2019, Vol. 62
2. 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院, 北京 100083
2. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2015年4月15日15点39分，在内蒙古阿拉善左旗发生MS5.8级地震，中国地震台网测定的震中位置为39.78°N，106.34°E，震源深度10 km.该地震是继1976年巴音木仁MS6.2地震以来该地区发生的最大地震，此次地震震中位于巴音木仁苏木，距离内蒙古乌海市48 km，距1920年的宁夏海原地震约120 km.由于此次地震震中位于内蒙古乌兰布沙漠地带，尽管极震区烈度达Ⅶ度，内蒙、宁夏等多地区有强烈震感，但由于该地区人员稀疏，因此并未造成显著的地表建筑物破坏和人员伤亡.
如图 1所示，阿拉善左旗MS5.8地震位于鄂尔多斯构造块体和阿拉善构造块体的交汇区域，受到中国东西部双重动力作用.鄂尔多斯块体是华北克拉通中生代破坏后残留的稳定地块，块体内部地震活动性和发震频次较低.阿拉善块体属华北亚板块，块体内部仅有一条NE向的地震带(王萍和王增光，1997).但在阿拉善和鄂尔多斯块体的交接复合部位，发育着多个断陷盆地、活动断裂和挤压褶皱，复杂的构造环境导致该地区地震活动性强，多次发生破坏性地震(邓起东等, 1999, 2003；姚志祥等，2014).相比于中国东部地区密集的地震台网覆盖，该区域地震观测台站稀疏，对其深部结构和动力学的研究程度较低，因此，中国地震科学台阵探测——喜马拉雅Ⅱ期布设的密集台阵将为研究该地区的地震活动性和深部构造以及变形特征等提供重要数据资料.
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图 1 阿拉善地震及周边地质构造和历史地震 五角星为2015年MS5.8阿拉善地震震中，实心圆圈是有历史记载以来至2017年12月31日的破坏性地震. Fig. 1 Map showing the tectonic setting and historic earthquakes in the Alxa region The star denotes the epicenter of the 2015 MS5.8 Alxa earthquake, the solid circle denotes historic destructive earthquake until Dec. 31, 2017. |
阿拉善左旗MS5.8地震发生后，一些学者开展了相应的研究工作，并取得了有意义的研究成果.韩晓明等(2015)采用CAP方法(Zhu and Helmberger, 1996)给出了阿拉善左旗MS5.8主震的震源机制解.结果显示该地震为走滑型，最佳矩心深度为13 km，应力场反演结果揭示N-S向节面为主破裂面；高熹微等(2015)反演了内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震震中周围地区的构造应力场，他们的结果显示此次地震在总体走滑体系的背景下，总应力场的空间不均匀性不明显，并且他们计算了此次地震所造成的静态破裂库仑应力变化.揭示其主震的应力变化对2次3.0以上的余震有触发作用；宋超和盖增喜(2018)利用直达P波观测与理论走时差对震源位置进行了重定位，并反演了震源机制解.通过结合该区域的断裂带构造运动进行分析，他们认为此次地震是左旋走滑破裂，略带正断层分量，震源矩心深度为18 km，发震构造为震中附近的近EW向隐伏断裂.
本文通过收集喜马拉雅Ⅱ期在阿拉善地区布设的密集流动台阵连续数据，首先运用匹配定位(Match & Locate方法，简称M&L)技术(Zhang and Wen, 2015；张淼，2015)，以中国地震台网中心提供的地震目录(简称台网目录)作为模板事件，探测台网目录中可能未检测到的地震事件来完善地震目录；然后利用hypoDD方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)对阿拉善左旗MS5.8地震及其余震序列进行重定位，并将该定位结果作为初始定位，再利用双差层析成像方法(double difference tomography，简称tomoDD)(Zhang and Thurber, 2003)同时进行速度结构成像和定位.最后根据得到的地震目录和地震重定位结果进行地震活动性、余震分布特征及发震构造等分析，为探索阿拉善地震的发震机理和建立地震动力学模型提供重要的基础资料.
