山东长清4.1级地震序列的遗漏地震检测与发震断层

李 霞 王 鹏 张志慧 董腾超

1 山东省地震局,济南市文化东路20号,250014 2 东营市地震监测中心,山东省东营市府前大街89号,257091

2020-02-18山东长清发生4.1级地震序列活动,至05-14共记录到46次余震,最大余震为3.1级。地震目录显示,1970年以来长清地区没有发生过4级以上地震,此次4.1级地震序列是少震、弱震区的一次显著地震活动。长清地区在1347年和1622年分别发生过5级和5.5级地震,均位于长清-临沂地震带的西北段,受控于具有正断兼左旋走滑运动性质的长清断裂[1]。此次长清4.1级地震序列位于长清断裂西侧约8 km处,其发震断层可能为长清断裂的次级派生断裂[2]、具有左旋走滑性质的隐伏次级断裂[3]或受限于2条北东向断裂之间的浅层次生断裂[4]。以上研究成果均是基于山东地震台网提供的46个地震事件得到的,样本量偏少。如果有更丰富的地震目录参数,就能更清晰地展示序列的演化过程及发震断层的几何形态,为区域地震危险性评估提供更有价值的参考资料。

地震目录的完整性、可靠性是开展活动构造探测、地震预测等工作的基础。随着对地下结构成像、壳内浅层微裂隙位置等研究的不断深入,对高分辨率地震目录的需求也不断增加,因此应尽量提高波形信噪比,增强微震信号的检测能力。除了传统的自动拾取方法外,目前应用较多的地震事件检测方法有2种:一种是基于波形互相关原理的模板匹配技术[5],该方法对模板事件依赖性较强,能识别出与模板相似、震源相近的事件。Zhang等[6]在模板匹配技术的基础上提出一种同时进行检测和定位的匹配定位方法,可以检测到距离模板事件较远的微震。另一种是基于深度学习的震相拾取技术[7],该方法可直接从原始波形中提取震相特征以识别地震信号,具有高效、高精度的优势。研究大地震活动特征时常将2种方法结合起来,以使地震目录更准确、完整[8-9]。

长清4.1级地震序列的空间分布范围偏小,其附近构造特征差异明显,周边记录台站分布极不均匀。由图1可见,距离近的台站多数分布在地震序列东南侧,地震序列西北侧的台站距离均较远,最近的LCH台震中距也有约55 km,并且是台基为较厚第四纪沉积层的短周期记录,波形质量不高。2020-02-19～03-22山东地震台在震中附近增设LJIN、L704、L705、L706等4 个宽频带临时台进行加密观测,但台站也均位于序列东南侧。考虑到主震震源深度较浅[4],且地震序列位于黄河冲积平原,附近煤田开采等工业活动较多,会对记录波形造成一定的干扰;此外鲁西地区的地震监测能力较高,可能遗漏的地震事件也只能是震级较小的微震。因此,为准确识别地震事件,采用波形互相关的模板匹配方法来检测长清地震序列中可能存在的遗漏地震事件。

图1 长清4.1级地震序列及周边台站分布Fig.1 Distribution of Changqing 4.1 earthquakes sequence and surrouding stations

1 区域地质背景

长清4.1级地震序列位于鲁西地块,此处张家口-蓬莱断裂带与介休-新乡-溧阳断裂带之间。新生代以来,华北克拉通东部受NW-SE向拉伸应力的作用,鲁西地块发生强烈的伸展正断运动,断裂活动一方面控制断陷盆地的发育,另一方面造成地层掀斜,使鲁西地块发生快速抬升。这些构造运动形成了鲁西地区NEE和NW-NWW走向的2组X型组合的陡倾斜浅表断裂体系。其中,NW-NWW向的断裂构造是鲁西地块的主体断裂型式,断层多为SW倾向的高角度正断层,同时具左旋走滑运动性质,受郯庐断裂带影响这些断层有自东向西拓展的趋势。

