2014年安徽金寨ML3.9震群序列震源一致性研究*

黄显良 刘泽民 郁建芳 倪红玉 张 炳 王琐琛

(中国合肥230031安徽省地震局)



2014年安徽金寨ML3.9震群序列震源一致性研究*

(中国合肥230031安徽省地震局)

首先采用P波、 SV波和SH波的极性和振幅比联合求解2014年安徽省金寨ML3.9震群序列的震源机制解， 并在此基础上计算得到该震群序列的震源一致性参数和P轴方位角随时间的变化； 然后基于震区附近3个台站记录到的该震群序列的地震波形， 计算其体波谱振幅相关系数， 同时读取震区附近3个台站记录到的该震群序列中115次ML≥1.5地震的极性. 研究结果表明： 金寨ML3.9震群序列的地震震源机制解绝大多数为压性走滑型，P轴方位角较为一致； 其震源一致性参数处于较低水平， 体波谱振幅相关系数较高； 台站所记录到的地震极性也较为一致. 该结果表明金寨ML3.9震群序列的震源一致性程度非常高.

金寨ML3.9震群序列 震源机制解 谱振幅相关系数 震源一致性参数

引言

地震是地下介质受到应力作用产生破裂的自然现象， 研究中强地震震源区应力状态的时空分布， 对于了解地震的孕育过程具有重要意义． 陈颙(1978)通过对一些强震震例的分析研究发现， 强震前震源机制趋于一致的现象时有发生， 提出可用前震震源机制的一致性来描述地震活动性， 同时给出了判定地震危险性的实例． 后续的相关研究也较多. 例如： 王俊国和刁桂苓(2005)的研究表明千岛岛弧MW≥7.5地震前曾出现震源机制解与构造应力场的一致性参数降低的现象； 泽仁志玛等(2010)对2006年千岛岛弧MW8.3地震和2001年秘鲁MW8.4地震的研究表明， 大震发生前孕震区震源一致性参数比较低， 震源机制解与构造应力场的差异较小， 说明前震受到了震源区应力场的统一作用， 而主震发生后震源一致性参数比较高， 说明后续地震的震源机制散乱， 表明背景应力场的控制作用开始减弱．

2014年8月以来安徽省金寨县关庙乡发生ML3.9震群序列， 该震群序列持续时间长， 震区原地1970年以来未记录到小震活动， 说明该震群活动的位置不是老震区．

本文将利用P波、 SV波和SH波的极性和振幅比联合求解震源机制的方法(Snokeetal， 1984； Snoke， 1989)反演金寨ML3.9震群序列中较大地震的震源机制解， 并根据震源机制解的一致性参数(陈颙， 1978)及震源机制解P轴方位角的变化分析该震群序列的震源一致性， 同时利用震区附近3个地震台站的极性一致性和体波谱振幅相关系数(Lund， Boovarsson， 2002)综合考察该震群序列的震源一致性相似程度．

1 地震地质背景及震群序列基本情况

1.1 地震地质背景

2014年金寨ML3.9震群序列发生在安徽省六安市金寨县关庙乡. 该地区位于大别山北麓， 断裂构造复杂(姚大全等， 2006)， 展布有WNW向的磨子潭—晓天断裂、 梅山—龙河口断裂和NE向的落儿岭—土地岭断裂、 团风—温泉断裂(亦称商城—麻城断裂)． 金寨震群位于磨子潭—晓天断裂南侧， 距其约2 km, 震区附近固定地震台站相对密集. 鉴于该震群序列地震频发， 安徽省地震局先后在震区附近架设了3个流动地震台， 分别距震中2， 5和13 km. 图1给出了研究区内断裂和台站的分布．

图1 金寨ML3.9地震震中位置及震区断裂和台站分布 Fig.1 Epicentral location of Jinzhai ML3.9 earth-quake and distribution of faults and stations Solid triangles represent fixed seismic stations, and open triangles represent temporary ones

