2020年和林格爾ML4.5地震微震匹配定位及發震構造探討

張暉 譚毅培 馬婷 翟浩 張珂 李娟

1)內蒙古自治區地震局，呼和浩特 010010 2)天津市地震局(中國地震局地震工程綜合模擬與韌性抗震重點實驗室)，天津 300201

0 引言

和林格爾地處華北斷塊區陰山-燕山斷褶帶和鄂爾多斯斷塊拗陷、山西斷塊隆起的交匯處，位于近EW向展布的陰山-燕山山前構造帶上。該構造帶是華北地區一條重要的地殼構造脆弱帶，喜馬拉雅運動以來活動明顯，發生多次強震，形成陰山地震帶(徐杰等，1978)。自1970年以來，陰山地震帶及周邊強震活躍，共發生6級以上地震6次(圖1)。然而自2005年2月27日內蒙古五原ML4.1地震后，陰山地震帶出現了ML4.0以上地震持續平靜的現象。2020年3月30日，內蒙古和林格爾發生ML4.5地震，打破了這一平靜現象，顯示出區域地震活動狀態發生了變化。因而，研究此次和林格爾地震序列的發震構造，對區域應力狀態和地震危險性分析有重要作用。

圖 1 華北西北部及周邊地震活動示意圖黑色圓圈表示1970年1月1日—2005年2月27日ML4.0以上地震震中位置；藍色圓點表示2005年2月28日—2020年3月29日ML4.0以上地震震中位置；紅色五角星為2020年3月30日和林格爾ML4.5地震震中位置；綠色圓點表示1970年以來陰山地震帶及周邊6級以上地震的震中位置；黑色虛線框表示ML4.0以上地震平靜區

地震目錄及震相報告的完整性和準確性直接影響地震序列發震構分析結果的科學性和可信性(Woessner et al，2005；馮建剛等，2012；譚毅培等，2014)。和林格爾ML4.5地震前后發生了多次前震和余震。短時間內同一地點發生大量地震，不同地震事件的記錄波形相互疊加影響，同時和林格爾所在的內蒙古中部地區地震臺站較為稀疏(劉芳等，2013a、2013b、2014)，僅依靠人工識別地震容易造成地震目錄出現一定數量的遺漏。利用現有觀測系統得到更加完整、精確的地震目錄和震相資料，需要地震自動識別算法的輔助。

目前已廣泛應用于國家和省級地震臺網的地震自動識別方法有兩類。一是長短時窗比方法，其利用長短時窗能量比(STA/LTA)識別地震事件初至到時(Stevenson，1976；Allen，1978；Baer et al，1987；Earle et al，1994)，并在此基礎上從時間域、頻率域、偏振分析、高階統計量、模式識別等方面綜合分析判別地震事件(武東坡，2004)。之后一些學者引入震源掃描疊加地震定位方法(SSA)(Kao et al，2004)，提出了基于振幅判據的P波震相識別方法(Zahradník et al，2015)。另一類方法是匹配濾波技術(Matched Filter Technique，MFT)，這種方法基于波形互相關計算檢測與模板地震波形相似的地震事件，已經成功應用于非火山地脈動與低頻地震研究、中強地震余震序列完整性和分布特征分析等方面的研究(Gibbons et al，2006、2007；Shelly et al，2007；Tang et al，2010；Peng et al，2007、2009；Schaff，2010；Meng et al，2012)。Zhang等(2015a)基于SSA和MFT技術，提出了匹配定位方法(Match & Locate，M&L)，并對2011年東日本MW9.0地震的前震、朝鮮一次低當量核爆和日本御岳火山噴發前的地震進行了檢測(Zhang et al，2015a、2015b、2015c)。M&L方法與上述兩類方法相比有3個特點：①可以檢測到更小震級的地震和與模板地震距離較遠的微震；②能夠根據波形互相關時移，直接對檢測到的微震和模板地震進行相對定位，從而給出微震的震源位置；③其無需對震相到時進行檢測，因而可以適用于由于信噪比較低造成震相到時模糊不清的情況。鑒于內蒙古臺網臺站較為稀疏，對于小地震很難檢測到足夠用于精定位的震相到時，因而M&L方法適用于和林格爾ML4.5地震序列的分析。

