2023, Vol. 43
2022-07-12宁夏盐池发生ML4.0地震，震中(37.72°N, 106.96°E)位于鄂尔多斯地块内部无震、少震区(图 1)，且距鄂尔多斯块体西边界约48 km。该地震同时打破了自区域地震台网建立以来震中50 km范围内无ML≥4.0地震和震中20 km范围内无ML≥3.0地震的记录，而且震中50 km范围内在历史上仅发生过1921年盐池5.0级地震。与鄂尔多斯地块西缘频繁发生中强地震及小震活动不同的是，鄂尔多斯地块内部很少发生地震，本次盐池ML4.0地震也刷新了长期以来鄂尔多斯地块内部难以发生显著性地震的认识，同时鄂尔多斯地块内部显著性地震的相关研究十分稀少。鉴于此，本文结合宁夏区域地震台网和新建的预警台网台站资料，利用Hash方法[1]计算本次盐池ML4.0地震震源机制，同时基于gCAP方法[2]求解震源机制、矩张量解和矩心深度，确定震源机制中心解[3]，采用剪切波分裂方法[4]对该地震的快波偏振方向和慢波时间延迟进行研究，综合分析本次盐池地震的发震性质和发震原因，进而为鄂尔多斯地块内部无震、少震区补充数字地震学研究资料。
|
F1:贺兰山东麓断裂;F2:黄河-灵武断裂;F3:牛首山-罗山断裂;F4:烟筒山断裂。红、蓝虚线分别代表距震中半径20 km.50 km,橘色线为地块界线 图 1 盐池ML4.0地震震中附近区域构造、5级以上中强震(a)及1970年以来ML3.0以上地震分布(b) Fig. 1 Geological structure and distribution of M≥5.0 (a) and ML≥3.0 (b) earthquakes since 1970 near the epicenter of the Yanchi ML4.0 earthquake |
Hash方法[1]作为P波初动联合振幅比的方法之一，是通过量取清晰且初动可认的P波极性和P、S波振幅计算其震源机制解，且在一定高信噪比前提下，其S/P振幅比对震源机制节面具有较好的约束能力[5]，并给出部分客观评价参数，如P波极性数目、振幅比数目、断层不确定度、逼近最佳解的概率和台站分布比等，综合P波极性的台站数量及台站分布比等参数对震源机制解质量进行客观分档评级。预处理时需将原始波形旋转到径向、切向和垂直分量，选择信噪比较好的18个台站(图 2)，采用15个极性清晰的P波初动以及18个S/P振幅比计算的台站震中距范围为1~238 km且方位角覆盖较均匀，通过量取这些台站的P波初动和P、S波振幅，最低信噪比阈值设为2.0。然后基于宁夏地区的平均速度模型[6]，根据Hash方法计算得到盐池ML4.0地震震源机制解(表 1)，其中一个节面走向6°、倾角85°、滑动角165°。由于充分利用台站的P波初动极性和S/P振幅比数据，而且这些台站方位覆盖较好，使得解的质量分级达到B类。通过调整最低信噪比阈值等参数，重新计算得到的盐池地震震源机制解结果变化均较小，其计算质量分级均在B类或C类，表明Hash方法计算震源机制结果具有可靠性[5]。
|
红虚线由内到外分别代表距震中半径50 km、100 km和200 km; 台站名中3个字母者为地震台网台站,其他为预警台网台站 图 2 盐池地震各方法所使用台站分布 Fig. 2 Distribution of seismic stations used in various methods of the Yanchi ML4.0 earthquake |
|
表 1 Hash方法计算的2022-07-12盐池ML4.0地震震源机制等参数 Tab. 1 Focal mechanism and other parameters of the ML4.0 Yanchi earthquake on July 12, 2022 determined by Hash method |
基于波形拟合反演的gCAP方法[2]在台站数量、台站方位角分布以及速度模型方面的要求均略低于P波初动联合振幅比方法[5]，该方法不仅可以反演震源机制，而且还可以反演全矩张量解及矩心深度。其基本原理是将地震波形分成体波和面波2个部分，并赋予不同权重，然后计算实际地震波形和理论波形的误差函数，根据给定参数范围进行网格搜索，从而获取误差函数最优解。该方法反演震源机制和全矩张量解时，选择的台站震中距范围为42~175 km(图 2)，体波和面波滤波范围分别为0.05~0.2 Hz和0.06~0.1 Hz，在网格搜索过程中走向、倾角、滑动角搜索步长均为5°，震级和震源深度搜索步长分别为0.1和1 km。利用宁夏地区速度模型[6]和F-K方法[7]计算格林函数，其中全矩张量解反演时需要将非双力偶成分参与计算，最后得到该地震震源机制和全矩张量解结果(图 3)，图中显示除部分台站个别波段因数据质量较差等原因实际反演时未采用之外，其他大部分台站各震相的相关系数达到70%以上，表明波形拟合整体相对较好。其中震源机制解结果(图 3(a))显示，该地震断层平面解为节面Ⅰ：走向99°、倾角69°、滑动角9°，矩心深度11 km，矩震级为MW3.9；全矩张量解(图 3(b))显示，最佳双力偶解为节面Ⅰ：走向100°、倾角69°、滑动角10°，其矩心深度、矩震级和前述的震源机制结果一致。该地震全矩张量解显示，ISO分量值ζ为-0.06，CLVD分量值χ为0.08，根据全矩张量解各分量相关计算公式[2]得到盐池地震的双力偶成分(DC)占比达99%(表 2)，表明该地震为天然地震，其非双力偶成分仅占全矩张量解的1%，反映本次盐池地震的破裂过程比较简单。通过增加和减少1~2个台站，利用gCAP方法重新计算得到的结果与前述结果也基本一致，反映gCAP方法计算本次盐池地震相对稳定可靠。
