山東長清4.1級地震序列的遺漏地震檢測與發(fā)震斷層

李 霞 王 鵬 張志慧 董騰超

1 山東省地震局,濟南市文化東路20號,250014 2 東營市地震監(jiān)測中心,山東省東營市府前大街89號,257091

2020-02-18山東長清發(fā)生4.1級地震序列活動,至05-14共記錄到46次余震,最大余震為3.1級。地震目錄顯示,1970年以來長清地區(qū)沒有發(fā)生過4級以上地震,此次4.1級地震序列是少震、弱震區(qū)的一次顯著地震活動。長清地區(qū)在1347年和1622年分別發(fā)生過5級和5.5級地震,均位于長清-臨沂地震帶的西北段,受控于具有正斷兼左旋走滑運動性質(zhì)的長清斷裂[1]。此次長清4.1級地震序列位于長清斷裂西側(cè)約8 km處,其發(fā)震斷層可能為長清斷裂的次級派生斷裂[2]、具有左旋走滑性質(zhì)的隱伏次級斷裂[3]或受限于2條北東向斷裂之間的淺層次生斷裂[4]。以上研究成果均是基于山東地震臺網(wǎng)提供的46個地震事件得到的,樣本量偏少。如果有更豐富的地震目錄參數(shù),就能更清晰地展示序列的演化過程及發(fā)震斷層的幾何形態(tài),為區(qū)域地震危險性評估提供更有價值的參考資料。

地震目錄的完整性、可靠性是開展活動構(gòu)造探測、地震預測等工作的基礎(chǔ)。隨著對地下結(jié)構(gòu)成像、殼內(nèi)淺層微裂隙位置等研究的不斷深入,對高分辨率地震目錄的需求也不斷增加,因此應(yīng)盡量提高波形信噪比,增強微震信號的檢測能力。除了傳統(tǒng)的自動拾取方法外,目前應(yīng)用較多的地震事件檢測方法有2種:一種是基于波形互相關(guān)原理的模板匹配技術(shù)[5],該方法對模板事件依賴性較強,能識別出與模板相似、震源相近的事件。Zhang等[6]在模板匹配技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種同時進行檢測和定位的匹配定位方法,可以檢測到距離模板事件較遠的微震。另一種是基于深度學習的震相拾取技術(shù)[7],該方法可直接從原始波形中提取震相特征以識別地震信號,具有高效、高精度的優(yōu)勢。研究大地震活動特征時常將2種方法結(jié)合起來,以使地震目錄更準確、完整[8-9]。

長清4.1級地震序列的空間分布范圍偏小,其附近構(gòu)造特征差異明顯,周邊記錄臺站分布極不均勻。由圖1可見,距離近的臺站多數(shù)分布在地震序列東南側(cè),地震序列西北側(cè)的臺站距離均較遠,最近的LCH臺震中距也有約55 km,并且是臺基為較厚第四紀沉積層的短周期記錄,波形質(zhì)量不高。2020-02-19～03-22山東地震臺在震中附近增設(shè)LJIN、L704、L705、L706等4 個寬頻帶臨時臺進行加密觀測,但臺站也均位于序列東南側(cè)。考慮到主震震源深度較淺[4],且地震序列位于黃河沖積平原,附近煤田開采等工業(yè)活動較多,會對記錄波形造成一定的干擾;此外魯西地區(qū)的地震監(jiān)測能力較高,可能遺漏的地震事件也只能是震級較小的微震。因此,為準確識別地震事件,采用波形互相關(guān)的模板匹配方法來檢測長清地震序列中可能存在的遺漏地震事件。

圖1 長清4.1級地震序列及周邊臺站分布Fig.1 Distribution of Changqing 4.1 earthquakes sequence and surrouding stations

1 區(qū)域地質(zhì)背景

長清4.1級地震序列位于魯西地塊,此處張家口-蓬萊斷裂帶與介休-新鄉(xiāng)-溧陽斷裂帶之間。新生代以來,華北克拉通東部受NW-SE向拉伸應(yīng)力的作用,魯西地塊發(fā)生強烈的伸展正斷運動,斷裂活動一方面控制斷陷盆地的發(fā)育,另一方面造成地層掀斜,使魯西地塊發(fā)生快速抬升。這些構(gòu)造運動形成了魯西地區(qū)NEE和NW-NWW走向的2組X型組合的陡傾斜淺表斷裂體系。其中,NW-NWW向的斷裂構(gòu)造是魯西地塊的主體斷裂型式,斷層多為SW傾向的高角度正斷層,同時具左旋走滑運動性質(zhì),受郯廬斷裂帶影響這些斷層有自東向西拓展的趨勢。

