山东地区乳山震群双差重定位及发震构造研究

张 斌，白相东，申金超，苏道磊

(1.济南市地震监测中心，山东 济南 250001；2.防灾科技学院，河北 三河 065201)

0 引言

2013年10月1日，在山东威海乳山地区发生显著震群活动，目前仍在持续发展。据山东省数字地震台网测定，自2013年10月1日至2015年10月，该震群记录到小震活动1万余次，其中发生ML2.0～2.9地震200余次，ML3.0～3.9地震活动25次，ML4.0～4.9地震活动3次，最大为2015年5月22日发生的ML5.0显著地震活动。此次震群活动频度高、持续时间长、活动强度大，受到广泛关注。

开展乳山震群地震精定位对于深入研判地震发展趋势、发震机制以及深部构造动力学背景具有重要意义。同时，乳山震群定位的精确程度直接关系到对研究区构造活动的认识。精确的地震定位是乳山地区走时层析成像方法最基础、最关键的数据源，关系到乳山地区成像结果的质量。

Waldhauser等[1]提出的双差定位算法是一种提高小震震源位置精度的有效定位方法。该方法对一定空间范围内的地震进行组对，利用“地震对”到台站的到时差确定地震的相对位置，很大程度上消除了介质横向不均匀造成的路径效应，能够获得较高精度的相对空间位置分布。通过该方法所确定的地震震源比常规地震定位方法更加精确，因而近年来得到了广泛应用，并取得了具有一定成效的研究成果[2-15]。

本文采用双差地震定位法对乳山震群2013年10月—2015年10月地震活动进行精定位，得到乳山震群完整的精定位结果，并求解乳山震群ML3.0以上地震的震源机制解，在此基础上初步探讨乳山震群发震断裂构造。

1 双差定位基本原理

双差定位法是一种相对定位方法，通过对一定空间范围内的地震事件两两组对，根据组对事件之间地震走时差的观测值和理论值残差来获得事件对的相对空间分布。相对于常规的地震定位方法，该方法在一定程度上消除了地壳速度模型引起的定位误差。双差算法的基本方程如下:

Δtjk-Δtik=-SjkΔXj+SikΔXi+εjk-εik

(1)

式中，Δtjk和Δtik为地震i和j到台站k的到时(走时)残差，Xi和Xj为两个震源的位置矢量，Sik和Sjk是两个震源位置到台站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。

2 数据选取与处理

2.1 震相数据

本文收集了中国地震台网中心提供的2013年10月—2015年10月山东乳山地区1556个ML≥1.0地震事件的正式震相观测报告，震相数据只要为直达波Pg、Sg及首波Pn、Sn的到时资料。为确保数据样本精度，对1556个原始地震的P波、S波到时数据进行了仔细筛选：重定位前的每个地震事件震相清晰，且能够被6个以上地震台站接收，且选取的台站与地震间距小于300km；根据Pg、Sg、Pn、Sn的时距曲线(图1)，剔除震相不清、距离较远、有明显错误、误差较大的震相数据；最终，挑选出1422个符合要求的地震事件。

图1 乳山震群P波和S波震相走时曲线图Fig.1 The travel time curves of P and S waves of Rushan earthquake swarm

2.2 速度结构

双差定位虽然对速度模型的依赖性较小，但震源所在层的速度值会对定位结果产生影响，因此，为了提高定位精度，需选用更加接近真实的地壳速度模型，从而有效地降低由于地壳速度结构的不确定性而引起的误差。本研究在充分吸收胶东半岛地区的人工地震探测剖面资料[16-18]以及利用地震层析成像技术研究成果[15]的基础上给出研究区的地壳速度初始模型(见表1)。

2.3 震相数据控制参数

用双差方法进行地震重新定位时，由于读取P波的到时精度高于S波，对不同震相数据质量和观测精度进行了动态加权，在hypodd定位程序中赋予P波震相权值为1.0，S波权值为0.75；挑选双差数据≥8的地震对组成方程组(即每对事件方程至少8个)；程序中阻尼值的大小会影响条件数(CND)的大小，根据经验，所选的阻尼值应使条件数在40～80之间；本文研究处理的地震事件数量较多，采用共扼梯度法(LSQR)求解方程，通过反复迭代，舍去残差大于阈值的震相数据，直至得到稳定解。

表1 采用的一维P波地壳速度模型.

