营口—海城地区震群的震源机制一致性特征①

曹凤娟， 张　博， 杨牧萍， 袁　超， 邵媛媛， 钱　蕊

(1.辽宁省地震局,辽宁 沈阳 110034； 2.大连地震台,辽宁 大连 528000)



营口
—海城地区震群的震源机制一致性特征①

曹凤娟1， 张博1， 杨牧萍1， 袁超2， 邵媛媛1， 钱蕊1

(1.辽宁省地震局,辽宁 沈阳 110034； 2.大连地震台,辽宁 大连 528000)

摘要：采用P波初动方法计算1999年以来营口—海城地区5次震群序列的中小地震震源机制解，并定义震源机制一致性参数θ为中小地震震源机制解 3个正交的应力主轴与华北地区构造应力场3个应力主轴在三维空间的夹角之和。计算结果显示：营口—海城地区震群中较大地震发生前10天~2个月，θ都有一个持续低值的过程；1999年岫岩前震序列的θ变化幅度在20°~30°之间，且大部分小于65°。相比用震源机制P轴取向趋于一致来判定震源区应力状态，θ更有其优越性。

关键词：营口—海城地区； P波； 震群； 震源机制一致性参数； 应力

0引言

地震是地下介质受到应力作用而产生破裂的结果，震源机制解是研究构造应力场的基本资料，可以揭示地震破裂的力学机制，反映出地震等效释放应力场，因此通过对中小地震震源机制特征的研究，可以及时获得区域构造应力场的时空变化[1-3]。目前关于震源机制方法在地震短期预报中的研究应用很多。如张萍等[4-6]利用P 波初动解获得的震源参数用于1999年岫岩5.4级地震序列性质与海城地区震群特征研究，认为较大地震前P 轴取向由紊乱趋于一致，进而也可以判断震区的应力状态。陈顒[7]根据强震震例，指出在震源机制的一致程度方面前震、余震和震群有明显的差别，并提出了描述一群地震活动性方面的一个“群体”参数——震源机制一致性，并赋予这个参数定量化。之后部分学者利用震源机制一致性参数分别研究了大同晚期强余震、张北强余震和干岛岛弧地震等[8-10]，结果不同程度显示大震发生前孕震区震源机制一致性参数比较低，震源机制与构造应力场的差异较小，说明这些前震受到了震源区应力场的统一作用，而主震发生之后震源机制解的一致性参数比较高，说明后续发生的地震的震源机制散乱，表明背景应力场的控制作用开始减弱。由此可见，将震源机制一致性参数用在震群或较大地震发生后的趋势判定中，或许可得到一定的短临信息。

营口—海城地区属辽宁省的老震区，1975年海城7.3级和1999年岫岩5.4级地震就发生在该地区。2008年以来该区震群活动此起彼伏，其震群性质的判定无疑是当前辽宁省震情跟踪工作的重点。因此，本文将计算1999年以来营口—海城地区震群的震源机制，并与辽宁地区构造应力场进行对比分析，在此基础上，利用震源机制解一致性参数方法来

分析营口—海城地区震群的震源机制一致性特征，以期为震群性质判定和辽宁地区的短临预测工作提供参考。

1资料和方法

根据曹凤娟等[11]整理的辽宁地区震群资料，考虑到震源机制解计算的最小震级和统计样本数等问题，本文选取1999年以来发生在营口-海城地区的ML≥2.5地震次数超过20次的5次震群序列(表1)。空间分布上，1999年岫岩M5.4地震序列和2008年海城ML4.8震群序列发生在NW向大洋河断裂附近，而2012、2013和2014年盖州震群序列则发生在NE向的金州断裂和营口—海城断裂的阶区附近(图1)。

①：1999年岫岩；②：2008年海城；③：2012年盖州青石岭；④：2013年盖州青石岭；⑤：2014年盖州西海域图1　1999年以来营口—海城地区研究所用震群分布 Fig.1　Distribution of earthquake swarms in Haicheng-　　　Yingkou area since 1999 used in the study

序号起止时间地点持时/天最大地震/ML发震时间ML≥2.5频次/次11999-11-09—2000-06-30岫岩2015.4(M)1999-11-2991*22008-11-03—2009-04-19海城1684.82008-11-143432012-02-02—2012-12-23盖州青石岭3244.82012-02-022242013-03-30—2013-05-07盖州青石岭414.02013-03-302452013-12-23—2014-10-04盖州西海域2834.32014-08-2226*