具体来说,长清4.1级地震序列发生在构造区内鲁西隆起西北缘与济阳坳陷的斜坡过渡带上,2个构造单元以NE向东阿断裂为界,由隆起到坳陷从基岩出露区迅速过渡至局部第四系沉积层200 m以上(图1)。鲁西隆起北部的放射状NW向断层或左行或右行,均延伸进入坳陷南斜坡;济阳坳陷具有典型的叠合盆地性质,中始新世以后以NE向正断为主。两者之间的黄河冲积平原覆盖着厚度不等的第四纪沉积物,与其下的基岩没有成因关系。由图1可见,地震序列在空间上位于NNW向长清断裂和NE向东阿断裂的交会部位,长清断裂切穿古生界盖层,具有鲁西地块上NW向断裂的典型特征;东阿断裂倾向NW,断裂两侧落差大于2 500 m,为高角度的张性断裂。地质考察显示,2条断裂在晚更新世以来均没有活动迹象[10]。

另外,长清4.1级地震序列还位于山东中部一条显著的NW向中强地震带上,该地震带自西向东分为长清、泰安、新泰和费县4个震源区,有历史地震记录以来共发生9次5级以上地震。现代地震活动显示,除与沂沭断裂带交会的费县震源区外,其他震源区小震活动稀疏,推测该地震带以中强地震活动为主[1]。

2 模板匹配方法检测地震

模板匹配方法的优点是能够检测到震源特征相似、震级较小的遗漏地震,但由于存在不与任何模板波形高度互相关的地震事件,因此难免会有所遗漏[5]。为提高地震目录的准确度及工作效率,选用台网目录中所有ML≥1.0的事件为备选模板地震,选用所有临时观测台和震中距较近、波形质量较好的CHQ、TIA、FEIC、PYI等4个固定台站在2020-02-18长清4.1级地震前17 d至序列结束后10 d的连续波形参与遗漏地震的检测。

工作流程主要包括:挑选模板地震、连续波形互相关扫描、震相校正和地震精定位。首先对选用事件波形和连续波形进行预处理及2～8 Hz带通滤波,然后将采样率从100 Hz降至20 Hz以加快计算速度。挑选模板地震时,先手动标注P波和S波到时,并计算信噪比,挑选出其中三分量平均信噪比大于3的波形作为备选波形,若一个地震事件的备选波形至少被3个台站记录到,则将此事件作为一个模板地震。然后在备选波形上截取波形模板,截取P波、S波到时前1 s至到时后3 s窗长波形用于互相关扫描。具体的原理和方法见文献[5],此处不再赘述。基于上述规则,共挑选出26个ML≥1.0的事件作为模板地震,符合条件的波形模板共130条,包括序列中所有ML3.0以上地震。

在对连续波形的互相关扫描中,经过反复尝试及与波形模板对比,认为设置绝对离差中位数(MAD)的倍数为12、单台互相关系数(CC)大于0.6及多台互相关系数(CCC)的均值下限为0.25时,检测结果相对较好。据此,共检测出436个符合条件的疑似地震,但这些地震中存在多条事件被重复检测的现象。因此,设定在同一发震时刻(相差10 s以内),将至少有3个相同波形模板扫描结果的疑似地震判定为同一个地震事件。经过进一步筛选,共得到101个地震事件,其中台网目录中的所有事件均被检测到,另外有22个事件仅被2个台站检测出符合要求的相似波形。图2(a)和2(b)分别给出波形模板与台网目录事件和新检测出事件的波形对比结果,图中,C为同台同测道记录波形的相关系数。可以看到,波形拟合度较好。检查长清台(CHQ)连续波形可知,所有被检出事件均有记录,说明利用模板匹配方法检测出的微震事件是可靠的。

震相校正过程中,利用广义互相关时延估计法对被检出的所有震相到时数据参照其CC最大值的波形模板逐一进行人工修正,并利用校正后震相数据进行双差地震定位。精定位时初始地震目录的确定方法为:发震时刻和震中位置取互相关系数最大的模板地震的参数,震级取所有检测出S波和其模板波形S波最大振幅比的平均值。

双差定位时使用的数据包括所有校正后震相数据、P、S波与其波形模板的相对延时差、互相关系数及台网报告中其他台站记录的震相到时数据,其中,P波到时3 862条、S波到时42 224条,波形互相关的P波延时差786条、S波延时差1 009条。计算过程中,事件对使用最小震相对数目为6,仅考虑地震序列中强关联地震事件。重定位所用速度模型采用穿过研究区的主动源深地震探测剖面结果[11],见表1,P波与S波速度比为1.73。经多次迭代,最终获得79个地震事件的精确震中位置及发震时刻,震级仍使用上文提到的平均震级。

