利用重测定的震源深度特征探讨2013年吉林前郭5.8级震群发震因素*

刘双庆，薛　艳，蔡宏雷，谢　静

(1.天津市地震局，天津 300201；2.中国地震台网中心，北京 100045；3.吉林省地震局，吉林 长春 130117)



利用重测定的震源深度特征探讨2013年吉林前郭5.8级震群发震因素*

刘双庆1，薛艳2，蔡宏雷3，谢静1

(1.天津市地震局，天津 300201；2.中国地震台网中心，北京 100045；3.吉林省地震局，吉林 长春 130117)

摘要：利用Pn-Pg震相组合的局部搜索法，采用5种地壳速度模型对2013年吉林前郭5.8级地震震群进行震源深度测定。计算结果显示，5种结果的震源深度的主要分布特征相似。对选取的32个地震震源深度进行重新测定，结果最小为6 km，最大14 km，主要集中在10 km左右，系统深度偏差约1.74 km，震源深度分辨率约1.58 km，重定位后地震震中优势分布呈北西向。与当地的沉积层厚度分布对比，这些地震最有可能发生在盆地基底的基岩顶层，而不在油气圈闭的沉积盖层内，并且地震震群分布走向与通榆—长春断裂走向相一致。结合该地区的历史地震活动与构造关系，最后推测这些地震与北西向的通榆—长春断裂构造运动密切相关，而不是油田作业的直接产物。

关键词：震源深度；Pn-Pg算法；定位精度；油田作业；构造运动；前郭震群

0引言

本文将利用地壳内的直达波震相Pg和沿Moho面滑移的首波Pn进行震相组合，重新测定2013年前郭震群进行初始破裂点深度。这种Pn-Pg组合方法发挥了这两个震相的离源射线上下反向而对震源深度变化更为敏感，以及初至震相到时提取精度高的双重优点。本文进一步利用初始定位的震中位置，在震中附近采用局部搜索法，以获取Pn-Pg最小走时残差的震源深度和震中位置，并对不同速度模型的结果进行讨论，以此给出前郭震群比较合理的震源深度分布特征。

1区域构造特征及Pn-Pg局部搜索法

1.1前郭地区局部地质构造

前郭地区位于松辽盆地中部，松辽盆地产生于燕山运动时期，从晚侏罗世到新生代，盆地经历了裂谷型断陷、大型拗陷和萎缩上升阶段，它是一个大型中新生代陆相沉积盆地(胡望水等，2005)。喜山运动的三次运动幕在松辽盆地都有表现。第一、三幕运动主要受印度板块影响，产生的区域主压应力为NE—SW向，第二幕运动主要受太平洋板块影响，产生的区域主压应力方向为NW-SE或近东西向。在卫星遥感图像上可以地看到，盆地在喜山第二运动幕中产生了系列轻微的NW向构造形迹线。而全新世以来，盆地内的江河流向与湖沼分布都受到了NW向构造线性体的控制，如大庆油田及邻区地表的湖泡展布，这些线性体时隐时现地切过了大庆长垣表层第四系。在扶余幅卫星图像上，不仅可以看到乾安周缘大大小小星罗棋布的湖泡呈NW向串珠状排列，还可以看到靠近农安附近呈NW向展布的波罗泡群及其一带的全新统Q4沉积，切割并覆盖了盆地东南隆起区中的NE向构造群。在通榆幅卫片上，还可以解译出NW向的构造线性体，斜穿了NE向弧形构造带，可见其形成时间最晚(祁林等，1992)。

对现今或喜山三幕区域应力场表现最为敏感和直观的就是近代地震。垂直于NE—SW区域主压应力作用方向发育的NW向构造线和断裂面，是地应力不断积累的地带。刘天革和隋红(1985)统计东北地区历史地震活动的研究结果得出，整个东北地区共记载有60多次M≥4地震，其中32次是沿着NW方向迁移发震或成对出现。其余20多次则发生在NW向断裂与NE向断裂的交切点上。这些强震的特点是余震分布往往呈NW向展布，等震线形状往往呈NE、NW双轴型。显然，东北地区发震机制是由于NW向断裂应力积累而活动，或者是由此诱发了NE向断裂共同参与活动而发震。而位于松辽盆地南部地区的乾安油田，油田周围所有的泡子都逐渐干涸或消亡，说明该NW向新构造圈闭仍处于隆起状态中(祁林等，1992)。

