2013年吉林前郭MS 5.8震群序列研究

薛艳 曾宪伟 刘桂萍 蔡宏雷

1）中国地震台网中心，北京市西城区三里河南横街5号 100045

2）宁夏回族自治区地震局，银川 750001

3）吉林省地震局，长春 132000

0 引言

据中国地震台网中心测定（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp），2013年 10月 31日11：00吉林前郭发生MS5.5地震（震中 44.6°N、124.2°E，震源深度 8km），近 7min后再次发生MS5.0地震，11月22～23日该序列又发生 3次 5级地震，震级最大的为 11月 23日06：00MS5.8地震。根据地震序列类型的判定依据可知（蒋海昆等，2007），本次前郭地震为典型的震群型事件，又称多震型地震（蒋海昆等，2007）。统计1970年以来中国大陆发生的5级以上多震型地震后发现，事件开始后2小时内接连发生2次强震的有24次，其中22次事件没有发生后续强震（吴开统等，1990；蒋海昆等，2007），仅有2个特例，即1997年新疆伽师6.4级震群和本次前郭MS5.8震群。此外，对于1个5级多震群，前郭地震序列包含的5级地震数量之多、发震时间之集中在东部地区近百年来都非常少见。

在地震序列研究中，我国学者取得了丰硕的成果。焦远碧（1998）系统研究了中国大陆5级以上地震序列的b值，结果表明，地震序列的b值与主震震级和序列类型有关。在类型相同的情况下，主震震级越大，序列b值越高；在主震震级相近的序列中，孤立型序列b值最小，主余型和双震型b值居中且差别不大，多震型b值在6、7级地震序列中都是最大的。而蒋海昆等（2007）系统研究了161次序列，结果显示，b值与主震震级有关，震级越大，b值越大；不同序列类型间b值的差异不大。刘蒲雄（1992）研究认为，双震型序列（多震型的一种）是2组相关联断层相继活动的结果，2次主震有明显不同的断层面解，它们的较大余震断层面解分别相似于2次主震的断层面解。而震群型地震也可能涉及2组或多组断层的活动（张竹琪等，2008；张四昌等，1994）。

前郭震群发生后，韩立波反演了前郭地震序列中主要事件的震源机制解（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/267992.shtm），结果显示既有逆冲型地震，又有走滑型地震。王未来①给出的2013年10月31日～11月23日地震序列的精定位结果显示，该序列发生在NE向的扶余-肇东断裂附近，余震密集区还显示出一定的NWW向分布的迹象，5次5级地震的震源较浅，特别是11月23日MS5.8地震震源深度小于5km，其余几次5级地震震源深度为 5～8km。此外，刘莎等（2014）利用2013年11月1～24日前郭地区流动台记录的地震波形资料，探讨了震源区附近地震各向异性特征。

虽然关于前郭震群前人已经取得了一些研究成果，但仍有很多问题需要研究，如王未来①王未来，2013，私人交流仅对不足1个月的地震序列进行了重新定位，其后该序列又发生了多次地震，这些地震的精定位结果如何？该震群的发震构造怎样？此外，本次震群序列5级地震数量多，起伏活动显著，故有必要对序列特征，特别是早期序列特征进行深入研究，以期为地震序列的早期趋势判定积累震例。为此，本文首先使用Hypoinverse-2000（以下简称 Hypo2000）绝对定位法对前郭MS5.8地震序列（2013年10月31日～2014年4月30日）进行重新定位，再将绝对定位的结果作为初始值进行双差定位；然后结合震源机制解和区域构造背景探讨该地震的发生机制；最后使用吉林区域台网提供的地震目录（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp）分析该序列的活动特征，为序列研究积累资料。

1 定位方法简介

1.1 Hypo2000方法

地震定位包括绝对定位和相对定位等2种方法。其中绝对定位法是在给定的地下速度模型的基础上，计算假定地震位置的理论地震到时和观测地震到时的偏差，通过迭代等手段搜索理论值和观测值的最小偏差来确定地震的位置。Hypo2000定位方法采用传统的Geiger方法（Geiger，1912）的基本思路，即将走时T在初值（x，y，z）附近作泰勒展开，取 1级近似，则为

