2021-09-29寧夏中寧ML3.6地震震源參數(shù)測(cè)定

許英才 曾憲偉

1 寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川市北京東路244號(hào)，750001

據(jù)寧夏地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2021-09-29 06:56:19在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市中寧縣喊叫水鄉(xiāng)(37.00°N, 105.52°E)發(fā)生ML3.6地震(圖1(a))，該地震位于天景山斷裂和海原斷裂帶之間的少震和弱震區(qū)，震中20 km范圍內(nèi)強(qiáng)震和中小地震數(shù)量十分稀少。距離震中最近的構(gòu)造為天景山活動(dòng)斷裂帶，該斷裂是一條向北西撒開、向南東收斂且弧頂指向北東的弧形構(gòu)造，傾向大體為SW，地貌上斷裂南西側(cè)為香山、天景山等中高山地，北東側(cè)為清水河盆地。天景山斷裂帶弧頂西側(cè)NWW走向段以左旋走滑為主[1]，而弧頂東側(cè)NNW走向段主要為地層褶皺和逆沖活動(dòng)，NNW走向段附近的清水河盆地區(qū)域還具有一定的右旋活動(dòng)特征。該地震震中也位于天景山斷裂弧頂段附近且偏向NNW走向段一側(cè)，同時(shí)該地震也打破震中10 km范圍內(nèi)長(zhǎng)達(dá)35 a無ML3.0以上地震的記錄，測(cè)定本次地震的震源參數(shù)及其特征，對(duì)于補(bǔ)充和初步認(rèn)識(shí)天景山斷裂附近少震及弱震區(qū)的發(fā)震構(gòu)造具有重要意義。

本文采用初至P震相定位法[2]測(cè)定中寧ML3.6地震的初始破裂深度，然后基于gCAP反演方法[3-4]測(cè)定其震源機(jī)制解、矩張量解、矩震級(jí)和震源矩心深度等參數(shù)，最后根據(jù)震源機(jī)制和應(yīng)力場(chǎng)模擬方法[5]計(jì)算現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)體系在該地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面的相對(duì)剪應(yīng)力和正應(yīng)力，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等結(jié)果綜合分析中寧ML3.6地震可能的發(fā)震構(gòu)造。

1 初至P震相定位法測(cè)定震源深度

初至P震相定位法[2]是聯(lián)合Pg和Pn震相到時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)定震源深度，該方法充分利用初至P震相較易辨識(shí)、有效震相豐富且讀取誤差相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)速度模型、地震事件的初始震源位置，通過Pg及Pn走時(shí)方程測(cè)定理論走時(shí)，并與觀測(cè)走時(shí)對(duì)比獲得走時(shí)殘差，然后反復(fù)變換震源位置重復(fù)計(jì)算走時(shí)殘差，直到走時(shí)殘差最小，即可測(cè)定最佳震源位置。本文利用13個(gè)具有清晰P波記錄的臺(tái)站(圖1(b)三角形)走時(shí)數(shù)據(jù)，其中記錄到清晰Pg震相的臺(tái)站數(shù)量為10個(gè)，震中距為37～185 km；記錄到清晰Pn震相的臺(tái)站數(shù)量為3個(gè)，震中距為249～302 km。基于寧夏及鄰區(qū)的平均地殼速度模型[6]，得到初至P震相走時(shí)殘差隨震源深度變化圖和震中附近走時(shí)殘差三維圖及在經(jīng)、緯度和深度方向的切片(圖2)，結(jié)果顯示走時(shí)殘差在震源深度11 km處最小，并且三維切片結(jié)果表明走時(shí)殘差相對(duì)較小的區(qū)域大體呈現(xiàn)橢圓狀，最小走時(shí)殘差均基本位于橢圓中心位置，即對(duì)應(yīng)震源深度為11 km。

圖1 中寧ML3.6地震震中附近區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、5級(jí)以上歷史地震及1970年以來ML2.0以上地震分布Fig.1 Regional geological structure, the epicenters of the M≥5.0 historical earthquakes and the ML≥2.0 earthquakes since 1970 around the epicenter of the Zhongning ML3.6 earthquake