|
图 3 盐池地震震源机制、矩张量解反演误差-深度及观测波形与理论波形拟合 Fig. 3 Variation of fitting error with depthof focal mechanism inversion and moment tensor inversion of the ML4.0 Yanchi earthquake, and fitting of observed and theoretical waveform |
|
|
表 2 2022-07-12盐池ML4.0地震全矩张量解各分量 Tab. 2 Each component of the full moment tensor solution of the ML4.0 Yanchi earthquake on July 12, 2022 |
该地震各种方法震源机制结果之间差异性可以通过震源机制中心解方法[3]进行比较，获取震源机制中心解结果(表 3、图 4和图 5)，即震源机制中心解节面Ⅰ参数为：走向99°、倾角71°、滑动角8°，节面Ⅱ参数为：走向6°、倾角83°、滑动角161°。其中压应力轴(P轴)走向与倾伏角不确定范围分别为51°~56°和6°~10°，张应力轴(T轴)走向与倾伏角不确定范围分别为318°~323°和17°~20°，中间应力轴(B轴)走向与倾伏角不确定范围分别为159°~172°和67°~72°。而震源机制中心解与这些方法结果的最小空间旋转角范围为2.10°~4.64°，另外表 4给出这些方法的结果及中心解震源机制节面、P、T和B轴参数，可以看出这些参数区别很小，故本文采用中心解作为本次盐池ML4.0地震的震源机制结果。
|
|
表 3 各种方法给出的盐池地震震源机制解和获取的中心机制解及标准差 Tab. 3 Focal mechanism of Yanchi earthquake by various methods and the central focal mechanism and its residuals |
|
图 4 盐池ML4.0地震震源机制中心解 Fig. 4 Focal mechanism central solution of Yanchi ML4.0 earthquake |
|
图 5 盐池ML4.0地震各种方法的震源机制及其震源机制中心解 Fig. 5 Focal mechanisms of various methods and their focal mechanism central solution of Yanchi ML4.0 earthquake |
|
|
表 4 盐池地震各种方法的震源机制及其震源机制中心解的两个节面、P、T、B轴参数 Tab. 4 The two nodal planes, P, T, B axes parameters of various methods and the central focal mechanism of the Yanchi earthquake |
剪切波分裂可以反映地震各向异性和构造应力场[8]，由于地壳中广泛存在EDA微裂隙，在应力作用下其裂隙面一般平行于最大主压应力方向，剪切波在各向异性介质中传播时会分裂为快波和慢波两个波列，快波偏振方向代表主压应力方向，慢波时间延迟则代表各向异性程度。
采用SAM方法[4]分析本次盐池ML4.0地震，该方法主要分为相关函数计算、时间延迟校正以及偏振分析检验3个部分，其过程为：对符合剪切波分裂窗口(入射角≤35°)的地震事件，旋转波形的2个水平分量，计算相关函数，获取快波优势偏振方向以及慢波时间延迟初值，然后对快、慢波进行时间延迟校正，直到波形偏振图呈现为线性。考虑到鄂尔多斯地块存在较厚沉积层[6]，剪切波分裂窗口选取入射角小于等于50°的记录台站，通过筛选，符合该剪切波分裂窗口的台站只有1个，即YCWLJ台，记录到本次盐池ML4.0地震的剪切波分裂，并对该台地震波形进行SAM分析，结果见表 5和图 6。YCWLJ台记录的盐池地震震中距为4.2 km，震源深度采用本文gCAP方法反演结果，即矩心深度11 km、入射角20.7°，经SAM方法计算得到快波偏振方向为55°，慢波时间延迟为1.7 ms/km。
|
|
表 5 YCWLJ台记录的剪切波分裂参数 Tab. 5 Shear wave splitting parameters of YCWLJ station |
|
图 6 YCWLJ台记录的盐池ML4.0地震剪切波分裂 Fig. 6 Shear wave splitting of Yanchi ML4.0 earthquake recorded by YCWLJ station |