式（1）中，T为实际走时，是相应于（x，y，z）附近一点（x′，y′，z′）的走时。在此基础上建立观测方程组，然后求解该方程组。算法上，即先将观测方程组降维，不化成正规方程组，直接用奇异值分解最小二乘法方程组，在实际计算中采用多种数据加权（Klein，2007）。

1.2 双差定位方法

双差定位法（Waldhauser et al，2000、2002）是一种相对定位方法，可以给出地震的相对位置特征，以描述发震断层的特性。目前，该方法在国内已经得到广泛应用，并在几次重大地震序列重新定位工作中发挥了重要作用（黄媛等，2008；王未来等，2012、2014；房立华等，2013；易桂喜等，2015）。双差定位方法通过对一定空间范围内的地震事件两两组对，根据组对事件之间震相到时差来获得事件对的相对空间分布，其基本方程（Waldhauser et al，2000、2002）为

式中，tik和Δtjk分别对应地震i、j到台站k的到时（走时）残差；Xi和Xj分别为2个震源的位置矢量；Sik和Sjk为2个震源位置到台站k的地震射线的慢度矢量；εik和εjk分别为地震在台站的到时拾取误差。双差定位法不仅同主事件法一样能有效地减少由于地壳结构不够精细而引起的误差，而且适用于丛集地震的空间跨度较大的情况。

2 资料处理与结果分析

2.1 速度模型

前郭MS5.8震群发生在松辽盆地内部。松辽盆地位于郯庐断裂带的西部，地跨东北3省及部分内蒙古自治区。在地质上，松辽盆地西部及北部是大兴安岭-内蒙海西褶皱带，东北部和东部为黑龙江、吉林海西褶皱，南部以EW向断层与内蒙古地轴相隔，依兰-伊通断裂带从其东边界通过（王连君，2003；云金表等，2003）。松辽盆地地壳厚度30～37km（刘殿秘等，2007）。张风雪等（2013）研究了中国东北地区远震P波走时层析成像，结果表明，松辽盆地呈现以高速异常为主、高低速异常混合分布的特性。参考刘殿秘等（2007）提供的满洲里-绥芬河二维速度剖面和刘洋等（2008）给出的松辽盆地南部人工地震测线速度剖面，可以确定本文定位使用的二维速度模型（表1）。

2.2 台站及资料

本文资料来源于吉林地震台网固定台站和流动台站记录到的震相报告（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp），台站分布及前郭MS5.8地震震中分布见图1。

为保证结果的可靠性和精度，对可定位地震事件进行筛选，要求每个被选事件必须保证至少有4个台站记录的8个有效震相到时数据。因了解到极少数台站（如SYZT台）存在GPS时钟对时不准的问题，故在定位过程中不采用该台站的数据。此外，本文还对初至信噪比较低的地震逐一进行了Pg、Sg震相重新识别。

2.3 结果分析

通过对前郭MS5.8地震序列（2013年10月31日～2014年4月30日）进行重新定位，共得到83次地震事件。

表1 P波速度模型

图1 测震台站（固定台与流动台）和前郭M S 5.8地震震中分布

双差定位结果显示，水平误差为 100～800m（图2）。定位前，序列的震源深度为 0～10km（图3（a））；定位后，序列的震源深度为 0～20km，其中绝大部分地震为 0～15km（图3（b））。其中，5次5级地震的深度分别为10、5、9、7和 10km；序列中所有 4级地震和绝大多数3级地震震源深度为5～13km，其中66%的3级以上地震震源深度为8～15km。

图2 重新定位的水平误差分布

图3 前郭 M S 5.8地震序列重新定位前（a）、后（b）震源深度分布

重新定位后，1级以上地震构成的余震区呈NW向分布，长轴约11km，宽约6km。余震区的西北端地震数量较少，震级也比较小。3级以上余震大体呈近EW向分布。NE走向的扶余-肇东断裂穿过余震区，但与余震区的走向不一致（图4（a））。从震源深度剖面看（图4（b）、4（c）），NW走向的节面（即 AA′剖面）向西南倾，而 BB′剖面也反映出余震区南部的地震震源较深，而北部的较浅。分析认为，该序列的发震构造可能为NW走向的隐伏断裂。

