李 霞 李翠芹 李冬梅 王學(xué)聚

（中國濟(jì)南 250102 山東省地震局）

0 引言

震群是指在小區(qū)域內(nèi)集中發(fā)生且無明顯主震事件的地震序列。震群易發(fā)生在一些特殊區(qū)域，這些區(qū)域內(nèi)介質(zhì)的裂隙分布較密且間隔較小，因而在應(yīng)力增強(qiáng)條件下，易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)式的弱震活動(dòng)，形成間歇小震群。乳山震群始發(fā)于2013 年10 月1 日ML3.1 地震，持續(xù)5年之久，截至2018年12月31日，累計(jì)發(fā)生地震13 000余次，其中可定位地震3 818次，有感地震31 次，最大地震為2015 年5 月22 日ML5.0 地震，是乳山地區(qū)有記錄以來規(guī)模最大的一次震群活動(dòng)。資料顯示，乳山地區(qū)曾于1997年和2005年分別發(fā)生ML4.1、ML4.3震群，可見乳山地區(qū)具有發(fā)生震群活動(dòng)的介質(zhì)條件，是能夠反映外圍較大區(qū)域應(yīng)力變化的敏感地區(qū)。

重復(fù)地震是在同一斷層位置上發(fā)生的，具有相似波形、震級、震源位置和震源機(jī)制的一組特殊地震。一般認(rèn)為，重復(fù)地震是強(qiáng)閉鎖區(qū)域或蠕滑段落之間弱的獨(dú)立凹凸體的重復(fù)破裂，目前主要用于測震臺(tái)網(wǎng)地震定位精度評估（蔣長勝等，2005；李宇彤等，2008）和斷層深部滑移速率估算（Igarashi et al，2003；Li et al，2007）。此外，基于重復(fù)地震傳播路徑相似的特點(diǎn)，利用地震波走時(shí)及波形之間的微小差異可檢測地殼介質(zhì)屬性的變化過程（林建民等，2006；周龍泉等，2007；Schaff et al，2011；王鵬等，2016）。通常采用介質(zhì)品質(zhì)因子Q來量化表征地殼介質(zhì)的這種微變，以反映巖石內(nèi)部裂紋密度、分布及所含流體對地震波能量衰減的影響（梅世蓉等，1993）。同時(shí)，郝召兵等（2009）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖石含水飽和度對縱波的衰減影響較橫波更大?；谝陨弦蛩?，為提高計(jì)算精度，減小非應(yīng)力因素的影響，文中選用乳山臺(tái)陣中DFS、RSH、XTJC 和CXZX 四個(gè)測點(diǎn)記錄的波形互相關(guān)系數(shù)cc ≥0.75 的重復(fù)地震序列，討論2015 年5 月22 日ML5.0 地震前后乳山震群震源區(qū)介質(zhì)狀態(tài)的相對變化，并結(jié)合序列發(fā)展過程，探討觸發(fā)震群的動(dòng)力因素。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