具體來說,長清4.1級地震序列發(fā)生在構(gòu)造區(qū)內(nèi)魯西隆起西北緣與濟陽坳陷的斜坡過渡帶上,2個構(gòu)造單元以NE向東阿斷裂為界,由隆起到坳陷從基巖出露區(qū)迅速過渡至局部第四系沉積層200 m以上(圖1)。魯西隆起北部的放射狀NW向斷層或左行或右行,均延伸進入坳陷南斜坡;濟陽坳陷具有典型的疊合盆地性質(zhì),中始新世以后以NE向正斷為主。兩者之間的黃河沖積平原覆蓋著厚度不等的第四紀沉積物,與其下的基巖沒有成因關(guān)系。由圖1可見,地震序列在空間上位于NNW向長清斷裂和NE向東阿斷裂的交會部位,長清斷裂切穿古生界蓋層,具有魯西地塊上NW向斷裂的典型特征;東阿斷裂傾向NW,斷裂兩側(cè)落差大于2 500 m,為高角度的張性斷裂。地質(zhì)考察顯示,2條斷裂在晚更新世以來均沒有活動跡象[10]。

另外,長清4.1級地震序列還位于山東中部一條顯著的NW向中強地震帶上,該地震帶自西向東分為長清、泰安、新泰和費縣4個震源區(qū),有歷史地震記錄以來共發(fā)生9次5級以上地震。現(xiàn)代地震活動顯示,除與沂沭斷裂帶交會的費縣震源區(qū)外,其他震源區(qū)小震活動稀疏,推測該地震帶以中強地震活動為主[1]。

2 模板匹配方法檢測地震

模板匹配方法的優(yōu)點是能夠檢測到震源特征相似、震級較小的遺漏地震,但由于存在不與任何模板波形高度互相關(guān)的地震事件,因此難免會有所遺漏[5]。為提高地震目錄的準確度及工作效率,選用臺網(wǎng)目錄中所有ML≥1.0的事件為備選模板地震,選用所有臨時觀測臺和震中距較近、波形質(zhì)量較好的CHQ、TIA、FEIC、PYI等4個固定臺站在2020-02-18長清4.1級地震前17 d至序列結(jié)束后10 d的連續(xù)波形參與遺漏地震的檢測。

工作流程主要包括:挑選模板地震、連續(xù)波形互相關(guān)掃描、震相校正和地震精定位。首先對選用事件波形和連續(xù)波形進行預處理及2～8 Hz帶通濾波,然后將采樣率從100 Hz降至20 Hz以加快計算速度。挑選模板地震時,先手動標注P波和S波到時,并計算信噪比,挑選出其中三分量平均信噪比大于3的波形作為備選波形,若一個地震事件的備選波形至少被3個臺站記錄到,則將此事件作為一個模板地震。然后在備選波形上截取波形模板,截取P波、S波到時前1 s至到時后3 s窗長波形用于互相關(guān)掃描。具體的原理和方法見文獻[5],此處不再贅述。基于上述規(guī)則,共挑選出26個ML≥1.0的事件作為模板地震,符合條件的波形模板共130條,包括序列中所有ML3.0以上地震。

在對連續(xù)波形的互相關(guān)掃描中,經(jīng)過反復嘗試及與波形模板對比,認為設(shè)置絕對離差中位數(shù)(MAD)的倍數(shù)為12、單臺互相關(guān)系數(shù)(CC)大于0.6及多臺互相關(guān)系數(shù)(CCC)的均值下限為0.25時,檢測結(jié)果相對較好。據(jù)此,共檢測出436個符合條件的疑似地震,但這些地震中存在多條事件被重復檢測的現(xiàn)象。因此,設(shè)定在同一發(fā)震時刻(相差10 s以內(nèi)),將至少有3個相同波形模板掃描結(jié)果的疑似地震判定為同一個地震事件。經(jīng)過進一步篩選,共得到101個地震事件,其中臺網(wǎng)目錄中的所有事件均被檢測到,另外有22個事件僅被2個臺站檢測出符合要求的相似波形。圖2(a)和2(b)分別給出波形模板與臺網(wǎng)目錄事件和新檢測出事件的波形對比結(jié)果,圖中,C為同臺同測道記錄波形的相關(guān)系數(shù)。可以看到,波形擬合度較好。檢查長清臺(CHQ)連續(xù)波形可知,所有被檢出事件均有記錄,說明利用模板匹配方法檢測出的微震事件是可靠的。

