2019年12月26日湖北應城M4.9地震震源參數及余震活動性研究

盛敏漢 儲日升 王清東 曾求 馬海超

1) 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 430077 2)中國科學院大學，北京 100049

0 引言

據中國地震臺網中心(CENC)測定，北京時間2019年12月26日18時36分34秒，湖北省應城發生M4.9中等地震(圖1(a))，震中位于113.40°E、30.87°N，震源深度10km。震中距離應城市區不到20km，烈度Ⅵ度，地震導致附近部分房屋出現開裂，距離震中90km的武漢市區有明顯晃動。

圖 1 研究區域構造(a)及反演震源參數所用速度模型(b)(a)中紅色五角星表示應城地震主震，藍色五角星表示目錄余震，震源球表示機制解，藍色三角形為參與震源參數反演的地震臺站，其中隨州臺(SZH)離主震近且數據質量高，用來模板匹配識別余震，以紅色邊框標識，黑色斷層數據引自鄧起東等(2003)，紅色斷層數據引自李恒等(2020)；(b)中震源區CRUST1.0模型引自Laske等(2013)，其中紅線對應S波、藍線對應P波，應城及鄰區平均一維速度模型引自Shen等(2016)，其中灰線對應S波、黑線對應P波(取為S波速的1.732倍)

在地質構造上，湖北省跨越秦嶺褶皺系與揚子地塊兩大構造單元。以青峰-襄樊-廣濟斷裂為界，斷裂北側為秦嶺褶皺系，南側為揚子地塊(圖1(a))。秦嶺褶皺系屬中央造山帶的組成部分，屬于強烈變形構造單元，帶內活動斷裂發育，控制著破壞性地震的發生；揚子地塊相對穩定，但仍存在破壞性地震且沿斷裂分布(張麗芬等，2011)。據湖北省地震志，自公元前143年有地震記載以來，省內4.7級以上的破壞性地震有30多次，其中M6以上地震3次，19次地震的震級在M5.0～5.9之間。全省最大地震為公元788年竹山6.0級、1856年咸豐大路壩6.0級以及1932年麻城6.0級地震(熊繼平，1986)。自2000年以來，省內最大地震為2013年12月16日巴東M5.1地震(Huang et al，2018)。2019年應城M4.9地震發生在相對穩定的揚子地塊內，研究其震源參數與余震活動性對于理解該地區發震構造及評估地震危險性具有重要意義。

精確測定地震的震源參數，如震源機制解和震源深度，是確定發震構造、評估地震災害、制定防震減災策略的基礎(鄭勇等，2009；易桂喜等，2017)。本文利用寬頻帶波形資料，基于波形擬合方法獲取了應城地震的震源機制解和震源深度。基于不同的速度模型，利用Bootstrapping抽樣技術測試反演結果，確保了震源參數的可靠性。此外，利用模板匹配技術檢測了應城地震的前震和余震活動性。

1 方法

本研究利用CAP(Cut and Paste)波形擬合方法(Zhu et al，1996)獲取應城地震的震源機制解和震源深度。CAP方法在點源假設的條件下，利用近震波形數據，通過波形擬合來獲取震源參數。不同震源機制解的地震波輻射花樣存在差別，不同深度的地震其波形在振幅以及深度震相到時上均會體現差異，CAP方法利用不同震源機制解、不同深度的合成波形來擬合各個臺站的觀測波形(Chu et al，2013；Wang et al，2020)。計算理論地震圖采用的是頻率-波數法(Zhu et al，2002)，該方法適用于水平層狀模型。通過頻率域和波數域積分，由傳播矩陣計算理論波形。最后通過網格搜索震源參數，找到合成波形和觀測波形擬合最佳情形下的解。該方法的優點是將三分量波形切割成體波段和面波段分別進行時移擬合，其優勢在于：①體波段、瑞利面波段以及勒夫面波段波形可以用不同的時移量分別擬合，從而可以有效降低反演結果對速度模型的依賴，減小速度模型不準確帶來的影響；②體波、面波分開反演，使用不同的幾何擴散因子矯正振幅，利用不同的權重來反演體波和面波，可以有效降低面波振幅過大從而主導反演結果帶來的影響。在點源假設情形下，斷層面和輔助面的輻射花樣相同，因此CAP方法得到的震源機制解需要結合其他信息才能辨別發震斷層和輔助斷層面，例如破裂方向性、余震的分布等。

