-
2020年2月18日17时7分在山东省济南市长清区（36.47°N，116.64°E）发生4.1级地震，除震中所在的长清区外，济南市城区震感强烈，淄博、泰安、德州等均有一定程度的震感。主震之后震中区附近记录到一系列余震，截止到2020年3月1日共记录到余震37次，其中：M≥3.0余震1次，3.0>M≥2.0余震1次。
震源机制解及精确的震源深度对研究此次地震具有十分重要的科学价值，对震源基本参数进行反演也是地震学的基本研究问题之一，通过反演了解发震断层的几何参数、地震震级、空间位置和发震时刻等。在震源机制的研究中，国内外学者提出了多种反演方法。其中，Zhao[1]和Helmberger[2]等提出的CAP方法能够充分利用地震波的振幅、相位信息，在较少台站数据下也能获得可靠的地震震源信息，因此该反演方法受到广泛认可[3-8]。CAP方法利用宽频带数字地震记录仪记录的波形数据反演震源机制解和震源深度，将波形数据切割为2部分，体波部分（Pnl）和面波部分，通过对中小地震进行点源与双力偶近似，计算理论波形与观测波形的误差函数，用网格搜索的方法反演震源机制解和最佳深度。本文利用山东台网及邻近区域台网宽频带数字地震仪的地震波形记录，通过CAP方法反演此次地震震源机制解。根据地质构造特征探讨长清M4.1地震的发震构造。
-
设u（t）为观测位移，在双力偶源下，对应的理论位移s（t）可表示为：
$${\rm{s}}\left( t \right) = {M_0}\sum\limits_{i = 1}^3 {{A_i}} \left( {\phi - \theta ,\delta ,\lambda } \right){G_i}\left( t \right){\text{。}}$$ (1) 其中：i=1,2,3分别对应垂直走滑断层，垂直倾滑断层和45°倾滑断层。M0是标量地震矩，Ai表示辐射花样系数，ϕ表示台站方位角，θ、δ、λ分别表示断层走向、倾角和滑动角。Gi表示格林函数，可以通过频率波束方法（F-K）[2]得出。
通过式（1）得到理论位移后，将理论位移和实际观测位移做互相关，由互相关函数确定时间偏移：
$$C\left( t \right) = {{{\int_{ - \infty }^\infty {f\left( \tau \right)g\left( {t + \tau } \right)d\tau } } / {\left( {\int_{ - \infty }^\infty {{f^2}\left( \tau \right)d\tau \int_{ - \infty }^\infty {{g^2}\left( \tau \right)d\tau } } } \right)}}^{{1 / 2}}},$$ (2) C（t）的最大正值表示最大互相关系数。
在反演过程中，将理论地震位移与观测地震位移一致作为判断标准：
$$u\left( t \right) = s\left( t \right){\text{。}}$$ (3) 式中出现的位置参数数量有限，仅θ、δ、λ，且3个未知参数需满足：0≤θ≤2π，0≤δ≤π/2，0≤λ≤2π，因此，可以采用网格搜索的方法求解上述非线性方程。此外，定义一个经震中距矫正后的绝对误差值作为误差目标函数：
$$e = \left\| {{{\left( {\frac{r}{{{r_0}}}} \right)}^p}} \right\| \bullet \left\| {u - s} \right\|,$$ (4) 式中：r为震中距，r0为参考震中距，p为指数因子，一般体波p=1，面波p=0.5。
CAP方法通过计算理论波形和实际观测波形的拟合误差，来搜索最佳的震源参数。
-
长清M4.1地震发生在山东省偏北部，震中N向山东台网范围中的台站多为短周期台站，无法用于CAP方法的反演计算。为获得稳定可靠的震源机制解，综合省内台站波形质量，震中200 km范围内选取了10个数据记录清晰、信噪比较高、P波初动明显、仪器幅频特性曲线平直的宽频地震台的记录进行此次CAP方法反演[6]，尽量避免因台站覆盖不均匀带来的反演结果的不稳定。选用台站信息见表1，台站分布见图1。
表 1 台站信息表
台站名称 台站代码 纬度/（°） 经度/（°） 高程/m 长清台 CHQ 36.5 116.8 98 曲阜台 QUF 35.8 117.1 139 章丘（瓦山台） ZHQ 36.7 117.5 240 沂蒙山台 YMS 36.6 118.5 346 临朐台 LQU 36.4 118.5 240 嘉祥台 JIX 35.4 116.4 61 梁山台 LSH 35.8 116.1 48 兖州台 YANZ 35.6 116.7 73 泗水台 SSH 35.6 117.4 281 沂源台 YIY 36.2 118.2 87 -
李霞等[9]利用层析成像技术得到了鲁中地区的地壳速度模型，并利用模型数据进行精定位，经过验证得到了接近真实的速度模型。崔鑫等[10]利用山东省数字台网近10年丰富的地震数据资料，基于Hyposat和HypoDD方法建立了山东地区地震波一维速度模型，与山东省实际的地层发育情况更为吻合。参考上述研究成果，确定济南及附近地区的地壳速度模型为4层（表2）。
图 1 山东长清M4.1地震震中及反演台站位置图
表 2 地壳速度模型
序号 层厚/km VP/（km·s−1） VS/（km·s−1） 1 0.5 4.00 2.31 2 21.5 6.13 3.54 3 11.0 6.88 3.95 4 0 7.93 4.46 -