1 数据和分析方法 1.1 数据内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震发生时恰逢中国地震局地球物理研究所中国地震科学探测台阵——喜马拉雅计划项目实施观测中，为本次研究提供了丰富可靠的数据.中国地震科学探测台阵——喜马拉雅Ⅱ期(2014—2016年)在南北地震带北段共布设了674个流动观测台站，平均台间距约为25~30 km，观测仪器采用Guralp CMG系列三分量宽频带地震计.本文的研究范围为38.5°N—40.5°N，105.5°E—107.5°E，选取的研究资料为阿拉善左旗MS5.8级地震震中周边120 km范围内、34个流动观测台站2015年1月1日至2015年7月31日的连续观测数据(图 2).
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图 2 (a) 阿拉善地区观测台站分布(三角形为观测台站，实心五角星为中国地震台网的主震定位，空心五角星为本文给出的主震位置)；(b) 138个模板事件的初始震中位置；(c)重定位使用的速度模型 Fig. 2 (a) Distribution of seismic stations in Alxa (The triangle is the seismic station, the solid star represents the epicenter from the CENC catalog, the hollow star denotes the epicenter obtained from this study); (b) Initial epicenters of template events in this study; (c) Velocity model used for location in this study |
大震后通常会发生很多震级小的余震，并且发生时间紧随主震，其中一些小震由于信噪比低或者是被其他震相干扰，很难用常规的方法来进行识别，因此通常给出的标准地震目录就会出现不同程度的地震事件缺失现象，造成地震目录的不完整，这将很大程度上影响地震时空分布特性研究的准确性.因此，本研究首先从内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震台网地震目录中挑选了位于研究区域内的175个地震事件作为模板事件，采用M&L方法进行地震事件扫描.参照侯金欣和王宝善(2017)以及Zhang等(2014)的工作，本文采用如下步骤进行地震事件探测：
(1) 对连续波形去均值，去线性趋势后采用2~8 Hz带通滤波，初步选定175个台网目录给出的研究区域内的地震事件作为模板.
(2) 首先通过Taup软件(Crotwell et al., 1999)计算S波理论到时，然后通过人工读取波形进行拾取和校正，并将S波到时前1 s至后5 s作为模板窗口，计算每个台站各个分量的信噪比.我们选取地震事件作为模板事件的标准是至少包含9个信噪比大于5的台站分量，最终138个满足条件的地震事件被挑选为模板事件(图 2b).
(3) 计算模板事件每个分量与相应连续波形的滑动互相关系数，并以模板事件所在的位置作为中心，设置搜索网格，假定每个网格点均是潜在探测事件的震源位置.然后计算每一个网格点与模板事件到每个台站的到时差，将每个台站各分量的滑动互相关序列所对应的时间减去其模板所对应的S波走时，再减去该网格点位置与模板位置到每一个台站的到时差进行位置校正，最后将所有台站分量的滑动互相关系数进行叠加并计算平均值，即可获得该网格点位置的叠加滑动互相关系数.每个网格点进行以上相同操作，最终获得每一个网格点上叠加的滑动互相关系数.
(4) 基于互相关序列以及潜在探测事件的波形信噪比进行地震事件的挑选.当互相关系数以及探测的地震事件波形信噪比大于预设的探测阈值(Zhang and Wen, 2015)，该时刻将被设定为一个潜在探测事件的发震时刻，该网格点的空间位置即被确定为潜在探测事件的震源位置.潜在探测事件震级的确定，则是通过计算潜在探测事件与其对应的模板事件在各台站的水平分量上S波到时前2 s至后2 s内最大振幅的比值，然后求振幅比的平均值来获得.
(5) 如果探测时间窗口中出现一个模板探测到多个事件或者多个模板事件探测到同一个事件，挑选相关系数最高的事件波形做为该时间窗口所探测到的地震事件.图 3展示了利用模板匹配法探测到的一个小震事件波形图.
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图 3 地震模板匹配波形图(以某M 0.77检测事件为例) 红色为模板事件波形，黑色为连续波形. Fig. 3 An example of positive detection with the matched filter technique The red denotes template event waveforms. The black denotes continuous waveforms. |
根据以上的处理步骤，本文共探测到了1688个事件，其中1550个是新探测到的地震事件.模板匹配滤波法(Peng and Zhao, 2009)假设检测到的事件与其所对应的模板事件具有相同的震源位置信息，因此该方法并不对检测到的事件进行定位，M&L方法则通过对震源位置的搜索, 探测弱小地震信号的同时还能够对探测到的事件进行定位，但考虑到庞大的时间成本，同时兼顾探测到的事件个数和探测精度之间的折衷性，我们的搜索空间为3 km×3 km×3 km，搜索步长为1 km.