图4 重新定位后的震中分布（a）与 AA′（b）、BB′（c）震源深度剖面

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等阶段，是一个大型中新生代陆相沉积盆地（胡望水等，2005）。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，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，可见其形成时间最晚（祁林等，1992）。

在本次前郭MS5.8震群震中区附近，发育着NW走向的通榆-长春隐伏断裂，该断裂切过莫霍面，是控制中央凹陷带南部长岭凹陷的2个次级凹陷（即乾安次凹陷和黑帝庙次凹陷）的分界断裂。NNE向大安-都德断裂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日黑龙江林甸5.1级地震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2条断裂的交汇部位（盘晓东等，2007）。

结合精定位结果与区域构造，本文推测前郭MS5.8震群可能与NW走向的通榆-长春隐伏断裂活动有关。此外，中国地震局地球物理研究所韩立波利用波形拟合方法给出了震源机制解（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/267992.shtm），即序列首发5.5级地震的震源机制解为：节面 I（走向 330°，倾角 60°，滑动角 50°），节面Ⅱ（走向 209°，倾角 48°，滑动角 138°），如果以本文NW向的余震区分布作为参考，则主破裂面为节面I，具有一定的逆冲分量，即西南盘向东北向走滑并兼仰冲。这与已有的该区域全新世NW向新构造处于隆起状态的结论相吻合（祁林等，1992）。

3 地震序列活动特征

3.1 序列时间分布

吉林区域地震台网提供的地震序列目录为MS震级标度。图5为前郭地震序列震级-频度、M-t图。由图5（a）可以看出，频度随震级的分布基本符合正态分布，峰值震级为MS0.4，即该序列0.4级以上地震基本完整。由图5可见，该序列活动主要集中在主震后1.5个月内，大致可以分为3个起伏活动阶段：第1阶段为2013年10月31日～11月11日，第2阶段为11月17日～12月1日，第3阶段为12月2～13日。

在第1阶段，序列的第1个地震（10月31日11时03分35秒5.5级地震）发生后不足7min发生5.0级地震，其后又发生4次4级地震，6次3级地震，3次2级地震，最大震级4.5级。显然，3级以上地震，特别是4级地震明显偏多。此外，余震强度衰减不明显，维持在4.0～4.5级水平。

11月11日15时～17日08时序列1级以上地震平静近6天（图5（b）），同时1级以下地震也很少（图5（c）），之后序列活动开始增强。17日09时发生1.8级地震，开始进入第2阶段。19日发生3.4级地震，同时小震也开始增多，22日发生5.3级地震，23日发生5.8级序列最大地震，之后强度逐渐下降。

第3阶段，即12月2日开始序列再次出现增强活动，2日发生2次1.1级地震，3日发生1.4级地震，4日发生2.0级地震，之后1级以上地震平静3天多时间，7日15时后序列开始活动，发生1.5、3.1级地震，在此背景上发生了8日的4.3级地震。可见，在11月23日和12月8日2组起伏增强活动前，序列表现出平静-增强-发震与增强-平静-再增强-发震的特点。

3.2 震级-频度关系与序列衰减

Gutenberg等（1944）提出的G-R关系lgN（M）＝a-bM是对于余震序列强度分布特征的最好描述。式中N是震级为M的地震次数；a和b为统计系数，分别反映地震活动水平和强度分布特征。此外，修正的大森公式（Utsu，1957、1961）n(t)＝K（t＋c）-p中的p值是对序列频次随时间衰减的定量描述。

作序列开始2013年10月31日～11月21日G-R关系图（图6（a）），取最低震级0.4级，利用最小二乘法计算b值。由图6（a）可见，与以往绝大多数序列不同，该序列可以分2个震级段分别拟合2条直线，其一震级为0.4～2.0级，b值为0.56，相关系数为-0.996；其二震级为3.0～5.0级，b值为0.40，相关系数为-0.991。拟合峰值震级右侧所有震级段，b值为0.36，相关系数为-0.97。序列开始至 12月 7日（图6（b））的G-R关系图显示，与图6（a）相同，仍具有分段拟合特征。其中，低震级段（0.4～2.0级）b值为0.65，相关系数-0.997；高震级段（3.0级以上）b值为0.42，相关系数为-0.988。拟合峰值震级右侧所有震级段，b值为0.37，相关系数为-0.97。序列开始至12月31日的G-R关系图显示（图6（c）），3级以上与3级以下地震依然不成比例，其中低震级段b值为 0.67，相关系数-0.998；高震级段b值为0.44，相关系数为-0.992。如果将整个序列拟合成 1条直线，则b值为 0.38，相关系数为-0.98（图 6（d））。