注：带*号的频次为ML≥3.0地震的频次

首先选择各震群中P波初动较清晰、至少被10个以上台站记录的ML≥2.5地震波形，利用P波初动法计算各震群的震源机制解，然后根据刁桂苓等[8]定义的震源机制一致性参数θ，分析震源区应力状态及其随时间的变化特征。该方法的基本思路：将一个区域的应力场分为背景应力场和变化应力场，背景应力场主要反映区域内的应力状态，研究是否存在一个较为稳定的空间取向，认为这种稳定的空间取向对强震起着控制作用。变化应力场反映的是区域内小范围短时间的变化、扰动，通过研究变化应力场取向的变化来发现构造运动的情况及强震的前兆信息[10]。如果构造应力场的空间方向由3个相互正交的应力主轴表示(即σ1、σ2、σ3)，震源机制解的取向由3个相互正交的应力 P 轴、B 轴、T轴 表示，则定义震源机制和构造应力场的一致性参数θ(以下简称一致性参数)为:

如图2所示，其中α=∠σ1OP;β=∠σ2OB;γ=∠σ3OT。这与陈颗[7]提出的震源机制解一致性参数的本质是一样的，即主要利用中小地震的震源机制与背景应力场的偏离程度来描述大震发生前应

图2　背景应力场 3个主轴和震源机制3 个应力　　　轴夹角示意图 Fig.2　Included angles between 3 pincipal axes of background　　　 stress field and 3 stress axes of focal mechanism

力场的变化情况。根据许忠淮等[12-13]和汪素云等[14]的研究，华北地区构造应力场的总体特征是中等应力轴(B轴)基本直立，最大主压应力轴(P轴)和最小主压应力轴(T轴)近乎水平，总体方向为NEE-SWW和NNW-SSE。由此推断华北构造应力场的参数分别为:最大主压应力轴方向σ1az=80°、倾角σ1ih=90°；中间轴方向σ2az=0°、倾角σ2ih=0°；最小主压应力轴方向σ3az=170°、倾角σ3ih=90°。本文将华北构造应力场做为研究所用的背景应力场，进而在三维空间计算各震群的震源机制一致性参数θ。θ的最大值为270°，最小值为0°。

2结果分析

图3为5次震群序列的震源机制各个参数每10°间隔的归一频数分布。由图3可见,2008年海城4.8级震群的P轴方位有三个优势方向，即NE、NNW和近EW向[图3(a)]，其中P轴方位在20°～50°和200°～230°之间的地震有7次，占24.1%；在60°~110°和240°~290°之间有10次，占34.5%；在150°~170°和330°~350°之间有6次，占20.7%。2012年和2013年盖州青石岭两次震群的P轴方位总体上较分散，其中2012年震群中71.4%的地震P轴在60°～140°和240°~320°之间[图3(b)]，2013年震群中52%的地震P轴在80°～160°和260°～340°之间呈NWW向分布[图3(c)]。而2014年盖州西海域4.3级震群P轴方位的优势展布与1999年岫岩5.4级地震序列的展布接近，大部分位于NE50°～70°之间[图3(d)和图3(e)]，其中2014年盖州西海域震群的P轴80.8%在40°～70°和220°~250°之间，1999年岫岩震群的P轴85.9%在50°~90°和230°~270°之间。2014年盖州4.3级震群和1999年岫岩M5.4地震序列的P轴角度与华北构造应力场的主应力轴接近，表明这两次地震序列受华北构造应力场的作用较强。盖州青石岭两次震群的P轴展布可能与其所处金州断裂和营口-海城断裂的阶区部位有关，或许由于所在区域应力场较复杂，使得该区地震的P轴展布也较分散。

表2和表3是各次震群中波形初动符号清晰的地震编号与震源机制一致性参数θ计算结果。图4是各震群序列的震源机制一致性参数及其5点滑动平均值随时间变化情况，其中横坐标地震编号对应表2和表3中各震群序列中的地震。总体来看，2008年海城、2012年青石岭和2013年盖州青石岭3次震群的震源机制一致性θ依次为125°、129°和151°，变化幅度较大(在40°～200°间变化)，均值都超过12.5°，而5点滑动平均值的范围80%以上在80°～160°之间[图4(a)、图4(b)和图4(c)]。而2014年盖州西海域震群和1999年岫岩地震序列的 值变化幅度明显偏小，大部分在20°～140°间变化，均值分别为73°和65°，5点滑动平均值的范围80%以上在50°～80°之间[图4(d)和图4(e)]。

