2020-01-23四川石渠MS4.3地震震源機(jī)制及發(fā)震構(gòu)造研究

楊彥明 胡 博 戴 勇 張小艷

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲里木路80號，010010

2020-01-23 22:26四川省石渠縣(32.97°N，98.87°E)發(fā)生MS4.3地震，震源深度13 km，是繼2017-05-16石渠MS4.4地震后近年發(fā)生的第2次中強(qiáng)地震。震區(qū)地處青藏高原，與青海、西藏接壤，屬于三省交界地區(qū)，平均海拔超過4 200 m，地質(zhì)構(gòu)造上位于松潘-甘孜地塊，為巴顏喀拉前陸盆地褶皺帶，新生代以來以間歇性強(qiáng)烈抬升為主，地震活動性較強(qiáng)[1]。

本文利用國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的四川、青海、西藏、甘肅等區(qū)域地震臺網(wǎng)寬頻帶固定臺站近震數(shù)字波形資料，采用gCAP全波形反演方法[2-3]對石渠MS4.3地震的震源機(jī)制和震源深度進(jìn)行反演，并從速度結(jié)構(gòu)模型、定位誤差、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面對反演結(jié)果的可靠性進(jìn)行評價，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和余震序列的空間展布特征，探討石渠地震可能的發(fā)震構(gòu)造，為震區(qū)周邊的地震危險性分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)位于三疊系松潘-甘孜地塊，屬于地中海-喜馬拉雅構(gòu)造帶[4]，地塊呈倒三角形夾持于羌塘地體、東昆侖-西秦嶺造山帶和龍門山逆沖推覆帶之間[5]。松潘-甘孜地塊北面以東昆侖深斷裂、瑪沁-略陽深斷裂為界，與秦嶺大別皺褶系及柴達(dá)木盆地相分割；西南方向以金沙江-紅河深斷裂北段為界，與羌塘地塊相接；東南以龍門山深斷裂為界，與四川盆地相鄰。塊體內(nèi)部主要分為3個部分，鮮水河深斷裂以北為巴顏喀拉地槽褶皺帶，甘孜-理塘深斷裂以西為義敦地槽褶皺帶，2條深大斷裂的中間部分為雅江地槽褶皺帶。達(dá)日斷裂、玉科-泥曲斷裂、巴顏喀拉山主峰斷裂、爐霍-道孚斷裂、長沙貢瑪斷裂、雜孕楚瑪爾河斷裂、曲麻萊斷裂、甘孜-理塘斷裂、玉樹-甘孜斷裂等眾多NW向的斷裂帶近似平行分布于塊體內(nèi)。

鮮水河深大斷裂帶為一條NW向的弧形左旋走滑深大斷裂帶，自瀘定向北，經(jīng)康定、爐霍至長沙貢瑪進(jìn)入青海省境內(nèi)，貫穿整個川西高原[6]。該斷裂具有長期活動性，最早始于二疊紀(jì)，地震頻發(fā)，自有記錄以來共發(fā)生7級以上地震20余次[7]。長沙貢瑪斷裂與爐霍-道孚斷裂北西延伸段交匯于石渠縣境內(nèi)，黃仕華等[8]認(rèn)為長沙貢瑪斷裂為爐霍-道孚斷裂帶的次級斷裂，其左行剪切活動強(qiáng)烈，長沙貢瑪斷裂石渠段自有記錄以來共發(fā)生4級以上地震8次。此外，廣義的鮮水河斷裂帶包括玉樹-甘孜斷裂帶，而狹義的鮮水河斷裂帶、安寧河-則木河斷裂帶及小江斷裂帶為研究區(qū)內(nèi)地殼運動變形最強(qiáng)烈的斷裂帶[4]。

2 研究方法

gCAP(generalized cut and paste)方法[2]采用全波形反演震源機(jī)制，將體波和面波部分分別進(jìn)行擬合，可克服只利用體波或面波進(jìn)行求解的局限性。對于雙力偶震源，設(shè)u(t)為觀測位移，則相應(yīng)的理論位移s(t)可表示為：