表1 长清地震序列及附近地区P波速度模型

3 检测结果与发震构造分析

3.1 遗漏地震检测结果

双差定位后,最终得到包含79个事件的长清4.1级地震序列目录及观测报告,事件总数是台网目录的1.7倍,且包括台网目录中的所有事件。33个遗漏地震的震级均偏低,分布在ML-0.3～0.4之间,其中0级以下地震6 次,0～0.1级地震14次,0.2～0.3级地震11次,0.4级地震2次。从图3(a)看出,多数遗漏地震分布在序列中ML3.0以上地震前后,其中4.1级地震后3 d内检测到的遗漏地震频次最高,达15次。通过对比检测目录与台网目录发现,大于ML0.5以上的事件两者基本一致,发震时刻差大部分在0.8 s以内,震级差基本在0.4以内,说明对遗漏地震发震时刻和震级的估算是可靠的。分别计算2组目录的频度-震级关系,从拟合结果(图3(b))看出,检测目录中ML0.9 以下的部分较台网目录呈现出更好的线性特征,表明ML0.2～0.9之间地震目录的完整性得到明显改善,也说明补充遗漏地震后,长清4.1级地震序列的最小完整性震级由原台网目录的0.9提高到0.2;最小二乘法估算的检测目录和台网目录的b值结果分别为0.59和0.43,差距不大。

图3 台网目录与检测目录对比Fig.3 Comparison of network catalog and detection catalog

3.2 补全遗漏地震后地震序列的时空分布特征

补全遗漏地震后的精定位结果(图4(a))展现出更明显的带状特征,优势分布方向仍为NW-SE向。空间分布展现出明显的不均匀性,多数地震集中分布在长清4.1级地震(白色五角星)附近,而优势方向的两端地震明显稀疏。沿序列展布方向的垂向剖面AA′(图4(b))也表现出这一特点,震源集中在宽约1.5 km、深度4～7 km之间的近垂向区域(长清4.1级地震的震源深度为4.74 km);集中区两侧震源少且深度存在明显差异,NW侧震源浅,SE侧震源明显偏深。从时间进程上看,SE侧的地震发生时间较NW侧晚,推测主震发生后,断层面两端均发生了小尺度裂纹扩展,但脆性介质较松散,介质活动更晚。过震源集中区的横截剖面BB′(图4(c))显示,序列的发震断层倾角直立、底面较窄,最深处约在8 km左右。综上认为,长清4.1级地震序列发震断层独立且尺度较小。

图4 长清4.1级地震序列精定位结果Fig.4 Precise location results of Changqing 4.1 earthquake sequence

3.3 发震断层分析

可以利用震源机制解及断层面几何参数对地震序列或大地震的发震断层特征进行定量描述。

首先用广义剪切粘贴方法[12]对序列最大地震的震源机制解进行反演。反演过程中,基于表1给出的长清及附近地区一维速度模型,运用F-K(频率-波段)数值计算方法获取1.0～9.0 km(以0.5 km为间隔)深度的格林函数。其次对波形质量较好的TIA、JCZ、LSH、XIT、ANQ等13个固定台站的三分量波形数据去仪器响应并旋转至大圆路径,再手动挑选P波到时,将体波和面波分别截断为30 s和70 s的窗长部分,滤波波段分别为0.02～0.15 Hz和0.02～0.1 Hz,走向、倾角和滑动角的搜索步长设为1°,深度搜索步长设为0.5 km。图5给出了去除波形拟合互相关系数小于0.5的波形后得到的反演结果。震源机制解显示(图5(a)),拟合误差最小的震源深度在4.46 km处,与双差定位深度(4.7 km)几乎一致,其中,节面Ⅰ走向120°、倾角79°、滑动角-21°,节面Ⅱ走向214°、倾角69°、滑动角-168°。节面Ⅰ与序列NW-SE向的展布方向吻合,为左旋走滑性质的正断层,其结果与P波初动符号计算结果一致[3]。图5(b)是最佳拟合深度处的波形拟合结果。可以看出,参与反演的大部分波形拟合度较好,多数互相关系数在0.85以上,说明反演结果是可靠的。

图5 长清4.1级地震序列地震震源机制解反演结果Fig.5 Inversion results of focal mechanism solutions of Changqing 4.1 earthquake sequence

