2011年11月6日美国俄克拉何马5.6级地震震源参数测定及成因初步研究

2015-09-04汪小厉倪四道陈伟文吴为治

中国地震 2015年2期

关键词：震源反演波形

汪小厉倪四道陈伟文吴为治

1)中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球内部物理研究所，合肥市金寨路96号 230026

2)蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽蒙城 233500

3)中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077

0 引言

2011年11月6日3时53分(世界协调时)，美国俄克拉何马州发生了5.6级地震。据美国地质调查局(USGS)报告，此次地震震源深度为5.2km，震中距离首府俄克拉何马城东北约80km，其震中最大烈度为Ⅷ度，导致人员受伤、建筑物受损。阿肯色、伊利诺伊、德克萨斯和堪萨斯等17个州的部分地区有震感。在美国洛基山脉以东区域，Mw≥5.0地震的活动性低(Keranen et al，2013)，但于2011年11月5日、6日、8日在美国中东部的俄克拉何马州连续发生3个Mw≥5.0地震，其中5.6级地震是该州有历史记录以来的最大地震，强于1952年4月9日发生的M5.5地震。鉴于该州天然地震活动性低，一些研究人员开始探索此次地震非天然成因的可能性。由于此次M5.6地震震中附近存在较多的页岩气开采注水井，该地震是否与注水有关引人关注(Keranen et al，2013)。

美国页岩气研究、勘探与开采已有100多年的历史(徐建永等，2010)，其技术手段已日趋成熟。在页岩气开采过程中，“水压致裂”是主要技术手段。而在水压致裂过程中，孔隙压力持续增长，可能会触发地震(Raleigh et al，1976;Hsieh et al，1981;Talwani et al，1984、2007;Nicholson et al，1990;Shapiro et al，1999)。在美国俄克拉何马地区，因页岩气的大量开采，存在较多的注水活动，地震活动性显著增强，这些地震是否由注水触发已成为众多学者研究的焦点(Davis et al，1993;Holland，2011;Keranen et al，2013)。Davis 等(Davis et al，1993)总结出的注水触发地震判断标准主要包括:注水与地震间存在时间联系、地震震中位置接近注水井以及震源深度接近井的深度等。首先，地震活动性M-t图并结合注水时间可以用来表明地震与注水之间的时间联系。其次，在台站方位角分布良好的情况下，能够较准确地测定地震的震中位置，从而得到震中位置与注水井位置的关系。同时，由于已知注水井的精确深度，所以地震震源深度与注水井的深度关系判断主要依赖于震源深度的准确测定。然而，震源深度是一个较难准确测定的参数，在台站稀疏地区，其误差一直较大，给注水地震的研究带来困难。例如，俄克拉何马州M5.6地震发生后，Keranen等(2013)开展了地震成因研究，测定了地震序列的震源深度，并结合地震震中3km范围内注水活动(图1)，分析了注水活动与震源深度的关系。结果表明，自1993年以来，震源区内的注水活动逐渐开始(Oklahoma Corporation Commission Well Data System)①http://www.occpermit.com/WellBrowse，震中附近的井 1、2、3的注水深度在约1.3～2.1km范围内，和地震序列中一系列浅源地震的震源深度接近，据此提出地震与注水可能存在联系。然而，与美国地质调查局(USGS)等机构给出的该地震的震源深度(表1)存在较大差异，一些地震的震源深度甚至可达12km，与注水深度有明显差别。因此，需要对此次地震开展准确可靠的震源深度测定研究。