在本次地震震群地区，分布着通榆—长春断裂、双山—前郭断裂、大安—都德断裂、第二松花江断裂以及其他邻近断裂体系(图1)。图1中虚线框里的断裂分布抽取自盘晓东等(2007)。其中通榆—长春断裂为一条隐伏断裂，断裂切过Moho面，是控制中央凹陷带南部长岭凹陷的两个次级凹陷(即乾安次凹陷和黑帝庙次凹陷)的分界断裂。由于第四纪以来的多次活动，导致沿通榆—长岭—怀德一线出现了一个活动构造地貌单元，即松辽分水岭，形成了北部区的松花江水系与南部区的辽河水系。而大安—都德断裂沿NNE向从吉林省的大安一带向北到黑龙江省的都德一带，主要活动时期为中侏罗世到白垩纪及晚更新世末期，全新世以来也表现出较强的活动性。2005年7月25日发生于黑龙江省林甸5.1级地震就与该断裂的活动有关。2006年3月31日乾安—前郭5.0级地震则发生在这两条断裂的交汇部位(盘晓东等，2007)。

1.2Pn-Pg局部搜索法

Pn-Pg深度定位方法由朱元清和石耀霖(1990)提出。本文从走时方程的角度，解析地给出Pn、Pg震相组合相对Pg、Sg震相组合，其提高震源深度变化对走时差异影响的效果。为简化理论推导，考虑一层地壳模型，假定震中距为Δ，震源深度为h，T0、TPg、TPn分别是直达波、P波和首波的到时，则走时方程有

(1)

(2)

(3)

参考华南走时表，假定VPg=1.73VSg=6.01 km/s，VPn=7.98 km/s，则典型κ值见表1。从表1中可以看出，用Pn、Pg震相组合相对Pg、Sg震相组合，深度变化对两者走时差的影响在2倍以上，对于Pn处于盲区的情形，可以通过沿Moho面滑移来处理(朱元清，石耀霖，1990)。震源深度越浅震中距越大，本文的震相组合方法对深度变化的敏感性更大。

表1　不同震中距不同深度时的灵敏度κ分布

而Pn-Pg震相组合方法的深度误差估计，推导如下：

当Δ≫h时，式(2)与式(1)相减，得

(4)

其中V″=VPgVPn/(VPn-VPg)。对于本文假定Moho面深度误差0.8 km，Pn、Pg震相到时识别误差0.1 s，震中误差1 km，则震源深度计算误差：

(5)

如果震中距较小，可以直接采用直达P波计算深度的误差估计(傅淑芳，刘宝诚，1980)：

(6)

本文利用该方法进行深度定位。考虑吉林省地震局人员在应急编目过程中，因时间仓促等因素可能影响震相拾取精度，以及地震震中定位的误差影响，本文对初至信噪比较高的附录表中的地震逐一进行了Pg、Pn震相重新识别，并结合100 km以内的直达剪切波Sg震相，利用中国地震局推广使用的MSDP软件中的单纯形法进行重新定位(速度模型为华南走时表)，并将该定位震中结果作为搜索参考点。搜索过程取参考点水平面±0.2°范围，步长0.01°，深度取0～30 km，步长1 km，即52 111个三维网格点。计算每个网格点到每个台站的Pg、Pn理论走时，并与台站人工提取的Pg、Pn走时进行差值比较，单个网格点的走时残差定义如下：

(7)

式(7)中上标带“*”为理论计算走时，带“^”为人工提取的到时所对应的儒略数时间。对于同台同时提取了Pn、Pg震相时，只取Pn震相。N为震中距500 km内Pn震相数，M为扣除了同台Pn重复条件后的Pg震相数。

