曹鳳娟， 張　博， 楊牧萍， 袁　超， 邵媛媛， 錢　蕊

(1.遼寧省地震局,遼寧 沈陽 110034； 2.大連地震臺,遼寧 大連 528000)

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營口
—海城地區(qū)震群的震源機制一致性特征①

曹鳳娟1， 張博1， 楊牧萍1， 袁超2， 邵媛媛1， 錢蕊1

(1.遼寧省地震局,遼寧 沈陽 110034； 2.大連地震臺,遼寧 大連 528000)

摘要：采用P波初動方法計算1999年以來營口—海城地區(qū)5次震群序列的中小地震震源機制解，并定義震源機制一致性參數(shù)θ為中小地震震源機制解 3個正交的應(yīng)力主軸與華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場3個應(yīng)力主軸在三維空間的夾角之和。計算結(jié)果顯示：營口—海城地區(qū)震群中較大地震發(fā)生前10天~2個月，θ都有一個持續(xù)低值的過程；1999年岫巖前震序列的θ變化幅度在20°~30°之間，且大部分小于65°。相比用震源機制P軸取向趨于一致來判定震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，θ更有其優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：營口—海城地區(qū)； P波； 震群； 震源機制一致性參數(shù)； 應(yīng)力

0引言

地震是地下介質(zhì)受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生破裂的結(jié)果，震源機制解是研究構(gòu)造應(yīng)力場的基本資料，可以揭示地震破裂的力學機制，反映出地震等效釋放應(yīng)力場，因此通過對中小地震震源機制特征的研究，可以及時獲得區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的時空變化[1-3]。目前關(guān)于震源機制方法在地震短期預報中的研究應(yīng)用很多。如張萍等[4-6]利用P 波初動解獲得的震源參數(shù)用于1999年岫巖5.4級地震序列性質(zhì)與海城地區(qū)震群特征研究，認為較大地震前P 軸取向由紊亂趨于一致，進而也可以判斷震區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。陳顒[7]根據(jù)強震震例，指出在震源機制的一致程度方面前震、余震和震群有明顯的差別，并提出了描述一群地震活動性方面的一個“群體”參數(shù)——震源機制一致性，并賦予這個參數(shù)定量化。之后部分學者利用震源機制一致性參數(shù)分別研究了大同晚期強余震、張北強余震和干島島弧地震等[8-10]，結(jié)果不同程度顯示大震發(fā)生前孕震區(qū)震源機制一致性參數(shù)比較低，震源機制與構(gòu)造應(yīng)力場的差異較小，說明這些前震受到了震源區(qū)應(yīng)力場的統(tǒng)一作用，而主震發(fā)生之后震源機制解的一致性參數(shù)比較高，說明后續(xù)發(fā)生的地震的震源機制散亂，表明背景應(yīng)力場的控制作用開始減弱。由此可見，將震源機制一致性參數(shù)用在震群或較大地震發(fā)生后的趨勢判定中，或許可得到一定的短臨信息。

營口—海城地區(qū)屬遼寧省的老震區(qū)，1975年海城7.3級和1999年岫巖5.4級地震就發(fā)生在該地區(qū)。2008年以來該區(qū)震群活動此起彼伏，其震群性質(zhì)的判定無疑是當前遼寧省震情跟蹤工作的重點。因此，本文將計算1999年以來營口—海城地區(qū)震群的震源機制，并與遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場進行對比分析，在此基礎(chǔ)上，利用震源機制解一致性參數(shù)方法來

分析營口—海城地區(qū)震群的震源機制一致性特征，以期為震群性質(zhì)判定和遼寧地區(qū)的短臨預測工作提供參考。

1資料和方法

根據(jù)曹鳳娟等[11]整理的遼寧地區(qū)震群資料，考慮到震源機制解計算的最小震級和統(tǒng)計樣本數(shù)等問題，本文選取1999年以來發(fā)生在營口-海城地區(qū)的ML≥2.5地震次數(shù)超過20次的5次震群序列(表1)?？臻g分布上，1999年岫巖M5.4地震序列和2008年海城ML4.8震群序列發(fā)生在NW向大洋河斷裂附近，而2012、2013和2014年蓋州震群序列則發(fā)生在NE向的金州斷裂和營口—海城斷裂的階區(qū)附近(圖1)。

①：1999年岫巖；②：2008年海城；③：2012年蓋州青石嶺；④：2013年蓋州青石嶺；⑤：2014年蓋州西海域圖1　1999年以來營口—海城地區(qū)研究所用震群分布 Fig.1　Distribution of earthquake swarms in Haicheng-　　　Yingkou area since 1999 used in the study

