山東長島海域震群重定位及震源特征研究1

李 鉑 崔 鑫 張志慧 蔡 寅 季愛東

（山東省地震局，濟南 250014）

引言

長島是山東省唯一的海島縣，包括南北長山島在內的10個居民島嶼，地處構成渤海和黃海分界線的廟島群島的南端。長島位于華北地臺區，與膠遼地塊其它地區具有類似的地質構造演化歷史，由于受到中國東部新生代擴展斷陷活動以及第四紀海侵共同影響而成為了獨立的島嶼。長島位于NW向張家口-渤海-威海斷裂帶的東段，即蓬萊-威海斷裂帶內，帶內多條晚更新世活動斷裂均從長島附近海域通過。同時在其西側還發育了晚更新世以來強烈活動的郯廬斷裂帶，與活動構造的分布特點相吻合，長島附近地震活動水平較高，現代中小震密集分布。值得注意的是，在附近海域曾發生過1548年渤海海峽7級地震和1948年威海6級地震。因此，有必要對長島及其附近海域震群進行重定位和震源特征研究。

長島縣及附近海域發育有NNE、NE、NW等多個方向的斷裂。長島區內發育多組斷裂，并被斷裂圍限成大小不等的塊體。NW斷裂也是以蓬萊-張家口斷裂為主，長島-芝罘島和蓬萊-張家口斷裂等多條NW、近EW向斷裂組合成1條傾角較大的斷裂帶，不同方向的斷裂交匯造成該區域地震活動水平較高。

2017年2月14日山東臺網記錄到長島海域第一個地震以來，又陸續記錄到余震3000余次。由于此次震群序列屬于海域地震，所以在密集臺陣的布設上有一定困難，只有3個海島臺，此次震群附近臺站的分布和附近斷裂情況，如圖1所示。

圖1 長島地震序列附近斷層和臺陣臺站分布 Fig.1 Distribution of faults and stations around the the Changdao earthquake sequence

1 定位方法及資料選取

本文采用的雙差定位（Double-Difference）方法由Waldhauser等（2000）提出，該方法是地震定位學中的1種相對定位方法，是主事件方法的應用推廣，但在震群相對位置的反演過程中，無需把震群的某個地震作為主事件，而是震群的某一地震和震群矩心的相對位置進行反演，它在程序參數的選擇上有一定的要求。該方法在國際和國內已經被廣泛使用，Waldhauser等（2000）利用雙差定位算法在北加州北海沃德斷層上的2個震群上進行了應用，利用震群矩心200km內的臺站和10km范圍內的地震，計算了地震對之間的走時殘差，使得震群在垂直的條帶分布更加集中；周龍泉等（2003）利用雙差定位方法對云南大姚雙主震序列進行了重新定位研究；黃媛（2008）對汶川地震及其余震進行重定位；張勇（2014）、張廣偉等（2014）對云南魯甸地區進行重新定位并通過震源機制分析其地震活動構造意義；李鉑（2017）對山東乳山地區進行重新精定位并分析其斷層活動性；羅佳宏（2017）利用雙差定位方法對三峽水庫的地震活動進行了研究。

雙差定位方法的優點主要是利用譜域中的波形互相關技術提高定位質量和定位精度，相對于主事件方法，數據量大大增加，在一定的范圍內進行相近地震事件對的配對，要求配對的地震事件在一定空間范圍至少可以搜索到至少1次及以上的地震事件，故臺網的定位質量相比會有一定提高。雙差定位方法的基本原理為：相對于同1個地震臺站k，i和j分別代表不同的地震震源，2個震源的地震波觀測到時和理論到時之間的殘差為rki和rkj，Tki是第1個震源i到地震臺站k的體波觀測到時，ti是發震時間，u是波的慢度，ds代表地震波沿射線路徑的線元（Helmberger，1980，2000）。

對2個地震事件組i和j的殘差做差，即雙重殘差：

公式（1）即為雙差定位方法的聯合反演公式。

對于距離相近的事件，可以忽略2個事件震中間的速度（慢度）變化，即可以相互抵消，得到：

山東地震臺網自從2006年開始進行數字化改造，又陸續對臺網進行網絡升級、臺站改造，目前已經有133個數字化測震臺站。在長島海域震群附近50km范圍內有6個臺站，由于該震群是比較少見的海域震群，而在海域臺站的布設方面有一定困難，造成了部分區域的觀測空區。