本文對和林格爾地震序列進行微震檢測，以給出相對完整的地震目錄，并對此次地震的發震構造進行分析。所使用的計算方法包括地震雙差定位方法(hypoDD)、匹配定位方法(M&L)和計算震源機制的CAP方法，計算方法流程如圖2 所示。首先，收集和林格爾ML4.5地震震中200km以內臺站的連續記錄波形，以地震目錄中ML2.0以上地震作為模板，使用雙差定位方法對模板地震進行重定位，再以模板地震重定位結果為基準，利用M&L方法檢測目錄中遺漏的地震事件并給出震源位置，并計算ML4.5地震的震源機制解，最后基于震源機制、地震精定位和斷層面擬合結果探討和林格爾地震序列的發震構造。

圖 2 計算方法流程圓形框表示輸入數據；菱形框表示計算方法；矩形框表示計算和分析結果

1 微震檢測

使用雙差定位方法hypoDD(Waldhauser et al，2000)對臺網目錄中給出的10個ML2.0以上地震進行重定位。定位使用震中距200km內9個臺站的震相到時數據(圖3 中綠色和藍色臺站)，震相到時經過波形互相關震相檢測技術(譚毅培等，2014)校正，濾波頻段為2～8Hz，相對到時誤差在1個采樣點以內，共檢測到震相138條。精定位計算的初始位置設為內蒙古地震臺網給出的ML4.5主震震源位置。反演計算采用SVD方法，參考韓曉明等(2018)給出的P波速度精細結構，設定的P波速度結構如表1 所示，vP/vS波速比設為1.73。

圖 3 震中周邊斷裂及臺站分布圖中黑色線條為活動斷裂；紅色五角星為2020年3月30日和林格爾ML4.5地震的震中位置；三角形為本研究所使用的臺站位置，其中綠色為參與匹配定位和雙差定位計算的臺站，藍色為僅參與雙差定位的臺站；F1：大青山山前斷裂，F2：鄂爾多斯北緣斷裂，F3：和林格爾斷裂，F4：蠻漢山山前斷裂，F5：岱海-黃旗海盆地南緣斷裂，F6：黑老夭-殺虎口斷裂，F7：韭菜莊-好來溝斷裂，F8：寇莊斷裂

表 1地震精定位和震源機制解計算所用速度結構模型

重定位獲得了10個ML2.0以上地震的震源位置。hypoDD程序給出的反演誤差水平向約為15m，垂直向約為65m。鑒于經過波形互相關震相檢測的相對到時誤差在0.01s以內，其造成定位結果誤差在100m以內。綜合震相數據和反演計算造成的誤差，相對定位結果中震中位置誤差在100m以內，深度誤差約為150m左右。

以重定位后的ML2.0以上地震作為模板，采用M&L方法(Zhang et al，2015a)進行地震檢測和定位。所使用臺站為記錄地震信噪比較高的震中距100km內的5個臺站(圖3 中綠色臺站)。首先使用Taup軟件(Crotwell et al，1999)計算直達S波的理論到時和水平、垂直慢度，使用自相關方法重新拾取震相到時。截取模板地震S波到時前1s至后3s波形，在連續波形上進行滑動窗互相關計算。以模板事件震源位置為中心做格點搜索，對檢測到的地震事件進行定位。震中搜索范圍為±0.1°，深度為±3km，搜索步長為0.01°和1km。將每個臺站各分量的滑動相關序列所對應的時間減去其模板所對應的S波走時，再減去該網格點位置與模板位置到每一個臺站的到時差進行位置校正，最后將所有臺站分量的滑動互相關系數進行疊加并計算平均值，得到該網格點的疊加滑動互相關系數；將三分量的互相關系數取平均，用計算得到的絕對偏差中值(Median Absolute Deviation，MAD)來搜索地震，利用互相關系數和n倍的MAD作為判別地震的閾值(Peng et al，2009；Shelly et al，2007)。