将每个网格点的走时进行对比，可以获取到最小走时残差的网格点的走时、经纬度和深度值。虽然经纬度精度只有2位小数点，深度值只精确到整数，但已是本方法的精度限，而这个精度已能为本文的后续分析给予足够好的支持。对于2013年12月8日前郭MS3.1地震，其分析所用到的流动台站和遥测台网台站分布如图1所示。沿图1中震中位置两侧及垂向方向进行局部网格化，计算出各节点的走时残差，其切片如图2a所示。可见其走时残差分布呈近似椭球状，椭球中心点残差最小。但受速度模型分层(本例采用模型d)的影响，椭球是分层连续的。

2前郭震群的地震深度测定及其精度分析

2.1前郭震群的地震深度测定

本文处理了2013年10月31～12月27日前郭地震序列波形资料，由于方法的限制，只拾取至少有一个Pn震相清楚的地震地震事件，总共获取了32个满足条件的地震事件(表2)。极少量台站(如SYZT台)存在GPS时钟对时不准的问题。对32个满足条件的地震沿震中距作Pg、Pn震相时距散点图(图3)，显示绝大多数没有显著的GPS时钟差异问题，所以只剔除了个别有问题台站的震相，走时点状图不完全符合和达理论走时曲线，其原因可能与地壳各向异性有关。

表2　本文采用的地壳P波速度模型

表3　3种定位的结果对比

注：本表经纬度由作者逐一拾取震相重定位的结果，可能与国家台网中心公布的结果略有差异。对外以国家台网公布结果为准.

在地震定位结果中，地壳速度模型会对结果有较大的影响。由于大庆地区石油物探剖面较多，可以为本文提供参考。刘洋等(2008)给出的大庆地区上地壳P波速度显示，在地表3 km以下，速度剖面大多数超过4.5 km/s。松辽盆地及其南北延展地区是一个Moho面拱起带，它由3个上地幔隆起组成，走向北东20°左右，地壳厚29～33 km，其东西两面的地壳厚度在35 km以上(程学儒，1982)。松辽盆地东北隆起区Moho界面双程反射旅行时变化范围为9.6～11.0 s，深度范围为30～34 km(杨宝俊等，2003)。在松辽平原形成过程中，白垩系沉积物起着重要作用。如果以各地质时代地层厚度占中新生代地层总厚度的百分

比作为沉积物在平原形成过程中的贡献率，则白垩系沉积物贡献率达86.37 %，第三系为7.85 %，第四系为5.78 %(杨令宾，1995)，这种成分上的比例也为速度模型提供约束。东部张广才岭段的地壳厚于盆地段，为34～37 km，上地壳厚14～15 km，以中酸性与酸性岩石为主，VP为6.02 km/s；中地壳较薄5.5～7 km，以中酸性成分的变质岩为主，VP为6.5 km/s；下地壳11～15 km，以基性成分的变质岩为主，VP为6.85 km/s。盆地内盖层结构较简单，速度随深度递增，4.75～5.25 km/s，Moho面速度8.00 km/s(傅维洲等，1998)。对比华南广东地区与松辽盆地的Moho面深度分布(滕吉文，曾融生，2002)，发现二者相差较小，松辽盆地略深约1 km。因此，在参考华南走时表模型的基础上，给出了另外5种地壳速度分层模型(表2、图4)，其中模型b、d、e含有地表低速层。

通过6种速度模型(表3中计算32个地震震源深度)，模型a、模型d、模型f的结果见表3。其他3种情况的结果，考虑篇幅的限制，仅将结果绘于图5、6。图5、6显示：① MSDP的单纯形法给出的结果相对偏浅；② 模型加入地表低速层后，深度值系统性偏浅约1 km；③ Moho面加深后，深度值系统性偏深约1 km；④ 增加了地表低速层后，大多数情况可降低走时残差，特别是7个流动台震相加入定位的情况更为明显(表3中加圆括号的ID号事件)。但如果进一步增加盖层厚度并降低盖层的P波速度，则残差变大。

不同速度模型的计算结果反映了一些共性特征：在前一组5级地震后和后一组5级地震后，小震深度都有变浅的趋势。对于ID为10号的MS2.3地震，各种模型计算的结果都是最小的，范围6～8 km，最小值为6 km。这个深度为中生代沉积的底部、基岩顶层深度。因此利用Pn-Pg组合定位的局部搜索方法，给出的32个地震深度都在6 km以下，位于盆地中生代沉积的底部、基岩顶层交界及以下。另外从搜索的震中分布显示，5种模型给出的32个地震震中具有北西向分布特征。大震级的地震偏南深度偏深，小震级的地震偏北偏浅。

