戴盈磊，萬永革，孔祥雪，王承偉，索 銳

(1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.防災科技學院，河北 三河 065201；3.河北省地震動力學重點實驗室，河北 三河 065201)

0 引言

2013年1月23日12時18分，遼寧省遼陽市燈塔市與沈陽市蘇家屯區(qū)交界處(41.48°N，123.20°E)發(fā)生5.1地震，震源深度7 km。該地震位于郯廬斷裂帶北延段走向NE的營口—佟二堡斷裂東北端附近，屬于孤立型地震事件。該地震是自1999年岫巖5.4級地震后，遼寧地區(qū)發(fā)生的最大地震，打破了遼寧內(nèi)陸地區(qū)5級地震長達13 a的平靜格局(焦明若等，2014)，且震中位置處在地震活動性較低的遼寧中北部地區(qū)，具有一定的指示意義。地震發(fā)生后，不同機構和學者基于不同方法和數(shù)據(jù)相繼給出了該地震的震源機制解，如中國地震局地震預測研究所(2013)第一時間使用了CAP方法計算了燈塔5.1地震的震源機制解；李彤霞等(2014)、王巖等(2016)使用了P波初動方法；林向東等(2017)在研究華北地區(qū)震源機制分區(qū)特征時,使用FOCMEC方法求解了該地震的震源機制解；蘇培臻等(2020)對遼寧地區(qū)中小地震震源機制進行研究時，同樣使用CAP方法得到了燈塔地震的震源機制解。但這些結果存在明顯的差異性和離散度，究竟選擇哪一個作為后續(xù)相關研究的依據(jù)，值得探討。謝弘臻和王九洋(2018)根據(jù)sPL-Pg等震相數(shù)據(jù)使用入射角法和單純形法重新測定了燈塔地震震源深度為14 km；孫素梅等(2018)對燈塔地震序列進行了重新定位。但以上研究并未對該地震發(fā)生的動力學背景進行深入分析。

本文使用基于P波初動極性和S/P振幅比的HASH方法(Hardebeck，Shearer，2002，2003)求取2013年燈塔5.1地震的震源機制解，將已有結果的差別進行量化，給出燈塔5.1地震的震源機制中心解。為了進一步研究本次地震孕育和發(fā)生的動力學過程，收集2001—2013年遼寧地區(qū)128次2.5～4.8地震的震源機制解，反演該地區(qū)的構造應力場。進而模擬在其作用下，可能出現(xiàn)的各種震源機制類型，為深入研究燈塔5.1地震的發(fā)震條件和遼寧中北部孕震機理提供數(shù)據(jù)和參考。

1 HASH方法計算燈塔M5.1地震震源機制解

為了保證較高的臺站分布率，本文從震中距小于200 km的32個臺站提取P波初動和S/P振幅比數(shù)據(jù)，其具體分布如圖1所示。其中，P波初動極性符號直接從遼寧地震臺正式觀測報告讀取。在SAC軟件環(huán)境下，將所選臺站的觀測波形旋轉至、、方向，去儀器響應，卷積到位移記錄，進行1～15 Hz的帶通濾波，剔除信噪比小于3的波形。標注P波和S波到時時，為了保證精準度，人工量取徑向分量和垂直分量的直達波峰值，矢量求和后，作為P波振幅；由于轉換波可能在直達S波前到達，取S波到時的前后1 s內(nèi)，3個分量上的最大振幅作為S波振幅。由圖1可知，計算輸入了23個P波初動極性數(shù)據(jù)，不包含emergent極性符號；22個S/P振幅比數(shù)據(jù)，而可使用的有效振幅比數(shù)量是16個，因為解算時S/P振幅比的最小閾值設置為大于2.5，有6個臺站的數(shù)據(jù)不滿足該條件被舍棄。

圖1 本文研究所選臺站的分布

HASH方法通過使用不同梯度的速度模型進行射線追蹤得到可靠的離源角(Hardebeck，Shearer，2002)，計算過程中，本文使用盧造勛等(2002)、趙宏陽和陳曉非(2017)，鄭確(2018)提出的速度模型(圖2)。燈塔5.1地震震源機制解計算結果見表1，節(jié)面Ⅰ走向為12.85°，傾角為89.42°，滑動角為175.83°。斷層面不確定度24°，輔助斷層面不確定度29°；P波極性數(shù)量23，初動矛盾比0.00；逼近最優(yōu)解概率67%，臺站分布率76%；S/P振幅比數(shù)量16，平均lg(S/P)矛盾比0.49。本次地震強度中等，震中位于遼寧中北部，臺站分布均勻，用于計算的數(shù)據(jù)較為充足且可靠。在P波初動極性數(shù)據(jù)和S/P振幅比數(shù)據(jù)的共同約束下，最終結果的質量分級為“B”，在通?？山邮艿腁、B、C、D等4個質量等級中(許英才等，2021)處于中上，比較理想。