1.2 金寨震群序列基本情况

本文收集整理了2014年8月1日—11月30日安徽省地震台网记录到的金寨地震资料， 包括安徽省的固定台站和所架设的3个流动台站， 以及河南省、 湖北省紧邻震中区台站所记录到的地震波形数据． 在此基础上， 剔除震相不清晰的资料， 选取不少于3个台站记录到的ML≥1.5地震， 共计115次地震， 3046条震相数据．

在对所选的115次地震进行双差重定位(Waldhauser， Ellsworth， 2000)的过程中， 选取震相观测记录数不少于6且震源间距小于10 km的地震事件进行组对， 利用共轭梯度法反复迭代后得到了113次地震的精确震源位置， 其余两次地震由于重定位组对过程中某些地震不满足条件而被剔除．

图2 用双差定位法得到的金寨震群地震精定位结果Fig.2 Relocation result of the Jinzhai earthquake swarm sequence by using double difference location algorithm

图2给出了采用双差定位法得到的金寨震群序列地震精定位结果． 双差精定位结果显示， 该序列地震的震源深度主要集中在5—6 km， 占所定位地震总数的88%， 表明该震群序列的震源深度较浅， 分布也相对集中． 从地震的空间分布也可以看出， 该序列的地震主要分布在5 km范围内， 震中位置非常集中. 由于该序列的地震在空间上未出现明显的线性分布， 因此很难确定其与周边断裂的关系． 从时间上可以看出， 该震群序列分为两个活跃时间段： 第一个活跃时间段为8月底到9月底， 序列地震活动强度相对较低； 第二个活跃时段为10月下旬到11月底， 序列地震活动强度和频次均较高， 震群序列活动有增强的趋势．

2 震源机制解反演及震源一致性参数

Snoke等提出了利用P波、 SV波和SH波的极性和振幅比联合求解震源机制的方法， 简称为Snoke方法(Snokeetal， 1984; Snoke， 1989). 该方法利用P波、 SV波和SH波的极性， 以及SV/P和SH/P振幅比等5个约束信息进行震源机制反演. 与P波极性法和垂直向SV/P振幅比方法相比， 该方法约束量大为增加， 反演结果更为可靠． 故本文采用Snoke方法来反演金寨震群序列中地震的震源机制解．

倪红玉等(2011)研究表明地壳速度结构模型对震源机制解的反演精度存在一定影响.经过对比， 本文反演采用了表1所示的速度结构模型， 其中表层波速均为金寨、 六安和合肥地震台表层岩石实验室测试结果的平均值， 其它各层速度均引自黄耘等(2011)给出的郯庐断裂带下扬子地块的P波速度， S波速度由vS=vP/1.732计算得到．

表1 速度结构模型

鉴于篇幅所限， 表2仅列出了金寨震群序列中12次ML≥3.0地震的震源机制解详细结果． 可以看出， 除11月11日7时17分金寨ML3.1地震的震源机制解为张性走滑型外， 其余ML≥3.0地震均为压性走滑型， 表明该震群序列的震源机制解具有较好的一致性． 从表2中还可以看到， 该震群序列的12次ML≥3.0地震的震源机制解P轴方位角集中在251°—278°， 其中有7次地震的P轴方位角集中在256°—260°， 这说明从P轴方位角也可以看出该震群序列的震源机制一致程度很好．

表2 金寨震群ML≥3.0地震的震源机制解

同理， 本文采用Snoke方法计算了金寨震群序列中26次ML≥2.3地震的震源机制解， 其中P轴方位角的时间变化进程如图3所示． 可以看出， 该震群序列8月底的地震P轴方位角约为278°， 10月26日ML3.9地震前后P轴方位角约为258°， 11月以后的地震P轴方位角又转至278°附近． 刘泽民等(2011)利用震源机制解资料反演了东大别地区的构造应力场， 认为该地区的最大主压应力轴方位角为267°， 整个震群序列的震源机制解P轴方位角变化幅度约为25°， 与震区构造应力场最大主压应力轴方位角的夹角最大约为10°． 本文结果与刘泽民等(2011)的结果吻合得很好． 故从P轴方位角的变化幅度及其与构造应力场的夹角可以看出， 金寨序列地震震源机制解具有较好的一致性．

