山东乳山震群重复地震P波频散衰减特征分析

李 霞 李翠芹 李冬梅 王学聚

（中国济南 250102 山东省地震局）

0 引言

震群是指在小区域内集中发生且无明显主震事件的地震序列。震群易发生在一些特殊区域，这些区域内介质的裂隙分布较密且间隔较小，因而在应力增强条件下，易产生连锁反应式的弱震活动，形成间歇小震群。乳山震群始发于2013 年10 月1 日ML3.1 地震，持续5年之久，截至2018年12月31日，累计发生地震13 000余次，其中可定位地震3 818次，有感地震31 次，最大地震为2015 年5 月22 日ML5.0 地震，是乳山地区有记录以来规模最大的一次震群活动。资料显示，乳山地区曾于1997年和2005年分别发生ML4.1、ML4.3震群，可见乳山地区具有发生震群活动的介质条件，是能够反映外围较大区域应力变化的敏感地区。

重复地震是在同一断层位置上发生的，具有相似波形、震级、震源位置和震源机制的一组特殊地震。一般认为，重复地震是强闭锁区域或蠕滑段落之间弱的独立凹凸体的重复破裂，目前主要用于测震台网地震定位精度评估（蒋长胜等，2005；李宇彤等，2008）和断层深部滑移速率估算（Igarashi et al，2003；Li et al，2007）。此外，基于重复地震传播路径相似的特点，利用地震波走时及波形之间的微小差异可检测地壳介质属性的变化过程（林建民等，2006；周龙泉等，2007；Schaff et al，2011；王鹏等，2016）。通常采用介质品质因子Q来量化表征地壳介质的这种微变，以反映岩石内部裂纹密度、分布及所含流体对地震波能量衰减的影响（梅世蓉等，1993）。同时，郝召兵等（2009）的实验结果表明，岩石含水饱和度对纵波的衰减影响较横波更大。基于以上因素，为提高计算精度，减小非应力因素的影响，文中选用乳山台阵中DFS、RSH、XTJC 和CXZX 四个测点记录的波形互相关系数cc ≥0.75 的重复地震序列，讨论2015 年5 月22 日ML5.0 地震前后乳山震群震源区介质状态的相对变化，并结合序列发展过程，探讨触发震群的动力因素。

1 区域地质构造

乳山震群的震源区位于胶南—威海造山带威海断隆区。该断隆区夹持于华北板块与扬子板块的碰撞带内，带内结晶基底裸露，历经多次强烈的变质、变形作用，形成了网结状、帚状韧性剪切变形与穹窿构造伴生的格局（宋明春等，1997）。区内基底岩系主要包括新元古代变质花岗岩，元古宙基性、超基性岩片及新太古代—古元古代表壳岩及广泛发育的榴辉岩等，属于超高压变质岩带（王来明等，2002），断裂带呈NE、NNE 向展布，是主要的导矿和控矿构造。如图1 所示，乳山境内NNE 向断裂发育，中更新世中晚期以来活动强烈的乳山断裂带，主要由5 条集中发育的压扭性次级断裂组成，自西向东分别为青虎山—唐家沟断裂、石沟—巫山断裂、岔河—三甲断裂、将军石—曲河庄断裂、马家庄—葛口断裂，其中石沟—巫山断裂规模最大，长35 km 以上，宽1—20 m。这些断裂大体等间距平行排列，走向NE5°—20°，倾向SE，局部倾向NW，倾角65°—85°，对区内金矿的形成和分布起着重要的控制作用（杨喜安等，2011）。NNE 向断裂东南端也存在一些规模较小的NW 向细碎断裂，表现为张性—张扭性、压性活动特征（辛魏，2017）。乳山震群位于岔河—三甲断裂东南延长线附近，震群整体呈NWW 向分布，其中几次较大地震的震源机制解优势节面走向约290°（郑建常等，2015；李铂等，2016），65.8%的地震表现为走滑性质的震源机制特征（刘方斌等，2018）。综合考虑震源区速度结构、不同岩性地质构造间的位置关系及震中展布位置，推测乳山震群的发震构造可能是海岸附近的垛崮山侏罗纪花岗岩和海洋所镇超高压变质岩接触边界的隐伏断裂（或新生断裂）（郑建常等，2015；曲均浩等，2019）。

图1 乳山地区断层及余震分布示意（杨喜安等，2011；李旭芬等，2013）Fig.1 Distribution of faults and aftershocks in Rushan area(accoring to Yang et al,2011 and Li et al,2013)