针对这些新探测到的地震事件，我们接着采用了tomoDD方法对这些事件进行了重定位.我们挑选了628个MS≥1的地震事件，每个地震事件至少有6个台站有清晰的P波到时，一共挑选了29个台站，9429个P波到时记录.然后将P波到时前1 s至后3 s作为时间窗口计算P波到时差互相关，构建了40230对事件对.利用这些事件对到时差，我们首先利用hypoDD技术进行初始重定位，然后再利用tomoDD同时进行速度成像和地震精定位.
2 结果分析 2.1 地震事件检测建立完整的地震目录，是正确分析地震活动性的前提和必要条件.对前震序列的系统研究有助于加深对震源物理过程的理解，为地震预测提供一定的指导(Jones and Molnar, 1979；Ben-Zion，2008)；完备的余震序列分析能帮助我们更好地认识余震分布特征、余震衰减、强余震预测以及发震断裂的性质等.本文以阿拉善左旗MS5.8级地震震中120 km范围内台网目录给出的138个地震作为模板事件，通过M&L技术检测得到1688个地震事件(图 4a)，地震事件个数相比于台网地震目录增加了10倍多.其中主震前台网目录给出了37个地震事件，检测后的目录共给出185个地震事件，增加了4倍多；主震后台网目录给出了138个地震事件，检测后新目录共1503个地震事件，地震事件个数增加了10倍多.新的地震目录有效地补充了早期余震序列，主震后24 h新检测到的地震事件是台网目录的12倍、震后第8天的余震目录是台网目录的7倍左右.从主震区域统计(图 4b和图 4c)可以看出，在主震发震断裂附近检测到的余震事件数量较多.
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图 4 检测前后的地震事件-时间变化图 (a)黑色为地震台网地震目录，红色是模板识别后新的地震目录；(b)阿拉善主震破裂带附近的余震序列；(c)距主震破裂带较远的地震余震序列. Fig. 4 Seismicity with time according to the CENC catalog and the detected catalog (a) The black denotes the CENC catalog, the red denotes the detected catalog; (b) The aftershock sequence with time near the epicenter; (c) The aftershock sequence with time away from the epicenter. |
图 5给出了台网目录和检测后的新目录的地震事件数和震级随时间变化的对比.从图 5中可以看到，大多数遗漏事件的震级偏小，主震发生之前遗漏事件的震级大多数在2级以下，主震后24 h内遗漏事件尤其明显.同时，图 5a中b值分析的结果清晰地显示了检测后的阿拉善MS5.8级地震余震序列个数和震级之间的线性相关，而检测前的台网目录则很难拟合.黄玮琼等(1989)研究认为b值法是检测地震目录完备性最好的方法之一，任雪梅(2011)定量分析了地震资料完整性对b值计算的影响，他们的研究表明b值偏小通常是因为遗漏小地震目录较多造成的，且主震震级越小，小地震目录遗失的可能性越大.我们还对主震后10天的余震序列进行了衰减拟合(Omori，1894)，从图 5b可以看出，检测后的目录中余震序列很好地拟合了大森公式，余震的频次随时间呈指数衰减.
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图 5 (a) 余震震级和频度分布；(b)余震数目随时间变化 Fig. 5 (a) Frequency-magnitude distribution of aftershocks; (b) Temporal evolution of aftershocks of the Alxa earthquake |
通过采用双差层析成像定位方法，我们对阿拉善主震和628个MS≥1、有着清晰P波震相的小震进行了重定位.首先利用hypoDD方法进行重定位，将其结果作为初始定位，然后利用tomoDD方法再同时进行地震定位和速度结构成像.我们定位的主震震中为39.8023°N、106.4388°E，震源深度为20.597 km.震中位置相对于中国地震台网测定的震中位置向东偏移.重定位后的震源位置和台网目录定位在水平方向上的差异较小，在深度方向的差别较大.王未来等(2014)对云南鲁甸MS6.5、房立华等(2013)对四川芦山MS7.0和梁珊珊等(2017)对青海门源MS6.4的重定位结果都显示在深度方向的误差均远大于水平方向的误差.这主要是由于地震台站都是分布在地表、且在震中附近台站比较稀疏等原因导致的深度差异较大.宋超和盖增喜(2018)运用相同的台阵数据，利用地震走时和波形迭代的反演方法对震中位置进行了重定位，并反演了主震的震源机制解，他们反演的震中位置(39.7663°N，106.4304°E)相对于台网目录给出的位置略向东南方向偏移，地震的震源矩心深度为18 km，与本文的研究结果比较接近.图 6展示了tomoDD双差层析成像给出的地震定位，并与中国地震台网目录和hypoDD的地震定位进行了对比，图 7给出tomoDD反演得到的震中区附近不同深度的P波速度结构.从图 6中可以清晰地看到，台网目录给出的地震事件定位分布零散，震源深度从10~30 km近似等密度分布，hypoDD和tomoDD定位后地震事件分布相对集中，呈现较好的线性分布，震源深度主要集中在10~20 km范围.图 7的速度结构成像图显示，研究区内的速度分布从浅部到深部都表现出明显的非均匀性特征，地震主要分布在高速和低速交界的区域.
