2013年通辽M S 5.3地震及其前震序列判定

韩晓明 刘芳 张帆 倪铭

内蒙古自治区地震局，呼和浩特市新城区哲里木路80号 010010

0 引言

沿42°N线呈近EW向展布的赤峰-开原断裂是兴蒙造山带和华北地台这2个Ⅰ级板块的分界线(马杏垣，1987、1989)，该断裂处于岩石圈厚度变异带，断裂两侧岩石圈厚度差异显著(卢造勋等，2005)，也是地震活动性分析中华北块体与东北块体的地理分界(孟宪森等，2007)。2013年4月22日17时11分赤峰-开原断裂中段的内蒙古一侧发生通辽MS5.3地震，宏观震中位于科尔沁左翼后旗甘旗卡镇(42.98°N，122.36°E)。2013年1月21日该地曾发生ML4.4地震，它与4月22日通辽MS5.3地震发震时间相差约3个月，从空间位置差异和时间间隔上可以初步确定其为MS5.3地震的前震;值得注意的是，ML4.4地震发生后2天，在其东南方向约170km处的沈阳灯塔发生5.1级地震，这就产生了ML4.4地震的前震归属问题。根据前震的定义(陆远忠等，1985;朱传镇等，1996;陈运泰等，2000;王林瑛等，2005;蒋海昆等，2006)，空间位置上的接近要比发震时间间隔上的接近更能体现前震的性质。虽然ML4.4地震与灯塔5.1级地震的发震时间仅间隔2天，但考虑到其震中与通辽MS5.3级地震的震中比较接近，因此初步认为ML4.4地震应该为通辽MS5.3地震的直接前震。为了更加确切地判定其前震性质，本文在地震序列统计分析的基础上，通过HypoDD双差定位给出前震与主震较为精确的空间分布，考察前震与主震在震源深度上的“同源性”，通过震源机制求解分析前震序列的震源机制相似性，并结合地震序列的统计分析，综合判定2013年1月21日ML4.4地震序列与通辽MS5.3地震的关系。

1 地震概况

1.1 地震地质背景

松辽盆地是一个典型的中新生代大陆伸展型断坳复合型盆地，其形成演化受2种动力控制:一是地壳深部地幔物质的热动力;二是太平洋板块向亚洲大陆俯冲形成的动力。盆地早期发育主要受第1种动力控制，中、晚期发育主要受第2种动力控制。由于2种动力性质的改变，在盆地发展过程中具有张、压两重性(迟元林，2002;刘殿秘，2008)。目前，松辽盆地仍主要受西太平洋板块西行俯冲的影响而在盆地中部及周缘形成中强地震活动地带。自有历史地震记录以来，震中方圆150km范围内共发生MS≥5.0地震8次，其中最早记载的地震是1318年辽宁阜新5.0级地震，其震中距2013年通辽MS5.3地震约41.5km;在时间、空间上距离最近的是1942年7月9日内蒙古通辽6.0级地震，其震中距2013年通辽MS5.3地震约35km(图1)。

图1 历史及现代中强地震和断裂构造分布

1.2 地震序列

根据中国地震编目系统(http://10.5.202.22/bianmu/index.jsp)提供的正式地震目录，2000年1月1日 ～2013年 5月14日，在通辽MS5.3地震的震中区(42.88°～43.08°N，122.25°～122.45°E)共记录到82次地震，从其M-t图(图2)可以明显看出，通辽MS5.3地震是在地震平静区域内部出现地震活动增强的过程中发生的一次中强地震;地震活动增强以来，即2013年1月21日～5月14日，在通辽MS5.3级地震震中区记录到地震79次，其中ML5.0～5.9地震1次、ML4.0～4.9地震2次、ML3.0～3.9地震15次、ML2.0～2.9地震43次、ML1.0～1.9地震18次。1月21日ML4.4(MS3.9)地震与4月22日MS5.3地震时间相隔73天，该时间间隔介于“直接前震”和“广义前震”之间(陆远忠等，1985;梅世蓉等，1993;王林瑛等，2005)。为了精确考察通辽MS5.3地震的空间分布形态，下面通过HypoDD双差定位对震中区的地震事件进行重新定位。