序號起止時間地點持時/天最大地震/ML發(fā)震時間ML≥2.5頻次/次11999-11-09—2000-06-30岫巖2015.4(M)1999-11-2991*22008-11-03—2009-04-19海城1684.82008-11-143432012-02-02—2012-12-23蓋州青石嶺3244.82012-02-022242013-03-30—2013-05-07蓋州青石嶺414.02013-03-302452013-12-23—2014-10-04蓋州西海域2834.32014-08-2226*

注：帶*號的頻次為ML≥3.0地震的頻次

首先選擇各震群中P波初動較清晰、至少被10個以上臺站記錄的ML≥2.5地震波形，利用P波初動法計算各震群的震源機制解，然后根據(jù)刁桂苓等[8]定義的震源機制一致性參數(shù)θ，分析震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及其隨時間的變化特征。該方法的基本思路：將一個區(qū)域的應(yīng)力場分為背景應(yīng)力場和變化應(yīng)力場，背景應(yīng)力場主要反映區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，研究是否存在一個較為穩(wěn)定的空間取向，認為這種穩(wěn)定的空間取向?qū)娬鹌鹬刂谱饔?。變化?yīng)力場反映的是區(qū)域內(nèi)小范圍短時間的變化、擾動，通過研究變化應(yīng)力場取向的變化來發(fā)現(xiàn)構(gòu)造運動的情況及強震的前兆信息[10]。如果構(gòu)造應(yīng)力場的空間方向由3個相互正交的應(yīng)力主軸表示(即σ1、σ2、σ3)，震源機制解的取向由3個相互正交的應(yīng)力 P 軸、B 軸、T軸 表示，則定義震源機制和構(gòu)造應(yīng)力場的一致性參數(shù)θ(以下簡稱一致性參數(shù))為:

如圖2所示，其中α=∠σ1OP;β=∠σ2OB;γ=∠σ3OT。這與陳顆[7]提出的震源機制解一致性參數(shù)的本質(zhì)是一樣的，即主要利用中小地震的震源機制與背景應(yīng)力場的偏離程度來描述大震發(fā)生前應(yīng)

圖2　背景應(yīng)力場 3個主軸和震源機制3 個應(yīng)力　　　軸夾角示意圖 Fig.2　Included angles between 3 pincipal axes of background　　　 stress field and 3 stress axes of focal mechanism

力場的變化情況。根據(jù)許忠淮等[12-13]和汪素云等[14]的研究，華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的總體特征是中等應(yīng)力軸(B軸)基本直立，最大主壓應(yīng)力軸(P軸)和最小主壓應(yīng)力軸(T軸)近乎水平，總體方向為NEE-SWW和NNW-SSE。由此推斷華北構(gòu)造應(yīng)力場的參數(shù)分別為:最大主壓應(yīng)力軸方向σ1az=80°、傾角σ1ih=90°；中間軸方向σ2az=0°、傾角σ2ih=0°；最小主壓應(yīng)力軸方向σ3az=170°、傾角σ3ih=90°。本文將華北構(gòu)造應(yīng)力場做為研究所用的背景應(yīng)力場，進而在三維空間計算各震群的震源機制一致性參數(shù)θ。θ的最大值為270°，最小值為0°。

2結(jié)果分析

圖3為5次震群序列的震源機制各個參數(shù)每10°間隔的歸一頻數(shù)分布。由圖3可見,2008年海城4.8級震群的P軸方位有三個優(yōu)勢方向，即NE、NNW和近EW向[圖3(a)]，其中P軸方位在20°～50°和200°～230°之間的地震有7次，占24.1%；在60°~110°和240°~290°之間有10次，占34.5%；在150°~170°和330°~350°之間有6次，占20.7%。2012年和2013年蓋州青石嶺兩次震群的P軸方位總體上較分散，其中2012年震群中71.4%的地震P軸在60°～140°和240°~320°之間[圖3(b)]，2013年震群中52%的地震P軸在80°～160°和260°～340°之間呈NWW向分布[圖3(c)]。而2014年蓋州西海域4.3級震群P軸方位的優(yōu)勢展布與1999年岫巖5.4級地震序列的展布接近，大部分位于NE50°～70°之間[圖3(d)和圖3(e)]，其中2014年蓋州西海域震群的P軸80.8%在40°～70°和220°~250°之間，1999年岫巖震群的P軸85.9%在50°~90°和230°~270°之間。2014年蓋州4.3級震群和1999年岫巖M5.4地震序列的P軸角度與華北構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力軸接近，表明這兩次地震序列受華北構(gòu)造應(yīng)力場的作用較強。蓋州青石嶺兩次震群的P軸展布可能與其所處金州斷裂和營口-海城斷裂的階區(qū)部位有關(guān)，或許由于所在區(qū)域應(yīng)力場較復雜，使得該區(qū)地震的P軸展布也較分散。

