2013年莱州M4.6地震序列震源机制与发震构造初探

郑建常 李冬梅 王 鹏 赵金花 徐长朋

(山东省地震局，济南 250014)

0 引言

据中国地震台网测定，2013年11月23日13时44分在山东省莱州(37.10°N，120.02°E)发生M4.6地震。此次地震是山东陆地地区自1995年苍山5.2级地震后发生的最大地震，影响范围广，烟台、威海、青岛、潍坊、东营和临沂等市地普遍有感。这次地震的震中区属于典型的少震、弱震区，活动水平不高，很少有ML≥3.0地震发生，仅在1991年2月发生ML3.8小震序列一次;2012年7—10月，此次4.6级地震震中原地还曾发生最大震级为ML3.8的震群活动。根据山东省地震局现场考察报告，在此次4.6级地震震中区未见对应的第四纪断层，震中附近发育NE向的柞村断裂与NNE向的莱州断裂，但它们都是前第四纪断裂;考察认为根据现有资料分析，尚不能确定本次地震的发震构造①山东省地震局，2013，2013年11月23日山东省莱州市M4.6地震现场考察报告。。因此有必要确定此次莱州中等地震的震源机制、震源深度，以及对相应地震序列的震源位置进行精确定位，其结果对于研究区域地质构造的活动特征，评价该地区的地震危险性具有重要的科学价值。

为了了解莱州地震的发震构造，更好地判定该区未来地震活动趋势，本文利用CAP方法反演了莱州M4.6地震的震源机制，使用振幅比方法给出了2012年至今2次序列活动中ML≥3.0地震的震源机制，并在对这一地震序列进行精确的双差定位的基础上，以近震源观测数据校正这些序列地震的震源位置，求得地震序列的精准震源分布图像，结合震中及附近地区断层构造性质探讨序列活动的发震构造以及破裂特征。

1 数据与资料

本文使用了山东地震台网记录的波形资料，其中还包括邻省(如辽宁、河北、江苏等省)交换资料的台站。图1给出了本项研究使用的台站分布，部分台(如JIM，ZSL，HUD等)为短周期台，在波形反演中没有使用。除山东省台网的固定台站外，在11月23日莱州4.6级主震发生后，山东省地震局协同烟台、威海、青岛、潍坊、淄博、东营和日照等市局在地震现场架设了9套流动台(图1)，对序列后期的余震活动进行了观测记录，这些近场数据我们也应用到了小震震源机制和序列小震精定位中。本研究中，综合使用了台站观测到的初动、到时、振幅比和波形等资料。首先由观测记录直接读取初动符号，对照台网提供的观测报告核实Pg、Sg等震相到时;然后将观测数据扣除仪器响应，去均值、零漂，积分至位移记录，旋转到Z－R－T坐标系，另存用于波形反演;最后将旋转后的波形在1～15Hz滤波，分别量取P和S波的振幅，用于振幅比反演。

图1 台站分布(a，b)及莱州地震序列活动时序图(c)Fig.1 Distribution map of stations used in this study(a，b);Time－magnitude plot of Laizhou earthquake sequence(c).

莱州地震序列活动的持续时间较长，序列的主体活动可以分为2个时段:2012年7—10月，2013年11月23日至2014年2月，是2次震群事件(图1c)。2012年1月1日和5月18日在4.6级地震的震中区分别发生ML3.2和ML1.9地震各一次，虽然这2次小震不属于序列活动的范围，但由于震源位置接近，一并进行研究。为了叙述方便，将2012年至2014年2月震中当地断断续续发生的地震统称为“莱州序列”。截至2014年1月31日，共记录到可定位地震164次，其中3.0～3.9级地震11次，2.0～2.9级地震19次，1.0～1.9级地震63次。

使用Park等(2008)给出的黄海至朝鲜半岛南部的地壳介质模型①Park J H，Kang I B，2008，Status of research on velocity model under the Korean Peninsula.7th International Seminar on Seismic Tomography of Far－East Asia and Related Works，Daejeon，Korea.，该模型也是韩国地质矿产研究院(KIGAM，Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources)使用的黄海至朝鲜半岛南部地区的地震定位速度模型。相关地质资料显示，胶东半岛、南黄海以及朝鲜半岛南部在大地构造分区上都属于下扬子地块，地质构造属性相对较为一致(Ree et al.，1996)。我们此前的研究也表明，该模型在胶东半岛地区的适用性较好(郑建常等，2012)。