基于震源机制与应力体系关系模拟方法[9]以及盐池所在区域应力场参数[10]得到盐池地震震源机制与应力的关系(表 6、图 7)。应力张量在节面Ⅰ和节面Ⅱ产生的相对剪应力分别为0.982和0.942(最大为1)，节面Ⅰ剪应力滑动角与相应震源机制节面Ⅰ滑动角仅相差0.5°，节面Ⅱ剪应力滑动角与相应震源机制节面Ⅱ滑动角仅相差0.9°，这反映震源机制中心解的2个节面均基本处于最大剪应力区。也就是说，2个震源机制解节面的相对剪应力几乎达到最大，且2个节面剪应力的滑动角和相应的震源机制观测滑动角差异很小，说明盐池地震是在区域构造应力场的最优释放节面上发生，并以剪应力作用体现，2个节面形状几乎均为剪应力最大的断层面形状，这表明该地震在这2个节面产生剪切滑动的可能性存在。但如果仔细比较这2个节面的相对剪应力和正应力不难发现，近EW向节面Ⅰ为断层面的可能性较大，由于近EW向节面Ⅰ的相对剪应力比近NS向节面Ⅱ的剪应力大，且其正应力比近NS向节面Ⅱ小，从走滑型地震震源区动力学因素来说，近EW向节面Ⅰ上更大的剪应力且更小的正应力非常有利于地震在该节面上发生走滑错动。结合盐池地区地质构造等相关资料[11]，盐池地震震中30 km范围内的已知断层为EW向且断层面几乎陡立，震源机制显示节面Ⅰ和节面Ⅱ倾角均较大，倾角分别为71°和83°，均属于高倾角，由于该EW向基底断裂是距离盐池地震震中最近的断裂，地质构造资料可较好地支持震源机制近EW向节面为断层面的可能性。另外，鄂尔多斯地块整体以水平运动为主[12]，其块体内部呈现逆时针旋转特征，因此若近NS向节面为发震断层，则显示为右旋走滑，表现为沿NS向断层大体南北向滑动且断层错动呈现顺时针旋转，这与鄂尔多斯地块水平运动及地块内逆时针旋转的运动特征不符；若近EW向节面为发震断层，则表现为左旋走滑，地震大体是沿EW向断层滑动且断层错动呈现逆时针旋转趋势，因此近EW向节面更符合该区域运动特点，为此本文初步推断，盐池地震发震断层可能与该EW向基底断裂附近的平行伴生构造有关。由于盐池地区地震客观上稀少以及实际能使用的资料及方法较少，其中关于发震断层归属的讨论本文仅通过目前有限的、能使用的资料和方法对可能的断层作出初步推测，为此关于盐池地震发震断层几何特征、规模及与周围构造关系等细节信息需要地质观测以及其他地球物理等手段进一步深入研究和补充。
|
|
表 6 应力张量在盐池ML4.0地震震源机制中心解2个节面上产生的相对剪应力及正应力 Tab. 6 Relative shear stress and normal stress generated by the stress tensor on the two nodal planes of the focal mechanism central solution of the Yanchi ML4.0 earthquake |
|
图 7 盐池地震震源机制与区域应力体系的关系 Fig. 7 Relationship between stress regimes and focal mechanism of Yanchi earthquake |
基于前述震源机制和剪切波分裂分析结果可知，盐池ML4.0地震震源机制中心解2个节面分别为近EW向和近NS向，P轴方位为54°，快波偏振方向为55°(图 8)，可见快波方向和P轴方位基本一致。而影响快波偏振方向的因素为区域主压应力、原地主压应力、活动断裂等[13]，前人区域应力场[10]和地壳各向异性[14-15]研究表明，盐池地区到鄂尔多斯西缘之间区域主压应力以NE向为主，其地壳各向异性结果显示快波偏振方向也以NE向为主，反映该区震源机制P轴方位和快波偏振方向受NE向区域主压应力影响较为显著，这也表明盐池地震55°快波偏振方向受到区域主压应力影响，而非断裂构造影响。如果受断裂影响，则至少盐池地震震中及YCWLJ台附近应该存在NE向活动断裂，但从目前已有的鄂尔多斯地块内部地质构造等资料[11]来看，在本次盐池地震震中及距YCWLJ台30 km范围内，距离最近的只有鄂尔多斯地块内部的一条EW向基底断裂，该断裂规模较大且至少切穿康德拉界面，倾角较陡。鄂尔多斯块体西缘到海原断裂之间区域的流动台阵剪切波分裂研究结果[15]显示，位于鄂尔多斯地块内部的HE02台(该台距离鄂尔多斯西边界比本文YCWLJ台更近)平均快波偏振方向为NNE向，而海原断裂东北侧区域(不含海原断裂区)平均快波偏振方向为58.5°，这与本文YCWLJ台快波偏振方向较为接近，再结合前述震源机制、剪切波分裂和地质构造等资料综合推断，盐池地震快波偏振方向确实受到NE向区域主压应力影响。另外，盐池地震慢波时间延迟为1.7 ms/km，已有的地壳各向异性结果[14-15]显示，鄂尔多斯西缘(即从银川地堑到海原断裂带之间)各分区的平均时间延迟分别为3.2 ms/km，4.1 ms/km和4.0/km，以及整个海原断裂东北侧区域(不含海原断裂区)的平均时间延迟为3.4 ms/km，表明盐池地震震源区的各向异性程度低于鄂尔多斯西缘区域，侧面反映与青藏高原东北缘相比，鄂尔多斯地块内部地壳各向异性程度可能并不高。
|
图 8 YCWLJ台快波偏振方向等面积投影玫瑰图 Fig. 8 Equal-area projection rose diagram of fast wave polarization direction at YCWLJ station |