2.2前郭震群的地震深度精度分析

笔者对流动台的Pg到时数据进行先后排序，发现流动台L2202离多个地震的震中非常近，约3 km以内。为此，挑出了震中位置几乎相同的3组

地震，ID号分别为10和16、25和26、27和29进行单台Pg-Sg走时对比。其中第1组前者深度较小，第2组二者深度相同，第3组后者深度较小。由于采样率为100 sps，每个地震到L2202流动台的直达波Pg和Sg震相经过局部放大可精确提取初至时刻点，时间拾取精度可以达到0.01 s。在实际拾取过程中，对比前后波形差异，取波形起始较尖锐并且信噪比大于3的点作为震相的初至点。图7中黑实线为各组地震中的前1个地震波形，红虚线为后1个地震波形，波形统一将Pg初至调整到第100点进行对齐，每组地震的Sg-Pg到时差见图7a′～c′，相应的波形见图7a～c，其中括号内数字为深度，前面数字为Sg-Pg的到时差。

3认识与结论

虽有研究显示，油气开采及其注水增产作业可能会诱发小地震(刘元生，王六桥，1985)，但Davis等(1995)提出判别流体抽取导致地震的发生需考虑几条准则，其中3条是：

(1)是否有些地震发生在抽取流体的深度上；

(2)是否是该地区第一次大地震；

(3)是否在抽取流体后发生。

因此在石油开采过程具体资料比较欠缺的情况下，震源深度测定及测定精度对判断地震的主要发震因素非常重要。

本文利用空间局部网格点有穷寻优的Pn-Pg组合法对2013年10月至12月吉林前郭震群进行了深度测定，并利用流动台的观测波形对测定结果进行检验，给出了测定的系统误差与单次地震的深度误差确定性估计。计算结果表明，这32个地震的深度在6 km及以下，超过松辽盆地中生代沉积的底部、基岩顶层深度，特别是MS≥3.3地震的深度超过8 km。因此这些地震最有可能发生在盆地基底的基岩顶层，而不在油气圈闭的沉积盖层内。由于地震震群分布大致呈北西向，与通榆—长春断裂这条切过Moho面的隐伏断裂走向相一致，因此本文推测这些地震与北西向构造活动有关。

另外，据中国地震局地球物理研究所(2013a，b)利用波形拟合方法给出的震源机制解，10月31日5.5级地震的震源机制解为：节面I(strike330°，dip60°，slip50°)，节面II(strike209°，dip48°，slip138°)；11月23日5.8级地震的震源机制解为：节面I(strike200°，dip70°，slip140°)，节面II(strike306°，dip53°，slip25°)。如果按本文北西向的震中分布作为参考，则上述第一个地震的主破裂面为节面I，第二个地震的主破裂面为节面II，都带有一定的逆冲分量，西南盘向东向走滑并兼带仰冲。这与该区域全新世NW向新构造圈闭仍处于隆起状态的结论吻合。

参考文献：

程学儒.1982.松辽盆地的板块构造位置与烃类产出特征[J].石油勘探与开发，(6)：39-48.

傅淑芳，刘宝诚.1980.地震学教程[M].北京：地震出版社，185-188.

傅维洲，刘宝俊，刘财，等.1998.中国满洲里—绥芬河地学断面地震学研究[J].长春科技大学学报，28(2)：206-212.

高金哲，李志伟，包丰，等.2013.2006年吉林乾安—前郭5.0级地震深度及其成因探讨[J].地球物理学进展，28(5)：2328-2335.

胡望水，吕炳全，张文军，等.2005.松辽盆地构造演化及成盆动力学探讨[J].地质科学，40(1)：16-31.

刘天革，隋红.1985.东北地区北西向构造与地震[C]//国家地震局地质研究所.遥感地震地质文集，北京：地震出版社，1-9.