山東省煙臺市長島縣海域自2017年2月14日開始發生地震以來，3月3日又發生了4.5級地震，之后又發生了一系列的地震震群活動，9月2日，在該震群南方10km左右又出現了1個新的震群活動。截至2018年1月1日，山東數字化臺網已經記錄到近2700次余震，其中1級以下余震2175次，1—2級余震435次，2.0—2.9級余震73次，3.0—3.9級余震4次，4級以上余震1次（圖2）。

圖2 長島海域震群M-T圖 Fig.2 M-T plot of the Changdao earthquake sequence

在2017年9月出現的主震群南側的小震群也出現了200余次余震，其中最大地震為2017年3月3日的4.4級地震，這也是山東2017年記錄到境內及周邊海域最大的地震。

截至2018年1月，此次長島地震的震群活動一直持續，從中選擇了2711次有3個及以上臺站記錄的地震，最終參與雙差定位的地震包括4個臺站記錄到的地震1002個，5個臺站記錄到的地震775個，6個臺站記錄到的地震681個，其中2017年3月3日長島海域4級地震有48個地震臺站參與定位。在重定位時，由于殘差原因，最終選擇了參與定位地震數量為2581次，包括11232次P波和S波的到時記錄定位殘差也從0.172下降到了0.133。為了驗證數據的時效性，繪制了幾個震相的走時曲線，如圖3所示，其中Pg、Sg、Pn和Sn的走時曲線離線性均較低，可以說明地震數據質量比較穩定。

圖3 長島海域震群P和S波走時曲線 Fig.3 The travel time curves of P wave and S wave of Changdao earthquake sequence

根據折合走時曲線圖（圖4）可以發現，Pg和Pn的數據點與理論折合走時曲線較為符合，在一定程度上反映了當前速度模型在本研究區域的正確性，可以將當前速度模型作為研究的基礎數據資料。

采用目前山東地震數字化臺網正在使用的一維速度模型（李鉑等，2012），如表1所示。

表1 地殼速度模型 Table1 Crustal velocity model

圖4 長島海域震群折合走時曲線 Fig.4 The reduced travel-time curves of the Changdao earthquake sequence

圖5顯示了長島海域震群的地震頻次和定位深度的分布，圖5（a）為雙差定位之前的臺網記錄結果，可以看出在6—18km地震頻次比較集中，但整體分布比較分散；圖5（b）為定位之后的深度結果，深度優勢分布在8—18km，其中10—16km范圍更為明顯。

圖5 長島地震序列雙差定位前后頻次-深度分布關系 Fig.5 Distriution of earthquake depth and frequency before and after the accurate location of the Changdao earthquake sequence

圖6為利用雙差定位方法對長島2個震群重新定位后的結果分布，由圖可以看出，藍色點為臺網原始記錄，地震整體分布比較分散，沒有明顯的條帶狀分布，經過重新定位后，2個震群的外圍發散地震向內收斂明顯，震中分布更加集中，優勢分布也更加明顯。3月3日發生的北側震群（以下稱主震群）走向與一級斷裂——大竹山島-威海北斷裂走向基本一致，斷裂全長70km，且靠近斷裂的西北端口處，余震呈NWW向分布，A’B’的主破裂長度約在17km，其共軛方向的C’D’破裂長度約6km，幾次較大的地震都發生在該破裂軸上，4級以上地震4次（圖中紅白球標識），4級以下地震2次（圖中藍白球標識）；9月2日發生的主震群南側13km的震群（以下稱副震群），地震個數較少，但也基本看出走向與主震群走向基本一致，在2個二級斷裂之間，不排除存在隱伏斷層的可能性，震源深度分布略低于主斷層，優勢深度集中在6—10km范圍內，這也與副震群靠近陸地有一定關系，在一定程度上表明該深度的應力介質強度多局限于這一范圍。

圖6 長島海域震群震中分布及震源深度統計 Fig.6 The statistical distribution and focal depth of the Changdao earthquake epicenter

2 震源機制解

采用CAP（Cut and Paste）方法反演了2017年3月3日長島海域M4.4地震的震源機制解由于震群屬于海域型震群，在對其進行反演的過程中使用的臺站較少，而且相對于震中，臺站方位角的覆蓋性也較差，所以利用CAP方法對其進行震源機制解反演，其優勢之一是在臺站利用率較低的情況下可以得到較好的震源機制解結果。

