2013年内蒙古通辽5.3级地震震源断层三维特征反演

王树忠， 贾昊东

(内蒙古治自区地震局乌加河地震台，内蒙古 巴彦淖尔 015329)

2013年内蒙古通辽5.3级地震震源断层三维特征反演

王树忠， 贾昊东

(内蒙古治自区地震局乌加河地震台，内蒙古 巴彦淖尔 015329)

采用Hyposat定位方法对2013年4月22日17时11分发生的内蒙古通辽(122.4°E，42.9°N)5.3级地震及其周边区域以往地震进行初步定位，再使用双差定位方法对该区域进行二次精确定位，从而得到该地区1976年以来小震较为精确的震源深度以及震中位置。利用得到的定位结果反演了主震的震源断层面参数；同时利用cap方法计算通辽5.3级地震的震源机制解，结合震源断层参数推断该地区地壳应力场及地质构造。结果显示，2013年通辽科左后旗地震，与养畜牧隐伏断裂活动有关。

通辽5.3级地震；中小地震；震源机制；震源断层面反演；区域应力场

0 引言

2011年日本9.0级地震和2013年鄂霍次克海8.2级深震后，我国华北和东北地区地震形势产生了新的变化，构成了新的格局。就目前的地震活动现状而言，环渤海及周边地区成为我国东部中等以上地震活动的主题区域。辽蒙交界地区内有松辽盆地、蒙辽交界断裂系、郯庐断裂带中段、老震区等众多地震地质单元，地质构造复杂，新构造运动强烈。

辽蒙交界区域地质构造属新华夏系构造带，地处燕山山地与大兴安岭山地的复合部位，即松辽沉降带西部沉降中心，NNE向嫩江破碎带南支天山口—八里罕断裂的东盘；南侧的西辽河纬向断裂，在该县的西部与NNW向的胡虎尔河断裂，NNE向的嫩江破碎带相交错断；北部的乌力吉木仁断裂，其西端与胡虎尔河断裂相交，其东段与嫩江破碎带相切；东部有NE向的双泡子断裂，其西端与西辽河断裂斜交。地区内断裂十分发育，互相交切成为若干断块，这些断裂具有间歇性发育的特点。这些“多”字型或“歹”字型的构造格局，成为有利于应力集中和积累的特殊部位，构成了辽蒙地区断裂带及所发生地震的分布格架。所以近几年来，国家始终把辽蒙交界地区做为地震重点监视防御区之一。本研究围绕2013年4月22日17时11分内蒙古通辽市科左后旗发生的5.3级地震，反演辽蒙交界地区震源断层，并分析其地壳应力场。

1 资料的选取

为了更好地对内蒙古通辽市科左后旗5.3级地震进行分析，文章选取了发生在辽蒙交界地区，东经118°～125°、北纬42°～45°区域内，1976年1月1日至2014年11月30日的所有地震，共计2 200条记录为基础资料(图1)。

图1 辽蒙交界地区地震基础资料图

2 Hyposat初步定位

Hyposat方法采用Geiger法的基本思路，把走时T在初值(x,y,z)附近作泰勒展开并取一级近似为：

(1)

其中：T为实际走时，T′是相对于(x,y,z)附近一点的(x′,y′,z′)的走时。将观测方程组降维，并利用奇异值分解最小二乘法对其进行求解。

经过Hyposat初步定位(主要是将单台确定的地震全删除)后，地震数由原来的2 200余条精简到1 199条；再次进行双差定位将少于3个台站定位的地震删除(由于内蒙古东部地区台站较为稀疏，又通过反复试验对比发现从地震数量和质量考虑台站数大于等于3时效果为佳)，再次精简到1 136条。得到的结果更真实可靠(表1)。

表1 两次定位前后对比

3 双差精定位

利用双差地震定位法对2013年4月22日内蒙古通辽市科左后旗5.3级地震附近，辽蒙交界地区1976—2014年发生的中小地震进行重新定位，重新定位后的地震表现为丛集分布，基本位于地壳中上部和中地壳层。震源深度的确定一直以来是地震定位中的一个难题，本文研究2013年内蒙古通辽5.3级地震附近(118°～125°E，42°～45°N)区域内的1 199条地震中，533条地震没有震源深度记录，占地震总数的44.5%，严重影响了该地区地壳应力场的分析。因此在对该地区进行双差地震定位之前先对原始数据进行初次定位，经过Hyposat定位后震源深度数据计算完整，达到了100%，但准确性较差。以1980年定位台站数在3个以上的地震目录为例，将未定位、Hyposat初次定位以及双差定位所得到的数据进行对比(表1)。原始数据中1980年地震目录中没有震源深度的信息，而经过Hyposat定位后得到了震源深度，经过双差定位后震源深度参数更为精确。由图2可以明显地看到，经过Hyposat与双差定位2次定位后所得的震源深度更为准确，地震更为丛集。

