2. 吉林省地震局, 长春 130117
2. Jilin Earthquake Agency, Changchun 130117, China
0 引言
吉林省台网中心测定，2019年5月18日6时24分48秒吉林省松原市宁江区(45.30°N，124.75°E)发生了M 5.1地震，震源深度为10 km。吉林省大部分地区、黑龙江省部分地区有明显震感，其中震中区附近的松原市宁江区及附近地区震感强烈，震中烈度达Ⅵ度。
本次松原M 5.1地震发生于松辽盆地的中部。松辽盆地是一个大型的中生代含油气裂谷盆地，整体呈北北东走向，位于华北板块、西伯利亚板块和佳木斯地块古生代缝合基底上[1]，盆地内部断裂十分发育，断裂走向主要为北东向和北西向。M 5.1地震震中位于北东向松原(扶余)—肇东断裂和北西向第二松花江断裂交汇处，近年来该区域地震活动显著增强，先后发生多次显著性地震活动，如2006年生查干花M 5.0地震活动[2]，2013年前郭M 5.8震群活动[3-4]，2018年松原M 5.7地震活动[5]。目前这些地震活动的构造机制尚不明确。松辽盆地是大庆油气田和吉林油气田的作业区域，且已开采多年，工业活动能改变地下介质的应力状态[6]，松原地区近年来出现的地震活动是否与工业活动有关，需要深入研究。同时，松辽盆地中部区域地震活动的构造机制研究对于防灾减灾具有重要科学意义。
地震矩张量反演在地震事件的构造机制研究中已经被广泛应用，例如在天然构造地震[7-9]、诱发地震[10-11]、地下核试验[4, 12]的构造机制研究中，利用地震矩张量反演获得断层的破裂方式及震源体的体积变化特征。本文基于区域宽频带数字化波形数据，采用ISOLA方法对M 5.1地震进行地震矩张量反演，研究地震的震源机制解，并结合该地区的地质构造以及震中区构造应力场，研究该地震的构造机制。
1 数据资料及地壳速度模型构建2019年5月18日松原M 5.1地震发生时，吉林省、黑龙江省、内蒙古自治区和辽宁省台网对这次地震进行了很好的记录。为了避免地震矩张量反演受到地壳横向速度不均匀性的影响，本研究根据震中距将参与反演的台站限制在松辽盆地内部，符合条件的有10个宽频带台站(图 1)，震中距介于169~317 km之间。
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| F1.嫩江断裂，F2.松原(扶余)—肇东断裂，F3.依兰—伊通断裂，F4.第二松花江断裂。 图 1 松辽盆地地质构造、台站分布及M 5.1地震震中位置 Fig. 1 Geological structure of Songliao basin, distribution of stations and the epicenter of M 5.1 event |
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本研究使用了VM-1、VM-2和VM-3三个模型(表 1和图 2)来检验地壳速度模型对地震矩张量反演结果的影响。其中：VM-1是在CRUST2.0模型的基础上，根据近年来前人对松辽盆地以及东北地区的研究结果[13-15], 对松辽盆地的莫霍面深度以及中间层速度不连续面进行了细微调整的速度模型；VM-2是吴微微等[16]使用的速度模型，该模型参考了背景噪声互相关、瑞雷波频散曲线以及近远震联合层析成像方法得到的东北地区岩石圈速度结构资料；VM-3是刘俊清等[4]在2013年前郭M 5.8震群研究中使用的速度模型。
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| 图 2 研究用的地壳速度模型 Fig. 2 Crustal velocity models used in the study |
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利用宽频带波形资料反演地震的矩张量解研究地震的震源机制[17]，需要相对精确的地震定位、方位角覆盖良好的地震台站和高信噪比的地震波形资料以及台网覆盖区域可靠的地壳速度模型[18-19]。
本研究采用ISOLA方法[20]反演2019年5月18日松原M 5.1地震的震源机制解。ISOLA方法基于多点源的迭代反褶积反演方法[21]，在时间域上发展到全波形矩张量反演中，通过网格搜索法与最小二乘法得到地震的最佳矩张量解。该方法的优点是不仅可以将震源当作单点源，也可以把震源区看作多点源来处理，在四维空间中(二维平面，深度，时间)搜索最佳矩心位置，并且具有纯双力偶(double couple，DC)、偏矩张量及全矩张量反演3种方式。
在地震的矩张量反演研究中，为避免结果中出现非物理的非DC分量错误，通常首先对地震进行偏矩张量反演，考察DC分量的大小。如果DC分量占比很高，则表明地震是由断层的剪切错动导致的构造地震；如果DC分量占比较低，就需要进行全矩张量反演，重点考察震源体非DC分量的大小，非DC分量具有一定的不可靠性，还需要进行矩张量参数的不确定度评估[22]。
本研究中，首先进行偏矩张量反演，考察DC分量的大小。波形反演时，先对观测波形进行带通滤波，上限选择为0.06 Hz，下限选择为0.03 Hz。分别采用3个速度模型(表 1和图 2)，使用频率波数法[23]计算全波场Green函数。在这个过程中，把震中设为固定值，约束矩心深度的范围在0~15 km之间，每隔1 km计算一个格林函数，其矩心时间以0.2 s作为搜索步长，在发震时间-2~2 s范围内搜索。不同的速度模型没有对矩张量反演造成影响，均显示很高的DC分量(90%以上)，可见M 5.1地震为典型的构造地震，不需要进行全矩张量反演研究。最终反演得到松原M 5.1地震的震源机制解(表 2和图 1、3、4)，采用VM-1的反演结果作为最终结果。对应的断层面解是地震节面Ⅰ走向210°，倾角77°，滑动角170°，节面Ⅱ走向302°，倾角80°，滑动角14°，主压应力P轴方位角、倾角分别为76°和3°，主张应力T轴方位角、倾角分别为166°和16°。
