2020年6月9日中卫ML3.4地震的震源机制及其中心解的测定＊

许英才 曾宪伟 王 银 崔 瑾

（宁夏回族自治区地震局，银川 750001）

引言

据宁夏区域地震台网测定，2020年6月9日21时 32分 42秒中卫市沙坡头区（37.46°N，105.31°E）发生ML3.4地震，其震中位于天景山断裂带北缘与阿拉善地块南缘的交汇处。地震发生后，当地部分人反映有震感，随后宁夏地震局立即召开地震紧急会商。虽然该地震为中卫地区为数不多的一次显著性地震事件，且发生在1970年以来地震相对较少的地区，属于孤立型地震，但该地震震中20 km范围内曾经发生M6.0以上地震3次，其中1次为宁夏中部地区历史上最大震级的地震（图1），即1709年中卫南7½级地震。该地震曾经造成了严重的破坏和人员伤亡，震后产生了一条大于30 km的地震破裂带，其震中烈度Ⅸ—Ⅹ度[1]，其极震区和破坏区的椭圆长轴分别为近似水平向和北西西向，而且1709年中卫南7½级地震和2020年6月9日中卫ML3.4地震的震中距离仅仅7 km左右。而上一个距离最近的显著性地震要追溯到1976年6月28日中卫ML4.4地震，时间上已经过去45年，加之该地区地震数量不多且震中附近的先前地震震源机制结果资料十分稀少。2020年6月9日ML3.4地震震中50 km范围内，天景山活动断裂带为其最近的主要构造，该断裂带下延深不大[2]，仅20 km左右，属于基底断裂，新生代以来在经历了早期强烈的挤压活动阶段后，大约在第四纪早更新世中晚期，其活动方式转为沿弧形断裂带的左旋走滑，现今为一条强烈的左旋剪切变形带；该断裂带处于阿拉善地块和祁连山地槽褶皱区之间的走廊过渡带东端，也位于青藏高原东北缘，断裂北东侧为中卫—清水河盆地，而南西侧是香山和天景山隆起，两盘高差达1100余米。

图1 2020 年 6 月 9 日中卫 ML3.4 地震震中及其周边区域M5.0以上历史地震（公元876—1969年）和ML3.0以上地震（1970—2020年）分布（白线为块体线，粗黑线为断裂）Fig.1 The distribution of M≥5.0 historical earthquakes （AD 876—1969） and ML≥3.0 earthquakes （1970—2020）in the epicenter of the ML3.4 Zhongwei earthquake on June 9，2020 and its adjacent areas （the white lines represent the block border，and the thick solid lines represent the faults）

为此有必要进一步了解和分析此次地震具体的主要震源参数，即本文采用gCAP方法[3-4]反演中卫ML3.4地震的震源机制解和震源矩心深度，并用Hash方法[5]计算该地震的震源机制作为补充和对比，然后计算两种方法的震源机制中心解[6]，并结合地质构造资料，分析其可能的错动方式，为中卫地区的后期震情跟踪及趋势判定补充相关基础资料。

1 方法与数据

gCAP方法原理是将地震事件波形分成Pnl，SH波及面波段分别拟合[3-4]，滑动每个波段并使其吻合最好，主要采用近震事件的体波和面波信息进行全面约束，分别对Pnl以及面波不同的权重系数，且综合考虑了Pnl和面波的振幅比因素，对震源机制解和震源深度有着相对更好的约束能力，也是国内测定震源机制和震源深度主要手段之一[7-9]；Hash方法也是计算震源机制解常见相对稳定可靠的方法之一[5]，其原理是通过量取直达P波初动极性以及直达P波和直达S波的振幅来计算断层面解，而其计算的S/P振幅比可用于约束界面，该方法主要用于测定中小地震的震源机制解[10-11]。

数据处理方面，gCAP方法要求对波形进行去均值、去线性趋势、去波形尖灭以及去除仪器响应，并将N、E、U向的三分量旋转至R、T、Z分量，然后再进行4阶Butterworth带通滤波器的滤波，其体波滤波范围 0.05—0.2 Hz，面波滤波范围 0.06—0.1 Hz，然后计算不同震中距的理论格林函数，将格林函数合成得到理论波形和之前预处理的波形进行拟合和反演；Hash方法则要求选取P波初动清晰以及S波段满足一定的高信噪比（即S波段的SNR至少大于3才能使用）的台站，其带通滤波范围1—15 Hz，坐标旋转到R、T、Z坐标系，根据波形记录情况选择合理的波形最低信噪比的阈值，其设置的最低信噪比为2.5。其计算的速度模型采用杨明芝等[12]的宁夏及邻区平均地壳速度模型，分别经过一系列预处理后，计算过程中其gCAP和Hash方法所使用的台站情况如图2所示，该地震的两种方法主要利用震中200 km范围内的台站，其中gCAP方法所使用台站为9个，震中距范围主要在100—200 km之间；Hash方法使用台站为10个，震中距范围约在30—200 km之间。