圖2 中寧ML3.6地震初至P震相走時(shí)殘差-震源深度曲線及走時(shí)殘差三維切片F(xiàn)ig.2 Travel-time residuals of first arrival P phase-focal depth and 3D slices of travel-time residuals of the Zhongning ML3.6 earthquake

2 gCAP方法測(cè)定震源機(jī)制及矩張量解

gCAP(generalized cut and paste)方法[4]是在CAP方法[3]基礎(chǔ)上增加反演非雙力偶成分功能，非雙力偶成分包含各向同性源(ISO)和補(bǔ)償線性偶極子(CLVD)，該方法在反演過程中將全波形分為Pnl波及面波兩個(gè)部分，并且對(duì)Pnl波及面波賦予不同權(quán)重，根據(jù)實(shí)際波形與理論波形的擬合誤差函數(shù)，通過網(wǎng)格搜索尋找誤差函數(shù)的最優(yōu)解。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以將每個(gè)波段的實(shí)際觀測(cè)波形與理論波形的相對(duì)時(shí)移進(jìn)行擬合，以減少對(duì)地殼速度橫向不均勻性的依賴。gCAP方法反演全矩張量解時(shí)需增加計(jì)算非雙力偶ISO和CLVD成分；而僅反演震源機(jī)制解時(shí)，則需將非雙力偶成分約束為0。本文在分別反演震源機(jī)制和全矩張量解時(shí)，選取波形信噪比相對(duì)較高且方位角覆蓋分布相對(duì)較好的7個(gè)臺(tái)站(圖1(b)正方形)，這些臺(tái)站震中距主要介于76～185 km之間，計(jì)算過程中均對(duì)這些臺(tái)站Pnl波和面波分別截取30 s和60 s窗長(zhǎng)，Pnl波與面波濾波范圍分別為0.05～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz，走向、傾角和滑動(dòng)角的搜索間隔設(shè)為5°，震級(jí)搜索步長(zhǎng)為0.1，深度步長(zhǎng)為1 km，格林函數(shù)采用頻率-波數(shù)法(FK)進(jìn)行計(jì)算[7]，格林函數(shù)和實(shí)際波形的采樣率均為0.2 s。最后得到中寧ML3.6地震的震源機(jī)制解和矩張量解結(jié)果(圖3和圖4)。其中圖3為中寧ML3.6地震震源機(jī)制及矩張量解反演誤差隨深度變化，反演誤差均在11 km深度處最小；圖4為最佳擬合深度處震源機(jī)制、矩張量解及各自的理論波形與實(shí)際波形擬合情況。根據(jù)波形平均擬合相關(guān)系數(shù)對(duì)震源機(jī)制解結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行分類[8]，即平均擬合相關(guān)系數(shù)大于65%為A類，在60%～65%之間為B類，小于60%為C類。本文中寧ML3.6地震震源機(jī)制最佳擬合深度處的平均波形擬合相關(guān)系數(shù)為69.8%， 而矩張量解最佳擬合深度處的平均波形擬合相關(guān)系數(shù)為70.4%，后者平均擬合相關(guān)系數(shù)略高于前者，平均相關(guān)系數(shù)均大于65%，屬于A類，說明震源機(jī)制解及矩張量解結(jié)果較為可靠。表1為中寧ML3.6地震震源機(jī)制斷層平面解和矩張量最佳雙力偶解等參數(shù)結(jié)果，本次地震震源機(jī)制斷層平面解為節(jié)面Ⅰ走向242°、傾角63°、滑動(dòng)角8°，節(jié)面Ⅱ走向148°、傾角83°、滑動(dòng)角153°，P軸方位角198°、傾伏角14°；矩張量最佳雙力偶解為節(jié)面Ⅰ走向241°、傾角62°、滑動(dòng)角7°，節(jié)面Ⅱ走向148°、傾角84°、滑動(dòng)角152°，P軸方位角198°、傾伏角15°，震源機(jī)制解和矩張量最佳雙力解的震源參數(shù)結(jié)果基本一致。gCAP方法得到的兩個(gè)震源機(jī)制節(jié)面傾角均較高，分別在62°～63°和83°～84°之間，根據(jù)Zoback[9]關(guān)于震源機(jī)制解分類標(biāo)準(zhǔn)可知，本次中寧ML3.6地震震源機(jī)制類型為走滑型。