圖2 本文計算使用的速度模型

2 震源機制中心解的確定

收集不同來源的燈塔5.1地震震源機制解，與本文結果一并列于表1。采用萬永革(2019)提出的確定同一地震多個震源機制中心解的方法，求解得到與這些震源機制最小空間旋轉角的平方和最小的震源機制中心解，將中心解與各震源機制最小空間旋轉角的標準差作為誤差范圍，選擇標準差最小的結果，給出最終解與各輸入震源機制的最小空間旋轉角(表1)。

表1 不同來源的燈塔M5.1地震震源機制解及本文得到的震源機制中心解和標準差

由表1可知，以不同來源震源機制作為初始解得到的中心解都差別甚微，標準差大體一致且精確到小數(shù)點后第4位，體現(xiàn)出中心解計算方法的穩(wěn)定性。其中以中國地震局地震預測研究所給出的震源機制作為初始解得到的中心解標準差是最小的。本文以此結果(節(jié)面Ⅰ走向13.16°，傾角88.64°，滑動角171.01°；節(jié)面Ⅱ走向103.38°，傾角81.01°，滑動角1.37°)作為燈塔5.1地震的震源機制中心解。軸走向58.61°，傾角5.38°，不確定范圍分別是47.76°～68.76°和-2.28°～12.54°；軸走向184.64°，傾角80.91°，不確定范圍分別是63.32°～240.30°和73.20°～91.71°；軸走向327.92°，傾角7.31°，不確定范圍分別是317.06°～338.06°和-0.22°～14.88°，震源機制中心解的標準差為10.928 7°。

需要指出的是，以中國地震局地震預測研究所測定的結果為初始解得到的中心解的標準差最小，但這并不表明該機構給出的結果離最終選定的中心解最近。這6個初始解中，本文使用HASH方法求解的震源機制與最終選定的中心解距離是最近的，為4.90°。這是因為震源機制中心解的求解是一個非線性的問題，采用雅可比矩陣求解各參數(shù)的偏量可能有略微超出或未達到最優(yōu)解，但離最優(yōu)解應很近(萬永革，2019)，這就是選擇標準差最小的解作為最優(yōu)解的緣故，也說明本文采用HASH方法計算燈塔5.1震源機制解是合理的。計算時輸入的各震源機制和本文計算所得的震源機制中心解及其不確定范圍利用萬永革(2015)的應力場表述方式，如圖3所示。圖3a中黑色弧線表示中心震源機制解的2個節(jié)面，綠色弧線為其不確定范圍，紫色弧線表示計算時輸入的各震源機制節(jié)面，紅色、藍色和黃色圓點表示中心解的軸、軸和軸，其不確定范圍用對應顏色的封閉曲線表示；圖3b中壓縮和膨脹區(qū)域分別用藍色和紅色表示。從圖3可知，震源機制中心解的軸不確定范圍相對大一些，但整體上參數(shù)較為集中。

圖3 2013年燈塔M5.1地震震源機制中心解(a)及空間三維輻射花樣(b)

3 應力場反演

本文收集燈塔5.1地震發(fā)生前2001—2013年遼寧地區(qū)2.5～4.8地震的震源機制解資料，共計128個(表2)。其中，2001—2007年的3.5～4.1地震的震源機制解從國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心獲取，震源機制解多采用P波初動法求解；2008—2012年≥3.0地震的震源機制資料是王巖等(2016)使用P波初動法給出的結果；2010—2013年2.5～3.0的震源機制解來自林向東等(2017)利用FOCMEC方法計算所得結果；這些震源機制中，采用P波初動法求解的矛盾比不超過0.36。根據(jù)世界應力圖(Zoback，1992)的方案對以上震源機制解進行分類，其中，正斷型33個、正走滑型10個、走滑型46個、逆走滑型7個、逆斷型17個，不確定型15個，正斷型和走滑型占70%，如圖4所示。