模板匹配方法廣泛用于檢測地震目錄中缺失的小地震(Peng et al，2009；Zhang et al，2015；楊慧等，2018；Zhu et al，2019；Ma et al，2020)。本研究利用滑動時窗互相關(Sliding-window Cross-correlation，簡稱SCC)方法(Yang et al，2009)檢測應城地震目錄之外的余震。SCC方法以單臺單分量或多分量地震波形作為模板，將模板波形和同臺站的連續波形進行滑動互相關，當互相關系數大于一定的閾值時，便認為檢測到了一個和模板事件位置相近、震源機制解相似的地震。根據被檢測地震和模板地震的振幅比A/At，還可以估算被檢測地震的震級M

M=Mt+lg(A/At)

(1)

其中，Mt為模板地震的震級。SCC方法可以有效地檢測低信噪比事件，相比于短時平均比長時平均方法(即STA/LTA)，能檢測到更小的地震事件。

2 數據與速度模型

選用震中距小于300km的寬頻帶地震臺來反演震源參數(圖1(a))。首先人工檢查原始數據，剔除質量差的波形記錄；然后去除儀器響應，再將東西、南北分量的波形旋轉至徑向和切向。在反演中，體波段和面波段的時窗長度分別為40s和70s，濾波頻帶分別為0.06～0.1Hz和0.02～0.1Hz。主震前1天和后7天的連續波形數據被用于模板匹配方法來檢測小地震。

選用了震源區的CRUST1.0模型(Laske et al，2013)以及Shen等(2016)由面波頻散獲得的剪切波速度結構作為反演震源參數的速度模型。Shen等(2016)的模型為中國地區地殼和上地幔三維剪切波速度模型，經度和緯度方向上的網格間隔為0.5°，深度方向上的間隔為0.5km。將震源區300km以內網格的速度均值作為一維速度模型，并令vP/vS=1.732(圖1(b))。由于頻率-波數法合成理論波形不能將震源放在速度分界面上，在用CRUST1.0模型反演過程中，震源起始搜索深度設置為1km，搜索步長1km；在利用Shen等(2016)模型時，震源起始深度放置于1.5km處，深度方向上的搜索步長也為1km。

3 結果

由CRUST1.0模型獲取的最佳雙力偶解為：節面Ⅰ走向150°、傾向67°、滑動角15°，節面Ⅱ走向54°、傾向76°、滑動角156°，震級MW4.65(圖2)；由Shen等(2016)模型獲取的最佳的雙力偶解為：節面Ⅰ走向149°、傾向68°、滑動角15°，節面Ⅱ走向53°、傾向76°、滑動角157°，震級MW4.67(圖3)；2個模型對應的最佳深度分別為7.0km和7.5km(圖4)。由此可以看出，由2個淺部結構差異較大的模型獲得的震源參數，無論是震源機制解，還是震級與深度的差別均極其細微，進一步說明了CAP方法不依賴速度模型的優點。另外，震源機制解隨深度的變化不明顯(圖4)，說明了反演結果的穩定性。用2個模型得到的最佳反演結果中，各個臺站的合成波形均能較好地擬合觀測波形，說明了反演結果的可靠性。

圖 2 應用CRUST1.0模型反演的震源機制解結果 觀測和合成波形分別用黑色和紅色表示；每一行波形前分別為臺站名、震中距(km)和方位角(°)；波形下方的數字表示時移值以及觀測波形和合成波形的互相關系數；時移值為正表示合成波形比觀測波形早到

圖 3 應用Shen等(2016)模型反演的震源機制解結果圖中文字和符號同圖2

圖 4 震源深度反演結果(a)應用CRUST1.0模型得到的誤差隨深度分布；(b)應用Shen等(2016)模型得到的誤差隨深度分布

圖 5 1000次Bootstrapping反演結果(a)最佳深度分布；(b)斷層走向分布，右上角數值表示走向的均值和標準差；(c)斷層傾向分布，右上角數值表示傾向的均值和標準差；(d)斷層滑動角分布，右上角數值表示滑動角的均值和標準差

應城地震余震少(表1)，為了驗證較少余震是否由目錄不全所造成，我們以主震及目錄余震波形作為模板，利用SCC方法檢測可能遺漏的地震。通過人工檢查連續波形，發現離主震較近的隨州臺(SZH)數據質量高。以隨州臺記錄到的主震和余震的垂直分量波形作為模板進行互相關檢測。由于第一個余震在主震之后幾分鐘內發生，其波形受到了主震尾波的干擾，故從模板中去除了該事件。除了主震外，目錄余震震級均在M2.0以下，P波微弱，采用S波和其后續波形進行模板匹配。將模板波形和連續數據濾波到0.8～2Hz，以模板事件S波前1s和后10s作為檢測時窗(圖6)，以互相關系數(CC)0.8作為閾值。在去除重復檢測之后，最終得到12個目錄之外的事件，其中1個事件發生在主震之前(圖7(a))，且沒有檢測到任何和主震相似的事件，表明應城地震余震確實較少，屬于孤立型地震。根據振幅比，估算了檢測到的地震震級，從震級分布(圖7(b))可以看出，該地震序列不滿足G-R關系(Gutenberg et al，1944)。