图2 gCAP方法和Hash方法所使用的台站分布（a）和宁夏及邻区平均地壳速度模型（b）Fig.2 The distribution of seismic stations used by gCAP and Hash method （a），and the average crustal velocity model in Ningxia and its adjacent areas （b）

2 计算结果与分析

2.1 gCAP 方法结果

2020年6月9日中卫ML3.4地震的理论与观测波形拟合误差随深度分布情况（图3a）表明，gCAP方法得到的最佳拟合的震源矩心深度为12 km，即在12 km处误差函数为极小值。而其最优深度处的理论与观测波形拟合图显示（图3b），其最佳震源机制解某节面为走向 255°，倾角 79°，滑动角−20°，矩震级MW3.5，参与反演的台站共9个，参与计算的震相有45个。综合来看，整体理论与观测波形的拟合系数大于60%的有29个，占所有震相总数的64%；其中Pz和Pr相关拟合系数大于60%的占Pz和Pr总数的61%，Sz、Sr和Sh相关拟合系数大于60%的占Sz、Sr和Sh总数的67%，表明理论波形和观测波形的相关性相对较好。

图3 gCAP方法测定的2020年6月9日中卫ML3.4地震的波形拟合误差随深度变化图（a）及观测波形（黑）和理论波形（红）的波形拟合图（b），拟合图波形左上角字母为台网及台站名，下侧为震中距（单位：km）和方位角（单位：°）；波形下侧的两行数字分布为理论波形相对观测波形的移动时间（单位：s）及其相关系数（单位：%）Fig.3 The variation of waveform fitting error with depth （a） and the fitting figure （b） between observed （black） and synthetic（red） waveforms of the ML3.4 Zhongwei earthquake on June 9，2020 by gCAP method.Letters in the upper left corner are the network and station names，and epicentral distance （in km） and azimuth （in degree） are under the station names.Numbers under the waveforms are the time shifts （in second） of the synthetic waveforms relative to the observation waveforms and their correlation coefficients （in percentage）

2.2 Hash 方法结果

Hash方法得到的结果如表1所示，其震源机制某节面的走向344°，倾角89°，滑动角176°，从表1可看出，初动的极性分为两种：impulsive和emergent，分别表示初动清楚和初动不易辨认（即信噪比低），有一部分台站初动不清晰并不是信噪比低导致，而是这些台站离节面近，其初动就弱，为此需要一定的S/P振幅比来约束节面，保证其一定的约束能力。Hash方法充分采用了P波初动极性和S/P振幅比的数据，而且在兼顾较高信噪比的前提下，可能较好的约束了节面。由于本次地震震级不大，实际上利用清晰P波初动5个（条件满足均为implusive），而S/P振幅比则达到6个（条件为满足最低信噪比2.5），而剩下5个emergent的极性以及4个S/P振幅比没有被利用，因为不满足Hash方法的计算条件。为此本次地震虽然利用的P波初动极性不多，但较好的利用了S/P振幅比数据。解的质量主要受到尖锐P波极性的台站数量和及其方位分布等的影响较大，而且初动极性对节面的不确定度也有影响[5]，本次地震在兼顾P波极性、S/P振幅比的数量以及较高信噪比的前提下，其解的客观质量评级为D（Hash方法根据解的质量评级从高到低客观分为A、B、C、D、E和F类），属于中等水平，并且前人Hash方法相关计算资料均采取D类以上的结果[10-11]，其中D类以上（含D类）结果均为可采用结果，为此本次地震计算结果基本在可接受的范围内。

表1 Hash方法测定的2020年中卫ML3.4地震震源机制解等参数结果Table 1 Focal mechanism and other parameters of the Zhongwei ML3.4 earthquake in 2020 by Hash method