2022-07-12盐池ML4.0地震是一次鄂尔多斯地块内部为数不多的显著性地震事件。本文利用宁夏区域地震台网和预警台网资料，通过Hash方法得到盐池地震震源机制解，同时基于gCAP方法获得震源机制、全矩张量解及矩心深度，确定震源机制中心解，分析剪切波分裂特征，讨论震源机制、剪切波分裂和区域应力场的关系。结果表明，盐池地震属于典型的天然地震，震源机制中心解为节面Ⅰ走向99°、倾角71°、滑动角8°，节面Ⅱ走向6°、倾角83°、滑动角161°，矩心深度11 km，矩震级MW3.9。盐池地区现今应力体系在震源机制中心解节面Ⅰ及节面Ⅱ上产生的相对剪应力分别为0.982和0.942，且震源机制节面的观测滑动角和相应节面上的剪应力滑动角基本一致，表明该地震发生于构造应力场最优释放节面上，且主要以剪应力作用体现。盐池地震快波偏振方向为55°，这与震源机制P轴方位54°基本一致，认为盐池ML4.0地震震源机制P轴方位及其快波偏振方向受到区域构造应力影响，慢波时间延迟为1.7 ms/km，其地壳各向异性程度低于鄂尔多斯西缘。结合已有地质构造等资料初步推断，盐池地震震源机制近EW向的节面Ⅰ为发震断层的可能性较大，可能与鄂尔多斯地块内的一条EW向基底断层附近的平行伴生断层有关，并长期在NE-SW向区域主压应力影响下，其应力得到充分积累，在最大剪应力的断层面形状区域发生走滑破裂，从而导致本次盐池ML4.0地震发生。
致谢: 本文图件主要使用GMT软件进行绘制。
| [1] |
Hardebeck J L. A New Method for Determining First-Motion Focal Mechanisms[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2002, 92(6): 2 264-2 276 DOI:10.1785/0120010200
(  0) |
| [2] |
Zhu L P, Ben-Zion Y. Parametrization of General Seismic Potency and Moment Tensors for Source Inversion of Seismic Waveform Data[J]. Geophysical Journal International, 2013, 194(2): 839-843 DOI:10.1093/gji/ggt137
( 0) |
| [3] |
万永革. 同一地震多个震源机制中心解的确定[J]. 地球物理学报, 2019, 62(12): 4 718-4 728 (Wan Yongge. Determination of Center of Several Focal Mechanisms of the Same Earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2019, 62(12): 4 718-4 728)
( 0) |
| [4] |
高原, 石玉涛, 梁维, 等. 剪切波分裂分析系统SAM(2007): 软件系统[J]. 中国地震, 2008, 24(4): 345-353 (Gao Yuan, Shi Yutao, Liang Wei, et al. Systematic Analysis Method of Shear-Wave Splitting SAM(2007): Software System[J]. Earthquake Research in China, 2008, 24(4): 345-353 DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2008.04.004)
( 0) |
| [5] |
许英才, 郭祥云, 曾宪伟. 三种方法分析2017年宁夏固原MS4.6地震的震源机制解[J]. 地震工程学报, 2022, 44(5): 1 136-1 150 (Xu Yingcai, Guo Xiangyun, Zeng Xianwei. Focal Mechanism Solution of Guyuan, Ningxia MS4.6 Earthquake in 2017 Determined by Three Methods[J]. China Earthquake Engineering Journal, 2022, 44(5): 1 136-1 150)
( 0) |
| [6] |
杨明芝, 马禾青, 廖玉华. 宁夏地震活动与研究[M]. 北京: 地震出版社, 2007 (Yang Mingzhi, Ma Heqing, Liao Yuhua. Earthquake Activity and Research in Ningxia[M]. Beijing: Seismological Press, 2007)
( 0) |
| [7] |
Zhu L P, Rivera L A. A Note on the Dynamic and Static Displacements from a Point Source in Multilayered Media[J]. Geophysical Journal International, 2002, 148(3): 619-627 DOI:10.1046/j.1365-246X.2002.01610.x