3 定位结果

3.1 乳山震群水平分布

采用双差精定位对乳山震群进行了重新定位。对比原始定位结果(图2)可以发现，定位前乳山震群震源的水平位置比较分散，重定位后震中分布更加集中，震群总体呈现北西向优势分布。重定位后的地震活动密集分布在11km×3km范围内，在NW向的延长线上有零星地震分布。

3.2 乳山震群震源深度

震源深度是描述地震的关键参数之一，是研究活动构造、构造变形及其力学属性和力学行为等大陆动力学的基础[19-21]。震源深度的空间分布能够反映发震断层的几何形态，为探索地震孕育和发生的深部环境提供依据。乳山震群重定位前，震源深度较为分散，最大震源深度为23km，且有近200个地震活动未给定震源深度。采用双差定位方法得到的乳山震群震源深度总体上分布在2～16km，形态接近正态分布，主要集中分布在6～10km，优势分布深度为7～9km，最大震源深度19km，震源深度较浅，表明地震主要发生在上地壳。与原始定位结果相比，双差定位震源深度更加集中(图3)。

图2 乳山震群定位结果分布图及部分3级以上地震震源机制解Fig.2 Distribution of located epicenters of Rushan earthquake swarm and focal mechanisms of ML ≥3.0 earthquakes

图3 乳山震群重定位前后震源深度分布图Fig.3 The distribution of focal depths of Rushan earthquake swarm before and after relocation

图4为乳山震群震中分布AA‘剖面及共轭剖面BB’的地震活动分布图。截面位置如图2b中所示。AA’剖面表明震群活动具有分段特点，由南向北震源深度逐步变大。BB’剖面勾勒出断层深部结构形态，表明发震断层倾角较大，倾向北东。

(图中圆圈大小代表震级，色标与图4中相对应)图4 乳山震群重定位后沿AA’、BB’剖面的震源分布图Fig.4 The distribution of focal depth of Rushan earthquake swarm after relocation along profiles AA’, BB’ (The size of the circle represents the magnitude, and the color mark corresponds to that in Fig.4.

4 震源机制解及发震断层讨论

震源机制解能够直观反映地震破裂的几何特征和运动学特征，对解释孕震机理、研究地震活动与地质构造之间的关系具有重要的作用。大量的中小地震震源机制解总体特征能够代表一定条件下区域构造应力场的方向特点。本文采用 P 波初动方法获取了乳山震群21次ML3.0以上地震活动的震源机制。图2b小框中为部分ML3.0以上事件的震源机制平面分布图，震源机制解结果显示该震群为走滑型地震，震源的两组节面分别为NW向和NE向。

图5为反演得到的乳山震群21次ML3.0以上地震活动的震源机制的走向、倾角的玫瑰花图，可见节面的走向集中在NW向、NE向两个优势方向，倾角均值大约为70°和60°，表明发震断层为倾角较大的走滑断层。结合乳山震群精定位结果具有NW向优势方向及震源机制解认为，该震群发震断层为NW向、高倾角走滑断层。

图5 乳山震群震源机制解节面A(红色)、B(蓝色)走向及节面倾角玫瑰花图Fig.5 Rose maps of the strike, dip of nodal planes A (red) and B (blue) for focal mechanism solution of Rushan earthquake swarm

相关学者[22-24]认为，通过统计平均反演大量震源机制得到的P轴和T轴，可以获得该地区的构造应力场情况。图6为乳山震群P轴和T轴的方位角与倾角，结果表明，此次震群P轴方向主要集中在NW向，倾角均值40°左右，P轴优势方位与该区域的现代构造应力场相一致[25-26]，表明本次震群活动主要是受到区域应力场的控制。

图6 乳山震群P轴(红色)和T轴(蓝色)方位角(a)和倾角(b)的玫瑰花图Fig.6 Rose maps of the azimuth (a) and plunge (b) of P-axis (red) and T-axis (blue) for the Rushan earthquake swarm

1．荆山群；2.混合岩；3. 花岗岩；4. 已探明NNE向断裂；5. 地体边界断裂；6. NW向隐伏构造带图7 乳山地区主要断裂构造简图(据贺振等修改)Fig.7 The seismotectonic structure map of Rushan area (modified based on He et al)

乳山位于胶东半岛南部，受西太平洋板块俯冲作用和郯庐断裂带左行走滑的控制，主要发育NE、NNE向断裂，该地区历史地震和现代地震活动主要受这些主干断裂影响。乳山震群震中附近区域贯通地表的断层有3条，分别为米山断裂(长约20km，倾角53°～60°，总体走向5°)、乳山断裂(长约17km，倾角75°～85°，走向10°)以及震中南侧附近海域中NE向的千里岩断裂北段(倾角60°～80°，长约32km)。但此3条断裂均与乳山震群发震断裂特征不符。贺振等[27]研究认为乳山地区至少可以划分出NW向4个构造条带(图7)，断裂走向为300°～340°，并且地质单元界线多为隐伏断裂或者隐性界线，与本文乳山震群双差定位结果的集中展布方向、震源机制解节面A的走向大致相同。故而，推测本次乳山震群发震断层可能与此隐性断裂相关。

5 结论

本文采用双差重定位方法对2013年10月—2015年9月山东乳山震群1442个ML1.0以上地震事件进行重新定位，得到如下结论：

(1)整个地震序列呈现NW方向优势展布，震源深度集中分布在6～10km，优势震源深度为7～9km，地震主要发生在上地壳。

(2)通过P波初动法求得乳山震群部分ML3.0以上地震震源机制解，地震震源机制解的节面A与双差精定位后地震优势分布方向较为一致。

(3)综合双差精确定位结果、ML3以上地震的震源机制解及区域构造特征，推测认为此次乳山震群发震断层为NW向隐伏走滑型断裂。