2019-05-18松原MS5.1地震震源機制與地震參數分析

陳 闖 危自根 李 偉 高金哲 姜 輝

1 吉林省地震局，長春市凈月大街5788號，130117 2 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢市徐東大街340號，430077 3 中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥市金寨路96號，230026 4 中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學南路5號，100081

松遼盆地位于我國東北地區中部，是以興蒙海西褶皺為基底，經燕山運動發展起來的大型中生代陸相沉積盆地[1]。中生代早期以來，松遼盆地在太平洋板塊向歐亞板塊西向的俯沖作用下發生擠壓拉伸構造變形，在松原地區形成了NE向扶余-肇東斷裂和NW向第二松花江斷裂[1-2]。中國地震臺網中心資料顯示，2006年以來松原地區發生多次MS5.0以上地震，造成了人員傷亡和財產損失，因此對該地區發震機理和地質環境的研究十分必要。

為研究松原地區地震活動性，在研究區布設10個密集的流動地震臺(圖1)，并記錄到2019-05-18發生的MS5.1地震及其相關余震數據，本文利用這些地震數據，結合中國地震局在松原周邊布設的13個寬頻帶固定臺站數據，采用接收函數和面波聯合成像方法獲得研究區地殼速度結構，再利用絕對走時方法重定位得到震源深度，最后選用CAP方法反演得到地震的震源機制解，以探討地震的發震機理和研究區的孕震背景。

圖1 研究區構造背景和臺站分布Fig.1 The tectonic setting and station distribution in the study region

1 震源區地殼速度結構模型

精準的速度結構對準確反演震源機制至關重要，本文利用多頻接收函數和面波數據聯合反演震源區下方的S波速度[3]，并將該速度作為CAP方法求解震源機制的速度模型之一。該方法能夠減小面波單獨反演速度時平均積分效應的不足及接收函數單獨反演結果的非唯一性，提高反演結果的可靠性和分辨率[4-6]。截取S1臺站記錄到的MS5.5以上及震中距在30°～90°范圍內的遠震事件，采用時間域迭代反褶積方法[3]提取P波徑向接收函數，0.5°橫向分辨率的面波相速度頻散曲線(8～50 s)來自研究區最新的面波層析成像結果[7]。在初始模型設置中，初始S波速度模型來自于面波層析成像結果[7]，接收函數和面波頻散曲線的加權值分別設置為0.7和0.3，第1層和第2層的層厚設置為1 km，其他層厚設置為2 km，反演深度為0～60 km。在聯合反演過程中，將挑選后的接收函數分別在30°～60°及60°～90°范圍內進行疊加，再同時擬合P波到時前5 s和后30 s的3個頻段(G=1，G=2，G=3)的接收函數和相速度頻散曲線(圖2)。反演的S波速度(圖2(a)中紅線)表明，S1臺站下方的地殼速度從地表往下逐漸增大，8 km后速度逐漸減小，16 km后又逐漸增大。

圖2 多頻接收函數和面波聯合反演示意圖Fig.2 Schematic diagrams for joint inversion of mutifrequency receiver function and surface wave data

2 松原MS5.1地震絕對走時方法重定位

在重定位過程中，S波來自最新發布的噪聲面波層析成像結果[7]，P波速度為S波速度的1.78倍[8]。本文基于23個地震臺站記錄到的震相清晰的P波到時資料(圖3)，采用HYPOINVERSE-2000程序[9]進行定位。結果表明，重定位的松原MS5.1地震位于第二松花江斷裂上，震源深度為5.8 km(表1)，比臺網中心發布的10 km淺。

圖3 23個臺站紀錄到的震后40 s的波形Fig.3 40 s waveform after the earthquakes occur recorded by 23 stations

3 CAP方法反演地震震源機制

本文選用CAP方法[10]反演松原MS5.1地震的震源機制，選取23個臺站的波形記錄，去除限幅和波形質量較差的臺站資料，再對數據進行去除儀器響應和線性趨勢及重采樣等預處理，將波形數據旋轉至大圓路徑。經過預處理后，保留震中周邊方位角覆蓋較均勻的13個寬頻帶臺站資料，在處理后的三分量波形記錄中分別截取60 s長度的面波數據，在垂直向和徑向的波形記錄中分別截取30 s長度的Pnl波數據，并分別在0.01～0.10 Hz和0.01～0.15 Hz頻段內進行濾波，以壓制小尺度三維速度結構造成的影響。