图5 前郭地震序列震级-频度（a）及2级以上（b）、1级以上（c）地震活动 M-t图

吉林地震台网提供的序列目录显示，3级以上与3级以下地震不成比例，G-R关系呈2个线性段的特点。值得注意的是，震级的测定会影响G-R关系的拟合结果。为此，使用中国地震台网中心提供的月报目录（http：//10.5.202.22/bianmu/validate.jsp）再作G-R关系图，并用最小二乘法计算b值（图7）。由图7可见，在MS5.8地震发生前（2013年10月31日～11月21日），G-R关系图也显示出高震级段与低震级段地震不成比例的特点，即呈2个线性段（图 7（a））；MS5.8地震后，这种现象有所减弱（图 7（b）、7（c））。综合 2套目录的结果认为，在序列早期（MS5.8地震前）2个线性关系段的存在是本次震群序列的主要特点。从较长时段看，与低震级段相比，序列4级以上地震明显偏多。此外，2套目录结果均显示，在震后不同时段序列b值都非常低，为0.36～0.40。远低于中国大陆及各区中强地震序列b值的平均值（蒋海昆等，2007）。

图6 使用吉林地震台网目录的序列不同阶段G-R关系

在大森余震衰减定律（Omori，1894a、1894b）的基础上，刘正荣（1984）在研究有前震的地震的预测问题时，给出计算地震频度衰减系数h值的方法，并据此进行序列类型判定。当h≤1.0时，地震序列为前震序列；当h＞1时，地震序列一般为余震序列，可以预测强余震。使用吉林地震台网给定的地震目录，取最低震级0.4级，计算不同时段序列的h值。震后7天，h值为1.39，预测强余震为4.3级；震后9天，h值为1.21，预测强余震为4.8级；震后 23天（2013年 10月 31日～11月 22日，即MS5.8地震前），h值为 1.11，预测强余震为 5.0级；MS5.8地震后（11月23日～12月31日）h值为1.43，预测强余震为3.2级。可见，在MS5.8地震前，h值预测的结果与实际偏差较大，但值得注意的是，在MS5.8地震前h值有变小的趋势，且接近1；而MS5.8地震后h值明显增大。

取最低震级0.5级，分别计算2013年10月31日5.5级地震后15天（10月31日～11月14日）和11月23日MS5.8地震后15天（11月23日～12月7日）的衰减系数p，结果分别为0.76、1.17。可见，5.5级地震后的早期阶段序列衰减比较慢，MS5.8地震后序列衰减相对较快。

4 小结

图7 使用中国地震台网中心月报的序列不同阶段G-R图

（1）精定位结果显示，余震区呈 NW走向分布，长轴约11km，短轴约6km。震源深度为5～15km，其中66%的3级以上地震震源深度为8～15km。结合区域构造特征认为，该震群可能与NW走向的通榆-长春隐伏断裂活动有关。

（2）序列共包含5级以上地震5次，均集中在主震后1个月内发生。具有5级地震频次高、发震时间集中的特点。序列主要起伏活动可以分为3个时段：主震后10天，余震强度衰减不明显；此后的2次起伏活动，地震活动分别表现为平静-增强（震级爬升）-发生强震和增强（震级爬升）-平静-再增强（震级爬升）-发生强震的特点。

（4）在序列早期（MS5.8地震前），序列3级以上与3级以下地震频度不成比例，G-R关系呈现2个线性段的特点。与低震级段相比，序列4级以上地震明显偏多。序列b值低，不同时段计算结果为0.36～0.4，远低于中国大陆及各构造区中强地震序列b值的平均值（蒋海昆等，2007）。

（5）在MS5.8地震前h值有变小的趋势，且接近1；而MS5.8地震后h值明显增大。5.5级地震后的早期阶段序列衰减比较慢，p值为0.76；MS5.8地震后序列衰减较快，p值为1.17。