震相校正過程中,利用廣義互相關(guān)時延估計法對被檢出的所有震相到時數(shù)據(jù)參照其CC最大值的波形模板逐一進行人工修正,并利用校正后震相數(shù)據(jù)進行雙差地震定位。精定位時初始地震目錄的確定方法為:發(fā)震時刻和震中位置取互相關(guān)系數(shù)最大的模板地震的參數(shù),震級取所有檢測出S波和其模板波形S波最大振幅比的平均值。

雙差定位時使用的數(shù)據(jù)包括所有校正后震相數(shù)據(jù)、P、S波與其波形模板的相對延時差、互相關(guān)系數(shù)及臺網(wǎng)報告中其他臺站記錄的震相到時數(shù)據(jù),其中,P波到時3 862條、S波到時42 224條,波形互相關(guān)的P波延時差786條、S波延時差1 009條。計算過程中,事件對使用最小震相對數(shù)目為6,僅考慮地震序列中強關(guān)聯(lián)地震事件。重定位所用速度模型采用穿過研究區(qū)的主動源深地震探測剖面結(jié)果[11],見表1,P波與S波速度比為1.73。經(jīng)多次迭代,最終獲得79個地震事件的精確震中位置及發(fā)震時刻,震級仍使用上文提到的平均震級。

表1 長清地震序列及附近地區(qū)P波速度模型

3 檢測結(jié)果與發(fā)震構(gòu)造分析

3.1 遺漏地震檢測結(jié)果

雙差定位后,最終得到包含79個事件的長清4.1級地震序列目錄及觀測報告,事件總數(shù)是臺網(wǎng)目錄的1.7倍,且包括臺網(wǎng)目錄中的所有事件。33個遺漏地震的震級均偏低,分布在ML-0.3～0.4之間,其中0級以下地震6 次,0～0.1級地震14次,0.2～0.3級地震11次,0.4級地震2次。從圖3(a)看出,多數(shù)遺漏地震分布在序列中ML3.0以上地震前后,其中4.1級地震后3 d內(nèi)檢測到的遺漏地震頻次最高,達15次。通過對比檢測目錄與臺網(wǎng)目錄發(fā)現(xiàn),大于ML0.5以上的事件兩者基本一致,發(fā)震時刻差大部分在0.8 s以內(nèi),震級差基本在0.4以內(nèi),說明對遺漏地震發(fā)震時刻和震級的估算是可靠的。分別計算2組目錄的頻度-震級關(guān)系,從擬合結(jié)果(圖3(b))看出,檢測目錄中ML0.9 以下的部分較臺網(wǎng)目錄呈現(xiàn)出更好的線性特征,表明ML0.2～0.9之間地震目錄的完整性得到明顯改善,也說明補充遺漏地震后,長清4.1級地震序列的最小完整性震級由原臺網(wǎng)目錄的0.9提高到0.2;最小二乘法估算的檢測目錄和臺網(wǎng)目錄的b值結(jié)果分別為0.59和0.43,差距不大。

圖3 臺網(wǎng)目錄與檢測目錄對比Fig.3 Comparison of network catalog and detection catalog

3.2 補全遺漏地震后地震序列的時空分布特征

補全遺漏地震后的精定位結(jié)果(圖4(a))展現(xiàn)出更明顯的帶狀特征,優(yōu)勢分布方向仍為NW-SE向。空間分布展現(xiàn)出明顯的不均勻性,多數(shù)地震集中分布在長清4.1級地震(白色五角星)附近,而優(yōu)勢方向的兩端地震明顯稀疏。沿序列展布方向的垂向剖面AA′(圖4(b))也表現(xiàn)出這一特點,震源集中在寬約1.5 km、深度4～7 km之間的近垂向區(qū)域(長清4.1級地震的震源深度為4.74 km);集中區(qū)兩側(cè)震源少且深度存在明顯差異,NW側(cè)震源淺,SE側(cè)震源明顯偏深。從時間進程上看,SE側(cè)的地震發(fā)生時間較NW側(cè)晚,推測主震發(fā)生后,斷層面兩端均發(fā)生了小尺度裂紋擴展,但脆性介質(zhì)較松散,介質(zhì)活動更晚。過震源集中區(qū)的橫截剖面BB′(圖4(c))顯示,序列的發(fā)震斷層傾角直立、底面較窄,最深處約在8 km左右。綜上認為,長清4.1級地震序列發(fā)震斷層獨立且尺度較小。