圖3 中寧ML3.6地震震源機(jī)制解及矩張量解反演殘差隨震源深度變化Fig.3 Inversion residuals of focal mechanism solution and moment tensor solution variation with focal depth of the Zhongning ML3.6 earthquake

圖4 中寧ML3.6地震震源機(jī)制解及矩張量解和理論波形與實(shí)際波形擬合圖Fig.4 The focal mechanism solution and moment tensor solution of the Zhongning ML3.6 earthquake and comparison between synthetic and observed waveforms

此外，本文還測(cè)定中寧ML3.6地震矩張量解中雙力偶和非雙力偶等成分所占比例，gCAP方法[4]分別用ζ和χ表示全矩張量解中ISO和CLVD成分，這些分量所占比例即ΛI(xiàn)SO(ISO成分比例)、ΛDC(DC成分比例)及ΛCLVD(CLVD成分比例)可表示為：

ΛI(xiàn)SO=sgn(ζ)ζ2

(1)

ΛDC=(1-ζ2)(1-χ2)

(2)

ΛCLVD=sgn(χ)(1-ζ2)χ2

(3)

|ΛDC|+|ΛCLVD|+|ΛI(xiàn)SO|=1

(4)

由圖4可知，該地震全矩張量解對(duì)應(yīng)的ζ值為0.17，χ值為0.02。根據(jù)式(1)～(4)計(jì)算得出本次中寧ML3.6地震雙力偶成分占97.07%(表2)，非雙力偶成分僅占2.93%，說明中寧ML3.6地震是一起天然地震事件。

3 現(xiàn)今應(yīng)力體系在中寧ML3.6地震震源機(jī)制節(jié)面產(chǎn)生的相對(duì)剪應(yīng)力與正應(yīng)力

基于中寧地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果[10]，采用震源機(jī)制和應(yīng)力體系模擬方法[5]，對(duì)該震源機(jī)制解和區(qū)域應(yīng)力體系的關(guān)系進(jìn)行模擬，得到該區(qū)域應(yīng)力體系下的震源機(jī)制、相對(duì)剪應(yīng)力及正應(yīng)力分布(圖5)，以及中寧ML3.6地震震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面的相對(duì)剪應(yīng)力和正應(yīng)力。

表1 2021-09-29中寧ML3.6地震gCAP方法的斷層平面解和矩張量最佳雙力偶解參數(shù)

表2 2021-09-29中寧ML3.6地震各成分在全矩張量解中占比

圖5 現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力體系在中寧ML3.6地震震源區(qū)模擬的各種形狀斷層面震源機(jī)制及其相對(duì)剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布Fig.5 Distribution of simulated focal mechanisms and relative shear stress and normal stress of various shaped fault planes under the current regional stress system of the Zhongning ML3.6 earthquake

應(yīng)力張量在中寧ML3.6地震震源機(jī)制節(jié)面Ⅰ(走向242°、傾角63°)的相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力分別為0.435和0.636，剪應(yīng)力滑動(dòng)角為124.1°；而在節(jié)面Ⅱ(走向148°、傾角83°)的相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力分別為0.542和-0.822，剪應(yīng)力滑動(dòng)角為-96.6°。由圖5可知，這兩個(gè)節(jié)面的相對(duì)剪應(yīng)力均不是最大(相對(duì)剪應(yīng)力最大為1)，表明中寧ML3.6地震不是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大的釋放節(jié)面上發(fā)生，即中寧地震的兩個(gè)震源機(jī)制節(jié)面均不是最大剪應(yīng)力的斷層面形狀，其中節(jié)面Ⅱ的相對(duì)剪應(yīng)力略大于節(jié)面Ⅰ，且節(jié)面Ⅱ處于正應(yīng)力抑制區(qū)域，節(jié)面Ⅰ處于正應(yīng)力較大區(qū)域。由于NNW向節(jié)面Ⅱ在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)體系下受到的相對(duì)剪應(yīng)力比NE向節(jié)面Ⅰ大，且受到的正應(yīng)力比NE向小，為此從相對(duì)剪應(yīng)力、正應(yīng)力和發(fā)震力學(xué)因素(即震源區(qū)剪切作用)來看，該地震在NNW向節(jié)面Ⅱ產(chǎn)生剪切滑動(dòng)的可能性相對(duì)較大。