图2 2000年1月1日 ～2013年5月14日震中区 M L≥1.5地震 M-t图

2 地震序列重新定位

卢造勋等(2002)结合人工地震探测资料对东北地区的上地壳和地幔结构进行了深入研究，结果较可靠。因此，本文采用卢造勋等(2002)的层析成像结果构建分层速度结构(表1)，根据危自根等(2012)利用接收函数H-k的叠加分析结果将该区的波速比值设定为1.77。

表1 地震重新定位使用的速度模型

为准确地分析余震活动的时空展布形态，运用共轭梯度算法对地震序列进行了HypoDD双差定位(Waldhanser et al，2000;杨智娴等，2004;黄媛等，2008)。定位结果显示，EW、NS和UD方向的定位误差均值分别为0.8、0.7、1.1km，分布范围分别为0.31～1.29、0.25～1.53、0.34～2.11km，水平向定位精度明显优于垂直向;走时残差分布范围为0.262～0.823s;重新定位后，震源深度集中分布于5.5～7.5km，从A1-A2的震源深度剖面可以看出，序列的震源深度整体表现出由NW向至ES向逐渐增加的趋势(图3(e))，前震序列6次事件的震源深度为5.8～8.1km，震源位置在垂直向的差异不大(图3(d))。重新定位后，地震序列整体呈NW向展布，延伸约10km，余震分布于主震两侧，表现出双侧破裂特征;ML≥3.0余震集中于主震南侧约2km处;前震序列中，震级较大的4次事件呈带状NW向展布，震级较小的2次事件明显离散，这可能由较小震级地震事件的定位误差较大所致(图3(a))。MS5.3主震与ML4.4前震的震中位置相差约 1.8km，震源深度分别为 7.208、7.089km，表明震源位置比较接近，它们可能发生于同一断层面。

图3 HypoDD重新定位后通辽M S 5.3地震的前震和余震分布

3 震源机制解

岩石力学实验和震源物理研究表明(Mogi，1962;Nur，1972;Anderson et al，1973;Scholz et al，1973;Mjachkin et al，1975)，震源区介质发生非弹性变形并呈现明显的各向异性。这种各向异性可以有多种表现形式，如波形相似、介质内的裂隙呈优势取向排列或定向排列以及震源机制解相近等(Sobolev，1984;崔子健等，2012)。为进一步判定通辽MS5.3地震的前震序列，以下通过求解震源机制考察前震序列的震源机制相似性。

对于MS5.3主震，采用CAP方法(Cut and Paste，缩写为 CAP)(Zhu et al，1996)进行震源机制求解;对于前震和余震，采用基于P波初动的P波、S波振幅比方法(梁尚鸿等，1984;刘杰等，2004;胡新亮等，2004;张永久等，2007)进行震源机制求解;这2种方法对台站分布的依赖性相对较弱(林纪增等，1991;胡新亮等，2004;龙锋等，2010)。

关于CAP方法和振幅比方法的比较详细的计算原理可参见文献，此处仅将2种方法求解震源机制的整体过程和相关约束原则做如下阐述:①在CAP方法求解过程中挑选地震事件的EVT格式波形记录。首先将震中距为150～500km的台站所记录波形的仪器响应去除，再将记录波形旋转至径向、切向和垂向后将其分解为Pnl和Snl两部分，用4阶带通滤波分别在0.05～0.2、0.05～0.1Hz频段内对Pnl、Snl的噪声部分进行压制并赋予不同的权重，采用目前应用较广的频率-波数(F-K)方法计算震中距的格林函数并得到合成地震图，然后将理论地震图与实际观测波形进行互相关，最终通过格点搜索方法反演求解震源机制。为减少速度模型及地震定位不甚精确等因素对结果的影响，通过在波形互相关过程中赋予Pnl和Snl不同权重且对二者采用不同的时移来保证反演结果的精确度。②在振幅比计算过程中，运用层状介质中一点源位错模型计算综合地震图得到P、S最大振幅，并对P、S最大振幅的比值与观测数据进行拟合来确定震源机制;为保证震源机制解的稳定性和可靠性，实际操作中约定参与计算的台站个数≥5，精度≤0.2mm，记录振幅≥0.5 mm且不限幅，震中距≤150km，以此保证 Pn、P11、Sn、S11等震相不参与计算。

根据1970年至今的地震资料，利用最大曲率方法(Woessner et al，2005)对震中及周边120km范围内的ML1.5～5.0地震的G-R关系曲线进行拟合，得到区域最小完整性震级Mc=ML2.0(图4);2007年以来内蒙古地震台网开始纳入邻省区的地震台站进行地震定位，目前震中区地震监测能力为ML≥1.5地震，定位精度为Ⅰ类。