刘洋，刘财，杨宝俊，等.2008.松辽盆地北部纵波速度区域特征分析及深层油气问题[J].地球物理学进展，23(3)：785-792.

刘元生，王六桥.1985.油井动态与地震关系研究的新进展[J].华北地震科学，3(1)：1-5.

盘晓东，王军亮，孙旭丽，等.2007.乾安—前郭5.0级地震的构造背景分析[J].东北地震研究，23(1)：8-15.

祁林，韩广林，张惠.1992.松辽盆地喜山运动期地应力场演化对油气运聚的影响[J].石油与天然气地质，13(4)：398-407.

裘善文，王锡魁，张淑芹，等.2012.松辽平原古大湖演变及其平原的形成[J].第四纪研究，32(5)：1011-1021.

唐雅芝.1990.公元1119年2月吉林省前郭强震三要素的确定[J].东北师大学报(自然科学版)，(3)：152-160.

滕吉文，曾融生.2002.东亚大陆及周边海域Moho界面深度分布和基本构造格局[J].中国科学(D辑)，32(2)：89-100.

杨宝俊，唐建人，李勤学，等.2003.松辽盆地隆起区地壳反射结构与“断开”莫霍界面[J].中国科学(D辑)，33(2)：170-176.

杨令宾.1995.松辽平原的生成与演化[J].东北师大学报(自然科学版)，(2)：119-124.

周本刚，高名修.1992.松辽盆地几次中强震的构造条件探讨[J].地震地质，14(2)：145-150.

朱元清，石耀霖.1990.一种确定地震深度的新方法[J].地震地磁观测与研究，11(2)：4-12.

中国地震局地球物理研究所.2013a. 2013年10月31日吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县5.5级地震[EB/OL].(2013-10-31)[2014-04-27].http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/267882.shtml.

中国地震局地球物理研究所.2013b. 2013年11月23日吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县5.8级、5.0级地震[EB/OL].(2013-11-23)[2014-04-27].http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/267992.shtml.

Davis D.S.，Nyffenegger P.A.，Frohlich C..1995.The 9 April 1993 earthquake in south-central texas：Was it induced by fluid withdrawal[J].Bull.Seism.Soc.Am.，85(6)：1888-1895.

Using the local optimum search strategy of couple Pn-Pg phases algorithms，we determined the focal depth of Jilin QianguoMS5.8 earthquake sequence in 2013 by five different curst velocity models，and the calculation results indicate that the distribution characteristic of the 5 kinds of focal depth is consistency. The focal depths of the selected 32 earthquakes are relocated，the minimum and maximum focal depths are 6 km and 14 km respectively，most focal depths focus on 10 km. The systemic depth measure error may be 1.74 km，and the resolution of focal depth may be about 1.58 km. The advantage distribution of the relocated epicenters is in the NW direction. Compared with the thickness of local sedimentation in the study area，these earthquakes most probably occurred at the top of bed rock under the basin basement，rather than at the sediment overlying strata of oil field. Moreover，the preponderance direction of the distribution of these epicenters is consistent with the strike of Tongyu-Changchun Fault. Combined with the relationship between the local historical earthquakes and tectonic in the study area，we take a further speculation that the earthquake sequence maybe related with the tectonic activity of Tongyu-Changchun Fault in NW，rather than the direct production of the oil-field operation.

Key words：focal depth；Pn-Pg algorithms；location precision；oil-field operation；tectonic movement；QianguoMS5.8 earthquake sequence

*收稿日期：2014-04-27. 基金项目：中国地震局星火计划项目(XH14002Y)、测震骨干青年专项(20130202)、震情跟踪专项(2014010504)和天津市国土局项目(1212011220232-5)联合资助.

中图分类号：P315.3

文献标识码：A

文章编号：1000-0666(2015)02-0211-10

Discussion on Cause Factor of Jilin QianguoMS5.8 Earthquake Sequence in 2013 Using Focal Depth Characteristic of Relocation

LIU Shuang-qing1，XUE Yan2，CAI Hong-lei3，XIE Jing1

(1. Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China) (2. China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China) (3. Earthquake Administration of Jilin Municipality，Changchun 130117，Jilin，China)

Abstract