4 討 論

由于中寧ML3.6地震處于少震弱震區(qū)，為初步了解該地震的發(fā)震構(gòu)造，本文主要對(duì)距離中寧地震震中20 km范圍內(nèi)的 2009年以來ML1.0以上小震進(jìn)行HypoDD方法[11]重定位，重定位時(shí)使用距離震中200 km以內(nèi)的17個(gè)臺(tái)站(圖1(b)圓形)，得到重定位后的小震分布(圖6(a))，并將gCAP方法震源機(jī)制和區(qū)域主壓應(yīng)力在節(jié)面Ⅰ、節(jié)面Ⅱ產(chǎn)生的相對(duì)剪應(yīng)力以及錯(cuò)動(dòng)方式繪制成示意圖(圖6)。從圖中可以看出，重定位后中寧ML3.6地震震中5～10 km范圍內(nèi)的小震分布相對(duì)集中，且主要呈現(xiàn)近NNW向分布，這與最近的廟山褶皺帶走向基本一致，也與震源機(jī)制解節(jié)面Ⅱ走向大體一致。HypoDD方法得到本次中寧ML3.6地震震中位置為36.999°N、105.504°E，震源深度為11.8 km，這與初至P震相定位法及gCAP方法測(cè)定的深度11 km基本一致，其中HypoDD方法與初至P震相定位法測(cè)定的深度均為初始破裂深度，gCAP方法測(cè)定的深度為震源矩心深度，兩者深度基本接近，說明該地震震源深度為11 km。本次地震P軸走向與區(qū)域主壓應(yīng)力走向基本一致，也與青藏高原東北緣NE向擠壓力方向一致，揭示該地震主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制。中寧地震震中附近最近的廟山褶皺帶作為天景山斷裂帶東南段的主體區(qū)域，重定位后的震中位置顯示，該地震主要位于天景山弧頂構(gòu)造至天景山斷裂活動(dòng)帶東南段的過渡區(qū)域，該過渡區(qū)大體呈現(xiàn)“入”字形構(gòu)造。已有區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料表明[1,12]，廟山褶皺帶構(gòu)造活動(dòng)特征與天景山斷裂帶西段具有較大差異，與EW、WNW向天景山斷裂西段較強(qiáng)左旋走滑特征不同的是，NNW向廟山褶皺帶主要為地層褶皺和斷層逆沖活動(dòng)，構(gòu)造變形特征也有別于天景山斷裂帶西段，在新近紀(jì)末期，天景山次級(jí)塊體受喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)北向驅(qū)動(dòng)力影響，相對(duì)于東鄰的鄂爾多斯塊體整體向北移動(dòng)，致使其東部邊緣的廟山地區(qū)至清水河盆地出現(xiàn)右旋剪切力偶，導(dǎo)致上部柔性蓋層褶皺形成右階雁行褶皺群，并在長(zhǎng)期地質(zhì)作用下形成NNW向廟山褶皺帶。該地震震源機(jī)制節(jié)面相對(duì)剪應(yīng)力結(jié)果表明，剪應(yīng)力不是最大的原因除斷層面形狀不是有利于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最優(yōu)釋放的節(jié)面形狀外，還有可能是因?yàn)榘l(fā)震斷層是歷史上地質(zhì)作用產(chǎn)生的薄弱帶或裂紋所致，即當(dāng)剪應(yīng)力超過薄弱帶或裂紋所承受的剪應(yīng)力，沿著該薄弱帶的投影方向錯(cuò)動(dòng)，從而導(dǎo)致相對(duì)剪應(yīng)力不是最大。節(jié)面Ⅰ的錯(cuò)動(dòng)方式雖然為左旋走滑，但節(jié)面Ⅰ的走向與附近已知地表斷層的幾何結(jié)構(gòu)不匹配，根據(jù)相對(duì)剪應(yīng)力和前述地質(zhì)構(gòu)造資料來看，中寧ML3.6地震的發(fā)震斷層為NNW向節(jié)面Ⅱ的可能性較大，震源機(jī)制解和矩張量解顯示其傾角約為83°～84°。節(jié)面Ⅱ的錯(cuò)動(dòng)方式為右旋走滑，且相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造資料表明[1]，中寧ML3.6地震震中附近的廟山褶皺帶北段為喊叫水鄉(xiāng)斷層，其剖面結(jié)果表明斷層走向約340°，長(zhǎng)約8 km，傾角約80°，主要由下第三系紅色和青灰色粘土巖和石膏巖系組成，帶內(nèi)發(fā)育一組與斷層面平行的面理，這與震源機(jī)制節(jié)面Ⅱ傾角83°～84°基本一致，也與該節(jié)面走向148°較為接近。結(jié)合前文廟山地區(qū)歷史地質(zhì)構(gòu)造資料推測(cè)，廟山褶皺帶區(qū)域可能存在部分因歷史地質(zhì)作用遺留下來的右旋性質(zhì)為主的近NNW向平行伴生裂紋或斷裂薄弱帶，這與震源機(jī)制節(jié)面Ⅱ走向、相對(duì)剪應(yīng)力及重定位等結(jié)果均基本相符。綜合來看，中寧ML3.6地震的發(fā)震構(gòu)造可能由天景山斷裂東南段附近NNW向斷裂薄弱帶控制，該地震是在青藏高原東北緣NE向擠壓作用下，沿著NNW向斷裂剪切滑動(dòng)引起的一次右旋走滑型地震事件。由于本次地震處于弱震少震區(qū)，不排除該地震與附近斷裂之間的關(guān)系存在不確定性，需要后期進(jìn)一步積累更多地震資料進(jìn)行研究。