圖4 長清4.1級地震序列精定位結(jié)果Fig.4 Precise location results of Changqing 4.1 earthquake sequence

3.3 發(fā)震斷層分析

可以利用震源機制解及斷層面幾何參數(shù)對地震序列或大地震的發(fā)震斷層特征進行定量描述。

首先用廣義剪切粘貼方法[12]對序列最大地震的震源機制解進行反演。反演過程中,基于表1給出的長清及附近地區(qū)一維速度模型,運用F-K(頻率-波段)數(shù)值計算方法獲取1.0～9.0 km(以0.5 km為間隔)深度的格林函數(shù)。其次對波形質(zhì)量較好的TIA、JCZ、LSH、XIT、ANQ等13個固定臺站的三分量波形數(shù)據(jù)去儀器響應(yīng)并旋轉(zhuǎn)至大圓路徑,再手動挑選P波到時,將體波和面波分別截斷為30 s和70 s的窗長部分,濾波波段分別為0.02～0.15 Hz和0.02～0.1 Hz,走向、傾角和滑動角的搜索步長設(shè)為1°,深度搜索步長設(shè)為0.5 km。圖5給出了去除波形擬合互相關(guān)系數(shù)小于0.5的波形后得到的反演結(jié)果。震源機制解顯示(圖5(a)),擬合誤差最小的震源深度在4.46 km處,與雙差定位深度(4.7 km)幾乎一致,其中,節(jié)面Ⅰ走向120°、傾角79°、滑動角-21°,節(jié)面Ⅱ走向214°、傾角69°、滑動角-168°。節(jié)面Ⅰ與序列NW-SE向的展布方向吻合,為左旋走滑性質(zhì)的正斷層,其結(jié)果與P波初動符號計算結(jié)果一致[3]。圖5(b)是最佳擬合深度處的波形擬合結(jié)果。可以看出,參與反演的大部分波形擬合度較好,多數(shù)互相關(guān)系數(shù)在0.85以上,說明反演結(jié)果是可靠的。

圖5 長清4.1級地震序列地震震源機制解反演結(jié)果Fig.5 Inversion results of focal mechanism solutions of Changqing 4.1 earthquake sequence

利用密集小震震源位置求解斷層面幾何參數(shù)的方法不僅能給出斷層面參數(shù)的最優(yōu)解和誤差范圍,還可以根據(jù)區(qū)域應(yīng)力場特征估算出斷層滑動角[13]。據(jù)此,選用檢測目錄中ML0.2以上的地震參與反演,符合密集小震到假定斷層面距離的擬合標準差最小的震源斷層為:走向約302°、傾角約86°、下界深度約8 km、上界深度約2 km,顯示為高角度的地殼淺層斷裂(表2)。綜合魯中地區(qū)小震震源機制解得到的應(yīng)力場參數(shù)[14]及長清4.1級地震序列震源區(qū)應(yīng)力特征參數(shù)[3],進一步估算得出斷層面的滑動角為19°,具有左旋走滑運動性質(zhì),斷層面頂點位置推測出的發(fā)震斷層長度較短,僅2 km左右。

表2 長清4.1級地震序列斷層面擬合參數(shù)

4 討 論

本文基于模板匹配算法構(gòu)建的長清4.1級地震序列目錄較臺網(wǎng)目錄多出33個遺漏地震,這些遺漏地震在時間上大多集中在幾次較大地震前后,同時主震前未檢測到相關(guān)前震事件。與臺網(wǎng)目錄精定位結(jié)果顯示的單側(cè)破裂相比[2],遺漏地震則反映出兩端破裂的現(xiàn)象,說明斷層在通過兩端撕裂的方式進行調(diào)整。同時,4.1級主震的應(yīng)力降低于區(qū)域平均水平,也表明長清地震序列是一個孤立型地震序列,是區(qū)域應(yīng)力增強過程中,在斷層集中區(qū)域的空白處形成的一系列調(diào)整型地震。