本文使用应力场的最大和最小主压应力轴与震源机制解的P轴、T轴夹角之和的1/2作为震源一致性参数， 因此震源一致性参数最小值为0°， 最大值为90°． 刘泽民等(2011)基于东大别地区的现代地震震源机制解资料， 利用应力张量平均法计算得到了该地区的构造应力场特征， 认为最大主压应力轴方位角为267°， 倾角为5°， 最小主压应力轴方位角为358°， 倾角为4°． 本文将刘泽民等(2011)的东大别地区的构造应力场方向作为金寨震群附近的构造应力场方向， 利用金寨震群序列26次ML≥2.3地震的震源机制解， 计算得到了该震群序列的震源一致性参数随时间的变化曲线， 如图4所示． 可以看出， 该震群序列的震源一致性参数介于7°—17°， 而震源一致性参数理论变化范围为0°—90°， 该值越小说明震源一致性程度越高. 金寨震群序列的震源一致性参数一直处于较低值， 说明其震源一致性非常好．

图3 金寨震群序列的M-t及震源机制解P轴方位角的时序分布

图4 金寨震群序列震源一致性参数的时序分布Fig.4 Temporal distribution of the consistency parameters of focal mechanism for the Jinzhai earthquake swarm sequence

3 体波谱振幅相关系数

3.1 原理

对于同一震源区的两次地震(或者两次地震之间的距离远小于地震与台站之间的距离)， Lund和Boovarsson(2002)提出可以由同一台站的地震记录反演两次地震直达P波、 S波的零频谱振幅值， 通过计算其相关系数来描述其震源机制是否相似． 由于体波谱振幅相关系数给出了两次震中位置相近的地震事件在不同方位的零频谱值分量分布的相似性量度， 因此可以用其相关系数来描述两次地震震源机制解的几何特性相似程度． 若体波谱振幅相关系数接近1， 则各台记录的两次地震的波形应相似， 震源机制解的几何特性也应相近； 若相关系数比较低， 则两次地震的震源机制解的几何特性具有不同程度的差异． 因此， 体波谱振幅相关系数可认为是其震源机制异同的归一化数值描述．

3.2 金寨震群序列谱振幅相关系数的时间变化

本文采用金寨震群震中附近波形记录较好的商城台(震中距31 km， 方位角344°)、 金寨台(震中距40 km， 方位角61°)和麻城台(震中距52 km， 方位角218°)的波形资料， 计算了该震群中8月1日—11月30日115次ML≥1.5地震的多台谱振幅相关系数， 计算过程中删除了由于发震时刻较近波形存在相互叠加的地震， 具体计算步骤与程序详见刘泽民等(2010)文章． 图5a给出了金寨震群中ML≥1.5地震谱振幅相关系数的滑动平均时序曲线， 其累积窗长为5次地震， 滑动步长为1次地震. 可以看出： 震群的第一组活跃时段为8月22日—9月28日， 最大地震为ML2.6， 其中8月22日—9月1日较为密集， 该阶段谱振幅相关系数较高， 在0.91—0.97之间波动， 其平均值为0.95， 9月2日—9月28日频度开始降低， 谱振幅相关系数也降低， 在0.71—0.92之间波动， 其平均值为0.81； 第二组活跃时段从10月20日开始， 最大地震为ML3.9， 震群活动水平明显上升， 谱振幅相关系数在0.80—0.97之间波动， 其平均值为0.90， 整体较高. 图5b给出了其中57次ML≥2.0地震的谱振幅相关系数的滑动平均时序曲线.可以看出， 谱振幅相关系数在0.86—0.97之间波动， 其平均值为0.93， 持续处于较高水平． 该震群序列中ML≥1.5和ML≥2.0地震的体波谱振幅相关系数的时序曲线， 随着地震序列的谱相关系数呈起伏变化， 但其整体仍处于较高水平(≥0.9)， 由此可以推断该震群的震源机制相似性较好．