研究区域内的地震，通过双差地震定位法精确定位后地震的震源深度范围是0～25 km(图2)，相对于双差定位前5～10 km的深度范围更加合理。与王新岭等[1]用PTD方法测定巴林右旗5.9级地震震源深度20 km，以及中国东部的地震震源深度集中分布在5～24 km的计算较为吻合。

注：红色圆点代表经过Hyposat和双差2次定位后得到的震源深度结果；蓝色圆点表示只用Hyposat定位方法进行定位的震源深度结果图2 通辽5.3级地震震群经过双差定位与未经过双差定位震源深度对比图

注：右上角方框内容为图中标注蓝点的放大，表示通辽5.3级地震的余震震中分布图。图3 Hyposat、双差定位后震中分布图

图1为利用原始地震资料所绘制出的震中分布图，图3为经过2次定位后所得到的震中分布图。绘制图1、图3中的区域均为(东经118°～125°，北纬42°～45°)区域相同、所用地震资料相同，通过2图的对比，很明显地看出重新定位后的地震数据所绘制出来的震中分布图，空间方面更加丛集。

4 CAP方法计算通辽5.3级地震震源机制解

CAP方法反演震源机制解主要是通过计算给定震源机制解的理论波形与实际观测波形进行对比，不断变换震源参数，拟合最好的机制解为最终的反演结果[2]。利用CAP方法反演2013年4月22日内蒙古通辽5.3级地震得到震源机制解的2个节面。断层面节面1的参数为：走向310°、倾角75°、滑动角7°；节面2的参数为：走向219°、倾角84°、滑动角163°，地震震源是走滑型(图4)，反演震级为MW4.94(与中国地震局地球物理研究所韩立波博士计算的震源机制解结果基本相同，其中走向、倾角等略有不同，断层面基本一致)。对不同深度的反演结果进行对比，并拟合出不同深度误差变化的关系(图5)，不难看出最佳震源深度为9 km。

图4 CAP方法反演的震源机制解、台站、反演误差、相互关系示意图

图5 不同深度误差和震源机制随不同震源深度的变化图

5 利用现代小震和区域应力场确定大震断层面参数

利用万永革等[3]在唐山7.8级地震震源断层求解中采用的模拟退火算法和高斯—牛顿法联合求解的方法，即首先采用模拟退火算法得到全局搜索初始解，然后采用高斯—牛顿法对解进一步优化，不仅可以获得最佳解，还可以求得解的误差范围，从而对解进行评价。

2013年4月22日内蒙古通辽市科左后旗5.3地震发生后，该地区小震活动仍然很活跃。利用这些小震资料反演该地震的震源断层，分析其附近区域中、小地震的发生是否与该地震有关，是否是该地震震源断层面或者两侧岩体的继承性活动。如果存在同一个地震震源侧面或两侧岩体的继承性活动，说明该地区的小震活动对中强地震有指示意义。

利用G-S算法以及最小二乘拟合参数所得到震源断层面为走向47.249 1°，倾角75.888 2°的断层，断层面的4个顶点坐标见表2所示。根据裴惠娟等[4]给出的2013年4月22日内蒙古通辽5.3级地震的位置与周边活动断裂分布图， 可知文章计算的震源断层与此次地震周边养畜牧隐伏断裂分布较为吻合。图6为1976年以来通辽地震周边中小地震震源深度发震频率图。从图6可以看出，该地区大部分地震均与计算得到的震源断层面有关，大致发生在10～20 km左右，与2013年4月22日通辽5.3级地震震源深度基本吻合。该区域中小地震垂向较集中，基本上集中在所求震源断层面上(图7c)；且大部分中小地震均集中在所求断层面附近，并且基本上以断层为中心两边呈现对称分布(图7d)。

表2 震源断层面的4个顶点

图6 震源深度发震频率图

6 结论与讨论

本文利用双差地震精定位方法、CAP方法、震源断层拟合方法反演了2013年4月22日内蒙古通辽科左后旗5.3级地震附近地区中、小地震，获得了准确可靠的结果。从计算结果看，该区域中小地震震源具有以下特征。