| 速度模型 | Mw | 深度/km | Mrr/Mtt/Mpp/Mrt/Mrp/Mtp | M0/(1016 N·m) | CLVD分量占比/% | DC分量占比/% |
| VM-1 | 4.9 | 6.0 | 0.126/2.645/-2.771/-0.932/-0.083/1.427 | 3.2 | 8.5 | 91.5 |
| VM-2 | 4.9 | 6.0 | 0.131/2.650/-2.770/-0.900/-0.093/1.411 | 3.2 | 3.3 | 96.7 |
| VM-3 | 4.9 | 6.0 | 0.124/2.611/-2.769/-0.933/-0.084/1.427 | 3.2 | 7.5 | 92.5 |
| 注：Mw表示矩震级；Mrr/Mtt/Mpp/Mrt/Mrp/Mtp表示在圆柱坐标系下DC的6个分量；M0表示标量地震矩；CLVD (compensated linear vector dipole)表示补偿线性矢量偶极分量。 | ||||||
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| 黑色曲线为观测波形，红色曲线为理论波形，灰色曲线在反演中没有使用，蓝色数字为约化方差。NS，EW，z分别代表地震台站的3个方向，其中z为垂直方向。右边的英文是台站名称。 图 3 M 5.1地震偏矩张量解的拟合波形与观测波形对比 Fig. 3 Comparison between observed and synthetic waveforms in the seismic moment tensor solution of the M 5.1 event |
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| 图 4 M 5.1地震矩心深度与波形互相关系数 Fig. 4 Centroid depth and cross-correlation coefficient of the M 5.1 event |
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本研究依据VR、CN、FMVAR、STVAR 4个参数[24]来评估反演结果的可靠性，VR(variance reduction)为约化方差，表示观测波形与合成波形之间的拟合程度，值越高说明观测波形和合成波形拟合越好。CN(condition number)为一个相对综合的指标，从台站分布、频率范围和地壳模型的角度来衡量反演的可靠性，是格林函数矩阵最大特征值与最小特征值的比值，值越小说明矩张量解的稳定性越高。FMVAR(focal mechanism variability index)用所有可能的震源机制解与最终解的K-angle[25]方差表示，K-angle表示空间任意两个震源球之间的最小夹角，夹角在20°范围内认为是相同的震源机制[4]。STVAR(space time variability index)为时空比值，是反演中发震时刻的允许范围和平面、垂直震中位置的允许范围所组成的四维时空向量的点积与理论上全部解的时空向量点积的比值，是对FMVAR的补充，在实际工作中常与FMVAR联合使用，值越小说明解的可靠性越高。评价参数的结果分别为VR= 0.77；CN=2.8；FMVAR=9±7；STVAR=0.22，4个参数的取值均很小[24]，可充分说明本次矩张量反演结果是可靠的。
3 应力场反演本研究收集了2017年以来松原地震序列中余震ML>2.5的10个地震的震源机制结果(图 5)，并使用FMSI方法[26]将其作为输入数据反演震中区构造应力场，用Bootstarp方法考察参数稳定性，采样1 000次。图 6所示，反演得到的震中区构造应力场理论应力轴σ1的方位角、倾伏角分别为88.0°(置信区间：±10°)和0.9°(置信区间：±0.2°)，σ2的方位角、倾伏角分别为178.2°(置信区间：±10°)和9.6°(置信区间：±2°)，σ3的方位角、倾伏角分别为352.5°(置信区间：±10°)和80.4°(置信区间：±6°)，与区域应力场一致[27]。
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| 图 5 2017年以来松原地震序列中余震ML>2.5震源机制解 Fig. 5 Focal mechanism of events with ML>2.5 in the aftershock sequence since 2017 |
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| 图 6 研究区应力场反演结果 Fig. 6 Results of stress field inversion in study area |
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本研究利用地震矩张量反演的方法研究地震的震源机制，结果显示松原M 5.1地震的矩震级为4.9，矩张量解中的DC分量为91.5%，大于80%[4]，表明本次地震是一次典型的构造地震。采矿区诱发地震震源体通常含有较大的非DC分量、较小的DC分量[28]，可见本次M 5.1地震与油田开采活动无关。本次松原M 5.1地震发生在北东走向的松原(扶余)—肇东断裂与北西走向的第二松花江断裂交汇处。松原(扶余)—肇东断裂总体表现为走向北东的逆冲断层[29]。第二松花江断裂总体走向北西、倾角较陡且具有走滑特征[30]。本次松原M 5.1地震为走滑型地震，地震节面Ⅰ走向210°，倾角77°，滑动角170°，节面Ⅱ走向302°，倾角80°，滑动角14°，与第二松花江断裂走向相同。因此认为本次松原M 5.1地震的发震断层可能是第二松花江断裂。本研究利用余震序列中M 2.5级以上地震的震源机制解反演得到的震中区构造应力场与Wan[27]研究的中国当代构造应力场结果在震中区相一致，因此推断区域构造应力场触发了2019年5月18日松原M 5.1地震活动。
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