2 P 波频散衰减介质品质因子测量方法

依据线性滞弹性体松弛模型，利用直达P 波第一个周期信号的群速度延迟和地震波传播走时反演介质品质因子。据刘希强等（2005，2006）的研究，具体测算方法如下：①根据研究区层状速度模型和原始定位中震源深度计算不同震中距的 Pg、Sg 及地震所在层位的折射波P、S 的理论走时，结合理论走时，据固定台站实际测量所得Sg 与Pg 震相走时差，计算得到Pg 波传播走时及震中距；②选择垂直分量的Pg 波段第一周期信号，采用Newton 插值和带Kaiser 窗的线性相位低通FIR 滤波器，对原始数据进行重采样和多重滤波处理，将采样率提高到1 000 p/s，使有效波利用率最高；③基于Morlet 小波方法，测定P 波群速度延迟，经Fourier 变换求得不同频率点在不同时刻的瞬时谱振幅；④根据瞬时谱振幅最大值，得到不同频段相对群速度到时，应用非线性高斯—牛顿方法反演得到与理论模型误差最小的品质因子Qm、95%置信误差及相关参数。

与传统尾波持续时间法、Lg 波振幅衰减测量方法相比，使用P 波频散衰减方法反演介质品质因子，可有效减小聚焦和散焦效应，避免震源破裂和地震波记录的复杂性及各种背景噪声信号的干扰，可提高对介质非弹性变化特征的识别度。

3 数据选取及重复地震识别

乳山ML3.1 震群位于海、陆交汇地区，周边180 km 范围内，山东地震台网在运行固定台站12 个，均位于陆域，其中乳山地震台（台站代码RSH）与震群中心位置最近，间距约14 km。为精确跟踪震群序列发展趋势，2014 年5 月6 日山东省地震局在该序列震源区周边布设由20 个临时台站组成的乳山台阵，其中震群东南侧海岛台的架设，一定程度上弥补了固定台站分布的缺失。临时台站平均台间距约0.5 km，可以保证较小地震事件能被4 个以上台站记录，且记录波形清晰、完整，在一定程度上提高了震相识别的准确度及地震波形的利用率。

收集整理2014 年5 月7 日至2015 年8 月31 日乳山台阵记录的所有地震事件波形及相关震相资料，基于震相数据，使用双差定位法进行重定位，得到精度较高的2 533 个事件的震源参数。精定位后，走时残差由±0.4 s 降低为±0.05 s，序列事件沿NWW—SEE 向密集分布在约10×3 km2的范围内（图1），震源深度集中分布在4—13 km。在精定位基础上，识别序列中可能存在的重复地震。逐一比对重定位后震源参数，从中筛选震源位置相对集中、时间覆盖尺度相对较长，同一事件记录波形台站数大于8 的地震，最终得到372个ML≥1.0 地震波形资料，统一做如下处理：检查、纠正波形SAC 头文件中的震源参数、台站参数、震中距、方位角等信息；对波形数据去除仪器响应，进行带宽为0.5—5 Hz 的带通滤波；人工逐一识别P 波、S 波震相到时；截取P 波到时前1 s 至S 波到时后6 s（包括S 波主要能量在内）时间窗内的三分量波形资料，分别计算每个台站记录的两两事件间三分量波形的互相关系数。本研究旨在计算由P 波频散衰减拟合关系得到的区域介质品质因子，不需要严格意义上的重复地震，故选取三分量平均相关系数cc ≥0.75 的地震对作为重复地震。通过重复地震对间的相互关联性，搜索重复地震序列，得到21 组重复地震序列，震级范围为ML1.0—3.1，重复地震数多为5—8 个，由此可见乳山震群波形相似度较高。通过对重复地震序列时间长度的比对，最终选定地震数最多、时间跨度最长，且时间上跨越ML5.0 地震的一组重复地震序列进行P 波频散衰减特征分析。该组重复地震序列由12 个事件组成，最大震级为ML2.3，其中5 月22 日ML5.0 地震前记录重复地震9 次，震后记录重复地震3 次，且波形相关系数有所降低。图2 绘出DFS 临时台记录的该组重复地震序列UD 向波形及其归一化波形，事件的发震时刻及震级在图中标出。

图2 DFS 台记录的一组重复地震序列波形Fig.2 Waveform of a group of repeating earthquake sequences recorded by DFS station