2 CAP方法反演震源机制

CAP(Cut and Paste)方法是一种联合使用体波和面波进行反演的方法(Zhao et al.，1994;Zhu et al.，1996)，近年来在国内得到了广泛的应用(吕坚等，2008;郑勇等，2009;龙锋等，2010;韩立波等，2012)，由于该方法截取全波形的体波部分和面波部分分别拟合，在一定程度上避免了因为地壳模型不准确而引起的震相到时误差，因此在实际的区域地震震源机制求解中有明显的优势，在此对其原理不再赘述。

2.1 CAP方法反演震源机制

首先选用震中距＜250km的10个台站的宽频带波形记录进行初步反演。对Pnl和面波波段分别使用了0.05～0.3Hz和0.03～0.1Hz的4阶Butterworth滤波器进行带通滤波。图2给出了不同深度的最佳双力偶解及其错配值变化情况，由图2可见，震源深度在5km时观测波形和理论波形的错配值最小，这一震源深度与台网定位结果基本一致。对波形拟合的错配值及震源深度的变化关系进行样条函数拟合，得到的最佳震源深度为4.62km，说明莱州地震的深度较浅，与此次事件较大的有感范围相吻合。

图3给出了反演得到的最佳震源机制解及其理论波形与观测波形的对比。为了验证反演结果的准确性，在震源球上标示了读取到的初动符号(共35个)，可见反演得到的解很好地满足了初动符号的分布(矛盾符号比14.3%，不排除部分初动存在误读的可能)。

图3显示10个台站的合成波形与观测波形拟合程度较好，50个震相中有10个相关系数＞0.9，相关系数＞0.6的震相超过80%;最佳解的方差减少(Variance Reduction)为51.0%，说明理论波形可很好地解释观测波形，反演结果相对可靠。

图2 不同深度误差和震源机制随不同震源深度的变化图Fig.2 Focal mechanisms and misfits at different depths.

图3 最佳震源机制解(a)及其理论波形(红)和实际记录波形(黑)的对比(b)Fig.3 The best focal mechanism solution(a)and comparison of theoretic waveforms and observations(b).

2.2 震源机制的不确定性估计

使用自助抽样(Bootstrap)的统计方法，对此次莱州4.6级地震的震源机制解的不确定性进行估计。选用震中距＜350km的采样率为100Hz的38个三分向宽频带台的观测波形组成原始数据集，为了保证用于反演的数据的样本量，设用于反演的台站数为25个，对原始数据集进行每个台站等概率、可重复的随机抽取，抽取出的台站波形组成新的数据集，然后用于CAP方法的波形反演。对上述的抽取台站反演过程重复1 000次，将反演得到的震源机制的断层节面解和P，T轴绘制在一个震源球上(图4)。可以看出，反演中除个别反演过程的断层面解出现较大偏离外，其余结果均显示为近似纯走滑的机制;图4中的P，T轴位置集中成丛分布，大致显示出断层面解的误差范围。

图4 自助抽样得到的震源机制解结果统计分析Fig.4 Statistic analysis for CAP inversion results obtained by a bootstrap procedure.

对图4给出的断层面解的P，T轴方位进行统计分析，P轴归一化到［0°，180°)，T轴归一化到［180°，360°)，使用样本数据的标准差作为误差范围。结果表明:P轴方位、倾角及其误差分别为 101.20°±20.4°、5.80°±27.2°，T 轴方位和倾角及其误差分别为 199.70°±19.9°、14.00°±4.8°。借鉴HASH方法对震源机制解的质量的定义(Hardebeck et al.，2003)，反演的结果可以归属于A类，属于较为可靠的解。使用平均P，T轴方位得到的平均断层面解为:节面A走向239.6°，倾角 75.0°，滑动角 174.4°;节面 B走向 331.1°，倾角 84.6°，滑动角15.0°。参考下文序列重定位后的震中展布以及宏观考察给出的地震烈度分布图，认为节面A可能为发震断层。

