2020, Vol. 40
2013-10-01山东省威海市乳山发生M3.2地震，之后余震频发，至今已超过15 000次，其中可定位的3 000余次，是胶东半岛地区1970年以来所发生的显著震群活动之一。据地震现场考察，乳山震群震中区地表未发现对应的断层，推测本次地震的发震位置可能是位于上地壳的隐伏断裂。由于乳山震群处于海陆交界，所有固定台站均位于陆地一侧，方位角覆盖极不均匀，且离震中较远，对一些微震的监测能力不足，因此，为深入研究乳山震群地下断层构造及发震机理，山东省地震局于2014-05在震中附近布设18个流动台站，用于对后续地震序列的监测。
乳山震群位于胶辽隆起和苏鲁褶皱带的交界地区，该地区是华北克拉通岩石圈破坏和减薄的主要地区[1-3]。接收函数结果表明，渤海海域的岩石圈厚度约60~80 km，是岩石圈减薄最强烈的地区。场地覆盖层较薄，在钻孔揭露深度范围主要由第四系松散堆积层和元古代玲珑期侵入花岗岩体组成。区域内部构造比较复杂，发育多条北东向断裂，历史上曾发生1046年岠嵎山和1939年乳山下初两次5级以上地震。其附近区域由于受NE向郯庐断裂带和NW向张家口-渤海断裂带的交叉控制，中强地震频发，如1548年渤海海峡7.0级、1948年威海近海6.0级以及1969年渤海7.4级地震等。郑建常、曲均浩、李铂等[4-6]利用山东地震台网的波形资料对乳山震群的震源机制和地震序列进行研究，但采用的均是固定台网资料，可能导致定位结果发生整体偏移。因此，本文利用方位角覆盖较好的流动观测台网资料开展乳山地区三维速度结构的研究，有助于更加深入地认识和理解乳山震群的发震机理。
1 乳山震群及流动观测台网概况乳山震群处于乳山市白沙滩镇，在震群集中区没有明显的断层分布。离震群比较近的主要有NE向、NNE向及近SN向4组主要断裂(乳山断裂、海阳断裂、朱吴断裂、米山断裂)，但震群离最近的乳山断裂也有13 km。台网记录的余震走向以NW展布为主，跟附近4组主要断裂的走向有一定的相似性，所以流动观测台网的台站布设也是以白沙滩镇政府为起点，以乳山台为终点，以NW向45°为假设断层走向，布设间距1 km左右。乳山流动观测台网主要由白沙滩、南马家、南泓南、小侯家、董格庄、小滩旧、财税培训中心、常家庄、海阳所、大单家、堡上村、桃村王家、多福山、洼于家、徐家镇、宫家岛、万户、吉林村等18个台站组成，加上原有的一些固定台站(可实时传输)，形成乳山流动观测台网的整体布局，如图 1所示。
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图 1 乳山地区流动观测台网与地震序列分布 Fig. 1 The distribution of mobile observation stations in Rushan and earthquake sequences |
利用双差定位方法进行流动观测台网余震定位[7]，采用双差层析成像方法(TomoDD)[8]反演该区域三维速度结构模型。
选择2014-05~2015-12乳山流动观测台网记录的1 289次地震波形资料，为了确保震相数据的精确拾取，所有地震事件的震级均大于1级。由于是流动观测台网记录，台站间距相对来说比较集中，所以在震相的拾取时至少会被6个及以上的台站记录到，剔除个别存在钟差或者残差较大的台站。其中，参与反演的绝对到时P波数据11 232个，S波的绝对到时数据10 988个，所有数据均为乳山流动观测台网记录。图 2是参与定位的震相时距曲线。
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图 2 P和S波的震相走时曲线 Fig. 2 The travel time curves of P wave and S wave |
目前山东地震台网使用的速度模型是3层速度结构的一维速度模型，由于乳山震群利用的乳山流动观测台网范围较小，文章所采用的速度模型参考了利用层析成像所得胶东半岛地区的地壳速度模型[9-10]，这个模型属于6层的一维速度模型。本文速度结构如表 1所示。
