2012年江蘇高郵、寶應交界MS4.9地震發(fā)震斷層參數(shù)測定

2012年江蘇高郵、寶應交界MS4.9地震發(fā)震斷層參數(shù)測定

倪紅玉1，2， 鄭海剛1， 劉澤民1， 李軍輝1，2

(1.安徽省地震局， 安徽 合肥230031； 2.蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站，安徽 蒙城233500)

摘要：基于一維單側(cè)有限移動震源模式，根據(jù)地震波傳播過程中的多普勒效應，分別利用P波和S波拐角頻率的方位變化，反演2012年7月20日江蘇高郵、寶應交界MS4.9地震的發(fā)震斷層面參數(shù)。P波和S波拐角頻率的反演結(jié)果一致顯示：本次地震的斷層面破裂方向為232°左右，破裂面呈NE-SW向；地震馬赫數(shù)v/c為0.2左右，平均破裂速度小于S波速度，破裂長度較短，為0.2～0.3 km左右。破裂面方位與震源機制解、宏觀烈度調(diào)查和余震精定位的研究結(jié)果具有一致性，結(jié)合震區(qū)周邊的地質(zhì)構造背景，分析認為滁河斷裂很可能是高郵、寶應交界MS4.9地震的發(fā)震構造。

關鍵詞：斷層面參數(shù)； 拐角頻率； 多普勒效應； 滁河斷裂

收稿日期：*2014-05-09

基金項目：中國地震局2014年震情跟蹤定向工作任務(2014020113)；安徽地震科研基金青年項目(20130704)

作者簡介：倪紅玉(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事構造應力場反演和地震預報研究工作.E-mail: hyni@mail.ustc.edu.cn

中圖分類號:P315.72文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0260

DeterminationofFaultPlaneParametersofthe2012Gaoyou—Baoying

MS4.9 Earthquake in Jiangsu Province

NIHong-yu1，2，ZHENGHai-gang1， LIU Ze-min1， LI Jun-hui1，2

(1. Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei， Anhui230031，China；

2.Mengcheng National Geophysical Observatory，Mengcheng，Anhui233500，China)

Abstract：Based on a 1D finite moving source model propagating unilaterally with uniform velocity，the rupture transmission in one direction is superior to that in other directions.According to the Doppler Effect in the earthquake rupture process，the seismic wave frequency received by earthquake stations changes in different directions and thus，we can use the directional change of the corner frequency of the P or S waves to obtain the source parameters of the fault plane.In this article, the azimuth of rupture propagation direction and source parameters of the fault plane of the July 20，2012，MS4.9 earthquake at the boundary zone of Gaoyou and Baoying in Jiangsu Province are obtained using the directional change of the corner frequency of the P and S waves，respectively.The azimuth angle of the fault plane for this earthquake was determined to be 232° by the P waves and 233.5° by the S waves，the seismic Mach number (v/c) was about 0.18 by the P waves and 0.23 by the S waves, and the fault length was about 0.26 km by the P waves and 0.18 km by the S waves.The result inverted by the corner frequency of the P and S waves is consistent，which shows that the azimuth angle of the fault plane for this earthquake was about 232°. Because of the lack of a near-station record at an azimuth of 49°，the inversion method is based on a 1D finite moving source model propagating unilaterally with uniform velocity.Therefore，the result of a rupture azimuth of 232° cannot represent a rupture propagating in the direction from NE to SW；it only indicates that the rupture surfaces were aligned in that direction.The seismic Mach number was about 0.2，which shows that the rupture velocity was smaller than the S wave velocity，and the fault length was about 0.2～0.3 km. Many scholars have studied the seismogenic structure of the earthquake on July 20，2012，using a variety of methods such as focal mechanism solutions，field seismic intensity investigations，and relocation for aftershocks；however，the results have not been the same.The results of focal mechanism solutions show that the strike angle of one fault plane is 14°～28° in the NNE direction，whereas the strike angle of the other is in the NWW direction.Analysis shows that the fault plane might be in the NNE direction；however，the results of both field seismic intensity investigations and relocation for aftershocks show the fault plane might be in the NE direction.Our result show that the fault plane is aligned NE-SW，which is in accordance with the field seismic intensity investigations and relocation for aftershocks.The result inverted by the corner frequency of the P and S waves is consistent，showing a rupture azimuth with NE-SW alignment，which indicates that this method is meaningful in the fitting of the azimuth angle of an earthquake fault plane.Combined with regional geological structural data，we suggest that the Chuhe fault is likely to be the seismogenic structure of the MS4.9 earthquake at the boundary zone of Gaoyou and Baoying.