2.3 震源机制中心解

为对比和了解gCAP方法和Hash方法结果之间的离散程度，将该两方法进行同一地震多个震源机制中心解的测定[6]，得到分别以各个方法所得震源机制解结果为初始解给出的标准差（表2），可见两种方法结果的标准差基本一致（仅仅在小数点后4位有所差异），客观表明这两种方法计算得到的震源机制解结果是相对稳定的。通过比较gCAP和Hash方法作为初始解得到的标准差，发现以gCAP方法的结果作为初始解所得的震源机制标准差最小，然后得到最终中心解结果（表3和图4），即最终中心震源机制的第一个节面的走向、倾角和滑动角分别为：255.16°，86.53°和−10.52°，其第二个节面的走向、倾角和滑动角分别为：345.80°，79.50°和−176.48°。其中压应力轴（P轴）走向和倾伏角不确定范围分别为198.82°—221.82°和 2.05°—18.30°，张应力轴（T轴）走向和倾伏角的不确定范围分别为 289.68°—312.68°和−3.41°—13.22°，中间应力轴（B轴）走向和倾伏角的不确定范围分别为−34.78°—113.05°和 71.34°—89.87°。而其中心震源机制与gCAP及Hash方法结果的最小空间旋转角基本一致，其中gCAP方法结果不仅仅其标准差最小而且其空间旋转角也是相对最小，其最小空间旋转角为12.09°，说明gCAP方法结果离中心解的距离也是相对最近。而此次地震中心震源机制和其不确定性见图4，该图表明，此地震的震源机制中心解测定的P轴误差范围相对略小，而B轴和T轴的误差范围相对略大。本文也给出了2020年6月9日中卫ML3.4地震的震源机制中心解，并采用中心解结果作为本次地震的主要震源参数。

图4 2020年6月9日中卫ML3.4地震的震源机制（gCAP和Hash方法）及其中心解（即黑色弧线代表中心解的两个节面，绿色弧线覆盖区域代表其不确定范围。红、蓝和橙色的点分别代表中心解P、T和B轴，其周围对应颜色的封闭曲线代表其各自的不确定范围。绿点和黑点代表该两个方法得到的P轴和T轴，紫弧线为该两个方法得到的震源机制节面）Fig.4 The focal mechanism of the ML3.4 Zhongwei earthquake on June 9，2020 by gCAP and Hash method and their central focal mechanism （the black curves are the two nodal planes of central focal mechanism，and the coverage areas are the uncertainty range.Red，blue and orange dots are respectively P，T and B axes of the central focal mechanism， and the corresponding color around closed curve are their uncertainty range.Green and black dots are the P，T axes from these two methods，and the magenta curves are the nodal planes of focal mechanism from these two methods）

表2 gCAP方法和Hash方法给出的2020年中卫ML3.4地震震源机制解和得到的中心机制解及标准差Table 2 Focal mechanism of the Zhongwei ML3.4 earthquake in 2020 by gCAP and Hash method and the center focal mechanism and its residuals

表3 两种方法结果及最终中心解的两个节面、P、T及B轴参数Table 3 The two nodals，P，T and B axes parameters of two method and the terminal center focal mechanism

2.4 震中附近相关地质构造资料所揭示的变形特征

由于2020年6月9日中卫ML3.4地震震中发生在天景山活动断裂中段和1709年中卫南7½级地震附近，根据现有地质构造资料[2, 13]，图5给出了天景山断裂中段的地质断层分布。天景山活动断裂中段的构造变形相对比较简单，其构造变形主要是以一条连续性较好的左旋正走滑断裂，其表现以沟槽、断层陡坎和小地堑为特征，而且其横跨断层的阶地、水系和冲沟均发生了幅度不等的左旋位移。该中段发育了若干个次级地质断层组合，其中，SF1断层为天景山中段西侧的烟洞梁以西区域，断层活动以左旋走滑为主，其走向277°；SF2断层主要为烟洞梁至窟窿山之间区段，长约23 km，总体南倾斜且倾角50°—80°，性质为左旋逆走滑；SF3断层位于窟窿山至青驼崖之间，长约18 km，南北各有一条断层，近于平行，相距约 3 km，走向均为 283°—285°，而且 SF3断层沿袭利用了早期的挤压构造带，其活动性质由挤压转变为剪切，走向取直，而且在腰坝子沟处左旋扭动痕迹明显；SF4断层经青驼崖、红谷梁至双井子，长约13 km，呈现向北东突出的弧形以及其逆断层剖面，断面总体南倾斜，而红谷梁以西受第四纪以来的左旋走滑断层切割或牵引，为一条继承性断层。