图5 金寨震群的M-t及体波谱振幅相关系数时序分布 (a) ML≥1.5； (b) ML≥2.0

4 台站极性分布

震群序列台站记录到的(地震动)极性也能反映震源一致性的相似程度， 若多个台站记录到的地震极性一致， 则可认为该序列地震的震源机制一致， 否则较离散． 本文收集了商城、 金寨、 麻城台记录的金寨震群中的115次ML≥1.5地震的P波垂直向极性, 给出了上述3个台站所记录到的地震极性时间曲线， 如图6所示. 可以看出: 商城台记录到的地震极性全部为正， 金寨台除3次地震为正外， 其余均为负， 商城台与金寨台所记录到的地震极性表现为高度一致； 而麻城台所记录的极性则较为混乱． 麻城台的方位角为218°， 由表2所列的金寨序列较大地震的震源机制解详细结果可以看出， 震源机制有一个节面的方位角集中分布在30°—50°， 而麻城台正好位于该节面附近， 因此导致了麻城台所记录到的地震极性较为混乱． 根据商城台与金寨台极性高度一致的现象， 本文认为金寨震群整体极性分布优势明显， 从时间上看， 截至11月底， 极性分布仍没有出现紊乱． 由于极性的一致性可以间接地反映震源机制的一致性， 故本文认为该震群序列的震源一致性较好．

图6 商城、 金寨和麻城台所记录到的金寨震群地震极性时间变化图+1表示Pg波垂直向极性为正， 0表示极性不清， -1表示Pg波垂直向极性为负

5 讨论与结论

2014年安徽省金寨县关庙乡发生显著震群序列， 该震群自8月开始活动， 截止到11月底， 共记录到地震502次， 其中ML≥3.6地震6次， 最大为ML3.9． 双差定位研究显示， 该震群序列的震源深度较浅， 88%的序列地震的震源深度集中在5—6 km. 从空间分布看， 该震群序列位于磨子潭—晓天断裂南侧2 km附近， 序列地震集中在约5 km的范围内， 空间分布方向特征不明显. 倪红玉等(2015)通过地震精定位也认为, 金寨震群的空间分布无明显的展布方向， 地震密集分布在2 km×2 km范围内， 震源深度较浅， 在3—7 km深度区间相对集中． 从时间上看， 该震群序列主要划分为两个活跃时间段： 第一个活跃时间段为8月底至9月底， 序列地震活动强度相对较低； 第二个活跃时段为10月下旬至11月底， 序列地震活动强度、 频次均较高． 鉴于该震群序列震级有走强的趋势， 本文采用多种方法综合研判了该震群序列的震源一致性．

金寨序列地震的震源机制解精确反演显示， 绝大多数地震统一表现为压性走滑型，P轴方位角为251°—278°， 波动幅度较小，P轴方位角与震区构造应力场最大主压应力轴方位角的最大夹角约为10°， 这说明该序列地震震源机制解的一致性非常好． 本文定量计算了该序列地震的震源一致性参数， 结果显示其变化范围为7°—17°， 而理论变化范围为0°—90°， 从震源一致性参数可以定量说明该震群序列的震源一致性非常好.倪红玉等(2015)采用Snoke方法和CAP (cut and paste)方法计算了金寨震群较大地震的震源机制解， 结果表明ML≥3.0地震震源机制解的一致性较好， 节面位置基本一致， 两组节面的走向分别呈NW向和NNE向， 高倾角. 本文结果与倪红玉等(2015)的研究结果非常吻合．

金寨序列地震的体波谱振幅相关系数计算结果表明， 虽然随着该震群序列的发展， 谱振幅相关系数呈起伏波动， 但整体仍处于较高水平(≥0.9)， 同时震区附近台站记录到的地震极性的优势分布明显． 由此可推断该震群的震源一致性程度非常高．

金寨震区附近的东大别地区有4座大型水库， 分别为梅山水库、 响洪甸水库、 佛子岭水库和磨子潭水库， 均始建于20世纪五六十年代， 其蓄水时间与本次震群活动时间相差甚远， 加上4座水库与本次震群在空间上也存在一定距离， 且震群活动前后4座水库的水位变化幅度与往年基本相同， 因此本文认为本次震群活动与上述4座大型水库的蓄水无关．