Keywords：parametersoffaultplane；cornerfrequency；Dopplereffect；Chuheriverfault

0引言

2012年7月20日20點11分在江蘇省高郵市與寶應縣交界發(fā)生MS4.9地震，這是1990年常熟MS5.1地震以來江蘇省陸地上發(fā)生的最大地震，也是華東地區(qū)近年來發(fā)生的較大地震。本次地震有感范圍較大，江蘇全省普遍有感，周邊省、市部分地區(qū)有感，其中高郵、寶應、興化、金湖、建湖、漣水等地震感強烈，極震區(qū)烈度達Ⅵ度。地震造成部分建筑物倒塌，1人死亡，3人受傷[1]，引起社會各界的高度關注。地震發(fā)生后，眾多學者對其發(fā)震構造的認識存在不同的觀點。

地震破裂方向及其破裂特征研究是地震學中的重要內(nèi)容之一，對深入認識地震的孕育發(fā)生過程以及地震預測研究都具有科學意義。對于中強地震，目前一般是根據(jù)震源機解結(jié)合余震總體分布走向、野外地震地表破裂帶展布或等震線長軸方向推測震時主破裂面的破裂方向。而對于中小地震，特別是在缺乏地質(zhì)構造信息和余震震中分布的情況下，僅靠震源機制很難確定發(fā)震斷層面。

近年來多位學者根據(jù)地震的多普勒效應，如利用P波初動半周期[2]、震源時間函數(shù)的寬度或強度來確定中小地震斷層面破裂參數(shù)[3-7]。上述方法通常是基于P波資料，一般情況下，近震的S波信號比P波信號強，容易分辨。怎樣利用S波來確定發(fā)震斷層面是一個值得研究的問題。陳學忠等[8]提出一種利用S波來確定發(fā)震斷層面的方法：在單側(cè)破裂并具有均一破裂速度的一維震源模型下，破裂在單方向的傳播優(yōu)于其他方向，由于地震波傳播過程中的多普勒效應，臺站接收到的地震波頻率存在方向性變化，因而可以利用P波或S波拐角頻率的方向性變化特征來反演地震的發(fā)震斷層參數(shù)[9-12]。本文利用該方法測定2012年7月20日江蘇高郵、寶應交界MS4.9地震的震源破裂參數(shù)，并結(jié)合地震地質(zhì)條件、震源機制解、宏觀烈度調(diào)查和余震精定位等探討其發(fā)震構造。

1發(fā)震斷層面參數(shù)測定方法

1.1拐角頻率的測定

在近震源條件下, 震源距r較小，可以忽略地殼介質(zhì)非彈性衰減的影響。這時可以采用Brune模型[13]，通過對地震位移譜和速度譜進行積分的方法直接求得拐角頻率[8]。一般情況下數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的是速度，記為V(t)，經(jīng)傅里葉變換后可求得地震波的速度譜V(f)，再經(jīng)積分后可得位移譜D(f)[14]，則有

拐角頻率為

1.2利用拐角頻率確定發(fā)震斷層面參數(shù)

