2023, Vol. 43
据宁夏地震台网测定，北京时间2021-09-29 06:56:19在宁夏回族自治区中卫市中宁县喊叫水乡(37.00°N, 105.52°E)发生ML3.6地震(图 1(a))，该地震位于天景山断裂和海原断裂带之间的少震和弱震区，震中20 km范围内强震和中小地震数量十分稀少。距离震中最近的构造为天景山活动断裂带，该断裂是一条向北西撒开、向南东收敛且弧顶指向北东的弧形构造，倾向大体为SW，地貌上断裂南西侧为香山、天景山等中高山地，北东侧为清水河盆地。天景山断裂带弧顶西侧NWW走向段以左旋走滑为主[1]，而弧顶东侧NNW走向段主要为地层褶皱和逆冲活动，NNW走向段附近的清水河盆地区域还具有一定的右旋活动特征。该地震震中也位于天景山断裂弧顶段附近且偏向NNW走向段一侧，同时该地震也打破震中10 km范围内长达35 a无ML3.0以上地震的记录，测定本次地震的震源参数及其特征，对于补充和初步认识天景山断裂附近少震及弱震区的发震构造具有重要意义。
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图 1 中宁ML3.6地震震中附近区域地质构造、5级以上历史地震及1970年以来ML2.0以上地震分布 Fig. 1 Regional geological structure, the epicenters of the M≥5.0 historical earthquakes and the ML≥2.0 earthquakes since 1970 around the epicenter of the Zhongning ML3.6 earthquake |
本文采用初至P震相定位法[2]测定中宁ML3.6地震的初始破裂深度，然后基于gCAP反演方法[3-4]测定其震源机制解、矩张量解、矩震级和震源矩心深度等参数，最后根据震源机制和应力场模拟方法[5]计算现今应力场体系在该地震震源机制两个节面的相对剪应力和正应力，并结合区域地质构造等结果综合分析中宁ML3.6地震可能的发震构造。
1 初至P震相定位法测定震源深度初至P震相定位法[2]是联合Pg和Pn震相到时数据测定震源深度，该方法充分利用初至P震相较易辨识、有效震相丰富且读取误差相对较小的优点，根据速度模型、地震事件的初始震源位置，通过Pg及Pn走时方程测定理论走时，并与观测走时对比获得走时残差，然后反复变换震源位置重复计算走时残差，直到走时残差最小，即可测定最佳震源位置。本文利用13个具有清晰P波记录的台站(图 1(b)三角形)走时数据，其中记录到清晰Pg震相的台站数量为10个，震中距为37~185 km；记录到清晰Pn震相的台站数量为3个，震中距为249~302 km。基于宁夏及邻区的平均地壳速度模型[6]，得到初至P震相走时残差随震源深度变化图和震中附近走时残差三维图及在经、纬度和深度方向的切片(图 2)，结果显示走时残差在震源深度11 km处最小，并且三维切片结果表明走时残差相对较小的区域大体呈现椭圆状，最小走时残差均基本位于椭圆中心位置，即对应震源深度为11 km。
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图 2 中宁ML3.6地震初至P震相走时残差-震源深度曲线及走时残差三维切片 Fig. 2 Travel-time residuals of first arrival P phase-focal depth and 3D slices of travel-time residuals of the Zhongning ML3.6 earthquake |
gCAP(generalized cut and paste)方法[4]是在CAP方法[3]基础上增加反演非双力偶成分功能，非双力偶成分包含各向同性源(ISO)和补偿线性偶极子(CLVD)，该方法在反演过程中将全波形分为Pnl波及面波两个部分，并且对Pnl波及面波赋予不同权重，根据实际波形与理论波形的拟合误差函数，通过网格搜索寻找误差函数的最优解。该方法的优势在于可以将每个波段的实际观测波形与理论波形的相对时移进行拟合，以减少对地壳速度横向不均匀性的依赖。gCAP方法反演全矩张量解时需增加计算非双力偶ISO和CLVD成分；而仅反演震源机制解时，则需将非双力偶成分约束为0。