)，時(shí)間拾取精度可以達(dá)到0.01 s。在實(shí)際拾取過程中，對(duì)比前后波形差異，取波形起始較尖銳并且信噪比大于3的點(diǎn)作為震相的初至點(diǎn)。圖7中黑實(shí)線為各組地震中的前1個(gè)地震波形，紅虛線為后1個(gè)地震波形，波形統(tǒng)一將Pg初至調(diào)整到第100點(diǎn)進(jìn)行對(duì)齊，每組地震的Sg-Pg到時(shí)差見圖7a′～c′，相應(yīng)的波形見圖7a～c，其中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為深度，前面數(shù)字為Sg-Pg的到時(shí)差。

3認(rèn)識(shí)與結(jié)論

雖有研究顯示，油氣開采及其注水增產(chǎn)作業(yè)可能會(huì)誘發(fā)小地震(劉元生，王六橋，1985)，但Davis等(1995)提出判別流體抽取導(dǎo)致地震的發(fā)生需考慮幾條準(zhǔn)則，其中3條是：

(1)是否有些地震發(fā)生在抽取流體的深度上；

(2)是否是該地區(qū)第一次大地震；

(3)是否在抽取流體后發(fā)生。

因此在石油開采過程具體資料比較欠缺的情況下，震源深度測(cè)定及測(cè)定精度對(duì)判斷地震的主要發(fā)震因素非常重要。

本文利用空間局部網(wǎng)格點(diǎn)有窮尋優(yōu)的Pn-Pg組合法對(duì)2013年10月至12月吉林前郭震群進(jìn)行了深度測(cè)定，并利用流動(dòng)臺(tái)的觀測(cè)波形對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，給出了測(cè)定的系統(tǒng)誤差與單次地震的深度誤差確定性估計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，這32個(gè)地震的深度在6 km及以下，超過松遼盆地中生代沉積的底部、基巖頂層深度，特別是MS≥3.3地震的深度超過8 km。因此這些地震最有可能發(fā)生在盆地基底的基巖頂層，而不在油氣圈閉的沉積蓋層內(nèi)。由于地震震群分布大致呈北西向，與通榆—長(zhǎng)春斷裂這條切過Moho面的隱伏斷裂走向相一致，因此本文推測(cè)這些地震與北西向構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。

另外，據(jù)中國地震局地球物理研究所(2013a，b)利用波形擬合方法給出的震源機(jī)制解，10月31日5.5級(jí)地震的震源機(jī)制解為：節(jié)面I(strike330°，dip60°，slip50°)，節(jié)面II(strike209°，dip48°，slip138°)；11月23日5.8級(jí)地震的震源機(jī)制解為：節(jié)面I(strike200°，dip70°，slip140°)，節(jié)面II(strike306°，dip53°，slip25°)。如果按本文北西向的震中分布作為參考，則上述第一個(gè)地震的主破裂面為節(jié)面I，第二個(gè)地震的主破裂面為節(jié)面II，都帶有一定的逆沖分量，西南盤向東向走滑并兼帶仰沖。這與該區(qū)域全新世NW向新構(gòu)造圈閉仍處于隆起狀態(tài)的結(jié)論吻合。

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Using the local optimum search strategy of couple Pn-Pg phases algorithms，we determined the focal depth of Jilin QianguoMS5.8 earthquake sequence in 2013 by five different curst velocity models，and the calculation results indicate that the distribution characteristic of the 5 kinds of focal depth is consistency. The focal depths of the selected 32 earthquakes are relocated，the minimum and maximum focal depths are 6 km and 14 km respectively，most focal depths focus on 10 km. The systemic depth measure error may be 1.74 km，and the resolution of focal depth may be about 1.58 km. The advantage distribution of the relocated epicenters is in the NW direction. Compared with the thickness of local sedimentation in the study area，these earthquakes most probably occurred at the top of bed rock under the basin basement，rather than at the sediment overlying strata of oil field. Moreover，the preponderance direction of the distribution of these epicenters is consistent with the strike of Tongyu-Changchun Fault. Combined with the relationship between the local historical earthquakes and tectonic in the study area，we take a further speculation that the earthquake sequence maybe related with the tectonic activity of Tongyu-Changchun Fault in NW，rather than the direct production of the oil-field operation.

Key words：focal depth；Pn-Pg algorithms；location precision；oil-field operation；tectonic movement；QianguoMS5.8 earthquake sequence

*收稿日期：2014-04-27. 基金項(xiàng)目：中國地震局星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH14002Y)、測(cè)震骨干青年專項(xiàng)(20130202)、震情跟蹤專項(xiàng)(2014010504)和天津市國土局項(xiàng)目(1212011220232-5)聯(lián)合資助.

中圖分類號(hào)：P315.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0666(2015)02-0211-10

Discussion on Cause Factor of Jilin QianguoMS5.8 Earthquake Sequence in 2013 Using Focal Depth Characteristic of Relocation

LIU Shuang-qing1，XUE Yan2，CAI Hong-lei3，XIE Jing1

(1. Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China) (2. China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China) (3. Earthquake Administration of Jilin Municipality，Changchun 130117，Jilin，China)

Abstract