由于地震破裂時所產(chǎn)生的地震波頻率存在方向性變化，從而引起拐角頻率的方向性，因此可以利用P波或S波拐角頻率的方向性變化來確定地震破裂面[3-7]。在一維有限移動震源模型下，單側(cè)破裂的震源斷層產(chǎn)生的地震波遠場位移頻譜為[15-16]

若震源時間函數(shù)g(t)取單位階躍函數(shù)H(t)時[15]，

當ω取拐角頻率ω0時，地震波遠場輻射譜為零頻譜值，那么1/X=1，即ω0T0=1，則

進一步可寫成

設有N個臺站，臺站的方位角為φi(i=1，2，3，…，N)，拐角頻率的倒數(shù)為T0i(i=1，2，3，…，N)。式(7)中T0i與cos(φ0-φi)的線性相關系數(shù)r為

式中xi=cos(φ0-φi)；yi=T0i。根據(jù)相關系數(shù)方法，當r取最小值時，對應的φ0為斷層破裂傳播方向。

已知斷層破裂傳播方向φ0，可以利用最小二乘法擬合式(7)，得到系數(shù)a和b，從而求得地震馬赫數(shù)v/c，即破裂速度與波速的比值。

2資料選取和計算結(jié)果

2.1資料的選取

高郵、寶應交界MS4.9地震發(fā)生在江蘇中部(33.05° N，119.55° E)，震源深度為9～10 km[17]。江蘇臺網(wǎng)和安徽臺網(wǎng)的臺站基本可以記錄到較好的地震波形，山東臺網(wǎng)、浙江臺網(wǎng)和江西臺網(wǎng)的個別臺站可以記錄到清晰的地震波形。為了滿足研究的需要，本文收集了江蘇、 安徽、 山東、 浙江和江西5個臺網(wǎng)的數(shù)字化地震波形資料。為了能真實反映拐角頻率在各個方向的差異，從而提高擬合計算的精確度，要求震中周圍臺站均勻分布，并且為了忽略非彈性衰減的影響，要求震源距r較小，因此從上述5個臺網(wǎng)中選取震中距在145km以內(nèi)的14個臺站的波形資料，如圖1和表1所示。由于資料限制缺少方位角在49°以內(nèi)的近臺記錄，所選臺站方位角范圍為49°～342°，跨度達293°，基本能反映地震波頻率隨方位的變化，可以保證測定結(jié)果的可靠性。

圖1　高郵、寶應交界M S4.9地震震中附近斷裂和所選臺站分布 Fig.1　Distribution of the faults around epicenter of Gaoyou-Baoying M S4.9 earthquake and chosen stations

2.2拐角頻率計算結(jié)果

將波形數(shù)據(jù)進行去傾處理，然后進行傅氏變換，再經(jīng)積分后得到觀測位移譜，圖2為寶應臺、興化臺記錄到的該次地震的P波和S波的觀測位移譜。本文用上述方法得到14個臺站P波和S波的震源譜拐角頻率以及各臺站的位置參數(shù)(表1)及各臺站的拐角頻率與臺站方位角的關系(圖3)。

分別將φ0=232°、233.5°代入式(7)，通過最小二乘法擬合得到地震馬赫數(shù)和破裂長度(表2)。計算破裂長度時，根據(jù)Crust2.0地殼速度模型，震源深度9～10 km處P波波速為6.1 km/s，S波波速為3.52 km/s。

綜上所述，本文根據(jù)地震破裂過程中的多普勒效應，利用多臺P波和S波的拐角頻率推算了2012年7月20日江蘇高郵、寶應交界MS4.9地震的震源破裂參數(shù)，分別得到破裂方位角為 φ0=232°、233.5°，兩者基本一致。表明本次地震的破裂面呈NE-SW向，破裂速度小于S波速度，破裂長度較短，為0.2～0.3km。