本文在分别反演震源机制和全矩张量解时，选取波形信噪比相对较高且方位角覆盖分布相对较好的7个台站(图 1(b)正方形)，这些台站震中距主要介于76~185 km之间，计算过程中均对这些台站Pnl波和面波分别截取30 s和60 s窗长，Pnl波与面波滤波范围分别为0.05~0.2 Hz和0.05~0.1 Hz，走向、倾角和滑动角的搜索间隔设为5°，震级搜索步长为0.1，深度步长为1 km，格林函数采用频率-波数法(FK)进行计算[7]，格林函数和实际波形的采样率均为0.2 s。最后得到中宁ML3.6地震的震源机制解和矩张量解结果(图 3和图 4)。其中图 3为中宁ML3.6地震震源机制及矩张量解反演误差随深度变化，反演误差均在11 km深度处最小；图 4为最佳拟合深度处震源机制、矩张量解及各自的理论波形与实际波形拟合情况。根据波形平均拟合相关系数对震源机制解结果的质量进行分类[8]，即平均拟合相关系数大于65%为A类，在60%~65%之间为B类，小于60%为C类。本文中宁ML3.6地震震源机制最佳拟合深度处的平均波形拟合相关系数为69.8%，而矩张量解最佳拟合深度处的平均波形拟合相关系数为70.4%，后者平均拟合相关系数略高于前者，平均相关系数均大于65%，属于A类，说明震源机制解及矩张量解结果较为可靠。表 1为中宁ML3.6地震震源机制断层平面解和矩张量最佳双力偶解等参数结果，本次地震震源机制断层平面解为节面Ⅰ走向242°、倾角63°、滑动角8°，节面Ⅱ走向148°、倾角83°、滑动角153°，P轴方位角198°、倾伏角14°；矩张量最佳双力偶解为节面Ⅰ走向241°、倾角62°、滑动角7°，节面Ⅱ走向148°、倾角84°、滑动角152°，P轴方位角198°、倾伏角15°，震源机制解和矩张量最佳双力解的震源参数结果基本一致。gCAP方法得到的两个震源机制节面倾角均较高，分别在62°~63°和83°~84°之间，根据Zoback[9]关于震源机制解分类标准可知，本次中宁ML3.6地震震源机制类型为走滑型。
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图 3 中宁ML3.6地震震源机制解及矩张量解反演残差随震源深度变化 Fig. 3 Inversion residuals of focal mechanism solution and moment tensor solution variation with focal depth of the Zhongning ML3.6 earthquake |
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图 4 中宁ML3.6地震震源机制解及矩张量解和理论波形与实际波形拟合图 Fig. 4 The focal mechanism solution and moment tensor solution of the Zhongning ML3.6 earthquake and comparison between synthetic and observed waveforms |
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表 1 2021-09-29中宁ML3.6地震gCAP方法的断层平面解和矩张量最佳双力偶解参数 Tab. 1 The parameters of fault plane solution and optimal double couple solution of moment tensor from gCAP method of the Zhongning ML3.6 earthquake on September 29, 2021 |
此外，本文还测定中宁ML3.6地震矩张量解中双力偶和非双力偶等成分所占比例，gCAP方法[4]分别用ζ和χ表示全矩张量解中ISO和CLVD成分，这些分量所占比例即ΛISO(ISO成分比例)、ΛDC(DC成分比例)及ΛCLVD(CLVD成分比例)可表示为：
| $ \mathit{\Lambda}^{\mathrm{ISO}}=\operatorname{sgn}(\mathit{\zeta}) \mathit{\zeta}^2 $ | (1) |