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表 1 地壳速度模型 Tab. 1 Crustal velocity model |
图 3是流动观测台网的精定位结果，与郑建常等[4]和曲均浩等[5]所用台网精定位记录相比，震中收敛性较好，余震分布呈线性到圆形变化展布，这与曲均浩等[11]同样采用双差精定位方法利用流动观测台网定位结果基本一致。数据流动观测台网对震群的包裹性较好，震群的余震分布呈非标准圆形，有一定的北北西的形态展布。余震具有非常明显的丛集性，在中心位置的东北侧地震数量略少，形成一个1 km左右区域的空区，这也与曲均浩等[11]精定位得到的结论相同。本文结果显示，几乎所有地震的震源深度都在10 km以内，深度范围主要集中在3~8 km之间，东南向深度略深于西北向，从空间分布的位置来看也相对比较集中，直径基本在2~3 km的范围。
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图 3 乳山流动观测台网地震序列重新精定位后的震中分布 Fig. 3 Epicenters distribution after accurate relocation of earthquake sequences obtained by Rushan mobile observation stations |
在检测板分辨率实验中，需要根据流动观测台网的分布、地震射线和余震展布进行网格划分。如图 4所示，分别沿经度、维度和深度3个方向设置网格点，由于使用的是流动观测台站观测数据，余震分布也极其密集，所以网格划分是以0.01°×0.01°进行均分，沿经度方向为121.62°、121.63°、121.64°、121.65°、121.66°、121.67°、121.68°、121.69°、121.70°、121.71°、121.72°、121.73°、121.74°，沿纬度方向为36.76°、36.77°、36.78°、36.79°、36.80°、36.81°、36.82°、36.83°°、36.84°、36.85°、36.86°、36.87°、36.88°、36.89°、36.90°，沿Z方向为-50 km、0 km、1 km、3 km、5 km、7 km、9 km、11 km、13 km、15 km、20 km。
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图 4 乳山研究区二维射线路径分布 Fig. 4 The distribution of two-dimisional ray path in Rushan research area |
利用双差成像技术对波形数据进行反演之前，一般需要对研究区的速度分布进行检测板的分辨率实验。反演的检测板测试中，正常的模型块体是以速度值的正负异常值进行相间排列，在不同的深度范围可以反映不同深度的正负异常值的速度变化，黑白格分布代表正负速度异常。本文采用双差定位方法对乳山震群的深度反演范围是3~8 km，所以检测板测试和真实的速度结构反演都采用这个范围进行讨论。由图 5可以看出，地下3~6 km设定的异常值都得到了很好的重建，但在8 km左右异常值的重建效果一般，分辨率在这个深度也变低，覆盖面也较小，检测板的网格精度设置为1 km×1 km。
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图 5 深度为3~8 km检测板结果 Fig. 5 Results of checkboard with the depth of 3 to 8 km |
本文主要针对的是3~8 km以上范围P波速度的异常分布，在反演过程中，P波具有比较明显的横向不均匀特性的速度展布。图 6分别显示了乳山流动观测台网下深度为3~8 km的速度变化情况，地表在3 km深度所反演的P波速度值为5.4 km/s，在此深度的速度变化范围为4.8~6.0 km/s，高低速度的变化率达到±11.1%；当到达6 km深度时，P波的速度值达到6.05 km/s，反演的速度变化范围为5.8~6.3 km/s，变化率减少到±4%；在8 km深度时，速度变化范围为5.95~6.15 km/s，变化率减少到±1.6%。可以看出，在浅层地壳，P波的速度差异性横向变化较大，随着深度的增加，速度值的变化范围呈减小趋势。