表2和表3是各次震群中波形初動符號清晰的地震編號與震源機制一致性參數(shù)θ計算結(jié)果。圖4是各震群序列的震源機制一致性參數(shù)及其5點滑動平均值隨時間變化情況，其中橫坐標地震編號對應(yīng)表2和表3中各震群序列中的地震。總體來看，2008年海城、2012年青石嶺和2013年蓋州青石嶺3次震群的震源機制一致性θ依次為125°、129°和151°，變化幅度較大(在40°～200°間變化)，均值都超過12.5°，而5點滑動平均值的范圍80%以上在80°～160°之間[圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)]。而2014年蓋州西海域震群和1999年岫巖地震序列的 值變化幅度明顯偏小，大部分在20°～140°間變化，均值分別為73°和65°，5點滑動平均值的范圍80%以上在50°～80°之間[圖4(d)和圖4(e)]。

圖3　5次震群的震源機制P軸每10°歸一頻數(shù)分布圖 Fig.3　Normalized frequency distribution of P-axis of focal mechanism of 5 earthquake swarms at intervals of 10°

圖4　各震群序列的震源機制一致性參數(shù)隨時間變化圖 Fig.4　Variation of focal mechanism consistency parameters of each earthquake swarm with time

值得注意的是，除2013年蓋州青石嶺震群外[圖3(c)]，余下4個震群中較大地震發(fā)生前震源機制一致性參數(shù)θ值都有一個持續(xù)低于均值的過程，例如2008年海城震群的低值從2008年11月4日開始，直至2008年11月14日震群中發(fā)生最大ML4.8地震，持續(xù)時間10天[表3、圖4(a)]；2012年青石嶺震群的起始地震即為該震群的最大地震ML4.7，在7月12日震群中次大地震ML4.3發(fā)生之前，θ值也有一個明顯的持續(xù)低值時段，持時大約2個月[表3、圖4(b)]；2014年蓋州西海域震群中兩次4級地震發(fā)生前2個月θ值也有一個明顯的降低過程，即2014年4月25日ML3.0地震開始到5月22日ML3.1地震結(jié)束，持續(xù)時間約1個月[表3、圖4(d)]。1999年岫巖兩次5級地震前，θ值持續(xù)低值的現(xiàn)象最為明顯，從1999年11月9日序列開始，到11月29日M5.4主震發(fā)生前，這20天內(nèi)的θ值均較低，5.4級地震之后到11月30日，θ值上下波動較大，或許說明此時震區(qū)的應(yīng)力場正處于較大應(yīng)力釋放后的調(diào)整階段。從12月1日開始至12月27日，一致性參數(shù)再次開始持續(xù)低值，且此時的θ值與前次高度接近，變化幅度在20°之內(nèi)[表2、圖4(e)]。由此可見，震群中較大地震發(fā)生前10天～2個月，震源機制一致性參數(shù)都有一個低值的過程。1999年岫巖前震序列的θ值變化幅度在20°～30°之間，且大部分小于65°。由此可見，震源機制和應(yīng)力場的一致顯示了構(gòu)造應(yīng)力場控制作用的增強，而一旦二者吻合度較好，可能意味著后續(xù)將有強震發(fā)生，例如1999年岫巖地震序列；反之，震源機制和應(yīng)力場不一致，表明構(gòu)造應(yīng)力場控制作用減弱，地震將以離散發(fā)生中小地震為主，如2008年海城和2012、2013、2014年蓋州幾次震群。

表 2　1999年岫巖5.4地震序列的震源機制一致性參數(shù)計算結(jié)果

表 3　海城和蓋州地區(qū)震群的震源機制一致性參數(shù)計算結(jié)果

若單從震源機制P軸取向較一致的角度判斷震區(qū)應(yīng)力場狀態(tài)[5]，則2014年蓋州西海域震群后續(xù)的發(fā)展演化就有些費解了。因為圖3(d)和圖3(e)顯示2014年蓋州西海域震群和1999年岫巖地震序列的P軸集中度相當，但是2014年的蓋州震群和2012年、2013年蓋州青石嶺震群一樣，后續(xù)并沒有更大地震發(fā)生。同樣，從上述兩次震群的P軸方位隨地震發(fā)生次序變化中也可發(fā)現(xiàn)，盡管二者P軸方位的整體變化范圍不大，表明應(yīng)力場有一定的集中，但從時間角度看，震群或序列中較大地震前P軸方位由紊亂趨于一致的異常顯示并不明顯(圖5)。然而從震源機制一致性參數(shù)θ的角度卻可以明顯看出二者的差別和較大地震發(fā)生前的持續(xù)低值現(xiàn)象[圖4(d)和圖4(e)]?？梢娤啾扔谜鹪礄C制P軸取向趨于一致來判定震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，震源機制一致性參數(shù)θ更具有優(yōu)越性。