(1)

式中，i=1,2,3分別對應(yīng)垂直走滑型、垂直傾滑型及傾角45°傾滑型斷層，M0為標(biāo)量地震矩，Ai為輻射系數(shù)，φ為臺站方位角，Gi為格林函數(shù)，θ、δ、λ分別為走向、傾角和滑動角。

u(t)=s(t)

(2)

設(shè)θ、δ、λ的取值范圍分別為0≤θ≤2π、0≤δ≤π/2、0≤λ≤2π，通過格點搜索方法對非線性式(2)進(jìn)行求解，從而對實際觀測位移進(jìn)行評估。

誤差函數(shù)可表示為：

(3)

式中，r為臺站震中距，r0為選定的參考震中距，p為比例因子[2]。在實際反演過程中，體波和面波需要根據(jù)實際情況給予不同的比例因子，從而避免面波部分的擬合誤差占據(jù)主要權(quán)重[9]。根據(jù)前人研究成果[10]，設(shè)置體波p為1，面波p為0.5，并由此計算實際觀測波形與理論波形之間的誤差函數(shù)，尋找最優(yōu)震源機(jī)制參數(shù)，最終獲得地震的震源機(jī)制解、震源深度及矩震級。

3 數(shù)據(jù)與模型

3.1 臺站分布與數(shù)據(jù)來源

利用國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的四川、青海、西藏、甘肅區(qū)域地震臺網(wǎng)寬頻帶固定臺站近震資料，選取震中距為0°～4°共26個臺站的波形數(shù)據(jù)，并篩選出16個P波初動清晰且分布均勻的臺站(圖1)波形作為最終參與反演的數(shù)據(jù)對象，包含青海臺網(wǎng)10個臺站、四川臺網(wǎng)5個臺站、西藏臺網(wǎng)1個臺站，研究所用的地震事件目錄從中國地震臺網(wǎng)中心獲取。

圖1 地震震中和臺站分布Fig.1 Distribution of earthquake epicenters and stations

3.2 地殼速度結(jié)構(gòu)模型

石渠MS4.3地震涉及區(qū)域位于松潘-甘孜地塊，選取參與反演的臺站震中距較小，均在4°以內(nèi)。利用地震震中的地理坐標(biāo)，采用crust2.0(http://igppweb.ucsd.edu/～gabi/crust2.html)速度模型[11]給出震中的速度結(jié)構(gòu)，并設(shè)置品質(zhì)因子Q值，其中QS(S波品質(zhì)因子)為500，QP(P波品質(zhì)因子)為QS值的2倍，表1為研究區(qū)平均地殼速度結(jié)構(gòu)模型。

表1 研究區(qū)地殼速度模型

3.3 格林函數(shù)計算

采用頻率-波數(shù)(F-K)方法[12]計算不同深度、不同震中距的理論格林函數(shù)。設(shè)置深度為0～30 km，步長為1 km，采樣率為0.2 s，計算選取的16個臺站的震中距，結(jié)果介于111～360 km，其中震中距最大為DUL臺，相距357.9 km；最小為DAR臺，相距111.2 km。

3.4 數(shù)據(jù)處理

對震中距為0°～4°、三分量齊全的近震數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將seed格式波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SAC格式。截取P波理論到時前10 s 至后800 s 波形，對原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢、去均值、去傾斜、去儀器響應(yīng)等處理，再采用0.2 s重采樣，利用0.05～2.00 Hz Butterworth帶通濾波器進(jìn)行濾波，以降低高頻噪聲的影響。將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至大圓路徑，將三分量E(水平東西向)、N(水平南北向)、Z(垂直向)旋轉(zhuǎn)為R(徑向)、T(切向)、Z(垂直向)后手動拾取P波初動到時。采用gCAP方法進(jìn)行全波形反演時，設(shè)定體波時窗長度為30 s，面波時窗長度為60 s，由于石渠MS4.3地震震級偏小，為保證結(jié)果的可靠性并提高信噪比，將波形數(shù)據(jù)截斷為體波(Pnl)部分和面波(S)部分，分別采用4階Butterworth帶通濾波器進(jìn)行濾波，以減少噪聲和地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)的影響。體波部分濾波頻段為0.05～0.15 Hz，面波部分濾波頻段為0.06～0.1 Hz，震源機(jī)制解和震級的搜索步長分別設(shè)置為5和0.1。

