利用重測定的震源深度特征探討2013年吉林前郭5.8級震群發震因素*

劉雙慶，薛　艷，蔡宏雷，謝　靜

(1.天津市地震局，天津 300201；2.中國地震臺網中心，北京 100045；3.吉林省地震局，吉林 長春 130117)

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利用重測定的震源深度特征探討2013年吉林前郭5.8級震群發震因素*

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.中國地震臺網中心，北京 100045；3.吉林省地震局，吉林 長春 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2013年吉林前郭5.8級地震震群進行震源深度測定。計算結果顯示，5種結果的震源深度的主要分布特征相似。對選取的32個地震震源深度進行重新測定，結果最小為6 km，最大14 km，主要集中在10 km左右，系統深度偏差約1.74 km，震源深度分辨率約1.58 km，重定位后地震震中優勢分布呈北西向。與當地的沉積層厚度分布對比，這些地震最有可能發生在盆地基底的基巖頂層，而不在油氣圈閉的沉積蓋層內，并且地震震群分布走向與通榆—長春斷裂走向相一致。結合該地區的歷史地震活動與構造關系，最后推測這些地震與北西向的通榆—長春斷裂構造運動密切相關，而不是油田作業的直接產物。

關鍵詞：震源深度；Pn-Pg算法；定位精度；油田作業；構造運動；前郭震群

0引言

本文將利用地殼內的直達波震相Pg和沿Moho面滑移的首波Pn進行震相組合，重新測定2013年前郭震群進行初始破裂點深度。這種Pn-Pg組合方法發揮了這兩個震相的離源射線上下反向而對震源深度變化更為敏感，以及初至震相到時提取精度高的雙重優點。本文進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最小走時殘差的震源深度和震中位置，并對不同速度模型的結果進行討論，以此給出前郭震群比較合理的震源深度分布特征。

1區域構造特征及Pn-Pg局部搜索法

1.1前郭地區局部地質構造

前郭地區位于松遼盆地中部，松遼盆地產生于燕山運動時期，從晚侏羅世到新生代，盆地經歷了裂谷型斷陷、大型拗陷和萎縮上升階段，它是一個大型中新生代陸相沉積盆地(胡望水等，2005)。喜山運動的三次運動幕在松遼盆地都有表現。第一、三幕運動主要受印度板塊影響，產生的區域主壓應力為NE—SW向，第二幕運動主要受太平洋板塊影響，產生的區域主壓應力方向為NW-SE或近東西向。在衛星遙感圖像上可以地看到，盆地在喜山第二運動幕中產生了系列輕微的NW向構造形跡線。而全新世以來，盆地內的江河流向與湖沼分布都受到了NW向構造線性體的控制，如大慶油田及鄰區地表的湖泡展布，這些線性體時隱時現地切過了大慶長垣表層第四系。在扶余幅衛星圖像上，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，還可以看到靠近農安附近呈NW向展布的波羅泡群及其一帶的全新統Q4沉積，切割并覆蓋了盆地東南隆起區中的NE向構造群。在通榆幅衛片上，還可以解譯出NW向的構造線性體，斜穿了NE向弧形構造帶，可見其形成時間最晚(祁林等，1992)。

對現今或喜山三幕區域應力場表現最為敏感和直觀的就是近代地震。垂直于NE—SW區域主壓應力作用方向發育的NW向構造線和斷裂面，是地應力不斷積累的地帶。劉天革和隋紅(1985)統計東北地區歷史地震活動的研究結果得出，整個東北地區共記載有60多次M≥4地震，其中32次是沿著NW方向遷移發震或成對出現。其余20多次則發生在NW向斷裂與NE向斷裂的交切點上。這些強震的特點是余震分布往往呈NW向展布，等震線形狀往往呈NE、NW雙軸型。顯然，東北地區發震機制是由于NW向斷裂應力積累而活動，或者是由此誘發了NE向斷裂共同參與活動而發震。而位于松遼盆地南部地區的乾安油田，油田周圍所有的泡子都逐漸干涸或消亡，說明該NW向新構造圈閉仍處于隆起狀態中(祁林等，1992)。