利用密集小震震源位置求解断层面几何参数的方法不仅能给出断层面参数的最优解和误差范围,还可以根据区域应力场特征估算出断层滑动角[13]。据此,选用检测目录中ML0.2以上的地震参与反演,符合密集小震到假定断层面距离的拟合标准差最小的震源断层为:走向约302°、倾角约86°、下界深度约8 km、上界深度约2 km,显示为高角度的地壳浅层断裂(表2)。综合鲁中地区小震震源机制解得到的应力场参数[14]及长清4.1级地震序列震源区应力特征参数[3],进一步估算得出断层面的滑动角为19°,具有左旋走滑运动性质,断层面顶点位置推测出的发震断层长度较短,仅2 km左右。

表2 长清4.1级地震序列断层面拟合参数

4 讨 论

本文基于模板匹配算法构建的长清4.1级地震序列目录较台网目录多出33个遗漏地震,这些遗漏地震在时间上大多集中在几次较大地震前后,同时主震前未检测到相关前震事件。与台网目录精定位结果显示的单侧破裂相比[2],遗漏地震则反映出两端破裂的现象,说明断层在通过两端撕裂的方式进行调整。同时,4.1级主震的应力降低于区域平均水平,也表明长清地震序列是一个孤立型地震序列,是区域应力增强过程中,在断层集中区域的空白处形成的一系列调整型地震。

地震序列的优势分布方向及4.1级主震的震源机制解均清晰展示出序列的发震构造为NW-SE向的左旋走滑性质的正断层;震源深度剖面及断层面反演结果反映出发震断层倾角直立,这些特征与鲁西地块NW-NNW向分布的先存断裂属性一致。推算出的断层滑动角揭示,发震断层面以走滑运动为主,这一结果也符合鲁西地区现代中小地震震源机制解为走滑或近走滑型的特点[15]。相关研究显示,鲁西隆起的NW向断层在新生代早期以走滑运动为主,中晚期以正断活动为主。可见,在构造演化过程中,走滑断层可以派生正断层,而正断层的伸展差异又通过走滑断层进行调节[16]。同时也表明,新生代至今鲁西地区一直受到稳定的区域应力场控制。

长清4.1级地震序列的活动特点为强度低、持续时间短、活动空间尺度小。整体上看,序列主要集中在2 km×2 km的范围内,深度在7 km以上,持续时间近3个月,推测与其周边特殊的构造环境有关。序列不仅位于断裂交错部位而且在盆地坳陷边缘,垂向构造差异明显,随着地壳厚度的减薄,其内部介质多样、松散,可能会造成断层强度降低,进而形成低应力降的地震事件。同时,松散的介质和低强度的断层在一定程度上也会削弱断层面上的应力传递作用,从而减小余震的被触发能力[17]。另外,地球物理研究表明,鲁西地区在地壳7～11 km处存在明显的脆韧转换带,上层为脆裂层,下层为塑性层,脆裂层也是发震层[18]。层析成像的结果也显示,鲁西地区10 km深度以上在垂向构造上变化较小;而20 km深度处,鲁中南地区存在较大规模的NWW向低速异常区。这些深部构造特征足以说明长清序列位于鲁中地区的中强地震带上,但现代地壳浅层微震活动反而稀疏的原因。整体而言,长清地震序列的发生及其活动表象符合鲁西地块构造及地震活动特征。

5 结 语

1)经过波形互相关扫描及地震精定位,本文构建了含有79个事件的长清4.1级地震序列目录,是台网目录的1.7倍,其中包括33个遗漏地震。精定位后的地震序列呈条带状沿NW-SE向展布,少量余震在主震区域的两侧延展,震源深度具有分段特征,总体NW侧浅、震源集中区及SE侧略深。

2)序列中最大地震震源机制解的结果显示,发震断层为兼具左旋走滑特征的正断层,最佳拟合深度4.46 km,其中节面Ⅰ(走向120°、倾角79°、滑动角-21°)的破裂特征与序列空间分布一致,推测为该次序列活动的真实破裂面。进一步利用序列密集小震进行推测,得出发震断层面为走向302°、倾向SW、倾角86°的左旋走滑运动性质的浅表断层,震源区断层破裂尺度较小。

3)长清4.1级地震序列的发震断层为具有与区域先存断裂相同属性的小尺度隐伏断层或长清断裂的分支断层,由于构造位置特殊,其发震能力相对较弱。地震序列发生的原因可能是在区域应力场作用下,构造复合部位先存断裂的低应力摩擦引发的能量释放。

致谢：感谢万永革教授提供的断层面参数拟合程序及雷兴林教授提供的Geotaos软件。