| $ \mathit{\Lambda}^{\mathrm{DC}}=\left(1-\mathit{\zeta}^2\right)\left(1-\chi^2\right) $ | (2) |
| $ \mathit{\Lambda}^{\text {CLVD }}=\operatorname{sgn}(\chi)\left(1-\mathit{\zeta}^2\right) \chi^2 $ | (3) |
| $ \left|\mathit{\Lambda}^{\mathrm{DC}}\right|+\left|\mathit{\Lambda}^{\mathrm{CLVD}}\right|+\left|\mathit{\Lambda}^{\mathrm{ISO}}\right|=1 $ | (4) |
由图 4可知，该地震全矩张量解对应的ζ值为0.17，χ值为0.02。根据式(1)~(4)计算得出本次中宁ML3.6地震双力偶成分占97.07%(表 2)，非双力偶成分仅占2.93%，说明中宁ML3.6地震是一起天然地震事件。
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表 2 2021-09-29中宁ML3.6地震各成分在全矩张量解中占比 Tab. 2 The percentage of each component in full moment tensor solution of the Zhongning ML3.6 earthquake on September 29, 2021 |
基于中宁地区应力场结果[10]，采用震源机制和应力体系模拟方法[5]，对该震源机制解和区域应力体系的关系进行模拟，得到该区域应力体系下的震源机制、相对剪应力及正应力分布(图 5)，以及中宁ML3.6地震震源机制两个节面的相对剪应力和正应力。
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图 5 现今区域应力体系在中宁ML3.6地震震源区模拟的各种形状断层面震源机制及其相对剪应力和正应力分布 Fig. 5 Distribution of simulated focal mechanisms and relative shear stress and normal stress of various shaped fault planes under the current regional stress system of the Zhongning ML3.6 earthquake |
应力张量在中宁ML3.6地震震源机制节面Ⅰ(走向242°、倾角63°)的相对剪应力和相对正应力分别为0.435和0.636，剪应力滑动角为124.1°；而在节面Ⅱ(走向148°、倾角83°)的相对剪应力和相对正应力分别为0.542和-0.822，剪应力滑动角为-96.6°。由图 5可知，这两个节面的相对剪应力均不是最大(相对剪应力最大为1)，表明中宁ML3.6地震不是在区域构造应力场最大的释放节面上发生，即中宁地震的两个震源机制节面均不是最大剪应力的断层面形状，其中节面Ⅱ的相对剪应力略大于节面Ⅰ，且节面Ⅱ处于正应力抑制区域，节面Ⅰ处于正应力较大区域。由于NNW向节面Ⅱ在区域应力场体系下受到的相对剪应力比NE向节面Ⅰ大，且受到的正应力比NE向小，为此从相对剪应力、正应力和发震力学因素(即震源区剪切作用)来看，该地震在NNW向节面Ⅱ产生剪切滑动的可能性相对较大。
4 讨论由于中宁ML3.6地震处于少震弱震区，为初步了解该地震的发震构造，本文主要对距离中宁地震震中20 km范围内的2009年以来ML1.0以上小震进行HypoDD方法[11]重定位，重定位时使用距离震中200 km以内的17个台站(图 1(b)圆形)，得到重定位后的小震分布(图 6(a))，并将gCAP方法震源机制和区域主压应力在节面Ⅰ、节面Ⅱ产生的相对剪应力以及错动方式绘制成示意图(图 6)。从图中可以看出，重定位后中宁ML3.6地震震中5~10 km范围内的小震分布相对集中，且主要呈现近NNW向分布，这与最近的庙山褶皱带走向基本一致，也与震源机制解节面Ⅱ走向大体一致。HypoDD方法得到本次中宁ML3.6地震震中位置为36.999°N、105.504°E，震源深度为11.8 km，这与初至P震相定位法及gCAP方法测定的深度11 km基本一致，其中HypoDD方法与初至P震相定位法测定的深度均为初始破裂深度，gCAP方法测定的深度为震源矩心深度，两者深度基本接近，说明该地震震源深度为11 km。