通过CAP方法，设置1.0 m的搜索步长，经过全局搜索，在各个深度上得到的震源机制解比较一致，最佳震源深度出现在3.3 km，误差0.1 km（图2）。另外，作者采用Hyposat方法定位给出的震源深度为3.1 km，2种方法给出的震源深度相差不大，可以认为通过CAP方法计算得到的长清M4.1地震震源深度为3.3 km是可靠的。
图 2 不同震源深度的波形拟合误差及最佳震源深度
-
在反演计算过程中，对体波进行0.05～0.20 Hz的滤波，针对面波进行了0.05～0.10 Hz的滤波，并扣除仪器响应和波形旋转。理论波形通过F-K方法计算得出[2]。图3显示了在最佳深度处不同方位角台站上计算的理论合成波形与实际观测波形的拟合情况。图左侧为台站代码，台站代码下方为震中距（km）及该台理论P波初至与观测P波初至的差值。每个台站包含5个分向，PV、PR、Surf.V、Surf.V、SH分别代表体波垂向、体波径向、面波垂向、面波径向、面波切向的波形；黑线是实际观测波形，红线是理论合成波形，波形下方数字，第1行为拟合时各个部分理论合成波形相对实际观测波形移动的时间（s），第2行为两者的互相关系数（%）。10个台站记录到的47个震相中，互相关系数达到0.9的有26个，占比55.3%，互相关系数在0.6以上的有45个，占比超过95%，具体统计见图4。可以看出，理论合成波形与实际观测波形拟合较好，在一定程度上说明了CAP反演结果的可靠性。反演得到的震源机制解具体参数为矩震级MW=4.1，节面Ⅰ：走向219.0°，倾角57°，滑动角−156.0°；节面Ⅱ：走向115.4°，倾角70.1°，滑动角−35.4°。
图 3 理论合成波形与实际观测波形拟合图
图 4 震相拟合程度统计图
为了验证这次地震的震源参数质量，利用格点尝试法求解了本次地震的P波初动震源机制[11]，得到节面Ⅰ走向221.0°，倾角85.0°，滑动角−155.0°；节面Ⅱ走向129.0°，倾角65.0°，滑动角−6.0°（图5）。经对比，与采用CAP方法得到的震源参数基本一致，这也部分验证了CAP方法反演震源机制的可靠性。
图 5 P波初动反演震源机制解
将包括长清M4.1地震在内的共计37次主、余震的震中位置标注在图6，可以看到此次地震余震的分布方向与震源机制解节面Ⅱ的走向基本吻合。表明通过CAP方法反演的震源机制解中节理Ⅱ为断层面，节理Ⅰ为辅助面。
图 6 震中附近地质构造图及余震分布图
-
震中附近分布的已探明的断裂有长清断裂、东阿断裂、肥城断裂、泰山西麓断裂，距离震中位置较近的断裂有长清断裂和东阿断裂。据图4，东阿断裂穿过震群，但其距离主震及M2.0以上余震较远，超过10 km，且东阿断裂走向NE，倾向W[12]，其断层几何特征与余震分布特征不吻合，故东阿断裂不可能是长清M4.1地震的发震断裂。长清断裂近NNW向展布，倾向SW，倾角70°，距离主震震中7.2 km，正断裂性质，在中更新世中晚期没有活动[11]。长清断裂的几何特征与主震震源机制不吻合，震源机制节面Ⅱ揭示的走向为NWW，与长清断裂的NNW走向有一定差距，且长清断裂倾角较陡，断裂距震中最短距离7.2 km，远大于震源深度3.3 km，触发地震的破裂面与长清地震的断层面并不吻合，因此，长清断裂也不会是此次地震的发震断层。通过上述分析，可以初步判定在震中附近存在1条或者多条未探明的隐伏断裂。
-
本文利用山东台网宽频带地震仪的近震波形数据，采用CAP方法反演了山东长清M4.1地震震源机制解及震源深度，结果如下：
1）拟合误差在震源深度为3.3 km时最小，与作者通过Hyposat定位方法得到的震源深度3.1 km接近，说明长清M4.1地震最佳震源深度为3.3 km。理论合成波形和实际观测波形的互相关系数绝大部分大于0.6，其绝对振幅大小也较为相似，表明反演结果可靠。
2）CAP方法反演得到的长清M4.1地震最佳震源机制解结果为：节面Ⅰ：走向219.0°，倾角57.0°，滑动角−156.0°；节面Ⅱ：走向115.4°，倾角70.1°，滑动角−35.4°。
3）长清M4.1地震余震发展走向与震源机制解节面Ⅱ揭示的走向比较吻合，因此，震源机制解中节理Ⅱ为断层面，节理Ⅰ为辅助面。综合判定，长清断裂和东阿断裂皆不是此次长清M4.1地震的发震断层，可以初步判定在震中附近存在1条或者多条未探明的隐伏断裂。
致谢 审稿专家为本文提出了有益的建议，胡幸平在程序运行方面给予帮助，山东省地震局测震室全体同事给予了帮助和指导，在此一并表示感谢。
Focal Mechanism Solution of the Ji'nan M4.1 Earthquake Using the CAP Method
-
摘要: 利用山东地震台网的地震波形资料，采用CAP方法反演山东长清M4.1地震的震源机制解和震源深度。结果显示，地震矩震级Mw=4.1，最佳震源深度为3.3 km，节面Ⅰ：走向219.0°，倾角57.0°，滑动角−156.0°；节面Ⅱ：走向115.4°，倾角70.1°，滑动角−35.4°。结合余震分布特征，判定震源机制解中节理Ⅱ为断层面，节理Ⅰ为辅助面。通过分析震中附近地质构造特征，得出距离震中较近的长清断裂和东阿断裂皆不是此次地震的发震断裂，初步判定在震中附近存在1条或者多条未探明的隐伏断裂。
-
关键词:
- CAP方法 /
- 震源机制解 /
- 山东长清M4.1地震