乳山震群的震源區(qū)位于膠南—威海造山帶威海斷隆區(qū)。該斷隆區(qū)夾持于華北板塊與揚(yáng)子板塊的碰撞帶內(nèi)，帶內(nèi)結(jié)晶基底裸露，歷經(jīng)多次強(qiáng)烈的變質(zhì)、變形作用，形成了網(wǎng)結(jié)狀、帚狀韌性剪切變形與穹窿構(gòu)造伴生的格局（宋明春等，1997）。區(qū)內(nèi)基底巖系主要包括新元古代變質(zhì)花崗巖，元古宙基性、超基性巖片及新太古代—古元古代表殼巖及廣泛發(fā)育的榴輝巖等，屬于超高壓變質(zhì)巖帶（王來明等，2002），斷裂帶呈NE、NNE 向展布，是主要的導(dǎo)礦和控礦構(gòu)造。如圖1 所示，乳山境內(nèi)NNE 向斷裂發(fā)育，中更新世中晚期以來活動(dòng)強(qiáng)烈的乳山斷裂帶，主要由5 條集中發(fā)育的壓扭性次級斷裂組成，自西向東分別為青虎山—唐家溝斷裂、石溝—巫山斷裂、岔河—三甲斷裂、將軍石—曲河莊斷裂、馬家莊—葛口斷裂，其中石溝—巫山斷裂規(guī)模最大，長35 km 以上，寬1—20 m。這些斷裂大體等間距平行排列，走向NE5°—20°，傾向SE，局部傾向NW，傾角65°—85°，對區(qū)內(nèi)金礦的形成和分布起著重要的控制作用（楊喜安等，2011）。NNE 向斷裂東南端也存在一些規(guī)模較小的NW 向細(xì)碎斷裂，表現(xiàn)為張性—張扭性、壓性活動(dòng)特征（辛魏，2017）。乳山震群位于岔河—三甲斷裂東南延長線附近，震群整體呈NWW 向分布，其中幾次較大地震的震源機(jī)制解優(yōu)勢節(jié)面走向約290°（鄭建常等，2015；李鉑等，2016），65.8%的地震表現(xiàn)為走滑性質(zhì)的震源機(jī)制特征（劉方斌等，2018）。綜合考慮震源區(qū)速度結(jié)構(gòu)、不同巖性地質(zhì)構(gòu)造間的位置關(guān)系及震中展布位置，推測乳山震群的發(fā)震構(gòu)造可能是海岸附近的垛崮山侏羅紀(jì)花崗巖和海洋所鎮(zhèn)超高壓變質(zhì)巖接觸邊界的隱伏斷裂（或新生斷裂）（鄭建常等，2015；曲均浩等，2019）。

圖1 乳山地區(qū)斷層及余震分布示意（楊喜安等，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 波頻散衰減介質(zhì)品質(zhì)因子測量方法

依據(jù)線性滯彈性體松弛模型，利用直達(dá)P 波第一個(gè)周期信號的群速度延遲和地震波傳播走時(shí)反演介質(zhì)品質(zhì)因子。據(jù)劉希強(qiáng)等（2005，2006）的研究，具體測算方法如下：①根據(jù)研究區(qū)層狀速度模型和原始定位中震源深度計(jì)算不同震中距的 Pg、Sg 及地震所在層位的折射波P、S 的理論走時(shí)，結(jié)合理論走時(shí)，據(jù)固定臺(tái)站實(shí)際測量所得Sg 與Pg 震相走時(shí)差，計(jì)算得到Pg 波傳播走時(shí)及震中距；②選擇垂直分量的Pg 波段第一周期信號，采用Newton 插值和帶Kaiser 窗的線性相位低通FIR 濾波器，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣和多重濾波處理，將采樣率提高到1 000 p/s，使有效波利用率最高；③基于Morlet 小波方法，測定P 波群速度延遲，經(jīng)Fourier 變換求得不同頻率點(diǎn)在不同時(shí)刻的瞬時(shí)譜振幅；④根據(jù)瞬時(shí)譜振幅最大值，得到不同頻段相對群速度到時(shí)，應(yīng)用非線性高斯—牛頓方法反演得到與理論模型誤差最小的品質(zhì)因子Qm、95%置信誤差及相關(guān)參數(shù)。

與傳統(tǒng)尾波持續(xù)時(shí)間法、Lg 波振幅衰減測量方法相比，使用P 波頻散衰減方法反演介質(zhì)品質(zhì)因子，可有效減小聚焦和散焦效應(yīng)，避免震源破裂和地震波記錄的復(fù)雜性及各種背景噪聲信號的干擾，可提高對介質(zhì)非彈性變化特征的識別度。