為驗證本文速度模型的可靠性，分別利用3種速度模型進行震源機制反演，并對結果進行對比。首先使用全球地殼模型Model_crust2[11](圖4中黑線)反演地震的震源機制，設置1 km間隔的1～20 km深度搜索范圍和步長為2°的0°～360°/0°～90°/-180°～180°的走向/傾角/滑動角搜索范圍，結果見圖5(a)，得到地震的質心深度為8 km，震級為MW4.85，兩組最佳雙力偶機制解為303°/74°/6°和212°/84°/164°，且大部分波形擬合效果較好。觀察反演誤差和深度的變化關系(圖6(a))可以發現，不同深度下的震源機制解很相似，表明結果較為穩定，但深度約束不是很好，震源深度大于8 km的反演誤差隨深度的變化不明顯。再基于Model_ini速度模型[6](圖4中藍線)采用相同的設置參數反演地震的震源機制(圖5(b))，得到地震的質心深度為7 km，震級為MW4.85，斷層節面解的走向/傾角/滑動角分別為304°/71°/12°和210°/78°/160°。相較于Model_crust2速度模型而言，兩者的波形擬合結果相似，震源機制解也較為一致，而Model_ini模型的質心深度約束得更好(圖6(b))。最后基于本文的S1臺站下方速度模型(Model_end，圖4中紅線)反演地震的震源機制，得到地震的質心深度為8 km，震級為MW4.86，斷層節面解為303°/73°/10°和210°/80°/163°。與前2個模型結果相比，該模型的波形擬合效果有所提高，質心深度約束也較好(圖5(c)和6(c))。由此可知，利用2種速度模型得到的震源機制解比較一致，而基于實際情況反演的Model_end速度模型得到的震源機制解可能更接近真實值。

表1 重定位前后數據對比

圖4 震源區速度模型Fig.4 Velocity model for focal area

黑線、紅線及藍線分別代表實際波形、理論合成波形及CAP反演中未使用的波形，左側為臺站代碼、方位角和震中距，波形上下數字分別表示最大相關系數(百分比形式)及達到最大相關系數所需的時移圖5 CAP反演結果和波形擬合Fig.5 Inversion results and waveform fitting for CAP method

4 結 語

本文利用3種不同的速度模型反演了2019-05-18吉林松原MS5.1地震的地震參數，結果表明，基于不同速度模型得到的震源機制解、矩震級及質心深度都較為接近，并且與使用ISOLA方法測定的全矩張量結果[12]較為一致。采用CAP方法得到的震源深度(8 km)比采用絕對走時定位得到的結果(5.8 km)深約2 km，可能與CAP方法的結果代表能量釋放最大深度的矩形深度，而絕對走時得到的深度為震相起跳點處的震源破裂起始點深度有關。2 km左右的深度差異與5.0級左右的地震破裂尺度一致，驗證了本文不同方法定位結果的可靠性。對松原地震震后半個月內11個MS1.5以上余震進行重定位后發現，重定位的余震距離松原MS5.1地震較近，且都位于第二松花江斷裂上，震源深度分布在3.57～6.88 km之間，表明第二松花江斷裂直接影響這些地震的發生。

圖6 CAP反演誤差隨深度變化Fig.6 The CAP inversion uncertainty vs. depth

將震源深度投影到本文接收函數成像結果上發現，松原MS5.1地震位于相對高速的深度上。接收函數反演的松原地區S波速度與人工地震反射剖面[13]及最新噪聲成像結果[14]一致，表明在松原地區下方的中地殼存在顯著的S波低速異常。已有的接收函數[15]與大地電磁測深[16]觀測資料表明，松原地區具有顯著減薄的巖石圈和雙層高導異常的殼幔結構，說明研究區發生了與太平洋板塊西向深俯沖相關的巖石圈拆沉作用，并存在地幔熱物質上涌。2006年以來的5級以上地震大多發生在8 km左右深度處，對應研究區高速層，而基于已有研究認為，地震發生在高波速異常區易于積累能量、孕育地震，而地震下方的低速異常可能表明含有能降低斷層面有效正應力的流體，這種特殊的地殼結構在東側太平洋板塊持續向松遼盆地深俯沖的作用下導致了松原地區中強震的發生。

致謝：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、大地測量與地球動力學國家重點實驗室及吉林省地震局為本文提供流動地震數據資料，中國地震局地球物理研究所、國家測震臺網數據備份中心、北京數字遙測地震臺網、中國地震臺網中心和吉林省地震臺網中心為本文提供固定臺網地震數據，在此一并表示感謝！