表 1臺站基本要素和震源譜拐角頻率

Table1Basicparameterandcornerfrequencyofsourcespectrumofstations

臺站代碼位置緯度/(°)經(jīng)度/(°)震中距/km方位角/(°)拐角頻率/HzP波S波BY(寶應)33.26119.2720.44316.021.251.28XH(興化)32.89119.8530.85122.481.181.12YC(鹽城)33.37120.0256.4648.641.401.33HUA(淮安)33.62119.0183.08320.271.621.19LH(六合)32.50118.9383.90225.072.102.23LAS(漣水)33.77119.2985.88342.322.171.43XY(盱眙)33.07118.49100.45272.191.201.04ZJ(鎮(zhèn)江)32.13119.43101.25187.422.381.59JJ(靖江)32.07120.30127.08147.411.331.11NJ2(南京)32.05118.85128.14211.701.571.54JN(江寧)31.96118.84137.70210.221.431.27PK(浦口)32.07118.63138.20219.501.691.21SH(泗洪)33.54118.16142.73293.371.211.08JT(金壇)31.73119.54144.95181.121.401.03

圖2　寶應臺、興化臺記錄到的高郵、寶應交界M S4.9地震的P波和S波的位移譜 Fig.2　The displacement spectrums of P wave and S wave of Gaoyou—Baoying M S4.9 earthquake recorded by BY and XH station

圖3　臺站拐角頻率和方位角的關系(徑向數(shù)字為拐角頻率，空心圓圈的角度為臺站方位角) Fig.3　The relation between corner frequency and azimuth angle of seismic stations (Radial digit represents the corner frequency，hollow circle represents the azimuth angle of station)

圖4　擬合的相關系數(shù)隨破裂方位角的變化 Fig.4　Variation of the fitted correlation coefficient with the rupture azimuth angle

表 2高郵、寶應交界MS4.9地震斷層面參數(shù)

Table2RuptureparametersofGaoyou—BaoyingMS4.9earthquake

項目破裂方位角/(°)地震馬赫數(shù)破裂長度/kmP波2320.180.26S波233.50.230.18

3破裂參數(shù)的對比分析

(1) 與震源機制解的對比

收集了多位學者采用不同方法計算的2012年7月20日江蘇高郵、寶應交界MS4.9地震的震源機制解(表3)，其結(jié)果基本一致，顯示該地震為走滑型地震，壓應力主軸為NEE向，張應力主軸為NNW向，與華北地區(qū)的應力場方向較為一致[19]，表明本次地震受華北區(qū)域應力場的控制。兩組節(jié)面走向分別為節(jié)面Ⅰ：NNE向(14°～28°)、節(jié)面Ⅱ：NWW向(107°～122°)。本文的反演結(jié)果為破裂方位角232°左右，呈NE-SW向，與震源機制解節(jié)面ⅡNWW向的走向相差較大，相對于節(jié)面ⅠNNE向的走向東偏30°左右。

(2) 與現(xiàn)場調(diào)查和余震精定位結(jié)果對比

據(jù)劉建達等根據(jù)地震現(xiàn)場調(diào)查劃分的地震烈度等震線圖[1]，本次地震極震區(qū)的烈度為Ⅵ度，呈橢圓型，長軸呈NE向，水平夾角為45°～60°；圖1中右上角框圖為“雙差”精定位后的余震序列分布[20]，顯示余震沿NE向展布。本文反演的破裂方位角為232°左右，破裂面沿NE-SW向，與現(xiàn)場考察和余震精定位結(jié)果較為一致，均表明本次地震的發(fā)震斷層沿NE向展布。