4 P 波频散衰减特征分析

体波频散是由介质的滞弹特性引起的（Doornbos，1983）。强震孕育区的介质特性不仅表现为应变较大的塑性，也表现为与应变速率有关的滞弹性，通过非弹性变形可将地震波的一部分能量转化为其他形式的能量。因此，在中强震或强震的孕育过程中，震源区及其周围的介质品质因子会表现出明显升高或降低的变化。

乳山震群在发展过程中表现出明显的阶段性，为准确了解ML5.0 地震发生前后震源区的应力状态，获取不同方位路径的介质品质因子的变化过程，在震源区周边15 km 范围内不同方位各选取一个观测点，即RSH 固定台及DFS、XTJC、CXZX 临时台，其中RSH台与所选重复地震序列距离最远，约12.5 km，DFS、XTJC、CXZX 临时台震中距均小于5 km（图3）。由观测点周边地质构造可知，DFS、RSH 台分别位于垛崮山构造序列中大孤山单元和老虎窝单元的花岗闪长岩体上，介质速度结构相对偏高；而XTJC、CXZX 台位于白沙滩附近新生代第四系覆盖层上，岩性主要为灰黄色含砾砂质黏土、含砾中砂及砂砾层等，介质速度结构偏低（曲均浩等，2019）。基于上述P 波频散衰减特征测量方法，分别测算4 个观测点到所选用重复地震序列震源区之间地震波传播路径的介质品质因子Qm，仅选取测量误差小于0.2 的结果用于分析。图4 给出各观测点计算得到的重复地震序列的介质品质因子Qm值随时间的变化曲线。

图3 所选用观测站点和重复地震序列分布Fig.3 Distribution of observation stations and repeating earthquake sequences

图4 基于DFS、XTJC、RSH、CXZX 台记录测算的乳山ML 5.0地震前后区域介质品质因子Qm 随时间的变化Fig.4 Characteristics of Qm with time before and after Rushan ML 5.0 earthquake calculated by DFS,XTJC,RSH and CXZX stations

结果显示，DFS、XTJC 台的Qm值较RSH、CXZX 台整体偏高，前2 个台Qm值在10—75 范围内变化，后2 个台Qm值分布在5—25 之间（图4）。究其原因，应与构造部位和地下介质散射强度有关。如前所述，DFS 台位于侏罗纪花岗岩体上，XTJC 台虽位于第四系覆盖层上，但其西南侧白沙滩—海阳所镇附近广泛出露超高压变质岩的结晶基底，重复地震序列震源深度集中在7.4—7.6 km，远大于第四系覆盖层厚度，因此地震波在传播过程中可能穿过了在地壳深部向NE 方向推挤的高压（超高压）变质基性岩组合。RSH、CXZX 台的Qm值偏低，可能是因为地震波的传播路径与乳山震群震源区破裂方向大体重合，震群的前期活动使介质处于相对破碎状态，因而表现出相对较强的非弹性性质。

由图4 可知，DFS、XTJC、RSH 和CXZX 四个观测台的Qm值时变曲线形态的同步性较好，体现在：Qm值在2014 年10 月前后逐步升高，至2015 年1 月—4 月，先后出现最高值，之后在短时间内转折下降，在下降过程中于2015 年5 月22 日发生ML5.0 地震，震后恢复至2014 年10 月前的状态。此结果与刘希强等（2005）、赵振等（1995）研究的近场记录地震波衰减特征是一致的。Qm值的变化特征表明：中等地震前，在区域应力场增强状态下，震源区介质围压逐步增大，致使岩石微裂隙闭合，局部介质对地震波能量的吸收能力减弱，因而介质品质因子相对增大；之后，随着应力的持续积累，脆性介质产生微小破裂而引发小震，介质品质因子随之降低；由于小震的应力释放打破了介质应力的“临界”状态而触发了中强地震，震后震源区介质非弹性增大，因而Qm值快速下降并恢复至正常状态。这一过程符合震源硬化模型（陈立德，2000）。

5 讨论

震群的发生通常被认为是由外部作用导致断层上的应力增加或者减小了发震断层的强度所致，自然发生的震群常与岩浆迁移或地热流体活动相关联（Shelly et al，2016）。乳山震群活动持续5 年之久，并于2015 年5 月22 日发生了ML5.0 地震，震源区近场12 km 范围内的Qm值演化形态展示了此次中等地震的孕震—发震过程（图4）。那么，如何解释触发此次ML5.0 地震的构造应力场源？