利用頻率-波數(shù)方法計算理論地震波形分別對頻率和波數(shù)進(jìn)行的積分[13]，使用傳播矩陣計算地震的全波場位移，最終獲得不同頻率的體波和面波理論地震波形[14]。利用格點搜索和互相關(guān)方法將實際地震波形與理論地震波形進(jìn)行擬合[13]，同時進(jìn)行全局搜索，尋找誤差函數(shù)最小的震源機(jī)制解[2]。

4 結(jié) 果

4.1 震源機(jī)制解

利用gCAP方法反演得到四川石渠MS4.3地震的最佳震源機(jī)制解，節(jié)面Ⅰ走向134°，傾角82°，滑動角11°；節(jié)面Ⅱ走向42°，傾角79°，滑動角171°。P、T軸的方位角分別為-92°、-1.5°，傾角分別為2.0°、13.4°。由圖2可知，在參與反演的16個臺站記錄的80個震相數(shù)據(jù)中，56個震相數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)大于0.8，占總數(shù)的70%；40個震相數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)大于0.9，占總數(shù)的50%，屬強(qiáng)相關(guān)，均方根誤差(RMS)為3.066×10-4，波形擬合較好，各震源機(jī)制參數(shù)結(jié)果的可信度高。

波形的濾波范圍：Pnl部分為0.05～0.15 Hz，S部分為0.06～0.1 Hz，波形下方數(shù)字表示理論波形相對實際波形的時移(單位s)和相關(guān)系數(shù)，時移為正值表示理論波形比實際觀測快，相關(guān)系數(shù)用百分比表示；左側(cè)大寫字母表示臺網(wǎng)名和臺站名，其下方數(shù)字為震中距(單位km)和相對偏移時間(單位s)；臺站波形按方位角排列圖2 震源機(jī)制解及理論地震波形(紅色)和觀測地震波形(黑色)對比Fig.2 The result of focal mechanism solution and comparison between synthetic(red) and observed(black) waveforms

4.2 震源深度及矩震級

將震源機(jī)制解的反演誤差作為震源深度函數(shù)[15]，分析誤差隨震源深度的變化關(guān)系。利用不同深度的最佳震源機(jī)制解結(jié)果，以波形最小擬合均方根誤差作為四川石渠MS4.3地震的最佳質(zhì)心深度，由圖3可知，除1 km和2 km深度外，反演得到的震源機(jī)制解在不同深度上的變化較小，表明該地震以走滑型為主，反演的震源機(jī)制解穩(wěn)定性和可靠性較高。該地震的最佳質(zhì)心深度為9 km，震級為MW4.53，屬于淺源地震。

圖3 震源機(jī)制解隨不同震源深度變化及擬合均方根誤差Fig.3 Variation of focal mechanism solution with different focal depths and RMS

5 分析與討論

在求解震源機(jī)制解的過程中，主要有3個方面的因素會對結(jié)果的可靠性造成影響：1)地殼速度結(jié)構(gòu)誤差，包括S波、P波速度及品質(zhì)因子大小；2)震中定位的準(zhǔn)確性；3)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。為測試震源機(jī)制解結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，本文將從這3個方面對結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 速度結(jié)構(gòu)模型誤差影響

根據(jù)品質(zhì)因子Q值的變化[16]，對速度結(jié)構(gòu)模型中的QS和QP進(jìn)行調(diào)整(表2)，重新計算格林函數(shù)并進(jìn)行g(shù)CAP反演。從表3可以看出，震源機(jī)制解和最佳質(zhì)心深度無變化，均方根誤差(RMS)減小了0.001×10-4，震級變化了0.01，表明品質(zhì)因子Q值幾乎不影響震源機(jī)制解和質(zhì)心深度，對震級影響較小。