表2 2001—2013年遼寧地區(qū)ML2.5～4.8地震震源機制解

續(xù)表2序號發(fā)震日期震中位置λE/(°)φN/(°)ML震源機制解走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)資料來源172006-02-27123.0540.103.72173134國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心182006-05-06122.8540.673.629569-52國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心192006-06-18122.8340.673.734420136國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心202007-03-11120.0238.923.87181-40國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心212007-06-06120.6741.623.528728-95國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心222007-08-24123.0340.553.722253-101國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心232007-09-25123.6242.453.534750150國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心242008-01-14123.0340.533.2207613王巖等,2016252008-01-15122.8540.653.96590180王巖等,2016262008-04-28123.6041.883.07090180王巖等,2016272008-05-13121.9840.153.819582-174王巖等,2016282008-05-30123.3741.103.47590180王巖等,2016292008-11-03122.8840.634.11796027王巖等,2016302008-11-09122.9340.634.022925-137王巖等,2016312008-11-11122.7840.673.524249-99王巖等,2016322008-11-11122.8040.673.025842-101王巖等,2016332008-11-11122.7740.683.423851-76王巖等,2016342008-11-14122.9040.654.83348-75王巖等,2016352008-12-09123.1740.973.521077-161王巖等,2016362008-12-11122.9342.104.119663-161王巖等,2016372009-01-13122.9340.623.128428-45王巖等,2016382009-01-14123.0640.473.936680王巖等,2016392009-02-02122.8440.663.419781-131王巖等,2016402009-03-01122.5040.753.13584174王巖等,2016412009-04-02122.2539.333.41935525王巖等,2016422009-05-11122.9040.653.02648721王巖等,2016432009-05-17122.8340.663.12048144王巖等,2016442009-05-19122.3840.983.02351165王巖等,2016452009-07-19122.6740.694.3211671王巖等,2016462009-08-04121.6641.933.03033297王巖等,2016472009-08-26123.1740.983.12146418王巖等,2016482009-10-07122.6440.703.021466-171王巖等,2016492009-11-08121.6540.964.121276-172王巖等,2016502010-01-11122.8340.663.51155153王巖等,2016512010-01-15120.3741.672.9310.9974.81-48.24林向東等,2017522010-01-22123.0340.532.9275.0876.43-64.23林向東等,2017532010-01-23123.0440.533.23469-94王巖等,2016542010-01-26122.9240.652.687.4536.22-72.91林向東等,2017552010-01-28118.8839.972.7214.5685.0284.98林向東等,2017562010-02-05122.7540.672.824.8817.96-32.95林向東等,2017572010-02-06122.8240.672.5179.0846.92-69.25林向東等,2017582010-02-09122.8940.663.03050-269王巖等,2016592010-03-22122.2439.333.0288788王巖等,2016602010-03-23122.2339.332.5121.4756.17-53林向東等,2017612010-03-27123.2141.483.025571-73王巖等,2016

圖4 2001—2003年遼寧地區(qū)ML2.5～4.8地震震源機制分布

本文采用全局網(wǎng)格搜索算法(Wan，2016)進行計算，該方法以斷層滑動方向與剪應力方向一致為原則，可考慮震級的不同對輸入震源機制分配相應權重，從而得到精確的反演結果。結合應力形因子(Gephart，F(xiàn)orsyth，1984)=(2-1)(3-1)(1、2、3，分別代表主壓應力、中間應力和主張應力的大小)對3個主應力的相對大小進行判斷。設置3個主應力軸的搜索步長為1°，應力形因子的搜索步長為0.05，置信度水平為90%，進行構造應力場反演，所得結果及其不確定范圍見表3和圖5。圖5a為反演結果的等面積投影，圖中90%置信度水平下最大剪應力所在截面用綠色弧線表示，剪應力方向用黃色小箭頭表示，3個主應力軸的90%置信區(qū)間用1，2和3周圍的封閉曲線表示，輸入的震源機制節(jié)面用黑色弧線表示，主壓應力軸的最優(yōu)方位用紅色大箭頭表示，“可能斷層面”的理論滑動方向用紅色小箭頭表示，主張應力軸的最優(yōu)方位用藍色大箭頭表示，“可能斷層面”的觀測滑動方向用藍色小箭頭表示。圖5b是所得應力狀態(tài)的三維表示。其中，主壓應力的相對大小和方向用紅色填充，主張應力的相對大小和方向用藍色填充。

圖5 應力場反演結果(a)及其三維示意(b)

表3 應力場反演結果

反演得到遼寧地區(qū)構造應力場主壓應力軸為NEE向，主張應力軸為NNW向，中間應力軸傾角較陡；=0.45，3個主應力軸基本呈等差排列(萬永革等，2011)，屬走滑類型。本文反演結果與已有研究結果(張萍，蔣秀琴，2000；葛榮峰等，2009；Wan，2010)比較一致，體現(xiàn)出遼寧地區(qū)NE—NNE向斷層為右旋走滑，NW向斷層為左旋走滑，幾乎所有地震都以走滑斷層作為發(fā)震構造的背景特征(萬波等，2017)。