在本次地震震群地區，分布著通榆—長春斷裂、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嶺凹陷的兩個次級凹陷(即乾安次凹陷和黑帝廟次凹陷)的分界斷裂。由于第四紀以來的多次活動，導致沿通榆—長嶺—懷德一線出現了一個活動構造地貌單元，即松遼分水嶺，形成了北部區的松花江水系與南部區的遼河水系。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，主要活動時期為中侏羅世到白堊紀及晚更新世末期，全新世以來也表現出較強的活動性。2005年7月25日發生于黑龍江省林甸5.1級地震就與該斷裂的活動有關。2006年3月31日乾安—前郭5.0級地震則發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。本文從走時方程的角度，解析地給出Pn、Pg震相組合相對Pg、Sg震相組合，其提高震源深度變化對走時差異影響的效果。為簡化理論推導，考慮一層地殼模型，假定震中距為Δ，震源深度為h，T0、TPg、TPn分別是直達波、P波和首波的到時，則走時方程有

(1)

(2)

(3)

參考華南走時表，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Pg、Sg震相組合，深度變化對兩者走時差的影響在2倍以上，對于Pn處于盲區的情形，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深度變化的敏感性更大。

表1　不同震中距不同深度時的靈敏度κ分布

而Pn-Pg震相組合方法的深度誤差估計，推導如下：

當Δ?h時，式(2)與式(1)相減，得

(4)

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

(5)

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

(6)

本文利用該方法進行深度定位。考慮吉林省地震局人員在應急編目過程中，因時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，本文對初至信噪比較高的附錄表中的地震逐一進行了Pg、Pn震相重新識別，并結合100 km以內的直達剪切波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行重新定位(速度模型為華南走時表)，并將該定位震中結果作為搜索參考點。搜索過程取參考點水平面±0.2°范圍，步長0.01°，深度取0～30 km，步長1 km，即52 111個三維網格點。計算每個網格點到每個臺站的Pg、Pn理論走時，并與臺站人工提取的Pg、Pn走時進行差值比較，單個網格點的走時殘差定義如下：

(7)

式(7)中上標帶“*”為理論計算走時，帶“^”為人工提取的到時所對應的儒略數時間。對于同臺同時提取了Pn、Pg震相時，只取Pn震相。N為震中距500 km內Pn震相數，M為扣除了同臺Pn重復條件后的Pg震相數。

將每個網格點的走時進行對比，可以獲取到最小走時殘差的網格點的走時、經緯度和深度值。雖然經緯度精度只有2位小數點，深度值只精確到整數，但已是本方法的精度限，而這個精度已能為本文的后續分析給予足夠好的支持。對于2013年12月8日前郭MS3.1地震，其分析所用到的流動臺站和遙測臺網臺站分布如圖1所示。沿圖1中震中位置兩側及垂向方向進行局部網格化，計算出各節點的走時殘差，其切片如圖2a所示?？梢娖渥邥r殘差分布呈近似橢球狀，橢球中心點殘差最小。但受速度模型分層(本例采用模型d)的影響，橢球是分層連續的。

2前郭震群的地震深度測定及其精度分析

2.1前郭震群的地震深度測定

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Pn震相清楚的地震地震事件，總共獲取了32個滿足條件的地震事件(表2)。極少量臺站(如SYZT臺)存在GPS時鐘對時不準的問題。對32個滿足條件的地震沿震中距作Pg、Pn震相時距散點圖(圖3)，顯示絕大多數沒有顯著的GPS時鐘差異問題，所以只剔除了個別有問題臺站的震相，走時點狀圖不完全符合和達理論走時曲線，其原因可能與地殼各向異性有關。

表2　本文采用的地殼P波速度模型

表3　3種定位的結果對比

注：本表經緯度由作者逐一拾取震相重定位的結果，可能與國家臺網中心公布的結果略有差異。對外以國家臺網公布結果為準.