表2 Q值調(diào)整后的研究區(qū)地殼速度模型

為測試S波和P波速度的影響，將波速分別增加和減小5%，得到新的速度結(jié)構(gòu)模型，再次計算格林函數(shù)并進(jìn)行g(shù)CAP反演。利用高速異常速度模型反演的結(jié)果為：節(jié)面Ⅰ走向133°，傾角82°，滑動角10°；震級MW4.57，質(zhì)心深度9 km。利用低速異常速度模型反演的結(jié)果為：節(jié)面Ⅰ走向134°，傾角80°，滑動角12°；震級MW4.47，質(zhì)心深度7 km。與crust2.0速度模型相比，走向差為0°～1°，傾角差為0°～2°，滑動角最大差為1°，震級差最大為0.06，深度差為2 km。結(jié)果表明，增加S波和P波速度的擾動對震源機(jī)制解的影響較小，對震級和質(zhì)心深度存在一定影響。分析可知，改變品質(zhì)因子Q值和S波、P波速度對震源機(jī)制解結(jié)果的影響較小，同時也說明gCAP方法對地殼速度結(jié)構(gòu)模型的依賴程度較小。

表3 不同影響因素下震源機(jī)制解結(jié)果

5.2 定位誤差影響

通常情況下，地震的定位誤差不超過3 km[13]，本文將震中位置分別向東、南、西、北各移動5 km，測試定位精確度對震源機(jī)制解的影響。從表3可以看出，改變震中位置對震源機(jī)制解中滑動角的影響較大，對走向和傾向的影響很小，結(jié)果均為走滑型地震。矩震級和地震質(zhì)心深度分別相差0.04～0.06和2～4 km，影響相對較大。

5.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量影響

在初始反演時，選取數(shù)據(jù)質(zhì)量較好、方位角分布均勻的16個臺站進(jìn)行震源機(jī)制反演，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波形擬合較好。為測試數(shù)據(jù)質(zhì)量對結(jié)果的影響，將已剔除的7個臺站波形數(shù)據(jù)加入反演計算，結(jié)果見表3。從表中可以看出，震源機(jī)制解中3個角度值的變化量最大為3°，矩震級相差0.05，質(zhì)心深度相差2 km。進(jìn)一步將信噪比最差的3個臺站波形數(shù)據(jù)加入計算，即26個臺站全部參與反演，計算結(jié)果與23個臺站參與計算的結(jié)果一致。因此認(rèn)為，反演獲得的震源機(jī)制解的變化量在5°以內(nèi)，反演結(jié)果較為穩(wěn)定。

5.4 誤差估計

利用gCAP方法進(jìn)行震源機(jī)制求解的過程屬于非線性反演，本文采用Sheng等[17]的誤差估計方式，利用bootstrap方法[18]分析震源機(jī)制解的誤差，以便進(jìn)一步評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。將最終反演的16個臺站作為抽樣對象，每個樣本抽取按照放回抽樣的方式從波形數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇，允許某些臺站的波形記錄被重復(fù)選取，同時也存在部分臺站未被采樣。重復(fù)進(jìn)行1 000次抽樣，獲得震源機(jī)制的反演結(jié)果。bootstrap方法的計算結(jié)果表明，走向、傾角、滑動角的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.20°、2.26°和4.88°。根據(jù)誤差評估方法以2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為結(jié)果的誤差，最終獲得石渠MS4.3地震震源機(jī)制解的走向、傾角、滑動角誤差分別為2.40°、4.52°和9.76°。圖4為1 000個震源機(jī)制解的頻數(shù)分布，從圖中可以看出，走向、傾角、滑動角的分布高度集中，表明震源機(jī)制解的結(jié)果較為可靠。