3 初动符号与振幅比联合求解小震震源机制

由于M≤4的小震信号相对较弱，短周期能量占优势，传播效应复杂，地壳各向异性和横向不均匀性影响明显，在通常使用的1维成层介质模型下无法有效地模拟其波场的传播，因此一般情况下使用波形反演的方法难以求解其震源机制;相对而言，对于这些小震，初动符号或振幅比的方法更为有效(Hardebeck et al.，2003;Jechumtálováet al.，2005)。对于本文所研究的情况，受地形地貌因素的制约，台站布局存在较大的缺口(图1)，单纯使用初动符号的方法受到一定的限制，因此更适用于振幅比方法。自2012年1月1日莱州ML3.2地震开始，莱州M4.6地震震中共发生ML≥3.0地震12次，基于读取的初动符号和测量的S/P振幅比，使用HASH方法给出了这12次事件的震源机制。

表1给出了得到的12次ML≥3.0地震的双力偶断层面参数(图7)。HASH方法可以给出满足条件的解(图5)，以及最终优化解的不确定性(表1)。图5给出了2012年1月1日ML3.2和2013年11月23日M4.6主震的结果，对比可见，对于震级较小的事件，由于噪声干扰大以及可用的数据量少，震源机制的不确定性要远高于主震。由表1可知，莱州M4.6主震的断层面解的不确定性为24°，与前文使用自助抽样法得到的不确定性相吻合。

表1 本文得到的12次M L≥3.0地震的震源机制参数Table 1 Parameters of 12 focal mechanisms retrieved by HASH method

使用Kagan(1991)提出的双力偶模型之间的3维空间最小旋转角，即Kagan角，来衡量不同解之间的差异。对比CAP和HASH两种方法得到的解，结果显示二者之间的Kagan角为38.0°，其中P轴方位相差22.4°，T轴方位相差25.0°;表明2个解基本一致，P，T轴的差异在数据本身引起的误差范围内。

图5 HASH方法给出的符合条件的解的分布(下半球极射投影)Fig.5 Two examples of possible solutions in HASH results.

4 双差方法进行序列精定位

余震序列与主震发震断层的介质性质和几何形态密切相关。对余震序列进行精定位，得到相对准确的3维震源分布，可以由此确定发震断层，推断断层的破裂特征(Kilb et al.，2002，2006;Waldhauser et al.，2002;杨智娴等，2002;高景春等，2002;Fukuyama et al.，2003)。双差地震定位法(hypoDD)是一种能有效提高相对定位精度的方法，自Waldhauser等(2000)提出以来，在国内外得到了广泛的应用(杨智娴等，2002;黄媛等，2006，2008;朱艾斓等，2008;卢显等，2011;房立华等，2013;曹凤娟等，2013)。张天中等(2007)的研究显示，应用近台资料时，双差法有可能给出一定精度的地震绝对位置，并且近台和远台资料的联合使用，有利于得到更为精确的定位结果(Umino et al.，2003)。我们在中国地震台网中心提供的地震观测报告基础上，进一步补充了现场流动台(图1)的到时数据，联合近台和远台数据，使用双差方法对莱州序列进行重新定位，得到的结果更加接近真实的震源分布。分析双差定位的结果，一方面可以由余震震源的分布识别发震构造，另外也可以对前面的震源机制反演结果进行约束和验证。

用于定位的观测报告包括2012年1月1日莱州ML3.2、2012年7—10月以及2013年11月至今(截至2014年1月31日)的所有可定位地震记录，共计164个，由于限定每个地震的最少观测台站为4个，并且在数据整理过程中对时距曲线进行了拟合(图略)，在拟合曲线95%置信区间外的到时数据被认为可能存在震相读取错误而不被采纳，因此最终用于双差定位的地震记录数共100个。经过双差定位后，个别记录无法给出结果，最终得到了89条事件的精定位结果。

双差方法重新定位后的震源分布见图6，用色标表示地震发生的先后次序。从整个序列的震中分布看(图6a)，除活动后期的余震震中显得有些分散外，序列震中的分布整体上沿NE向展布，与前面得到的震源机制中一个节面解的走向吻合。以(37.0953°N，120.0108°E)为原点，建立直角坐标系，分别将重定位后的震源投影到图6a所示BB'和AA'截面上，结果分别见图6b，c。