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图 6 震源深度分布对比图 Fig. 6 A comparison of focal depths from the CENC catalog, hypoDD and tomoDD |
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图 7 不同深度P波速度结构分布 Fig. 7 P-wave velocities at different depths (10 km, 15 km, 20 km) obtained from tomoDD |
图 8分析了本次地震主震前后100天左右时间段内的余震序列分布情况.余震序列分布呈现两个优势分布，即F1震群和F2震群.80%以上的余震都分布在主震附近的F1震群，余震呈NEE方向展布.余震的分布通常能直观地勾勒出断层面的破裂延展范围(万永革等，2008；张广伟和雷建设，2013).宋超和盖增喜(2018)通过波形反演得到的震源机制解结果，并结合该区域断裂带构造运动，推断走向为NEE向的断层节面Ⅱ(走向86°，倾角90°，滑动角-5°)为此次地震的发震断层，发震构造为震中附近的近E-W向隐伏断裂.F2震群在距离阿拉善地震主震北西方向，与1976年巴音木仁MS6.2地震的震中位置(40.08゜N，106.35゜E)相当接近(汪素云等，2000；李孟銮，1979).图 8c和图 8b分别展示了沿AA′及BB′剖面的余震分布特征，从图中可以看到，在F1和F2震群附近的余震序列在深度方向基本上都呈现为近垂直分布，F1震群的震源深度大部分都深于F2震群.
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图 8 重定位地震事件分布和震源机制 (a)台网目录和重定位后的地震事件分布以及部分地震的震源机制解；黄色五角星为阿拉善MS5.8地震震中，蓝色五角星为1976年巴音木仁MS6.2地震震中；(b)沿经度走向的震源深度剖面BB′；(c)沿纬度走向的震源深度剖面AA′；图中红色圆圈为重定位后的检测事件，灰色圆圈为台网目录事件，圆圈大小和地震震级成正比. Fig. 8 Distribution of the relocated events and focal mechanisms (a) Distribution of events from the CENC catalog and the detected catalog after relocation, and some focal mechanisms. The yellow star denotes the Alxa MS5.8 earthquake, and the blue star represents the Bayan Moron MS6.2 earthquake; (b) Profile BB′ along the longitude; (c) Profile AA′ along the latitude; the red circles denotes detected events, the blue circles denote catalog events, the size of each circle is proportional to the magnitude. |
2015年阿拉善左旗MS5.8地震发生在阿拉善块体和鄂尔多斯块体交汇地带，尽管阿拉善和鄂尔多斯块体内部结构相对稳定，块内地震活动较少，但两块体交汇部位构造复杂，地震活动性较强.区域内有多条断裂穿过(国家地震局，1988)，NE向断裂主要有巴彦乌拉山山前断裂、磴口—本井断裂和桌子山西缘断裂；EW向隐伏断裂：磴口—徐力斯特乌拉断裂、和屯—本井断裂、正谊关断裂；在磴口—徐力斯特乌拉断裂和屯—本井断裂之间还有一条EW向隐伏断裂(1976年巴音木仁MS6.2地震发震断裂).距离本次震中最近的是震中以东15~20 km的NE向磴口—本井断裂.阿拉善左旗MS5.8地震发生后，地表并未造成明显破裂, 因此针对此次地震的发震构造是否为磴口—本井断裂也还一直存在争议.