图4 震中及周边的地震监测能力评估

根据上述原理和方法，选取震中周边信噪比较高、震中距为150～500km的15个台站波形记录进行矩张量初步反演(图5)，并选取理论波形和实际观测波形拟合误差较小的9个台站重新进行矩张量反演，求得通辽MS5.3地震的震源机制解为:节面Ⅰ走向221°、倾角85°、滑动角 152°;节面Ⅱ走向 314°、倾角 62°、滑动角 6°，基本为纯走滑型震源机制，与国内外其他研究结果基本一致(表2、图6)。

图5 通辽M S 5.3地震及周边地震台站分布

表2 通辽M S 5.3地震的震源机制解

受地震台站的实际分布状况(图5)所限，对于较小震级的前震和余震很难得到精确的震源机制解，这进而会影响到后期的结果分析。因此，对于ML≥3.0前震和MS≥3.0余震，统一利用基于P波初动的振幅比方法求解震源机制。结果显示，3次前震事件均为正断层，特别是ML3.2、ML3.5地震的震源机制更为一致，节面和力轴参数都比较接近(表3、图7)。相对来讲，余震的震源机制类型变化较大，初期的2次余震与主震的震源机制类型相似，均以走滑为主;后期的2次余震分别为逆冲型和正断层。

关于地震序列的震源机制相似性，陈颙(1978)对前震和余震进行研究后发现，前震在空间上集中、震源机制解也较类似，而余震在空间上离散、震源机制解差异较大，并认为主震前、后岩层或构造的基本结构是否变化是导致震源机制呈现一致性或紊乱性的主要因素。而在外界应力作用保持稳定的条件下，发震构造的基本结构中最能影响震源机制类型的因素是其几何形态，若介质中裂隙展布形态出现定向排列或其他各向异性，则这种规则的几何形态很容易产生相似的震源机制。

图6 通辽M S 5.3地震的震源机制解

表3 通辽M S 5.3地震的前震和余震(M L≥3.0)震源机制解

4 结论和讨论

(1)通辽MS5.3地震具有一定的特殊性，它并没有表现出前人总结的赤峰-开源断裂北部中强地震具有的爆发突然、序列单调等特点(孟宪森等，2007)。本次MS5.3地震发生前有典型的前震活动，且余震活动具有一定规模，余震强度和持续时间均超越了以往的统计规律。

图7 主震、前震和余震的震源机制解

(2)根据HypoDD重新定位的结果，通辽MS5.3地震序列整体呈NW向分布，震源深度由NW至ES方向呈现出逐步增加的趋势，序列延伸约10km，余震分布在主震两侧，呈现双侧破裂特征，较大震级的余震(ML≥3.0)则主要分布在主震南侧。前震序列延伸约1.8km，序列中较大震级的地震呈NW向带状分布于主震的东南侧。MS5.3主震与最大前震(ML4.4)的震中相距约1.8km，震源深度分别为7.208、7.089km，两者的震源位置十分接近，具有一定的“同源”特征。

(3)分别用基于波形拟合的CAP反演方法和基于P波初动的振幅比方法求解了MS5.3主震、ML≥3.0前震和MS≥3.0余震的震源机制解。MS5.3主震的震源机制为走滑型;余震的震源机制类型变化较大，由前期的走滑为主转变为后期的逆冲型和正断层;前震的震源机制类型比较一致，均为正断层，这种震源机制的一致性进一步明确了其所具有的前震性质。同时应注意到，ML4.4前震和后续2次前震的P轴方位并不一致，夹角约为90°，应力轴方位在短期内的变化可能由震源区本身的应力场调整引起，也可能与外围的应力触发有关，ML4.4地震之后2天，在其震中南部约170km处发生灯塔MS5.1地震，灯塔地震的应力触发作用也可能导致上述前震的应力轴方位发生改变，但这只是作者的主观推测，若要准确地揭示其原因，还需要从震中区的库仑应力加卸载作用方面开展研究。

(4)根据地震序列的时空分布特点和震源机制的相似性，综合判定通辽MS5.3地震为前震-主震-余震型。

致谢:文中图件由Matlab程序设计平台和GMT程序包绘制完成，CAP反演程序来源于美国圣路易斯大学朱露培教授，匿名审稿专家提出了中肯和科学的修改建议，在此表示衷心感谢。