5.5 發(fā)震構(gòu)造

石渠MS4.3地震的震源機(jī)制解為節(jié)面Ⅰ走向134°，傾角82°，滑動角11°；節(jié)面Ⅱ走向42°，傾角79°，滑動角171°，而實際的發(fā)震構(gòu)造需要根據(jù)震中區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征及余震的震中分布進(jìn)行推測分析[15]。石渠MS4.3地震發(fā)生后，截至2020-03-25共記錄到可定位余震36次，利用HypoDD相對定位法[19]對地震序列進(jìn)行重定位后發(fā)現(xiàn)，余震分布集中。從圖5可以看出，余震序列展布方向為NW向，主要分布在主震偏NE側(cè)附近，具有向NE向傾斜的趨勢。震源區(qū)附近發(fā)育有長沙貢瑪斷裂，走向NW，傾向NE，傾角為60°～75°，為左旋走滑型逆斷層。震源區(qū)內(nèi)的剪切作用是最重要的發(fā)震力學(xué)因素，由于NW向斷裂在構(gòu)造上受到的剪切應(yīng)力較NE向大，受到的正壓應(yīng)力比NE向小[6]，容易產(chǎn)生剪切滑動，而長沙貢瑪斷裂左行剪切活動強(qiáng)烈也可印證這一特點[8]。

圖4 bootstrap抽樣計算的震源機(jī)制解結(jié)果Fig.4 The focal mechanism solution obtained by bootstrap sampling

根據(jù)震源區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征，綜合余震分布特點及震源機(jī)制解認(rèn)為，節(jié)面Ⅰ與長沙貢瑪斷裂屬性一致，且余震序列優(yōu)勢分布方向也與節(jié)面Ⅰ吻合。因此，將節(jié)面Ⅰ作為四川石渠MS4.3地震的發(fā)震構(gòu)造更為合理，即長沙貢瑪斷裂為地震的發(fā)震斷層，其走向、傾角和滑動角分別為134°、82°和11°，為左旋走滑型地震。

圖5 石渠MS4.3地震余震序列重定位結(jié)果與震源機(jī)制Fig.5 The relocation results of aftershock sequences and focal mechanisms of Shiqu MS4.3 earthquake

6 結(jié) 語

1)利用gCAP方法反演獲得四川石渠MS4.3地震的震源機(jī)制解，結(jié)果表明，該地震為走滑型地震，不同震源深度的震源機(jī)制解反演得到的最佳質(zhì)心深度為9 km，矩震級為MW4.53。

2)為測試震源機(jī)制解的穩(wěn)定性和可靠性，從地殼速度結(jié)構(gòu)誤差、震中定位的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)質(zhì)量影響等3個方面進(jìn)行綜合分析認(rèn)為，當(dāng)反演獲得的震源機(jī)制解的變化量在5°以內(nèi)時，反演結(jié)果較為穩(wěn)定，可靠性較高，震源機(jī)制解可被接受。

3)使用bootstrap方法對震源機(jī)制解的誤差進(jìn)行分析，計算1 000次bootstrap抽樣結(jié)果的震源機(jī)制解，獲得石渠地震震源機(jī)制解的走向、傾角、滑動角的誤差分別為2.40°、4.52°和9.76°，表明震源機(jī)制解結(jié)果較為可靠。

4)四川石渠MS4.3地震余震序列展布方向為NW向，主要分布在主震偏NE側(cè)附近，具有向NE向傾斜的趨勢。震源機(jī)制解節(jié)面Ⅰ與長沙貢瑪斷裂的特征相吻合，余震序列的優(yōu)勢分布方向與節(jié)面Ⅰ走向一致。綜合震源區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、主震震源機(jī)制及余震序列的空間分布特征認(rèn)為，此次地震的發(fā)震斷層為節(jié)面Ⅰ，即長沙貢瑪斷裂，走向、傾角和滑動角分別為134°、82°和11°，為左旋走滑型地震。

致謝:感謝中國地震臺網(wǎng)中心、四川省地震臺網(wǎng)和中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本文研究提供相關(guān)數(shù)據(jù)；感謝朱露培教授提供gCAP程序包，本文部分圖件使用GMT進(jìn)行繪制。重慶市地震局黃世源高級工程師、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院盛敏漢博士及四川省地震局李大虎高級工程師在本文分析過程中提供了大力支持，在此一并表示衷心感謝!