基于多組參數組合，對3月30日的連續記錄波形進行檢測，從而測試不同參數設置的檢測效果。測試結果顯示，采用平均互相關系數大于0.2、同時大于11倍MAD的閾值參數(下文簡寫為0.2/11)檢測效果較好。如表2 所示，當設置更低閾值時(0.2/10)，檢測到的地震事件數量增加，且能夠檢測到臺網目錄給出的3月30日全部25個地震，但有一部分新檢測到的事件在距離震中最近的HLG和QSH臺無法人工確認，即其誤檢測的比例較高。另一方面，當閾值提高時(0.3/11和0.2/12)，無法檢測到臺網目錄給出的全部地震。因此選擇 0.2/11 作為檢測閾值的參數，可以得到相對較好的微震檢測結果。

表2不同閾值組合結果與臺網定位結果對比

經過匹配定位計算，在3月30日至4月30日時間段內，共檢測定位地震事件61個。內蒙古測震臺網人工識別和林格爾余震共46個，其中可定位地震21個，不可定位的單臺地震事件25個。檢測到的地震事件約為臺網目錄的1.3倍，可定位地震約為臺網目錄的2.9倍。對比46個地震臺網目錄給出的震級和微震檢測計算所得震級，對新檢測到的地震震級進行校正。當震級大于ML1.5時，檢測震級與目錄震級基本一致，無需校正，而震級小于ML1.5時，檢測震級系統性偏離目錄震級，如圖4(a)所示。采用譚毅培等(2015)使用的方法對小于ML1.5的地震進行震級校正，求得震級校正線性變換方程為y=0.3634x+0.8029。經過震級校正后的震級對比如圖4(b)所示，檢測震級與目錄震級的擬合直線方程為y=x，表明微震檢測所得震級在校正后與目錄給出震級在統計上是一致的。

圖 4 檢測地震震級校正過程示意(a)未做震級校正時檢測震級和目錄震級的對比；(b)校正后檢測震級和目錄震級的對比

圖 5 給出了臺網可定位地震、臺網單臺地震事件和匹配定位方法檢測到的地震的累計頻次對比。圖中臺網可定位地震在ML1.0以下幾乎不再增加，表明臺網可對ML1.0以上地震進行定位，而ML1.0以下地震則無法識別多個臺的震相，只能給出單臺地震事件。匹配定位檢測的地震在ML0～1.0區間內線性增加，顯示匹配定位方法可對較小的地震進行定位。經過匹配定位計算的地震目錄，雖然檢測到臺網遺漏地震數量不多，但可以給出較多地震的震中位置，從而豐富了地震目錄中的震源參數信息。

圖 5 微震檢測前后地震累積頻度-震級分布

圖 6展示了檢測到的1次目錄遺漏的ML1.0地震的記錄波形。模板為3月30日ML2.3地震，平均相關系數為0.2295，約為MAD的14.3倍。距離震中最近的HLG臺和QSH臺可人工觀測到地震信號，但其他臺站無法觀測到清晰的震相，造成人工識別無法定位地震。

圖 6 M&L方法檢測到的ML1.0地震

2 斷層面擬合

根據主震震源機制計算結果和基于匹配定位計算得到的地震序列定位結果，采用斷層面擬合方法定量估計斷層面幾何形態。

利用CAP方法(Zhao et al，1994；Zhu et al，1996)計算ML4.5地震的震源機制解。計算中使用了震中距在400km以內的8個臺站的波形數據，體波濾波頻段為0.05～0.2Hz，面波濾波頻段為0.05～0.1Hz，所使用速度結構見表1。計算結果為：震源機制解節面I走向80°、傾角44°、滑動角-60°，節面Ⅱ走向221°、傾角53°、滑動角-116°，矩震級為MW3.9，如圖7 所示。