在反演長島海域震群的記錄時，一般對波形記錄進行權重設置，對比前期對膠東半島其它震群設置的權重比例（一般設置為2:1），對首波和長周期的面波分別選取0.07—0.15Hz和0.04—0.08Hz頻段。在反演過程中對觀測波形進行濾波，扣除儀器響應和波形旋轉，反演后的最佳擬合波形如圖7（a）所示，黑色波形曲線為觀測值，紅色波形曲線為理論值，左側為臺站代碼、震中距以及該臺理論P波初至與觀測P波初至的差值，擬合波形的下方為相對應的時間偏移量，5個數值代表臺站的3分量5個分向（體波垂向（PV）、體波徑向（PR）、面波垂向（Surf.V）、面波徑向（Surf.R）、面波切向（SH））。由圖可見，所選臺站的擬合系數均較高，基本在85%以上，這也客觀地證明了結論的正確性。圖7（b）給出了此次地震最佳的擬合深度，從圖中看出對應深度擬合曲線中的斜率最大點處的深度為最佳深度，該深度約9.7km，誤差為0.2km，也與雙差定位測定的優勢深度相一致。

圖7 長島4.4級地震理論地震圖和觀測地震圖對比（a）和CAP方法的最佳擬合深度和波形擬合圖（b） Fig.7 The comparison of theoretical seismogram and observation seismogram of the Changdao M 4.4 earthquake (a) and plot of focal depth varying with different depth errors and focal mechanism (b)

本文反演了長島海域震群6次較大的震源機制解（表2，圖7）。由表2可以看出，長島幾次較大地震都發生在主震群范圍內，表中定位結果采用雙差定位，幾次較大余震的破裂位置均在3km范圍內，幾次地震的主壓應力軸方向基本一致，均以走滑型為主，節面I走向也較一致，幾次較大地震均發生在主震群所在區域，節面Ⅰ走向也與一級斷裂竹山島-威海北斷裂走向基本一致，其中2017年3月3日的主震震源機制解的節面Ⅰ走向為320°，傾角57°，滑動角為12°；節面Ⅱ走向為223.4°，傾角80°，滑動角為146.4°；幾次較大地震的最佳擬合深度為8.7—13.7km。

表2 長島海域震群序列6次較大地震震源機制解 Table2 Focal mechanisms of six larger earthquake in the Changdao earthquake sequences

3 結論與討論

采用雙差定位方法對山東長島附近海域2次可定位震群的2711次地震事件進行了重定位，由于海域震群運用定位方法的實例較少，所以在附近臺站數量和方位角的分布上存在一定局限，通過研究發現重定位后的2個震群地震向內收斂明顯，震中分布更加集中，優勢分布也更加明顯，更清晰地明確了條帶分布的基本特性。余震呈NWW向展布，破裂長度約為17km，其共軛方向的破裂長度約為6km；主震群的震源位置與一級斷裂大竹山島—威海北斷裂走向具有較高的一致性，副震群震例較少，但也能看出走向與主斷層的走向基本一致。由于副震群周圍沒有較大的地質斷裂結構作為破裂依據，也不排除有較小隱伏斷層的存在，主副震群在定位后都有一定的收斂，沒有明顯的震群交集；2個震群的優勢深度為6—15km，也與山東內陸及近海海域的地震發震深度范圍相一致。

利用CAP方法反演了2017年3月3日長島海域M4.4地震的震源機制解，在震源深度9.7km附近對應的雙力偶解為最佳的震源機制解。其余幾次較大地震震中位置與震群主震的震中位置一致，震源機制解中節面I的走向也具有一致性。

綜合長島海域2次震群的定位結果、幾次較大地震震源機制解反演結果和區域地震資料，可以看出，長島震群幾次顯著地震的震源機制解較為一致，均表現為走滑機制，其中NW向的節面與NWW向的張家口-蓬萊斷裂帶的走向一致。同時，從雙差定位的結果也可看出，長島震群表現出出現NW向的優勢展布特征，進一步印證了發震斷層可能是NW向的假設。因此，初步判定長島震群的發震構造可能是NW向的張家口-蓬萊斷裂的分支斷裂。

山東長島海域2次震群都處于山東近海，2個震群的活動性也在逐步減弱，但目前仍有小的地震持續發生，在后續的工作中，還需要進一步收集地震和地質斷裂構造數據，以判斷此次震群的后期持續性和斷層的破裂特征。

致謝：感謝Waldhauser F.提供的雙差定位程序、崔仁勝提供的CAP程序以及評審專家給出的寶貴建議。