(3) 可能發(fā)震構造分析

震源區(qū)位于揚子陸塊區(qū)揚子陸塊之下?lián)P子(蘇皖)前陸盆地上，地質(zhì)構造簡單，斷裂發(fā)育較少，主要以盆地的隱伏斷裂為主。除周邊的郯城—廬江深大斷裂帶[21]、洪澤—流均溝斷裂和陳家堡—小海斷裂外，影響該地區(qū)的主要斷裂有：滁河斷裂、宿遷—洪澤斷裂(無錫—宿遷斷裂)和鹽城—南洋岸斷裂(圖1)，其中震中附近的斷裂有無錫—宿遷斷裂和滁河斷裂。無錫—宿遷斷裂北起邳縣，穿越郯廬斷裂帶，經(jīng)宿遷、洪澤、高郵、鎮(zhèn)江、常州延伸至無錫以南，總體走向SE-NW。該斷裂帶切穿其他方向的構造，反映了最新活動構造特征[22]；滁河斷裂是由地球物理異常揭示出來的一條深大斷裂帶，從安徽廬江，經(jīng)巢湖，沿滁河，過江蘇鹽城一帶，向東進入黃海，斷裂總體走向NE50°～60°，該斷裂白堊紀之后活動變?nèi)酰聵嬙鞎r期再次活動，現(xiàn)代小震沿此斷裂線性分布明顯[23-24]。滁河斷裂位于震中東南側(cè)約8km處，總體走向NE50°～60°，與反演的破裂面方向較為吻合。本文利用多臺P波和S波的拐角頻率的方向性擬合出破裂面沿NE-SW向，結(jié)合震源機制解、余震精定位、現(xiàn)場調(diào)查和震區(qū)周邊的地質(zhì)構造背景等分析認為滁河斷裂很可能是2012年7月20日江蘇高郵、寶應交界MS4.9地震的發(fā)震構造。

4結(jié)論與討論

(1) 本文分別利用多臺P波和S波拐角頻率的多普勒效應，反演得到高郵、寶應交界MS4.9地震的發(fā)震斷層面參數(shù)。反演結(jié)果一致顯示，本次地震的破裂方向為232°左右，破裂面呈NE-SW向；地震馬赫數(shù)v/c為0.2左右，平均破裂速度小于S波速度，破裂長度較短，為0.2～0.3km。

表 3　 高郵、寶應交界M S4.9地震的震源機制解

(2) 高郵、寶應交界MS4.9地震發(fā)生后，眾多學者通過多種方法探討了其發(fā)震構造，但觀點不盡相同[1，17-18，20]：其中震源機制解反演結(jié)果表明NNE向的節(jié)面可能為發(fā)震斷層面，而宏觀烈度調(diào)查和余震精定位結(jié)果顯示發(fā)震斷層面可能呈NE向。本文利用多臺P波和S波拐角頻率的多普勒效應，反演得到本次地震的破裂面呈NE-SW向，與宏觀烈度調(diào)查和余震精定位的研究結(jié)果一致，相對震源機制解確定的節(jié)面ⅠNNE向的走向東偏30°左右。結(jié)合震區(qū)周邊的地質(zhì)構造背景，分析認為滁河斷裂很可能是高郵、寶應交界MS4.9地震的發(fā)震構造。

(3) 利用拐角頻率的多普勒效應測定中小地震破裂參數(shù)的誤差，除了與觀測臺站的分布和記錄的波形質(zhì)量有關外，簡化的模型也有可能造成一些偏差。由于該方法是建立在震源時間函數(shù)為階躍函數(shù)、介質(zhì)均勻、單側(cè)破裂模型的基礎上，對于震源時間函數(shù)過于復雜和雙側(cè)破裂的情況還無法處理。為保證反演結(jié)果的可信度，應盡量與震源機制解、余震分布和宏觀烈度調(diào)查等其它結(jié)果進行對比驗證。由于反演時缺少方位角在49°以內(nèi)的近臺記錄，且反演方法是基于單側(cè)破裂模型，因此本文反演得到的232°的破裂方位角并不能表示破裂從NE向WS方向傳播，僅能表明破裂面呈NE-SW向。

致謝：本研究得到中國地震局地球物理研究所陳學忠、李艷娥和江蘇省地震局孫業(yè)君的幫助，在此表示衷心的感謝。

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