由图6b可见:序列活动的震源分布大体上勾勒出了断层的形态，断层面倾向NW，粗略拟合得到的倾角在70°左右，与前文小震震源机制的倾角在40°～90°相吻合，与反演得到莱州M4.6主震震源机制其中一个节面的倾角非常一致(见1.2节及表1)。而将余震震源投影到AA'截面(图6c)，如果确定NE向为其发震断层，相当于投影到断层面上，我们发现余震震源在断层面上相对均匀分布，并且在序列活动前期，存在有序破裂的现象(图6c)。从2012年1月1日ML3.2地震开始，破裂向NE向发展，M4.6主震发生后，余震破裂的分布变得无序，震源空间散布相对更加随机。如果仅考虑M4.6主震前的震源破裂情况，则断层的有序破裂现象更加明显。图6d标注了每次地震的发震顺序，序号16的地震之前的事件，主要发生在破裂区的左上部，而序号在17～28的事件，都发生在破裂区的右侧部分。这些事件在断层面上形成了破裂区的“围空”，中间未破裂的区域可能为断层滑动过程中遇到的“障碍体”。31、32号事件发生在该“未破裂区”的边缘，随即发生了莱州M4.6的主震。推测图6d中红色虚线区域大致为此次莱州M4.6主震的破裂面，该破裂面长轴长约1km，而根据圆盘破裂模型使用波形反演得到该事件的破裂半径约500m(王鹏等，2014)，与此非常吻合。

5 结果与分析

5.1 4.7级主震与序列小震震源机制的变化关系

综合前面双差定位结果和小震震源机制解进行分析。由于表1中编号为a6的事件的震中位置偏离此次序列的集中区，因此图7a给出了其余11次ML≥3.0事件的震中位置及机制解的“沙滩球”。为了更好地理解地震序列发展过程中断层的破裂过程，根据震源机制计算断层滑动矢量，并投影到图6双差定位估计的断层面上，结果见图7b。

图6 莱州序列的双差定位结果分析Fig.6 Sources location of Laizhou earthquake sequence，relocated by using HypoDD method.

由图7a可以看出，地震序列活动前期，断层的发震类型主要是走滑型，而在M4.6主震(a9)发生前2h内发生的2次ML3小震(a7，a8)，其震源机制均显示出一定的逆冲分量，由于真实的断层面是凹凸不平、不光滑的，因此这一小震机制的变化现象可能表明:莱州地震序列在2012年的活动并不彻底，震源区仍积累了较大的应变待释放，2013年在增强的区域应力作用下，断层首先克服了断层面上的小“凹凸体”，随后发生了较大的主震。紧随主震之后发生的一次ML3.0小震(a10，发震时刻差8h)的震源机制又显示出一定的拉张性质，可能表明震源应力场由于主震的发生，出现了复杂的波动和调整(赵翠萍等，2008);到序列活动后期的2次余震(与M4.6主震分别相差13d和18d)，震源机制又恢复到背景应力场作用下的走滑型。

断层面上滑动矢量的投影图也同样说明了这一过程。图7b显示，2012年序列活动的断层滑动方向基本为水平方向，随着应力被释放，2012年10月序列的活动转移到外围(a6事件)，主断层面的破裂在a7、a8这2个事件的位置受到阻碍停止;2013年7月随着区域应力作用的增强，前期主断层上尚未被完全释放的应变突破了这2个“支点”，随后发生主震破裂。由于2013年主震前的2次小震的震源机制带有逆冲分量，断层面东南侧断层向左上方滑动，随后的主震及其后的小余震显示断层又补偿性地稍向左下方滑动，这一变化很好地表明了断层克服小的“凹凸体”而发生较大位错的情形。

图7 莱州地震序列断层错动过程分析Fig.7 Fault slip process of Laizhou earthquake sequence.

上述这一认识与前文3.1节关于地震序列精定位结果的分析相互印证了，另外，关于此次莱州地震主震前后几次3级地震的相对震源位置及其相互关系，与赵金花等(2014)通过分析距离震中最近的ZHY台的波形特征及S－P的变化得到的看法相一致，从不同方面验证了我们的结论。