中国地震科学台阵探测——喜马拉雅Ⅱ期布设在阿拉善地区的密集流动台站为研究阿拉善左旗地震提供了丰富的数据信息.本文首先利用M & L技术，对阿拉善左旗MS5.8级地震前后(2017年1月1日至2017年7月31日)的地震目录进行检测识别，检测后的地震目录事件从175增加到1688个，提供了更加完备的地震目录，b值和大森公式拟合也揭示了基于检测后的余震序列的地震活动性分析从统计上更为可靠.
重定位后的地震事件分布结果显示震中附近的余震主要沿NEE向展布，与NE向的磴口—本井断裂不一致.余震在深度方向近似垂直地分布，揭示此次地震的发震断层是一个高倾角、近乎直立的断层.根据余震序列分布特征, 结合磴口—本井断裂的断层资料和该区域断裂带构造运动以及震源机制解的结果(宋超和盖增喜，2018)，我们推断这次地震很可能是发生在磴口—本井断裂西侧一条近E-W向的盲断层上.已有的研究揭示阿拉善MS5.8级地震为带有正断层的走滑型地震，与1976年巴音木仁MS6.2地震震源机制解基本相同(王晓山等，2015；宋超和盖增喜，2018).我们也计算了9个MS2.0~4.1地震事件的震源机制，震源机制结果都显示为近走滑型(图 8).地震序列的水平分布显示F1和F2两个震群相距20 km左右，其中F2震群位置与巴音木仁地震震中(40.08°N，106.35°E)位置非常接近.图 9给出的余震序列沿发震断裂走向AA′及垂直走向BB′向随时间变化的分布显示，在阿拉善左旗主震发震前，F2震群有密集的小震发生，主震发生后F2和F1震群发震频率明显增强，但F2震群在主震发生后30天左右发震频率明显减少；F1震群则在主震发生后，发震频度较高，震级也较大，主震发生后30天左右，F1震群发震频次和震级开始减弱.尽管F1和F2震群的地震活动性在时间上表现出某些看似相关的特征，但这两个震群的地震活动性是否存在迁移和触发还有待将来依据更长时间记录和更丰富的地震数据来进行进一步分析和论证.
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图 9 主震前后重定位的地震事件随时间分布(F1，F2为本次重定位后的两个震群；蓝色圆圈为原始目录地震事件；红色圆圈为检测目录新增地震事件；黄色五角星为阿拉善MS5.8地震主震) Fig. 9 Temporal evolution of relocated events before and after the mainshock(F1, F2 are earthquake swarms; The blue circles represent catalog events; The red circles denote detected events; The yellow star denotes the mainshock of the 2015 MS5.8 Alxa earthquake) |
从图 7、图 8的震源深度剖面和图 9的地震活动性上还可以看出，检测到的新地震事件有两个地震序列小震群，震级在0~1.5范围，震源深度较浅，地表并没有断层出露的迹象，并且主震前后地震活动性基本保持在相同水平(除2015年春节附近一个月，小震活动基本缺失)，这两个小震群分布位置是流经乌海市的黄河滩，该地区附近有好几个采石场，推测这两个震群可能与采石场爆破相关.
总之，本研究通过利用中国地震科学台阵探测——喜马拉雅Ⅱ期布设在阿拉善地区的密集流动台站，采用M & L技术进行微震事件检测，大大丰富了原有的地震目录，提高了地震活动性分析的可靠性，也为研究深部地质构造和阿拉善地震震源之间的关系提供了重要的基础资料.
利用检测后的地震目录进行双差层析成像和定位，重定位后的结果显示，主震震中位置为39.8023°N、106.4388°E，震源深度为20.597 km.重定位后在水平方向近E-W向展布的余震序列揭示2015年阿拉善左旗MS5.8地震的发震断裂可能是磴口—本井断裂西侧的一条近E-W走向的盲断层，在深度方向近似垂直分布的余震序列也揭示了此次地震是一次以走滑为主的断层破裂.
致谢 感谢中国地震局地球物理研究所“中国地震科学探测台阵数据中心”为本研究提供的连续波形数据；感谢中国地震局地球物理研究所丁志峰、吴建平研究员对本研究的支持；中国地震局地质研究所陈小斌研究员利用电性探测结果对本文研究进行了进一步分析和论证；河北省地震局王晓山博士对本文震源机制解的分析提供了指导和帮助，在此深表谢意.最后感谢两位审稿专家在百忙之中抽出时间，对本文进行精心修改和提出宝贵意见，让本文更加完善.
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