Abstract: Based on the waveform data from digital seismic network of Shandong province and its adjacent regions, this article retrieved the focal mechanism solutions of the Jinan M4.1 Earthquake with the CAP （Cut and Paste Method） method. The results show that the moment magnitude is 4.1, the estimated focal depth is 3.3 km. The strike, dip and slip angles of two nodal planes of the best double couple solution are 219.0°, 57.0°, −156.0° and 115.4°, 70.1°, −35.4°. We infer that the plane Ⅱ was the fault plane with the analysis of the distribution of aftershocks. Both the Changqing fault and the Dong’e fault nearby the epicenter were not the seismogenic fault. Therefore, we assumed that there are one or several buried faults nearby Ji'nan earthquake.-
Key words:
- CAP /
- focal mechanism /
- Shandong Changqing M4.1 earthquake
-
表 1 台站信息表
台站名称 台站代码 纬度/（°） 经度/（°） 高程/m 长清台 CHQ 36.5 116.8 98 曲阜台 QUF 35.8 117.1 139 章丘（瓦山台） ZHQ 36.7 117.5 240 沂蒙山台 YMS 36.6 118.5 346 临朐台 LQU 36.4 118.5 240 嘉祥台 JIX 35.4 116.4 61 梁山台 LSH 35.8 116.1 48 兖州台 YANZ 35.6 116.7 73 泗水台 SSH 35.6 117.4 281 沂源台 YIY 36.2 118.2 87 
下载: 导出CSV
-
[1] Zhao LS. Source estimation from broadband regional seismograms[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1994, 84(1): 91-104. [2] Zhu L, Helmberger D V. Advancement in source estimation techniques using broadband regional seismograms[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1996, 86(5): 1634-1641. [3] 赵凌云, 邓津, 陈俊华, 等. 基于CAP方法的震源机制研究[J]. 长江科学院院报, 2010(5): 85-88. doi: 10.3969/j.issn.1001-5485.2010.05.019 [4] 曲均浩, 刘瑞峰, 李金, 等. CAP方法反演2014年山东乳山M4.2、M4.0地震震源机制解[J]. 地震工程学报, 2014, 36(4): 1076-1080. doi: 10.3969/j.issn.1000-0844.2014.04.1076 [5] 宋美琴, 李华玥, 韩立波, 等. 用CAP方法反演2010年6月5日山西阳曲MS4.6地震震源机制解[J]. 地震工程学报, 2013, 35(3): 692-697. doi: 10.3969/j.issn.1000-0844.2013.03.0692 [6] 李铂, 崔鑫, 苗庆杰, 等. CAP方法反演乳山震群3.0级以上地震震源机制解[J]. 华北地震科学, 2016, 34(3): 14-19. doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.003 [7] 郑建常, 李冬梅, 王鹏, 等. 2013 年莱州M4.6地震序列震源机制与发震构造初探[J]. 地震地质, 2015, 37(2): 384-399. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2015.02.004 [8] 谢祖军, 郑勇, 倪四道, 等. 2011 年1月19日安庆ML4.8地震的震源机制解和深度研究[J]. 地球物理学报, 2012(5): 21. [9] 李霞, 刘希强, 李亚军, 等. 山东及邻区地震的重新定位及其与活动构造的关系[J]. 中国地震, 2012, 28(4): 381-392. doi: 10.3969/j.issn.1001-4683.2012.04.005 [10] 崔鑫, 李铂, 朱元清, 等. 基于Hyposat和HypoDD的山东地区地震波一维速度模型[J]. 吉林大学学报: 地球科学版, 2017(5): 244-253. [11] 俞春泉, 陶开, 崔效锋, 等. 用格点尝试法求解P波初动震源机制解及解的质量评价[J]. 地球物理学报, 2009, 52(5): 1402-1411. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.05.030 [12] 山东省地震工程研究院. 济南市长清区（平安片区）地震小区划工作报告[R]. 2015. -
点击查看大图
图(6) / 表 (2)
计量
- 文章访问数: 4080
- HTML全文浏览量: 2627
- PDF下载量: 17