5.2 莱州地震序列的发震断层识别及其发震背景

据地质矿产部门的勘探研究(邓军等，1996)，在莱州附近发育一系列NNE向断裂，隶属于NE向的黄县(龙口)－掖县(莱州)断裂带。从双差定位结果分布看(图8)，莱州M4.6主震以及地震序列的主体活动发生在NE向的柞村－驿道断裂上，中间有3次小的余震发生在邻近的NNE向的小断裂上。关于柞村－驿道断裂，未检索到更进一步的地质资料，但有关文献显示(郭春影等，2012;宋明春等，2012):附近的三山岛－仓上断裂和新城－焦家断裂产状局部变化很大。另外，莱州市西南部是莱州－安丘铁成矿带，区内断裂构造包括早期的EW向及晚期的NE向、近SN向断裂，且多为隐伏断裂(徐洪岩等，2011)。在柞村－驿道断裂西北侧10km范围内，分布有后桥断裂和路旺－寺沟断裂，资料显示:后桥断裂倾向NW，倾角40°～76°，显压扭性特征;路旺－寺沟断裂走向40°～60°，倾向SE，倾角70°(毕明光等，2011)。前文分析得到的莱州地震序列的发震构造走向NE，倾向NW，倾角70°左右，与上述地质资料有较好的对应，并且序列小震的震源机制解的倾角变化幅度相对较大(40°～90°)，也与地质资料揭示的邻近断裂的产状多变相对应。

图8 莱州地震震中区断层及重定位后的余震震中分布Fig.8 Faults in Laizhou earthquake sequence area and re－located epicenters.

山东地区背景应力场的研究结果显示，郯庐带以东、胶东半岛地区的主压应力轴方向为近EW向(郑建常等，2013)。本文得到的莱州地震序列12次ML≥3.0地震的震源机制结果，除个别事件(如2013年11月23日21时54分的ML3.0)可认为是主震后短时间内震源区应力场的调整作用外，其余基本与背景应力场方向一致。莱州地震震中区在构造分区上属于鲁东－黄海地块，从属于整个华北块体向SEE方向运动，莱州地震序列的小震震源机制活动与山东东部地区整体背景应力场一致，表明这次地震序列活动的构造动力源来自于区域构造应力场作用，可能与郯庐带两侧块体的相对运动和相互作用有关。

6 讨论与结论

基于山东省宽频带数字地震波形资料，使用CAP方法反演了莱州M4.6地震震源机制，并使用自助抽样法通过大样本量的重复反演给出了稳定的平均解，估计了得到的震源机制解的不确定性，结果显示:此次莱州M4.6地震的平均断层面解走向239.6°，倾角75.0°，滑动角174.4°;辅助节面解走向331.1°，倾角84.6°，滑动角15.0°;根据余震分布、烈度分布以及地质资料等断定其NE走向节面为发震断层。断层面解的误差范围估计为:P轴方位101.20°±20.4°，倾角 5.80°±27.2°;T 轴方位 199.70°±19.9°，倾角 14.00°±4.8°。

基于初动符号和振幅比数据，使用HASH方法计算了莱州序列中12次ML≥3.0地震的震源机制，其中M4.6主震结果与CAP方法的波形反演结果一致;基于山东台网的区域震相观测报告以及9个现场流动台的观测数据，使用HypoDD方法对序列小震活动进行重新定位，结果显示:除了发生在序列集中区外的3次微震，莱州地震序列震中分布整体上沿NE向展布;序列活动的震源分布显示断层面倾向NW，倾角在70°左右。

综合地震序列精定位和震源机制解等结果，进一步对地震序列活动过程中断层的破裂过程进行了分析，得到以下认识:

(1)地震序列活动前期存在有序破裂的现象:从2012年1月1日ML3.2地震开始，破裂向NE向发展，M4.6主震发生后，余震破裂的分布变得无序，震源空间散布更加随机。

(2)莱州M4.6主震前的小震围绕主破裂面发生，主震的发生填补了断层面上的破裂区“围空”。

(3)序列活动前期，断层的发震类型以走滑型为主;主震前的2次前震机制表现出一定的逆冲分量，可能显示了与主震发生有关的区域应力作用的增强;主震后的小震震源机制变化显示了主震发生后震源应力场的波动和调整。

(4)断层滑动矢量的分析与精定位结果相吻合，很好地显示了序列发展过程中断层面的破裂过程。

参考有关区域构造地质资料和区域应力场研究结果，对莱州地震的发震断层及其发震背景进行讨论，认为:我们得到的莱州地震序列的发震构造性质与区域的地质资料有较好的对应;莱州地震的主压应力轴方向与区域水平最大主压应力方向吻合，表明此次地震是在区域应力场作用下发生的，与构造单元块体的相对运动和相互作用有关。