目前，可以利用大地测量学数据测定震源深度，也可以基于地震学中走时和波形的方法研究震源深度。基于走时测定震源深度的方法是利用P、S波的到时及到时差来计算震源深度，如Hypo系列程序(Klein，2007)等。但基于走时方法得到的震源深度的精度受到台站密度的限制，仅在台站分布密集时才能得到较高精度的震源深度。而地震波形中也含有对深度敏感的信息，可以利用震相的振幅、偏振及全波形信息来确定震源深度(罗艳等，2013)。其中，Zhao等(1994)提出的CAP(Cut And Paste)方法，是一种较有代表性的、基于波形反演震源深度等震源参数的自动化方法。对于近震数据，Pnl波中包含了深度震相(如sPg、sPn等)，且体波与面波间的相对强度也能够有效地约束深度。对于中等强度的地震(MW5.5～6.5)，地震能够被全球台网清晰记录到(金笔凯等，2013)，因此可以利用远震数据对震源深度参数进行研究。尤其对于近震台网稀疏的地震事件，远震波形数据可有效补充近台数据。同时，远震波形中的pP、sP、sS和 pS等深度震相可以很好地约束震源深度。因此，综合利用近震、远震和近远震数据，可以得到较可靠的地震震源深度和震源机制解参数。

图1 俄克拉何马5.6级地震震中及注水井分布

本文利用CAP、CAPtele及CAPjoint三种方法(陈伟文等，2012)，分别对近震资料、远震资料和近、远震联合资料进行反演。同时，在对近震数据反演时进行不同模型测试，以验证近震CAP结果的准确性与可靠性。其中联合反演得到的深度为4.9km，该深度与注水深度较为接近。在本文中，还利用地震震源参数的标度律(Somerville et al，1999)分析，得到破裂区宽度约为7.0km，此次地震破裂区上缘深度可达1.4km深，下缘到8.4km深处，在井1、2、3的注水深度范围内。由此推测该地震可能与当地页岩气开采过程中的注水活动有关。

表1 俄克拉何马5.6级地震震源参数

1 方法和数据

1.1 方法

本文主要使用CAP及在此基础上发展的CAPtele和CAPjoint方法分别反演了俄克拉何马地区5.6级地震的震源深度及机制解参数。

CAP方法主要是将宽频带近震波形截取为体波(Pnl)和面波部分，分别计算其理论波形和实际波形的误差函数，并在相关参数空间内进行网格搜索，获得最优解。韦生吉(2009)对CAP方法做出了改进，发展了CAPtele方法。该方法主要是利用远震(震中距在30°～90°)体波中的垂直方向(Z分量)的P波和切向(T分量)的SH波进行反演，而未使用P波垂向分量及径向分量，这是因为:①台站下方地壳速度结构对远震P波的水平分量有较大的影响(Langston，1979);②远震SV波可能会受到SPL震相的干扰，波形复杂(Baag et al，1985)。陈伟文等(2012)进一步发展了CAPjoint方法，该方法结合近震和远震波形，利用近震和远震震相对震源参数具有不同的敏感性，并采用近震、远震独立的权重来计算误差函数，从而得到震源深度及机制解参数。

1.2 数据及速度模型

本文的近震与远震波形数据来自于IRIS网站(www.iris.edu)，为有效约束震源参数，选取数据时要求近震与远震台站均具有较好的方位角分布(图2)。

在数据处理过程中，首先挑选出具有较高信噪比以及P波初动清晰的近震波形数据。其次，对于挑选出的数据，将原始波形去除仪器响应，进行大圆弧路径旋转得到Z-R-T三个分量。在反演过程中，对于该地区地震的近震波形，选取体波的带通滤波范围为0.02～0.5Hz，面波的带通滤波范围为0.02～0.2Hz;而对于远震波形，P波的带通滤波范围为0.01～0.15Hz，SH波的带通滤波范围为0.01～0.1Hz。选取这些频段，既能满足地震点源近似的要求，也可压制三维结构效应。

在反演过程中，用频率-波数法(F-K)(Zhu et al，2002)计算近震格林函数，用 Holland(2011)的Central Oklahoma速度模型作为震源区模型(图3)。而远震的格林函数则使用传播矩阵方法(Kikuchi et al，1982)计算理论远震体波格林函数，震源区同样选取 Holland(2011)的Central Oklahoma速度模型。地幔模型采用PREM(Dziewonskiet al，1981)。同时，远震波形的非弹性衰减模型中，P波和 SH波分别选取1s和5s的t*(Kikuchi et al，1982)(t*为远震体波非弹性衰减因子)。