在地震定位結果中，地殼速度模型會對結果有較大的影響。由于大慶地區石油物探剖面較多，可以為本文提供參考。劉洋等(2008)給出的大慶地區上地殼P波速度顯示，在地表3 km以下，速度剖面大多數超過4.5 km/s。松遼盆地及其南北延展地區是一個Moho面拱起帶，它由3個上地幔隆起組成，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(程學儒，1982)。松遼盆地東北隆起區Moho界面雙程反射旅行時變化范圍為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。如果以各地質時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率，則白堊系沉積物貢獻率達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巖為主，VP為6.5 km/s；下地殼11～15 km，以基性成分的變質巖為主，VP為6.85 km/s。盆地內蓋層結構較簡單，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)。對比華南廣東地區與松遼盆地的Moho面深度分布(滕吉文，曾融生，2002)，發現二者相差較小，松遼盆地略深約1 km。因此，在參考華南走時表模型的基礎上，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中計算32個地震震源深度)，模型a、模型d、模型f的結果見表3。其他3種情況的結果，考慮篇幅的限制，僅將結果繪于圖5、6。圖5、6顯示：① MSDP的單純形法給出的結果相對偏淺；② 模型加入地表低速層后，深度值系統性偏淺約1 km；③ Moho面加深后，深度值系統性偏深約1 km；④ 增加了地表低速層后，大多數情況可降低走時殘差，特別是7個流動臺震相加入定位的情況更為明顯(表3中加圓括號的ID號事件)。但如果進一步增加蓋層厚度并降低蓋層的P波速度，則殘差變大。

不同速度模型的計算結果反映了一些共性特征：在前一組5級地震后和后一組5級地震后，小震深度都有變淺的趨勢。對于ID為10號的MS2.3地震，各種模型計算的結果都是最小的，范圍6～8 km，最小值為6 km。這個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個地震震中具有北西向分布特征。大震級的地震偏南深度偏深，小震級的地震偏北偏淺。

2.2前郭震群的地震深度精度分析

筆者對流動臺的Pg到時數據進行先后排序，發現流動臺L2202離多個地震的震中非常近，約3 km以內。為此，挑出了震中位置幾乎相同的3組

地震，ID號分別為10和16、25和26、27和29進行單臺Pg-Sg走時對比。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，每個地震到L2202流動臺的直達波Pg和Sg震相經過局部放大可精確提取初至時刻點，時間拾取精度可以達到0.01 s。在實際拾取過程中，對比前后波形差異，取波形起始較尖銳并且信噪比大于3的點作為震相的初至點。圖7中黑實線為各組地震中的前1個地震波形，紅虛線為后1個地震波形，波形統一將Pg初至調整到第100點進行對齊，每組地震的Sg-Pg到時差見圖7a′～c′，相應的波形見圖7a～c，其中括號內數字為深度，前面數字為Sg-Pg的到時差。

3認識與結論

雖有研究顯示，油氣開采及其注水增產作業可能會誘發小地震(劉元生，王六橋，1985)，但Davis等(1995)提出判別流體抽取導致地震的發生需考慮幾條準則，其中3條是：

(1)是否有些地震發生在抽取流體的深度上；

(2)是否是該地區第一次大地震；

(3)是否在抽取流體后發生。

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

本文利用空間局部網格點有窮尋優的Pn-Pg組合法對2013年10月至12月吉林前郭震群進行了深度測定，并利用流動臺的觀測波形對測定結果進行檢驗，給出了測定的系統誤差與單次地震的深度誤差確定性估計。計算結果表明，這32個地震的深度在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生在盆地基底的基巖頂層，而不在油氣圈閉的沉積蓋層內。由于地震震群分布大致呈北西向，與通榆—長春斷裂這條切過Moho面的隱伏斷裂走向相一致，因此本文推測這些地震與北西向構造活動有關。

另外，據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制解，10月31日5.5級地震的震源機制解為：節面I(strike330°，dip60°，slip50°)，節面II(strike209°，dip48°，slip138°)；11月23日5.8級地震的震源機制解為：節面I(strike200°，dip70°，slip140°)，節面II(strike306°，dip53°，slip25°)。如果按本文北西向的震中分布作為參考，則上述第一個地震的主破裂面為節面I，第二個地震的主破裂面為節面II，都帶有一定的逆沖分量，西南盤向東向走滑并兼帶仰沖。這與該區域全新世NW向新構造圈閉仍處于隆起狀態的結論吻合。

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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. 基金項目：中國地震局星火計劃項目(XH14002Y)、測震骨干青年專項(20130202)、震情跟蹤專項(2014010504)和天津市國土局項目(1212011220232-5)聯合資助.

中圖分類號：P315.3

文獻標識碼：A

文章編號：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