( 0) |
| [8] |
Crampin S. A Review of Wave Motion in Anisotropic and Cracked Elastic-Media[J]. Wave Motion, 1981, 3(4): 343-391 DOI:10.1016/0165-2125(81)90026-3
( 0) |
| [9] |
万永革. 震源机制与应力体系关系模拟研究[J]. 地球物理学报, 2020, 63(6): 2 281-2 296 (Wan Yongge. Simulation on Relationship between Stress Regimes and Focal Mechanisms of Earthquakes[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2020, 63(6): 2 281-2 296)
( 0) |
| [10] |
孟文, 郭祥云, 李永华, 等. 青藏高原东北缘构造应力场及动力学特征[J]. 地球物理学报, 2022, 65(9): 3 229-3 251 (Meng Wen, Guo Xiangyun, Li Yonghua, et al. Tectonic Stress Field and Dynamic Characteristics in the Northeastern Margin of the Tibetan Plateau[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2022, 65(9): 3 229-3 251)
( 0) |
| [11] |
管然浩. 鄂尔多斯地块北部岩石圈电性结构研究[D]. 北京: 中国地质大学, 2013 (Guan Ranhao. Study of Lithosphere Conductive Structure of North Ordos Block[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2013)
( 0) |
| [12] |
陈小斌, 臧绍先, 刘永岗, 等. 鄂尔多斯地块的现今水平运动状态及其与周缘地块的相互作用[J]. 中国科学院研究生院学报, 2005, 22(3): 309-314 (Chen Xiaobin, Zang Shaoxian, Liu Yonggang, et al. Horizontal Movement of Ordos Block and the Interaction of Ordos Block and Adjacent Blocks[J]. Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Science, 2005, 22(3): 309-314 DOI:10.3969/j.issn.1002-1175.2005.03.008)
( 0) |
| [13] |
高原, 石玉涛, 陈安国. 青藏高原东缘地震各向异性、应力及汶川地震影响[J]. 科学通报, 2018, 63(19): 1 934-1 948 (Gao Yuan, Shi Yutao, Chen Anguo. Crustal Seismic Anisotropy and Compressive Stress in the Eastern Margin of the Tibetan Plateau and the Influence of the MS8.0 Wenchuan Earthquake[J]. Chinese Science Bulletin, 2018, 63(19): 1 934-1 948)
( 0) |
| [14] |
许英才, 高原, 石玉涛, 等. 鄂尔多斯块体西缘地壳介质各向异性: 从银川地堑到海原断裂带[J]. 地球物理学报, 2019, 62(11): 4 239-4 258 (Xu Yingcai, Gao Yuan, Shi Yutao, et al. Crustal Seismic Anisotropy in the West Margin of the Ordos Block: From the Yinchuan Graben to the Haiyuan Fault Zone[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2019, 62(11): 4 239-4 258)
( 0) |
| [15] |
Shi Y T, Gao Y, Shen X Z, et al. Multiscale Spatial Distribution of Crustal Seismic Anisotropy beneath the Northeastern Margin of the Tibetan Plateau and Tectonic Implications of the Haiyuan Fault[J]. Tectonophysics, 2020, 774
( 0) |