本次地震P轴走向与区域主压应力走向基本一致，也与青藏高原东北缘NE向挤压力方向一致，揭示该地震主要受区域构造应力场控制。中宁地震震中附近最近的庙山褶皱带作为天景山断裂带东南段的主体区域，重定位后的震中位置显示，该地震主要位于天景山弧顶构造至天景山断裂活动带东南段的过渡区域，该过渡区大体呈现“入”字形构造。已有区域地质构造资料表明[1, 12]，庙山褶皱带构造活动特征与天景山断裂带西段具有较大差异，与EW、WNW向天景山断裂西段较强左旋走滑特征不同的是，NNW向庙山褶皱带主要为地层褶皱和断层逆冲活动，构造变形特征也有别于天景山断裂带西段，在新近纪末期，天景山次级块体受喜马拉雅构造运动北向驱动力影响，相对于东邻的鄂尔多斯块体整体向北移动，致使其东部边缘的庙山地区至清水河盆地出现右旋剪切力偶，导致上部柔性盖层褶皱形成右阶雁行褶皱群，并在长期地质作用下形成NNW向庙山褶皱带。该地震震源机制节面相对剪应力结果表明，剪应力不是最大的原因除断层面形状不是有利于构造应力场最优释放的节面形状外，还有可能是因为发震断层是历史上地质作用产生的薄弱带或裂纹所致，即当剪应力超过薄弱带或裂纹所承受的剪应力，沿着该薄弱带的投影方向错动，从而导致相对剪应力不是最大。节面Ⅰ的错动方式虽然为左旋走滑，但节面Ⅰ的走向与附近已知地表断层的几何结构不匹配，根据相对剪应力和前述地质构造资料来看，中宁ML3.6地震的发震断层为NNW向节面Ⅱ的可能性较大，震源机制解和矩张量解显示其倾角约为83°~84°。节面Ⅱ的错动方式为右旋走滑，且相关地质构造资料表明[1]，中宁ML3.6地震震中附近的庙山褶皱带北段为喊叫水乡断层，其剖面结果表明断层走向约340°，长约8 km，倾角约80°，主要由下第三系红色和青灰色粘土岩和石膏岩系组成，带内发育一组与断层面平行的面理，这与震源机制节面Ⅱ倾角83°~84°基本一致，也与该节面走向148°较为接近。结合前文庙山地区历史地质构造资料推测，庙山褶皱带区域可能存在部分因历史地质作用遗留下来的右旋性质为主的近NNW向平行伴生裂纹或断裂薄弱带，这与震源机制节面Ⅱ走向、相对剪应力及重定位等结果均基本相符。综合来看，中宁ML3.6地震的发震构造可能由天景山断裂东南段附近NNW向断裂薄弱带控制，该地震是在青藏高原东北缘NE向挤压作用下，沿着NNW向断裂剪切滑动引起的一次右旋走滑型地震事件。由于本次地震处于弱震少震区，不排除该地震与附近断裂之间的关系存在不确定性，需要后期进一步积累更多地震资料进行研究。
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图 6 中宁ML3.6地震震源机制和震中附近ML1.0以上小震重定位分布；区域主压应力在节面Ⅰ、节面Ⅱ产生的相对剪应力以及错动方式 Fig. 6 The focal mechanism of the Zhongning ML3.6 earthquake and relocation of ML≥1.0 earthquakes, the dislocation mode and relative shear stress on the nodal plane Ⅰ and the nodal plane Ⅱ under the regional principal compressive stress |
本文基于宁夏区域地震台网波形记录，采用初至P震相定位法和gCAP方法测定中宁ML3.6地震震源参数，并计算现今应力场体系在中宁地震震源机制节面上产生的相对剪应力和正应力。结果表明，中宁ML3.6地震的双力偶成分占全矩张量解的97.07%，为一起天然地震事件。该地震震源机制节面Ⅰ走向242°、倾角63°、滑动角8°，节面Ⅱ走向148°、倾角83°、滑动角153°，震源深度11 km。综合震源参数结果、相对剪应力及正应力和区域地质构造等结果，推断中宁ML3.6地震震源机制解节面Ⅱ为地震断层面的可能性较大，震源机制类型为右旋走滑型，且其发震构造可能与天景山断裂东南段附近NNW向断裂薄弱带有关。
致谢: 本文图件主要采用GMT软件绘制，在此表示感谢。
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