2 结果和分析

2.1 震源深度和震源机制解

使用上述程序对波形进行了全面搜索，得到其震源深度、震源机制解及矩震级。图4的(a)、(b)、(c)分别给出了近震、远震、近远震联合反演俄克拉何马地区M5.6地震的观测波形与理论波形拟合误差随深度的分布，结果表明3种反演收敛效果较好。从图中可以看出，在各个深度上，震源机制解的变化较小，说明3种反演方法得到的机制解比较一致，为走滑型地震。图5给出了近远震联合反演得到的震源机制解及观测波形与理论波形的拟合结果。由图可知，多数台站的波形拟合较好，表明了结果的可靠性。

图2 俄克拉何马5.6级地震及近震远震台站分布

近震数据反演得到的双力偶机制解结果见表2。由表2可知，近震数据、远震数据及近远震数据联合反演的结果的一致性较好。

表2 震源机制解结果

2.2 模型对近震结果的影响

图3 震源区速度模型

图4 近震、远震及近远震反演的误差-深度分布图

为了考察CAP方法反演结果对速度结构的依赖性，我们选取Mitchell等(1970)给出的Chelsea(图6(a))以及Tryggvason等(1967)给出的Tryggvason(图6(c))模型对震源深度和震源机制解进行测试。对于Chelsea模型，反演得到的双力偶机制解为:节面Ⅰ为53°/89°/-180°，节面Ⅱ为323°/90°/-1°，震源深度为4.7km。对于 Tryggvason模型，双力偶机制解为:节面Ⅰ为 54°/87°/-180°，节面Ⅱ为 324°/90°/-3°，震源深度为 4.7km。两种模型与Holland(2011)模型的近震反演震源深度结果相差在0.5km左右(图6(b)、(d))，断层面解中各角度相差在3°以内。根据上述结果，说明本研究中CAP方法反演震源深度与震源机制解结果是可靠的。

图5 俄克拉阿马5.6级地震联合反演结果

3 结论与讨论

本文使用近震和远震连续波形数据，采用CAP及以此为基础的其它方法分别对近震、远震和近远震联合反演，得到了2011年11月6日美国俄克拉何马州5.6级地震的震源深度和震源机制解。同时，利用不同模型对震源深度及震源机制解进行了稳定性测试，发现其深度结果偏差在0.5km以内，机制解结果的偏差在3°以内。该地震是一个走滑型地震，质心深度为5km左右。与多数大陆构造地震的深度约在10km相比，此次地震偏浅。震源深度浅，考虑到研究区历史地震活动性低，加之近年来随着注水活动频繁地震活动明显增加等因素，可能表明此次地震非构造成因所致。

本文虽然基于传统点源地震学的CAP方法获取了断层面解、质心深度、矩震级等震源参数。然而，地震的点源描述不足之处在于对震源的描述相对简单，缺乏断层破裂的具体形态细节，如破裂方向等信息，这不利于更深入研究地震成因。地震的破裂方向问题是地震学研究中的重要课题，它约束了地震破裂起始位置与断层质心之相对方位，而地震破裂起始深度是研究地震成因的重要参数。在本文中，若能准确测定出该地震的破裂方向并推断出地震破裂的起始深度，则可进一步验证注水过程与地震事件的相关性。我们采用地震震源参数标度分析，据联合反演得到的矩震级(MW5.6)，计算得到破裂区宽度约为7.0km，由此给出此次地震的破裂区域在垂直方向上的投影(Somerville et al，1999)(图7)。此次地震破裂区上缘可达1.4km深，在该地震震中附近的井1、2、3的注水深度范围之内，由此推测该地震可能与注水有关，这与Keranen等人(2013)的结果一致。