3 數(shù)據(jù)選取及重復(fù)地震識別

乳山ML3.1 震群位于海、陸交匯地區(qū)，周邊180 km 范圍內(nèi)，山東地震臺(tái)網(wǎng)在運(yùn)行固定臺(tái)站12 個(gè)，均位于陸域，其中乳山地震臺(tái)（臺(tái)站代碼RSH）與震群中心位置最近，間距約14 km。為精確跟蹤震群序列發(fā)展趨勢，2014 年5 月6 日山東省地震局在該序列震源區(qū)周邊布設(shè)由20 個(gè)臨時(shí)臺(tái)站組成的乳山臺(tái)陣，其中震群東南側(cè)海島臺(tái)的架設(shè)，一定程度上彌補(bǔ)了固定臺(tái)站分布的缺失。臨時(shí)臺(tái)站平均臺(tái)間距約0.5 km，可以保證較小地震事件能被4 個(gè)以上臺(tái)站記錄，且記錄波形清晰、完整，在一定程度上提高了震相識別的準(zhǔn)確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 日乳山臺(tái)陣記錄的所有地震事件波形及相關(guān)震相資料，基于震相數(shù)據(jù)，使用雙差定位法進(jìn)行重定位，得到精度較高的2 533 個(gè)事件的震源參數(shù)。精定位后，走時(shí)殘差由±0.4 s 降低為±0.05 s，序列事件沿NWW—SEE 向密集分布在約10×3 km2的范圍內(nèi)（圖1），震源深度集中分布在4—13 km。在精定位基礎(chǔ)上，識別序列中可能存在的重復(fù)地震。逐一比對重定位后震源參數(shù)，從中篩選震源位置相對集中、時(shí)間覆蓋尺度相對較長，同一事件記錄波形臺(tái)站數(shù)大于8 的地震，最終得到372個(gè)ML≥1.0 地震波形資料，統(tǒng)一做如下處理：檢查、糾正波形SAC 頭文件中的震源參數(shù)、臺(tái)站參數(shù)、震中距、方位角等信息；對波形數(shù)據(jù)去除儀器響應(yīng)，進(jìn)行帶寬為0.5—5 Hz 的帶通濾波；人工逐一識別P 波、S 波震相到時(shí)；截取P 波到時(shí)前1 s 至S 波到時(shí)后6 s（包括S 波主要能量在內(nèi)）時(shí)間窗內(nèi)的三分量波形資料，分別計(jì)算每個(gè)臺(tái)站記錄的兩兩事件間三分量波形的互相關(guān)系數(shù)。本研究旨在計(jì)算由P 波頻散衰減擬合關(guān)系得到的區(qū)域介質(zhì)品質(zhì)因子，不需要嚴(yán)格意義上的重復(fù)地震，故選取三分量平均相關(guān)系數(shù)cc ≥0.75 的地震對作為重復(fù)地震。通過重復(fù)地震對間的相互關(guān)聯(lián)性，搜索重復(fù)地震序列，得到21 組重復(fù)地震序列，震級范圍為ML1.0—3.1，重復(fù)地震數(shù)多為5—8 個(gè)，由此可見乳山震群波形相似度較高。通過對重復(fù)地震序列時(shí)間長度的比對，最終選定地震數(shù)最多、時(shí)間跨度最長，且時(shí)間上跨越ML5.0 地震的一組重復(fù)地震序列進(jìn)行P 波頻散衰減特征分析。該組重復(fù)地震序列由12 個(gè)事件組成，最大震級為ML2.3，其中5 月22 日ML5.0 地震前記錄重復(fù)地震9 次，震后記錄重復(fù)地震3 次，且波形相關(guān)系數(shù)有所降低。圖2 繪出DFS 臨時(shí)臺(tái)記錄的該組重復(fù)地震序列UD 向波形及其歸一化波形，事件的發(fā)震時(shí)刻及震級在圖中標(biāo)出。

圖2 DFS 臺(tái)記錄的一組重復(fù)地震序列波形Fig.2 Waveform of a group of repeating earthquake sequences recorded by DFS station