地震序列的優(yōu)勢分布方向及4.1級主震的震源機制解均清晰展示出序列的發(fā)震構(gòu)造為NW-SE向的左旋走滑性質(zhì)的正斷層;震源深度剖面及斷層面反演結(jié)果反映出發(fā)震斷層傾角直立,這些特征與魯西地塊NW-NNW向分布的先存斷裂屬性一致。推算出的斷層滑動角揭示,發(fā)震斷層面以走滑運動為主,這一結(jié)果也符合魯西地區(qū)現(xiàn)代中小地震震源機制解為走滑或近走滑型的特點[15]。相關(guān)研究顯示,魯西隆起的NW向斷層在新生代早期以走滑運動為主,中晚期以正斷活動為主。可見,在構(gòu)造演化過程中,走滑斷層可以派生正斷層,而正斷層的伸展差異又通過走滑斷層進行調(diào)節(jié)[16]。同時也表明,新生代至今魯西地區(qū)一直受到穩(wěn)定的區(qū)域應(yīng)力場控制。

長清4.1級地震序列的活動特點為強度低、持續(xù)時間短、活動空間尺度小。整體上看,序列主要集中在2 km×2 km的范圍內(nèi),深度在7 km以上,持續(xù)時間近3個月,推測與其周邊特殊的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。序列不僅位于斷裂交錯部位而且在盆地坳陷邊緣,垂向構(gòu)造差異明顯,隨著地殼厚度的減薄,其內(nèi)部介質(zhì)多樣、松散,可能會造成斷層強度降低,進而形成低應(yīng)力降的地震事件。同時,松散的介質(zhì)和低強度的斷層在一定程度上也會削弱斷層面上的應(yīng)力傳遞作用,從而減小余震的被觸發(fā)能力[17]。另外,地球物理研究表明,魯西地區(qū)在地殼7～11 km處存在明顯的脆韌轉(zhuǎn)換帶,上層為脆裂層,下層為塑性層,脆裂層也是發(fā)震層[18]。層析成像的結(jié)果也顯示,魯西地區(qū)10 km深度以上在垂向構(gòu)造上變化較小;而20 km深度處,魯中南地區(qū)存在較大規(guī)模的NWW向低速異常區(qū)。這些深部構(gòu)造特征足以說明長清序列位于魯中地區(qū)的中強地震帶上,但現(xiàn)代地殼淺層微震活動反而稀疏的原因。整體而言,長清地震序列的發(fā)生及其活動表象符合魯西地塊構(gòu)造及地震活動特征。

5 結(jié) 語

1)經(jīng)過波形互相關(guān)掃描及地震精定位,本文構(gòu)建了含有79個事件的長清4.1級地震序列目錄,是臺網(wǎng)目錄的1.7倍,其中包括33個遺漏地震。精定位后的地震序列呈條帶狀沿NW-SE向展布,少量余震在主震區(qū)域的兩側(cè)延展,震源深度具有分段特征,總體NW側(cè)淺、震源集中區(qū)及SE側(cè)略深。

2)序列中最大地震震源機制解的結(jié)果顯示,發(fā)震斷層為兼具左旋走滑特征的正斷層,最佳擬合深度4.46 km,其中節(jié)面Ⅰ(走向120°、傾角79°、滑動角-21°)的破裂特征與序列空間分布一致,推測為該次序列活動的真實破裂面。進一步利用序列密集小震進行推測,得出發(fā)震斷層面為走向302°、傾向SW、傾角86°的左旋走滑運動性質(zhì)的淺表斷層,震源區(qū)斷層破裂尺度較小。

3)長清4.1級地震序列的發(fā)震斷層為具有與區(qū)域先存斷裂相同屬性的小尺度隱伏斷層或長清斷裂的分支斷層,由于構(gòu)造位置特殊,其發(fā)震能力相對較弱。地震序列發(fā)生的原因可能是在區(qū)域應(yīng)力場作用下,構(gòu)造復合部位先存斷裂的低應(yīng)力摩擦引發(fā)的能量釋放。

致謝：感謝萬永革教授提供的斷層面參數(shù)擬合程序及雷興林教授提供的Geotaos軟件。