图3　5次震群的震源机制P轴每10°归一频数分布图 Fig.3　Normalized frequency distribution of P-axis of focal mechanism of 5 earthquake swarms at intervals of 10°

图4　各震群序列的震源机制一致性参数随时间变化图 Fig.4　Variation of focal mechanism consistency parameters of each earthquake swarm with time

值得注意的是，除2013年盖州青石岭震群外[图3(c)]，余下4个震群中较大地震发生前震源机制一致性参数θ值都有一个持续低于均值的过程，例如2008年海城震群的低值从2008年11月4日开始，直至2008年11月14日震群中发生最大ML4.8地震，持续时间10天[表3、图4(a)]；2012年青石岭震群的起始地震即为该震群的最大地震ML4.7，在7月12日震群中次大地震ML4.3发生之前，θ值也有一个明显的持续低值时段，持时大约2个月[表3、图4(b)]；2014年盖州西海域震群中两次4级地震发生前2个月θ值也有一个明显的降低过程，即2014年4月25日ML3.0地震开始到5月22日ML3.1地震结束，持续时间约1个月[表3、图4(d)]。1999年岫岩两次5级地震前，θ值持续低值的现象最为明显，从1999年11月9日序列开始，到11月29日M5.4主震发生前，这20天内的θ值均较低，5.4级地震之后到11月30日，θ值上下波动较大，或许说明此时震区的应力场正处于较大应力释放后的调整阶段。从12月1日开始至12月27日，一致性参数再次开始持续低值，且此时的θ值与前次高度接近，变化幅度在20°之内[表2、图4(e)]。由此可见，震群中较大地震发生前10天～2个月，震源机制一致性参数都有一个低值的过程。1999年岫岩前震序列的θ值变化幅度在20°～30°之间，且大部分小于65°。由此可见，震源机制和应力场的一致显示了构造应力场控制作用的增强，而一旦二者吻合度较好，可能意味着后续将有强震发生，例如1999年岫岩地震序列；反之，震源机制和应力场不一致，表明构造应力场控制作用减弱，地震将以离散发生中小地震为主，如2008年海城和2012、2013、2014年盖州几次震群。

表 2　1999年岫岩5.4地震序列的震源机制一致性参数计算结果

表 3　海城和盖州地区震群的震源机制一致性参数计算结果

若单从震源机制P轴取向较一致的角度判断震区应力场状态[5]，则2014年盖州西海域震群后续的发展演化就有些费解了。因为图3(d)和图3(e)显示2014年盖州西海域震群和1999年岫岩地震序列的P轴集中度相当，但是2014年的盖州震群和2012年、2013年盖州青石岭震群一样，后续并没有更大地震发生。同样，从上述两次震群的P轴方位随地震发生次序变化中也可发现，尽管二者P轴方位的整体变化范围不大，表明应力场有一定的集中，但从时间角度看，震群或序列中较大地震前P轴方位由紊乱趋于一致的异常显示并不明显(图5)。然而从震源机制一致性参数θ的角度却可以明显看出二者的差别和较大地震发生前的持续低值现象[图4(d)和图4(e)]。可见相比用震源机制P轴取向趋于一致来判定震源区应力状态，震源机制一致性参数θ更具有优越性。

图5　P轴方位随地震发生次序变化图 Fig.5　Change of azimuth of P-axis with earthquake　　　 occurrence order

3讨论与结论

有关强余震发生前震源机制一致性参数的低值现象，在大同、张北、秘鲁近海以及千岛岛弧震区的强余震震前出现过类似的现象[8-10]。付虹等[15]对云南地区强震前震源机制一致性参数的时空分布研究也发现，强震发生前3年至数月，震源区附近出现多个震源释放应力场与区域应力场一致或接近的中小地震，强震就发生在中小震震源机制一致性参数低值分布区内或其边缘附近。

陈顒[7]根据多个强震震例的研究，提出地震震源机制一致性是判断地震危险性的一个有用判据的假说。任何一个地震序列都有发生、发展、衰退的过程，前震或在震群中最大地震发生之前，小震机制的相对一致性往往是地震活动性增强的标志，而机制的相对紊乱往往伴随着余震或地震群活动的减弱，因而从机制的一致性或紊乱可以判断震群中最大地震是否已经发生。本文的研究也表明：