4 P 波頻散衰減特征分析

體波頻散是由介質(zhì)的滯彈特性引起的（Doornbos，1983）。強(qiáng)震孕育區(qū)的介質(zhì)特性不僅表現(xiàn)為應(yīng)變較大的塑性，也表現(xiàn)為與應(yīng)變速率有關(guān)的滯彈性，通過非彈性變形可將地震波的一部分能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。因此，在中強(qiáng)震或強(qiáng)震的孕育過程中，震源區(qū)及其周圍的介質(zhì)品質(zhì)因子會(huì)表現(xiàn)出明顯升高或降低的變化。

乳山震群在發(fā)展過程中表現(xiàn)出明顯的階段性，為準(zhǔn)確了解ML5.0 地震發(fā)生前后震源區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，獲取不同方位路徑的介質(zhì)品質(zhì)因子的變化過程，在震源區(qū)周邊15 km 范圍內(nèi)不同方位各選取一個(gè)觀測點(diǎn)，即RSH 固定臺(tái)及DFS、XTJC、CXZX 臨時(shí)臺(tái)，其中RSH臺(tái)與所選重復(fù)地震序列距離最遠(yuǎn)，約12.5 km，DFS、XTJC、CXZX 臨時(shí)臺(tái)震中距均小于5 km（圖3）。由觀測點(diǎn)周邊地質(zhì)構(gòu)造可知，DFS、RSH 臺(tái)分別位于垛崮山構(gòu)造序列中大孤山單元和老虎窩單元的花崗閃長巖體上，介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)相對偏高；而XTJC、CXZX 臺(tái)位于白沙灘附近新生代第四系覆蓋層上，巖性主要為灰黃色含礫砂質(zhì)黏土、含礫中砂及砂礫層等，介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)偏低（曲均浩等，2019）?；谏鲜鯬 波頻散衰減特征測量方法，分別測算4 個(gè)觀測點(diǎn)到所選用重復(fù)地震序列震源區(qū)之間地震波傳播路徑的介質(zhì)品質(zhì)因子Qm，僅選取測量誤差小于0.2 的結(jié)果用于分析。圖4 給出各觀測點(diǎn)計(jì)算得到的重復(fù)地震序列的介質(zhì)品質(zhì)因子Qm值隨時(shí)間的變化曲線。

圖3 所選用觀測站點(diǎn)和重復(fù)地震序列分布Fig.3 Distribution of observation stations and repeating earthquake sequences

圖4 基于DFS、XTJC、RSH、CXZX 臺(tái)記錄測算的乳山ML 5.0地震前后區(qū)域介質(zhì)品質(zhì)因子Qm 隨時(shí)間的變化Fig.4 Characteristics of Qm with time before and after Rushan ML 5.0 earthquake calculated by DFS,XTJC,RSH and CXZX stations

結(jié)果顯示，DFS、XTJC 臺(tái)的Qm值較RSH、CXZX 臺(tái)整體偏高，前2 個(gè)臺(tái)Qm值在10—75 范圍內(nèi)變化，后2 個(gè)臺(tái)Qm值分布在5—25 之間（圖4）。究其原因，應(yīng)與構(gòu)造部位和地下介質(zhì)散射強(qiáng)度有關(guān)。如前所述，DFS 臺(tái)位于侏羅紀(jì)花崗巖體上，XTJC 臺(tái)雖位于第四系覆蓋層上，但其西南側(cè)白沙灘—海陽所鎮(zhèn)附近廣泛出露超高壓變質(zhì)巖的結(jié)晶基底，重復(fù)地震序列震源深度集中在7.4—7.6 km，遠(yuǎn)大于第四系覆蓋層厚度，因此地震波在傳播過程中可能穿過了在地殼深部向NE 方向推擠的高壓（超高壓）變質(zhì)基性巖組合。RSH、CXZX 臺(tái)的Qm值偏低，可能是因?yàn)榈卣鸩ǖ膫鞑ヂ窂脚c乳山震群震源區(qū)破裂方向大體重合，震群的前期活動(dòng)使介質(zhì)處于相對破碎狀態(tài)，因而表現(xiàn)出相對較強(qiáng)的非彈性性質(zhì)。