圖 7 ML4.5地震的震源機制解

匹配定位計算給出的地震序列定位結果如圖8 所示。結果顯示地震震中呈現出NE向線性分布特征(圖8(a))，與ML4.5地震震源機制解NE向節面走向接近。將震源投影到NE走向40°和NW走向130°的2條剖面上，在NE向剖面AA′上地震分布散亂，而在NW向剖面BB′上地震分布較為集中，顯示出發震斷層為NW傾向。

圖 8 地震序列匹配定位結果示意(a)精定位后震中分布，紅色五角星表示ML4.5地震的震中位置，并給出ML4.5地震震源機制解；(b)、(c)分別為震源在NE向剖面AA′和NW向剖面BB′上的投影，其中圖(c)中藍色虛線表示推測的發震斷層位置

為了進一步定量估計斷層面的幾何參數，利用匹配定位計算給出的地震序列定位結果，采用萬永革等(2008)給出的穩健估計方法，對和林格爾ML4.5地震斷層面參數進行了擬合。計算結果如圖9 所示，斷層的走向為230°，標準差為1.3°；傾角為81°，標準差為1.4°，傾向為NW向。震源機制結果中節面Ⅱ走向與斷層面擬合結果相近，傾向均為NW向，而其傾角小于斷層面擬合結果。綜合斷層面擬合結果和震源機制解，推測和林格爾ML4.5地震序列發震構造為NE走向、NW傾向的斷層。

圖 9 斷層面擬合結果示意(a)參與擬合的地震震中分布，黑色矩形框為擬合斷層面在地表的投影；(b)參與擬合的地震震源位置在垂直斷層走向剖面上的投影，黑色直線為擬合斷層面，擬合結果為NW傾向傾角較大的斷層

3 發震構造討論

根據上述計算結果對和林格爾ML4.5地震的發震構造進行分析。匹配定位和斷層面擬合結果顯示震中呈現NE向線性分布特征，其發震構造為NE走向、NW傾向的斷層。震源機制解中NE向節面為發震構造，滑動角為-116°，其錯動性質以拉張為主，兼有少量走滑分量。綜合本文計算結果，和林格爾ML4.5地震的發震構造為NE走向張性斷裂。

徐杰等(1978)、孫加林等(1990)對和林格爾地區的地震地質特征做了詳細總結(圖10)。和林格爾地區NE、NW和NNE向3組斷裂十分發育，NE向斷裂是區內的主要構造，被NW向斷裂和NNE向斷裂所切，是較古老的斷裂帶，其至少切割到地殼玄武巖層，是規模較大的地殼斷裂或深大斷裂；NW向斷裂規模不大，一般走向N30°～50°W，傾向不一，傾角為60°～85°，多處見左旋錯動的派生性構造；NNE向斷裂走向N20°～30°E，傾向NW，傾角為50°～80°，其中出現右旋剪切錯動的派生構造。從本文的和林格爾ML4.5地震序列計算結果看，其發震構造與區域內NE向斷裂幾何形態基本一致。ML4.5地震震中位置位于岱海-黃旗海盆地南緣斷裂附近(圖10)，且地質調查顯示岱海斷陷帶NE向斷裂屬于活斷層(畢珉烽，2012)，因而推測ML4.5地震序列發震構造為NE走向的岱海-黃旗海盆地南緣斷裂。

圖 10 和林格爾地區斷裂分布以及和林格爾MS6.3地震烈度等震線分布黑色直線為斷層位置，藍色曲線為烈度等震線，藍色圓點表示1976年和林格爾MS6.3地震的微觀震中位置，紅色五角星表示2020年和林格爾ML4.5地震的震中位置；F1：和林格爾斷裂，F2：岱海-黃旗海盆地南緣斷裂，F3：蠻漢山山前斷裂，F4：黑老夭-殺虎口斷裂，F5：韭菜莊-好來溝斷裂；斷層信息據徐杰等(1978)繪制，烈度等震線據孫加林等(1990)繪制