表1應城地震及中國地震臺網中心目錄中的余震

圖 6 模板匹配結果(a)主震及目錄余震作為模板波形；(b)目錄中最后一個余震作為模板的檢測結果；加粗波形表示2個波形相似，能互相檢測到的模板事件；數字表示地震的發生日期/時刻(北京時間)/震級

圖 7 應城地震序列(a)地震序列M-t圖，圓圈標記中國地震臺網中心目錄中的地震，五角星標記模板匹配檢測到的地震；(b)震級與累計地震數

4 討論

本研究利用CAP方法反演了2019年12月26日湖北應城M4.9地震的震源機制解和震源深度。應城地震以走滑為主，矩心深度約7.5km。CAP方法以點源假設為基礎，得到的震源機制解無法區分發震斷層面和輔助斷層面。在震中附近存在2條近共軛的潛北斷層和皂市斷層(圖1(a))，走向分別平行于應城地震震源機制解的2個節面。因此，應城地震的發震斷層應該是這2條斷層其中之一，但是具體破裂發生在哪一條斷層，還需要依靠其他方法獲取。

發震斷層可以通過破裂方向性和余震的時空展布得到(何驍慧等，2020；蘇金蓉等，2013；Sheng et al，2020a)。稀疏臺網下中強地震的破裂方向可通過不同方位角的視震源時間函數的持續時間得到(Prieto et al，2017)，這種方法需要主震附近存在位置相近、震源機制解相似的小地震作為經驗格林函數，來去除路徑效應的影響。而應城地震余震少，主震發生之后7天內的目錄僅有6個余震，最大震級M1.9。余震震級小，波形信噪比低，難以作為經驗格林函數來反演破裂方向性。另外，該地震余震少，很難通過其空間展布獲得發震斷層。

通過模板匹配方法僅檢測到12個目錄中未記錄的小地震，主震和余震震級分布不滿足G-R關系，主震震級接近M5，卻缺乏M2～4的余震。根據前震和余震稀少、其能量總和不到主震能量千分之一的特點(王振聲，1982)，應城地震可以被認定為孤立型地震。以M2以下地震估算b值，結果為0.8，小于大多數地震序列的b值(1.0)。b值采用線性最小二乘估計，95%置信區間為 0.8±0.1。然而，一般認為用來估算b值的地震數量最好在50以上(Eaton et al，2015)，因此本文的結果可能存在一定的誤差。該類型地震的發生可能和低應力降有關聯(張勇等，2018)，主震應力降越小，余震序列的b值也越小，余震數量則越少(Gibowicz，1973)。湖北地區大部分地震的應力降均在1MPa以下(申學林等，2018)，低應力降可能使得余震不易被觸發，可能形成孤立型事件。構造活動強烈的地區應力降則較高，我國龍門山斷裂帶北東段汶川地震余震區、青藏高原東北緣以及新疆天山中段地區的中小地震應力釋放在5～10MPa的水平(趙翠萍等，2011)；美國加州中部帕克菲爾德地區應力降的平均值約為6.75MPa(Allmann et al，2007)。

5 結論

本文基于寬頻帶地震波形資料及不同速度模型，利用CAP方法獲取了2019年12月26日湖北應城M4.9地震的震源參數，并應用Bootstrapping抽樣技術反演了震源參數，確保反演結果的可靠性；此外利用模版匹配方法識別了小地震。結果表明，應城M4.9地震的矩震級為MW4.67，震源矩心深度7.5km；震源機制解節面Ⅰ走向149°、傾向68°、滑動角15°；節面Ⅱ走向53°、傾向76°、滑動角157°。其發震斷層為震源附近的潛北斷層和皂市斷層中的一條，這2個條斷層走向分別和2個震源機制解節面走向近乎平行，故無法辨別哪一條斷層才是發震斷層。應城地震的余震異常少，且缺少M2～4地震事件，通過模板匹配方法得到了目錄之外的12個小事件，余震的b值為0.8，余震活動顯示應城地震為孤立型地震。