(1) 将中小地震震源机制解 3个正交的应力主轴与相应的区域构造应力场3个应力主轴在三维空间的夹角之和定义为震源机制一致性参数，是衡量地震震源释放应力场与区域构造应力场一致性程度的定量指标。震源机制一致性参数θ值越小，则震源机制与区域应力场的一致性程度越高。中小震震源机制与区域应力场一致性程度越高，表明区域构造应力场增强的趋势越明显，后续发生较大地震的可能性就越大。

(2) 营口—海城地区的震群中较大地震发生前10天～2个月，震源机制一致性参数都有一个低值的过程，低值的持续时间和波动范围或许与震群的性质有关。普通震群(如2008年海城、2012年和2013年盖州青石岭)一致性参数的波动范围较大，且一致性参数的均值均超过125°[图4(a)、图4(b)、图4(c)]。而1999年岫岩前震序列中两次较大地震(1999年11月29日M5.4和2000年1月12日M5.1)前的θ值持续较低，变化幅度大部分在20°～30°之间，且大部分小于均值65°。尽管2014年盖州西海域震群一致性参数的波动范围不大，均值也不高(73°)，说明该区的应力场有一定的增强趋势，但是鉴于其一致性参数没有出现持续低值的现象[图4(d)]，有待后续进一步跟踪研究。

(3) 相比用震源机制P轴取向趋于一致来判定震源区应力状态，震源机制一致性参数更有其优越性。由于样本数量的局限性和震源机制计算的误差，本文的研究结果有待进一步检验。相信随着不同区域不同强度震例研究样本的积累，该方法在强余震预测和前震序列识别上的预测意义将愈来愈明显。

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Focal Mechanism Consistency Features of Earthquake Swarms in Yingkou-Haicheng Area

CAO Feng-juan1, ZHANG Bo1, YANG Mu-ping1, YUAN Chao2, SHAO Yuan-yuan1, QIAN Rui1

(1.EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,Liaoning,China;2.DalianSeismicStation,Dalian528000,Liaoning,China)

Abstract：We solved the five focal mechanisms of moderate and small swarm earthquakes occurring since 1999 in Yingkou and Haicheng using the P-wave first-motion method. We defined the sum of the inclinations of three orthogonal and principal stress axes of the focal mechanisms for the moderate and small earthquakes and that of the tectonic stress field in corresponding areas in the 3D coordinate system as parameter of the consistency of the mechanisms. It is a quantitative index used to measure the release stress field of an earthquake source and the conformance degree of the regional tectonic stress field. The conformance degree of the regional stress field and the focal mechanisms increase as the value decreases. The conformance degree of the regional stress field and the focal mechanisms of moderate and small earthquakes are higher because of the enhanced tendency of the regional tectonic stress field and higher possibility of occurrence of a stronger earthquake in the future. The result shows that the parameter of the consistency of the focal mechanisms was reduced to a minimum value of approximately 10~60 days before the occurrence of larger earthquakes for the earthquake swarms in Yingkou and Haicheng. Time and fluctuation range of the low value may be related to the characteristics of the earthquake swarm. The consistency parameter fluctuated significantly in common swarms such as the 2008 Haicheng earthquake swarm and the 2012 and 2013 Qingshiling earthquake swarms in Gaizhou City. All the mean values of the consistency parameter were greater than 125°. The value was low before the occurrence of the two stronger earthquakes (M5.4 on November 29, 1999 and M5.1 on January 12, 2000) in the foreshock sequence in Xiuyan. The value varied between 20° and 30°, and the minimum value was less than 65°. The consistency parameter did not vary significantly, and the mean value is not high (73°) for the 2014 earthquake swarms of Xihaiyu and Gaizhou, thus indicating some strengthening tendency of the stress field. However, because the consistency parameter is not consistently low, further research must be conducted in the future. Nevertheless, the parameter of consistency of focal mechanism is more useful for judging the stress condition in the focal region than using the P-axis trend of focal mechanism.

Key words：P-wave; focal mechanism; stress; earthquake swarm

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0004

中图分类号:P315

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)01-0004-08

作者简介：曹凤娟(1970-)，女，高工，主要从事地震学分析与研究工作。E-mail:cao99@sina.com。

基金项目：辽宁省科学技术计划项目“辽宁省重点地震构造地震危险性研究”(2014231003)；辽宁省地震局重点实验室项目“辽宁省地震活动性研究”(LZ-Z201501-2)；辽宁省地震局重点实验室项目“未来1—3年辽宁省6~7级地震高危区研究”(LNDZ2014003)；2016年震情跟踪定向任务“金州断裂应力状态及地震危险性研究”(2016020104)

收稿日期：①2015-03-10