此外， 金寨震群附近3 km内还有两座小型电站， 分别为2007年建成的黄谷滩电站(库容约100万m3)和2012年建成的关庙电站(库容约400万m3)， 两座小型电站主要用于民用发电， 无水位观测. 据震区政府介绍， 金寨震群活动前后两电站处于正常发电水平， 水位变化幅度相对较小． 虽然这两座小型电站库容非常小， 蓄水时间也早于震群活动时间， 但由于其距震群位置非常近， 因此震群活动是否受该电站蓄水影响尚不确定．

崔子健等(2012)通过计算5个云南西北部发生的小震群序列， 认为强震前小震群序列的谱振幅相关系数明显增大， 接近于1.0， 震源机制相似性显著； 而非前震序列谱振幅相关系数则明显较低， 震源机制相似程度较弱． 黄浩和付虹(2014)使用相同的方法计算了滇西地区 2008—2011年的6个MS≥6.0地震序列的谱振幅相关系数， 认为振幅谱相关系数较高的地震序列也有可能是主余型序列， 即谱振幅相关系数高的地震序列不一定都是前震系列． 因此， 较低的谱振幅相关系数可以作为判别后续无更大地震的指标， 但较高的相关系数可能仅仅反映了较高的应力水平， 无法作为直接前震的判据． 因此， 虽然金寨震群序列的体波谱振幅相关系数较高， 但也只能说明其震源一致性相似， 仅反映震区应力水平较高， 而不能作为直接前震的判据． 同时本文认为金寨震群的震源一致性较好， 也可能只反映震源区处于较高的应力状态， 而在较高的应力水平下， 是以发生中强地震还是以发生多次中等地震的方式释放其应变能， 尚需进一步深入研究．

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Consistency parameters of focal mechanism for theML3.9 Jinzhai, Anhui, earthquake swarm sequence in 2014

(EarthquakeAdministrationofAnhuiProvince,Hefei230031,China)

The JinzhaiML3.9 earthquake swarm sequence occurred in Guanmiao town, Jinzhai county, Anhui Province in 2014, which continued in high activity frequency for a long duration. The focal depths of earthquakes in Jinzhai swarm were all shallow and the region was about 5 kilometers. Firstly, the consistency parameters of focal mechanism and the change inP-axis azimuth with time for the Jinzhai sequence have been obtained from the focal mechanism data which were solved by combining the polarity of P, SV and SH waves with their amplitude ratios. Then the correlation coefficients of spectral amplitude of the Jinzhai sequence were calculated based on the seismic waveforms recorded by three stations near the epicenter of JinzhaiML3.9. And the polarity of first motions of 115 earthquakes withML≥1.5 recorded by three stations close to the earthquake region had been read at the same time. The results show that the main type of focal mechanism of Jinzhai earthquake swarm sequence is transpressional strike-slipping， and theP-axis azimuth is more consistent for the earthquakes. The consistency parameters of focal mechanism are at a low level, while the correlation coefficient of spectral amplitude are relatively high, and the polarities of first motion recorded by stations are also consistent. All mentioned above suggests that the consistency parameters of focal mechanism of Jinzhai earthquake sequence are in a very high degree.

Jinzhai earthquake swarm sequence; focal mechanism solution; correlation coefficient of spectral amplitudes; consistency parameter

10.11939/jass.2015.06.003.

中国地震局地震科技星火计划重点项目(XH15021)和青年项目(XH13008Y)共同资助.

2015-01-05收到初稿， 2015-08-29决定采用修改稿.

e-mail: liuzemin@163.com

10.11939/jass.2015.06.003

P315.3+1

A

黄显良, 刘泽民, 郁建芳, 倪红玉, 张炳, 王琐琛. 2015. 2014年安徽金寨ML3.9震群序列震源一致性研究. 地震学报, 37(6): 916--924.

Huang X L, Liu Z M, Yu J F, Ni H Y, Zhang B, Wang S C. 2015. Consistency parameters of focal mechanism for theML3.9 Jinzhai, Anhui, earthquake swarm sequence in 2014.ActaSeismologicaSinica, 37(6): 916--924. doi:10.11939/jass.2015.06.003.