将DFS台测算获得的已选重复地震序列的Qm值时变曲线与2014年7月1日—2015年7 月1 日间乳山震群中ML1.0 以上地震M—T图及重复地震序列震源区中心点外围200 km范围内所有ML1.0—3.8 地震的3 月逐1 月b值滑动曲线做叠加，结果见图5。由图5 可见，Qm值与b值的负相关性较好。乳山震群地震活动频次及释放能量的减弱伴随着高Qm值与低b值现象，临震前及震后Qm值下降，b值升高。虽然Qm值和b值变化量级较小，但能明显反映出震源区近场及远场应力变化的一致性。2011 年日本宫城近海MW9.0 特大地震对我国东北、华北地区地壳应力状态产生了一定影响，据GPS 观测显示，此次地震后，我国东北和华北地区应变场呈NW—SE 向拉张，且自东向西逐渐减弱，应变最大处位于郯庐断裂带北段敦化—密山断裂中段，而郯庐断裂带中段未产生明显的错动和拉张，仅使其震后右旋运动速率轻微加大（陈为涛等，2012；尹京苑等，2015）。地震资料同样显示，2012 年以来中国大陆东部自北向南先后发生一系列中等地震，如2013 年1 月23 日辽宁灯塔MS5.1、4 月20 日南黄海MS5.0、4 月22 日内蒙古科尔沁左翼后旗MS5.3 以及10 月31日吉林前郭MS5.8 等地震，与此同时，环渤海地区接连发生辽宁海城、盖州、河北唐山及山东莱州、乳山等一系列NW—SE 向分布的MS4.0 左右震群活动。

图5 乳山震群重复地震序列估算Qm 值变化曲线、ML 1.0 以上地震M—t 图及滑动b 值对比Fig.5 Comparison between the Qm value of repeating earthquake sequences,the M-t and the sliding b value of ML ≥1.0 earthquakes of the Rushan earthquake swarm

2015 年5 月22 日乳山ML5.0 地震发生在日本MW9.0 地震后4 年，中国东部地区中等地震活动逐渐减弱的背景下，因而此次地震的构造动力源来自近场的可能性较大。一般认为，在区域构造应力方向转换过程中可能诱发大的地质事件，日本MW9.0 地震后中国大陆东部地区应力场经历了突然转向—恢复的调整过程，在应力场缓慢恢复过程中，某些敏感区域介质内部结构及应力状态也会发生不间断的调整，乳山序列余震活动具有阶段性、丛集性的特点，也许就是断层面附近介质及应力状态不断变化的体现，即当应力集中强度达到临界值时触发地震，强度恢复后，一个新的地震周期又开始了。另外，Jin 等（1989）的研究表明，地震前后近场Q值与远场b值的相关关系可归因于地下介质脆—韧性过渡带的抗震蠕变。这种抗震蠕变可在不同尺寸的裂缝上发生，并有利于观察到区域裂纹密度和介质品质因子的变化过程。若在具有一定优势尺度的裂缝上发生流体渗入，则断层介质位移弱化特性可能增强，断层带刚度可能增大，空间应力的集中即可能增强地震活动性。因此，乳山震群中ML5.0 地震的发生应主要由区域构造应力的自我调整所致，因为断层规模较小，且介质结构相对复杂，无法积聚足够多的应力来产生更大地震。

6 结论

基于山东乳山地震台阵记录的乳山震群中一组重复地震序列的波形数据，采用P 波频散衰减方法，测算2015 年5 月22 日乳山ML5.0 地震前后震源区介质品质因子Qm随时间的变化特征，取得如下认识：

（1）RSH、CXZX、DFS、XTJC 站点均观测到震前Qm值升高，临震前及震后Qm值下降的趋势变化，表明震源区介质应力变化导致岩石裂隙发生闭合和张开运动，从而影响了地震波散射。分析认为，Qm高值可能是ML5.0 地震前震源区应力集中的表现。

（2）利用重复地震序列估算介质品质因子，提高了计算结果精度。震源区不同路径下介质品质因子的大小差异与乳山地区地质构造及介质属性已知特征相吻合。分析震源区近场Qm值与远场b值的同步变化，认为2015 年5 月22 日ML5.0 地震是在远场作用下区域构造应力状态调整过程中发生的，与局部区域的介质状态、断层分布、速度结构等密切相关。