圖5　P軸方位隨地震發(fā)生次序變化圖 Fig.5　Change of azimuth of P-axis with earthquake　　　 occurrence order

3討論與結(jié)論

有關(guān)強余震發(fā)生前震源機制一致性參數(shù)的低值現(xiàn)象，在大同、張北、秘魯近海以及千島島弧震區(qū)的強余震震前出現(xiàn)過類似的現(xiàn)象[8-10]。付虹等[15]對云南地區(qū)強震前震源機制一致性參數(shù)的時空分布研究也發(fā)現(xiàn)，強震發(fā)生前3年至數(shù)月，震源區(qū)附近出現(xiàn)多個震源釋放應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場一致或接近的中小地震，強震就發(fā)生在中小震震源機制一致性參數(shù)低值分布區(qū)內(nèi)或其邊緣附近。

陳顒[7]根據(jù)多個強震震例的研究，提出地震震源機制一致性是判斷地震危險性的一個有用判據(jù)的假說。任何一個地震序列都有發(fā)生、發(fā)展、衰退的過程，前震或在震群中最大地震發(fā)生之前，小震機制的相對一致性往往是地震活動性增強的標志，而機制的相對紊亂往往伴隨著余震或地震群活動的減弱，因而從機制的一致性或紊亂可以判斷震群中最大地震是否已經(jīng)發(fā)生。本文的研究也表明：

(1) 將中小地震震源機制解 3個正交的應(yīng)力主軸與相應(yīng)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場3個應(yīng)力主軸在三維空間的夾角之和定義為震源機制一致性參數(shù)，是衡量地震震源釋放應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場一致性程度的定量指標。震源機制一致性參數(shù)θ值越小，則震源機制與區(qū)域應(yīng)力場的一致性程度越高。中小震震源機制與區(qū)域應(yīng)力場一致性程度越高，表明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場增強的趨勢越明顯，后續(xù)發(fā)生較大地震的可能性就越大。

(2) 營口—海城地區(qū)的震群中較大地震發(fā)生前10天～2個月，震源機制一致性參數(shù)都有一個低值的過程，低值的持續(xù)時間和波動范圍或許與震群的性質(zhì)有關(guān)。普通震群(如2008年海城、2012年和2013年蓋州青石嶺)一致性參數(shù)的波動范圍較大，且一致性參數(shù)的均值均超過125°[圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)]。而1999年岫巖前震序列中兩次較大地震(1999年11月29日M5.4和2000年1月12日M5.1)前的θ值持續(xù)較低，變化幅度大部分在20°～30°之間，且大部分小于均值65°。盡管2014年蓋州西海域震群一致性參數(shù)的波動范圍不大，均值也不高(73°)，說明該區(qū)的應(yīng)力場有一定的增強趨勢，但是鑒于其一致性參數(shù)沒有出現(xiàn)持續(xù)低值的現(xiàn)象[圖4(d)]，有待后續(xù)進一步跟蹤研究。

(3) 相比用震源機制P軸取向趨于一致來判定震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，震源機制一致性參數(shù)更有其優(yōu)越性。由于樣本數(shù)量的局限性和震源機制計算的誤差，本文的研究結(jié)果有待進一步檢驗。相信隨著不同區(qū)域不同強度震例研究樣本的積累，該方法在強余震預測和前震序列識別上的預測意義將愈來愈明顯。

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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

中圖分類號:P315

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0004-08

作者簡介：曹鳳娟(1970-)，女，高工，主要從事地震學分析與研究工作。E-mail:cao99@sina.com。

基金項目：遼寧省科學技術(shù)計劃項目“遼寧省重點地震構(gòu)造地震危險性研究”(2014231003)；遼寧省地震局重點實驗室項目“遼寧省地震活動性研究”(LZ-Z201501-2)；遼寧省地震局重點實驗室項目“未來1—3年遼寧省6~7級地震高危區(qū)研究”(LNDZ2014003)；2016年震情跟蹤定向任務(wù)“金州斷裂應(yīng)力狀態(tài)及地震危險性研究”(2016020104)

收稿日期：①2015-03-10