2020年和林格爾ML4.5地震與1976年和林格爾MS6.3地震的發震構造有所不同。1976年和林格爾MS6.3地震主震極震區烈度為Ⅶ度強(圖10)，Ⅶ度區等震線長軸為NNE向，宏觀、微觀震中均在該區北端(孫加林等，1990)。根據其烈度等震線分布、余震震源位置分布、主震震源機制等信息，徐杰等(1978)、孫加林等(1990)均認為1976年和林格爾MS6.3地震發震構造為NNE走向的韭菜莊-好來溝斷裂。對比和林格爾MS6.3地震與ML4.5地震的震源機制(圖10)，其節面的幾何形態存在差異。雖然和林格爾MS6.3地震與ML4.5地震的震中位置接近，但2次地震并非發生在同一構造上。和林格爾ML4.5地震的震源機制計算結果與區域應力場特征相符。根據GPS觀測和研究結果顯示，鄂爾多斯東北緣盆地下方深部物質的上涌形成的拉張起主導作用，形成了岱海斷陷帶內沿NE向的張性或張扭性正斷層(沈正康等，2003；張靜華等，2004)。岱海斷陷帶綜合震源機制解的節面大體上呈NEE向，與本區主要斷裂在性質及走向上均一致，反映了岱海斷陷帶現今應力狀態為拉張型(盛書中等，2015)。剪切波偏振分析結果顯示和林格爾臺(HLG)快波偏振方向為接近NE的優勢方向，可能反映了區域主要斷裂與構造的影響(張暉等，2020)。根據本文結果，2020年和林格爾ML4.5地震發震斷裂為NE走向張性斷裂，與區域主要斷裂走向一致，也與區域應力場的拉張型狀態一致。

徐杰等(1978)認為和林格爾地區不同方向的3組斷裂構造中，在現代NEE向主壓應力作用下，NE向斷裂本應最容易發生錯動，利于應力的積累和釋放，但1976年MS6.3地震發生在NNE向斷裂，可能是由于NW向斷層對區域地震地質特征的改造，加之巖漿侵入和噴發，使NE向斷裂因巖漿焊接作用而形成閉鎖。韓曉明等(2018)通過P波速度成像發現和林格爾地區上地殼存在上寬下窄的高速區通道，認為可能是該區在新近紀和第四紀存在大規?；鹕絿姲l的地震學證據，從而進一步論證了巖漿作用對本區地震孕震環境的影響。NE向岱海-黃旗海盆地南緣斷裂帶小震微震活動呈現自西向東活動性由強變弱的現象(畢珉烽，2012)，可能意味著NE向斷裂不同段由于巖漿作用造成的閉鎖程度不同。地震層析成像結果(韓曉明等，2018)顯示，岱海-黃旗海盆地南緣斷裂帶西南端為高低速過渡區，一般認為該區地殼介質體比較脆弱且非均勻性和物性變化較大，易于吸收并儲存應變能而成為地震活動相對強烈的區域(雷建設等，2009)。2020年和林格爾ML4.5地震發生在NE向斷裂帶的西南端，顯示出西側較為活躍的地震活動特征仍然具有延續性。

4 結論

本文使用匹配定位方法(M&L)對2020年和林格爾ML4.5地震序列進行了微震檢測和精定位，并計算了該地震的震源機制解。微震檢測結果顯示，共檢測并定位地震事件61個，約為臺網目錄的1.3倍，可定位地震約為臺網目錄的2.9倍。地震重定位、斷層面擬合和震源機制計算結果顯示，和林格爾ML4.5地震序列發生在NE走向、NW傾向的拉張性斷層。結合區域地震地質構造，推測和林格爾ML4.5地震序列發震構造為NE走向的岱海-黃旗海盆地南緣斷裂。

致謝：中國科學技術大學張淼博士提供了M&L方法計算程序，并對程序的調試運行給予的大力幫助，審稿專家提出寶貴的建設性意見，本文部分圖件采用GMT軟件包(Wessel et al，1995)繪制，在此一并表示感謝。