图5 2020年6月9日中卫ML3.4地震的震源机制中心解及其附近地质断层构造（白色线为块体线，地质断层数据来源于《天景山活动断裂带1∶50 000地质图及说明书》[ 13]）Fig.5 The central focal mechanism of the Zhongwei ML3.4 earthquake on June 9，2020 and the adjacent geological fault structure（the white lines represent the block border，and geological fault data is from 《Geological map of Tianjingshan active fault zone （1∶50 000） and its instructions》[ 13]）

该中段活动程度最强烈的为窟窿山—双井子两条次级断层（即SF3至SF4断层之间），自全新世中期和晚更新世晚期以来其活动强度为整个断裂带中最大的一段[14-15]，而窟窿山—双井子东西两侧的次级剪切断层（即SF1、SF2断层及SF4断层以西区域）活动强度相对较低，而且1709年中卫南7½级地震宏观震中和地震主破裂带就展布在窟窿山—双井子段上，地震最大错距5.6 m，作为走向北20°西的一条强烈左旋走滑的地表破裂带，其主压应力方向与剪切面走向的夹角在22°—33°之间，其地表破裂带所反映的构造应力场为北80°左右。整体来看，天景山活动断裂带的继承性断层调查结果也表明[16]，天景山断裂带为规模较大的断裂带，早期表现为挤压逆断，而晚期则转变为明显左旋走滑的特征，构造应力场由早期的近南北向转变为晚期的北东—北东东向。

为此，地质构造资料反映这些地质断层以及其附近的其他构造变形单位均存在不同程度的左旋走滑特征或者具有一定的左旋位移。而2020年6月9日中卫ML3.4地震的震源机制两个节面理论上都有可能是该地震的发震断层，如果断层面是NEE向节面，则该地震为左旋走滑型地震，符合前述地质构造资料的解释；但如果断层面是近似南北向的节面，则该地震为右旋走滑型，和前文描述的该区域及毗邻地区变形特征不符，为此就目前相关资料结果及其依据来看，近似南北向节面为断层面的可能性相对较小。推测天景山断裂中段北侧的中卫—清水河盆地区域也可能存在一些次支或隐伏断层，其中一些断层走向可能主要以近似水平为主，其变形特征可能和天景山活动断裂中段大体一致，认为2020年6月9日中卫ML3.4地震可能是在这种区域应力场背景下，沿着NEE向的剪切破裂引起的左旋走滑地震事件。

3 结论与讨论

2020年6月9日中卫ML3.4地震发生在天景山活动断裂带中段以及1709年中卫南7½级地震的极震区内，本文利用gCAP和Hash方法得出该地震的震源机制解，并用该两种方法的结果计算了其震源机制中心解。震源机制中心解结果表明，gCAP方法结果和Hash方法的结果基本一致，其中gCAP方法的结果最接近中心解的结果，即其最小空间旋转角相对最小，为12.09°，且gCAP方法测定该地震矩震级大小为MW3.5，其震源矩心深度为12 km。本文采用中心解结果作为该地震的主要震源机制参数，即：节面 I走向 255°，倾角 87°，滑动角−11°；节面 II走向 346°，倾角 80°，滑动角−176°，该地震为走滑型地震，其主压应力轴的走向主要为NE向，并和天景山活动断裂带区域构造应力场的方向基本一致。

由于震中及邻近区域北侧毗邻基底面很高、盖层很薄且相对较硬的古老克拉通，即阿拉善地块，而西南侧紧挨相对更活跃、复杂且相对柔软的祁连地槽。在长期青藏高原东北缘区域北东向强大推挤力的作用下，同时受到北侧阿拉善和东侧稳定鄂尔多斯两个相对坚硬地块阻挡，这种应力格局引起了天景山活动断裂带中段的强烈左旋走滑，这也是震中及毗邻区域的变形框架条件。为此以该断裂带为边界的附近断块或其他构造也可能发生顺时针旋转，使断块边界的一些次支或者其他隐伏断裂也产生一些与之相应的变形特征。综合该地震的震源机制结果和震中附近区域的相关地质构造资料，这些依据更倾向支持该地震为左旋走滑型地震，而且其NEE向的节面为其断层面的可能性相对较大。

本文也为中卫地区积累了震源机制解资料，然而该地震为孤立性地震，而且其震中50 km范围内弱震数量十分稀少且不利于开展地震精定位工作，至于是不是和历史上1709年中卫南7½级地震的发震断层有关，还需要今后更多其他方面的研究工作来进一步证实。

致谢

本文的图件主要用GMT绘制。感谢万永革教授为本文提供震源机制中心解程序。