4 震源機制與應力場關系

萬永革(2020)提出了模擬不同應力體系下，可產(chǎn)生的震源機制類型及節(jié)面上剪應力和正應力表現(xiàn)的方法。本文基于該方法，得到在遼寧地區(qū)構造應力場的約束下產(chǎn)生的各種震源機制類型，及將其作用在燈塔5.1地震震源機制中心解2個節(jié)面上產(chǎn)生的剪應力和正應力，并用最大剪應力作歸一化，得到相對剪應力和相對正應力，如圖6所示。

圖6 遼寧地區(qū)構造應力場作用下的震源機制解及相對剪應力(a)和相對正應力(b)分布

燈塔5.1地震震源機制中心解節(jié)面Ⅰ走向13.16°，傾角88.64°，滑動角171.01°，相對剪應力和相對正應力分別為0.878(最大為1)和-0.366(拉張為正)，剪應力滑動角-163.7°，與觀測滑動角相差25.29°；節(jié)面Ⅱ走向103.38°，傾角81.01°，滑動角1.37°，相對剪應力和相對正應力分別為0.793和0.547，剪應力滑動角2.2°，與觀測滑動角相差0.83°。很明顯，2個節(jié)面基本上都處于剪應力最大區(qū)域，且剪應力滑動角與對應節(jié)面的觀測滑動角比較接近。李彤霞等(2014)推斷本次地震的發(fā)震構造為營口—佟二堡斷裂帶，對應本次地震震源機制中心解節(jié)面Ⅰ，而該斷裂是在右行剪應力作用下，使早期斷裂再活動形成新的斷裂(單家增等，2004)；孫素梅等(2018)對燈塔5.1地震序列進行重定位研究，認為NS、NE向地震剖面為發(fā)震控制斷裂，對應中心解節(jié)面Ⅰ，推測NWW向地震剖面是一條隱伏斷裂，對應中心解節(jié)面Ⅱ。本文模擬在遼寧地區(qū)構造應力條件下，2個節(jié)面震前都基本處于最大剪應力加載狀態(tài)，而剪應力導致的破裂形式與作為發(fā)震構造的營口—佟二堡斷裂的活動形式一致。

綜合來看，本次地震是在遼寧地區(qū)整體走滑型構造應力場作用下，經(jīng)過一定時間的應力積累，沿應力場最優(yōu)節(jié)面的能量釋放。

5 結論

本文使用HASH方法計算2013年遼寧燈塔5.1地震震源機制中心解，結合有關學者和機構給出的結果得到本次地震的震源機制中心解，反演遼寧地區(qū)的構造應力場并研究本次地震發(fā)生的動力學背景，主要得出以下結論：

(1)通過HASH方法，利用P波初動極性和S/P振幅比數(shù)據(jù)計算得到燈塔5.1地震震源機制解走向12.85°，傾角89.42°，滑動角175.83°。

(2)燈塔5.1地震震源機制中心解節(jié)面Ⅰ走向13.16°，傾角88.64°，滑動角171.01°；節(jié)面Ⅱ走向103.38°，傾角81.01°，滑動角1.37°，為走滑型地震。

(3)燈塔5.1地震前，遼寧地區(qū)構造應力場的主壓應力軸為NEE向，主張應力軸為NNW向，它們的傾角均較小，3個主應力軸基本呈等差排列，形成了走滑應力體系。

(4)在遼寧地區(qū)構造應力場作用下，右行剪切應力經(jīng)過積累，達到一定程度而發(fā)生燈塔5.1走滑地震。

本文使用HASH方法進行求取，是為了與之前的成果形成對比，為計算該地震震源機制中心解提供一個補充。在反演遼寧地區(qū)構造應力場時，本文并沒有參照戴盈磊等(2020)對輸入的震源機制數(shù)據(jù)根據(jù)震級不同進行加權的處理方式，因為輸入數(shù)據(jù)中，最小震級是2.5，最大震級是4.8，震級跨度并不大，且這里側重的是所謂“5級地震平靜期”遼寧地區(qū)的整體應力狀態(tài)。已有研究表明，華北地震區(qū)5級以上地震一般具有較明確的構造背景(環(huán)文林等，1997)。本文通過對遼寧地區(qū)震源機制解與構造應力場關系研究，體現(xiàn)了在同一應力體系下該地區(qū)可產(chǎn)生震源機制的多樣性，同時發(fā)現(xiàn)燈塔5.1地震是典型的在背景構造應力場作用下發(fā)生的破裂，驗證了之前學者的推斷，并進一步揭示了遼寧中北部地區(qū)的地震發(fā)生條件和活動特點。

遼寧地震臺提供了本文研究數(shù)據(jù)，審稿專家提出了寶貴修改意見，在此一并表示感謝。