1) 震源较浅。文章通过双差地震精定位与震源断层拟合所得到的震源深度结果基本一致。自1976年以来，2013年4月22日内蒙古通辽5.3级地震附近区域中小地震震源深度主要集中在8～20 km(图6)，个别1～2个地震在30 km以上，可能与该地区资料较差、计算错误有关，属于上地壳脆性层内发生的地震。

2) 位置集中。采用双差地震精确定位，对内蒙古辽蒙交界地区地震进行定位后，发现1976年以来的小震震源空间位置向2013年4月22日内蒙古通辽5.3级地震附近聚集。根据这一结果，研究了该地区震源深度、震源断层，但由于对该地区的研究较少，可以佐证的例子较少，今后还需对该地区做进一步的分析研究。

3) 震源断层面比较一致。从震源断层拟合结果以及对2013年4月22日内蒙古通辽5.3级地震震源机制解来看，附近区域内1976年以来所发生的中小地震，与通辽5.3级地震基本处于同一个震源断层面上。从而可以推断，通辽5.3级地震前期该地区附近中小地震频发与该地震有关。密切关注内蒙古东部地区的中小地震，是判断内蒙古东部地区中强地震是否发生的重要依据。

注：D、SD、DD、DF分别表示震源深度，以及震源深度在水平、垂直的投影和不同震源深度小震发生频度。小震分布在水平面(图a)、断层面(图b)和垂直与断层面的横断层(图c)上的投影，小震距离断层面距离的分布(图d)。圆圈表示精定位小震，粗线表示断层面辩解。AA’为断层上边界端点。图7 震源断层反演的基础资料信息

利用模拟退火方法与高斯-牛顿法联合求解的方法，使用辽蒙交界地区1976年以来中小地震资料，反演2013年4月22日内蒙古通辽科左后旗5.3级地震附近震源断层面，发现该地区中小震丛集，并且这些中小地震均发生在通辽5.3级附近的震源断层面内。由于对通辽5.3级地震有关的研究、文章以及该地区地质结构、地壳应力场的相关研究较少，很难找到与该震源断层面相近的地壳应力场情况信息与之互为论证。

[1] 王新岭, 张国民, 马宏生, 等. 用PTD方法测定巴林左旗5.9级地震震源深度[J]. 地震, 2004, 24(4): 51-56.

[2] 韩立波, 蒋长胜. 2011年6月8日新疆托克逊MS5.3地震震源机制解反演[J]. 地震学报, 2012, 34(3): 415-422.

[3] 万永革, 沈正康, 刁桂苓, 等. 利用小震分布和区域应力场确定大震断层面参数方法及其在唐山地震序列中的应用[J]. 地球物理学报, 2008, 51(3): 793-804.

[4] 裴惠娟, 韩晓明, 张帆, 等. 内蒙古通辽5.3级地震序列特征及发震背景分析[J]. 地震工程学报, 2015, 37(1): 242-247.

3-DCharacteristicsInversionofHypocenterFault-planeofthe2013TongliaoM5.3Earthquake

WANG Shu-zhong, JIA Hao-dong

(Wujiahe Seismic Station, Inner Mongolia Bayannur 015329, China)

On April 22, 2013 17:11, anM5.3 earthquake occurred in Inner Mongolia Tongliao city (122.4°E， 42.9°N). The earthquake and earthquakes before and after the earthquake in the source region are firstly located using the Hyposat and then relocated using the double difference fine positioning inversion method. On basis of the relocated accurate epicenters, the parameters of the source fault of theM5.3 earthquake are inversed; at the same time, the focal mechanism solution of the earthquake is calculated using the CAP method which is used to infer the crustal stress field and geological structure in the region combining with the source fault parameters. The results show that the earthquake is related to the activity of the Yangxumu buried fault.

TongliaoM5.3 earthquake; moderate and small earthquakes; focal mechanism; source fault plane inversion; regional tectonic stress field

王树忠，贾昊东. 2013年内蒙古通辽5.3级地震震源断层三维特征反演[J]．华北地震科学，2017，35(4):70-74.

2017-04-28

王树忠(1970—)，男，内蒙古包头人，工程师，主要从事地震监测工作．E-mail：wangshuzhong123@126.com

P315.3

A

1003-1375(2017)04-0070-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.013