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图 6 深度为3~8 km分辨率结果 Fig. 6 Resolution results with the depth of 3 to 8 km |
深度在3 km范围内时，地震基本上只在低速区零星分布，高速区呈环形包裹，这也可能与场地条件的变化有关(乳山地区场地地貌单元属低山剥蚀丘陵)。由于研究区的覆盖范围较小，未找到精细化的地层分布特征，但是乳山市周围广泛分布有太古宙胶东群和元古宙荆山群地层，上部第四纪地层以素填土和粉质粘土为主，下部基岩为元古代侵入岩体玲珑超单元花岗岩。在场地局部分布粉质粘土，但是整个第四系厚度较薄，下伏基岩各风化带分布稳定，但风化层厚度不均匀，基岩分布较连续和稳定。随着深度的增加，在5 km深度地震明显增多，西侧和中部有明显的速度异常变化，东侧存在一个低速区，但是因为位置关系，略微远离地震集中区。西侧的主要震中区呈现一个低速异常，根据位置上推断，这个位置的速度差异性变化可能与岩体变化有关，这是两种不同岩体的交接部分，高速体应为老虎窝单元和崮山序列大孤山单元的花岗闪长岩，低速体应为第四纪地表覆盖层下的基岩，这也与曲均浩等[11]在5 km深度有明显的速度异常变化的结论有相似性。在8 km深度，地震数量有明显减少趋势，速度变化有明显的界限，地震主要集中在高速区和低速区的中间地带，这可能也与乳山地区第四系地层受地形起伏影响、分布不均匀有关系。
图 7给出了0 km和±1 km深度剖面的P波速度分布，VP速度横轴和纵轴剖面平行穿过研究区域不同的速度结构单元(图 3)。沿X轴方向在0 km的切面上可以看出，在深度4 km范围，P波速度为5.4 km/s；在深度5 km范围，P波速度为5.7 km/s。随着深度的增加，速度逐渐升高，地震总体趋势在X切面呈上下直立走向，地震集中区两侧区域速度达到6.1 km/s，中间区域速度略低于两侧区域，这也与地震破裂集中区应力释放比较集中有关。在-1 km的X轴切面，P波速度结构跟0 km的切面比较相似，震群也呈上下直立展布，地震最集中区域分布在5~6 km深度范围，两侧速度略高于中间位置。在1 km的X轴切面，P波速度结构地震数量少于其他切面，P波速度比较稳定集中，主要分布在6.0~6.2 km/s范围内。在Y切面，地震总体趋势呈圆形散布，P波速度结构跟X轴切向有一定的关联性，在破裂集中区速度较低，两侧位置升高，P波速度主要集中在5.8~6.2 km/s范围内，在-1 km和1 km地震数量有明显较少的趋势，个别地震分布在高低速交界处，大部分地震分布在高速区内。
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图 7 不同深度的速度结构剖面 Fig. 7 Velocity structure profile with different depths |
采用双差层析成像方法和乳山流动观测台网数据反演得到乳山地震集中区的速度结构特征，虽然乳山震群发生的位置没有已探明的断裂作为速度变化的依托，但也很好地反映了该区域的地下岩体特征与上地壳速度变化的相关性。通过对研究区余震分布的研究发现，所有的地震都发生在上地壳。乳山地区的震群活动性分布极为集中，在震群集中区域相对于周围速度变化属于低速异常体，异常体内的地震活动性不断增强表明，该区域深度应力比较集中。沿X、Y轴的剖面显示，余震在高速区分布较为集中，在震中的西侧和中部有明显的速度异常变化，这主要是由于研究区属于太古宙胶东群和元古宙荆山群地层，震中附近存在老虎窝单元和垛崮山序列大孤山单元的花岗闪长岩的高速体和第四纪地表覆盖层下的基岩，岩性的不同也是引起震中介质高低速变化的主要原因。不均匀的介质速度差异与乳山地区频繁的地震活动有一定的相关性，可能是导致乳山震群发生的主要因素之一。
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