由圖4 可知，DFS、XTJC、RSH 和CXZX 四個(gè)觀測臺(tái)的Qm值時(shí)變曲線形態(tài)的同步性較好，體現(xiàn)在：Qm值在2014 年10 月前后逐步升高，至2015 年1 月—4 月，先后出現(xiàn)最高值，之后在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)折下降，在下降過程中于2015 年5 月22 日發(fā)生ML5.0 地震，震后恢復(fù)至2014 年10 月前的狀態(tài)。此結(jié)果與劉希強(qiáng)等（2005）、趙振等（1995）研究的近場記錄地震波衰減特征是一致的。Qm值的變化特征表明：中等地震前，在區(qū)域應(yīng)力場增強(qiáng)狀態(tài)下，震源區(qū)介質(zhì)圍壓逐步增大，致使巖石微裂隙閉合，局部介質(zhì)對地震波能量的吸收能力減弱，因而介質(zhì)品質(zhì)因子相對增大；之后，隨著應(yīng)力的持續(xù)積累，脆性介質(zhì)產(chǎn)生微小破裂而引發(fā)小震，介質(zhì)品質(zhì)因子隨之降低；由于小震的應(yīng)力釋放打破了介質(zhì)應(yīng)力的“臨界”狀態(tài)而觸發(fā)了中強(qiáng)地震，震后震源區(qū)介質(zhì)非彈性增大，因而Qm值快速下降并恢復(fù)至正常狀態(tài)。這一過程符合震源硬化模型（陳立德，2000）。

5 討論

震群的發(fā)生通常被認(rèn)為是由外部作用導(dǎo)致斷層上的應(yīng)力增加或者減小了發(fā)震斷層的強(qiáng)度所致，自然發(fā)生的震群常與巖漿遷移或地?zé)崃黧w活動(dòng)相關(guān)聯(lián)（Shelly et al，2016）。乳山震群活動(dòng)持續(xù)5 年之久，并于2015 年5 月22 日發(fā)生了ML5.0 地震，震源區(qū)近場12 km 范圍內(nèi)的Qm值演化形態(tài)展示了此次中等地震的孕震—發(fā)震過程（圖4）。那么，如何解釋觸發(fā)此次ML5.0 地震的構(gòu)造應(yīng)力場源？

將DFS臺(tái)測算獲得的已選重復(fù)地震序列的Qm值時(shí)變曲線與2014年7月1日—2015年7 月1 日間乳山震群中ML1.0 以上地震M—T圖及重復(fù)地震序列震源區(qū)中心點(diǎn)外圍200 km范圍內(nèi)所有ML1.0—3.8 地震的3 月逐1 月b值滑動(dòng)曲線做疊加，結(jié)果見圖5。由圖5 可見，Qm值與b值的負(fù)相關(guān)性較好。乳山震群地震活動(dòng)頻次及釋放能量的減弱伴隨著高Qm值與低b值現(xiàn)象，臨震前及震后Qm值下降，b值升高。雖然Qm值和b值變化量級較小，但能明顯反映出震源區(qū)近場及遠(yuǎn)場應(yīng)力變化的一致性。2011 年日本宮城近海MW9.0 特大地震對我國東北、華北地區(qū)地殼應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了一定影響，據(jù)GPS 觀測顯示，此次地震后，我國東北和華北地區(qū)應(yīng)變場呈NW—SE 向拉張，且自東向西逐漸減弱，應(yīng)變最大處位于郯廬斷裂帶北段敦化—密山斷裂中段，而郯廬斷裂帶中段未產(chǎn)生明顯的錯(cuò)動(dòng)和拉張，僅使其震后右旋運(yùn)動(dòng)速率輕微加大（陳為濤等，2012；尹京苑等，2015）。地震資料同樣顯示，2012 年以來中國大陸東部自北向南先后發(fā)生一系列中等地震，如2013 年1 月23 日遼寧燈塔MS5.1、4 月20 日南黃海MS5.0、4 月22 日內(nèi)蒙古科爾沁左翼后旗MS5.3 以及10 月31日吉林前郭MS5.8 等地震，與此同時(shí)，環(huán)渤海地區(qū)接連發(fā)生遼寧海城、蓋州、河北唐山及山東萊州、乳山等一系列NW—SE 向分布的MS4.0 左右震群活動(dòng)。