圖6 中寧ML3.6地震震源機(jī)制和震中附近ML1.0以上小震重定位分布；區(qū)域主壓應(yīng)力在節(jié)面Ⅰ、節(jié)面Ⅱ產(chǎn)生的相對(duì)剪應(yīng)力以及錯(cuò)動(dòng)方式Fig.6 The focal mechanism of the Zhongning ML3.6 earthquake and relocation of ML≥1.0 earthquakes,the dislocation mode and relative shear stress on the nodal plane Ⅰ and the nodal plane Ⅱ under the regional principal compressive stress

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于寧夏區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)波形記錄，采用初至P震相定位法和gCAP方法測(cè)定中寧ML3.6地震震源參數(shù)，并計(jì)算現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)體系在中寧地震震源機(jī)制節(jié)面上產(chǎn)生的相對(duì)剪應(yīng)力和正應(yīng)力。結(jié)果表明，中寧ML3.6地震的雙力偶成分占全矩張量解的97.07%，為一起天然地震事件。該地震震源機(jī)制節(jié)面Ⅰ走向242°、傾角63°、滑動(dòng)角8°，節(jié)面Ⅱ走向148°、傾角83°、滑動(dòng)角153°，震源深度11 km。綜合震源參數(shù)結(jié)果、相對(duì)剪應(yīng)力及正應(yīng)力和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等結(jié)果，推斷中寧ML3.6地震震源機(jī)制解節(jié)面Ⅱ?yàn)榈卣饠鄬用娴目赡苄暂^大，震源機(jī)制類型為右旋走滑型，且其發(fā)震構(gòu)造可能與天景山斷裂東南段附近NNW向斷裂薄弱帶有關(guān)。

致謝：本文圖件主要采用GMT軟件繪制，在此表示感謝。