圖5 乳山震群重復(fù)地震序列估算Qm 值變化曲線、ML 1.0 以上地震M—t 圖及滑動(dòng)b 值對比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 地震發(fā)生在日本MW9.0 地震后4 年，中國東部地區(qū)中等地震活動(dòng)逐漸減弱的背景下，因而此次地震的構(gòu)造動(dòng)力源來自近場的可能性較大。一般認(rèn)為，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向轉(zhuǎn)換過程中可能誘發(fā)大的地質(zhì)事件，日本MW9.0 地震后中國大陸東部地區(qū)應(yīng)力場經(jīng)歷了突然轉(zhuǎn)向—恢復(fù)的調(diào)整過程，在應(yīng)力場緩慢恢復(fù)過程中，某些敏感區(qū)域介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)發(fā)生不間斷的調(diào)整，乳山序列余震活動(dòng)具有階段性、叢集性的特點(diǎn)，也許就是斷層面附近介質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)不斷變化的體現(xiàn)，即當(dāng)應(yīng)力集中強(qiáng)度達(dá)到臨界值時(shí)觸發(fā)地震，強(qiáng)度恢復(fù)后，一個(gè)新的地震周期又開始了。另外，Jin 等（1989）的研究表明，地震前后近場Q值與遠(yuǎn)場b值的相關(guān)關(guān)系可歸因于地下介質(zhì)脆—韌性過渡帶的抗震蠕變。這種抗震蠕變可在不同尺寸的裂縫上發(fā)生，并有利于觀察到區(qū)域裂紋密度和介質(zhì)品質(zhì)因子的變化過程。若在具有一定優(yōu)勢尺度的裂縫上發(fā)生流體滲入，則斷層介質(zhì)位移弱化特性可能增強(qiáng)，斷層帶剛度可能增大，空間應(yīng)力的集中即可能增強(qiáng)地震活動(dòng)性。因此，乳山震群中ML5.0 地震的發(fā)生應(yīng)主要由區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的自我調(diào)整所致，因?yàn)閿鄬右?guī)模較小，且介質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，無法積聚足夠多的應(yīng)力來產(chǎn)生更大地震。

6 結(jié)論

基于山東乳山地震臺(tái)陣記錄的乳山震群中一組重復(fù)地震序列的波形數(shù)據(jù)，采用P 波頻散衰減方法，測算2015 年5 月22 日乳山ML5.0 地震前后震源區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子Qm隨時(shí)間的變化特征，取得如下認(rèn)識：

（1）RSH、CXZX、DFS、XTJC 站點(diǎn)均觀測到震前Qm值升高，臨震前及震后Qm值下降的趨勢變化，表明震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力變化導(dǎo)致巖石裂隙發(fā)生閉合和張開運(yùn)動(dòng)，從而影響了地震波散射。分析認(rèn)為，Qm高值可能是ML5.0 地震前震源區(qū)應(yīng)力集中的表現(xiàn)。

（2）利用重復(fù)地震序列估算介質(zhì)品質(zhì)因子，提高了計(jì)算結(jié)果精度。震源區(qū)不同路徑下介質(zhì)品質(zhì)因子的大小差異與乳山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及介質(zhì)屬性已知特征相吻合。分析震源區(qū)近場Qm值與遠(yuǎn)場b值的同步變化，認(rèn)為2015 年5 月22 日ML5.0 地震是在遠(yuǎn)場作用下區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整過程中發(fā)生的，與局部區(qū)域的介質(zhì)狀態(tài)、斷層分布、速度結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。