黃小梅 陳 強(qiáng) 張一君 楊瑩輝 靳 鑫 蔣子琴

1 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都市犀安路999號(hào)，611756 2 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都市二仙橋東三路1號(hào)，610059 3 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都市新都大道8號(hào)，610500

2019-07-04、06美國(guó)加利福尼亞州Ridgecrest分別發(fā)生MW6.4前震及MW7.1主震。MW6.4前震發(fā)生在加利福尼亞州板塊邊界側(cè)面的東加利福尼亞剪切帶(ECSZ)，震中位于圣安德烈亞斯斷層?xùn)|北約150 km處，距加州塞爾斯谷西南約12 km，發(fā)震斷層可能為走向NE-SW、具有左旋走滑趨勢(shì)的斷裂帶或走向NW-SE、具有右旋走滑趨勢(shì)的斷裂帶[1-3]。MW7.1主震的余震呈NW-SE向展布，向北延伸至中國(guó)湖(China lake)，東南向加洛克斷層(Garlock fault)延伸，在距斷層約5 km處停止。據(jù)歷史資料記載，Ridgecrest地震序列50 km范圍內(nèi)共發(fā)生8次M>5地震[4-6]，對(duì)東加利福尼亞剪切帶造成嚴(yán)重破壞(圖1)。

圖1 震中區(qū)域構(gòu)造背景

對(duì)地震進(jìn)行精定位，有助于準(zhǔn)確描繪震后震源區(qū)的地震時(shí)空分布圖像，并確定發(fā)震斷層的空間分布。本文基于雙差地震定位方法[7-8]，利用近震P波目錄走時(shí)差數(shù)據(jù)和互相關(guān)走時(shí)差數(shù)據(jù)，反演Ridgecrest地震及震后1個(gè)月內(nèi)MW≥2.5余震的震源參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)反演斷層在地殼深部的分布，分析震源時(shí)空分布特征，探討本次地震序列的斷層構(gòu)造，為后續(xù)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)和速度模型

南加州地震臺(tái)網(wǎng)(SCSN)擁有400多個(gè)分布密集的地震臺(tái)站，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)美國(guó)與墨西哥邊界以北至圣路易斯-奧比斯波(San Luis Obispo)和大派恩(Big Pine)地區(qū)的地面運(yùn)動(dòng)。選取南加州地震數(shù)據(jù)中心(SCEDC)發(fā)布的2019-07-04～08-06 MW7.1主震震中500 km范圍內(nèi)的295個(gè)臺(tái)站記錄的震相觀測(cè)報(bào)告及160個(gè)CI臺(tái)網(wǎng)記錄的寬頻帶數(shù)字波形數(shù)據(jù)，對(duì)地震序列進(jìn)行精定位。

選用基于AK135全球參考模型[9]的一維地殼速度結(jié)構(gòu)模型，并使用Crust1.0模型進(jìn)行修正，具體參數(shù)見表1。

表1 Ridgecrest震源區(qū)一維速度模型

1.2 雙差定位方法

選用雙差定位方法對(duì)Ridgecrest地震序列進(jìn)行精定位。與傳統(tǒng)定位方法相比，該方法能夠在較大范圍內(nèi)高分辨地確定震源位置，其原理是通過對(duì)地震事件對(duì)到同一臺(tái)站的理論到時(shí)差和實(shí)際到時(shí)差的殘差(雙差)進(jìn)行反演獲得震源位置信息，當(dāng)事件對(duì)間距較近時(shí)可有效減小地殼速度模型不夠精細(xì)而造成的定位偏差[10]，具體步驟見文獻(xiàn)[7-8]。

1.3 走時(shí)差計(jì)算

利用研究區(qū)的震相觀測(cè)報(bào)告繪制震相走時(shí)曲線(圖2(a))，剔除偏離較大的走時(shí)值后，共得到70 167條P波走時(shí)目錄數(shù)據(jù)(圖2(b))，匯編成雙差定位地震目錄文件。在地震匹配中，采用震中距小于500 km的震相數(shù)據(jù)，事件對(duì)之間的間距小于10 km，確保每個(gè)事件有不少于8個(gè)震相數(shù)據(jù)。經(jīng)篩選后共得到274 138對(duì)P波震相對(duì)，占總震相對(duì)的90%，弱連接事件為30個(gè)，僅占總事件數(shù)的1.43%。震相走時(shí)曲線及弱連接事件數(shù)表明本文所用數(shù)據(jù)精度較好。

圖2 Ridgecrest地震序列走時(shí)曲線

在雙差地震定位中，聯(lián)合使用波形互相關(guān)技術(shù)得到的相對(duì)走時(shí)差可提高事件對(duì)之間的到時(shí)差精度，增加雙差觀測(cè)數(shù)，從而提高地震定位的精度。本文依據(jù)目錄事件對(duì)的匹配信息，挑選信噪比較高的波形數(shù)據(jù)，對(duì)其帶通濾波到0.25～0.5 Hz，并使用Schaff等[11]提出的相關(guān)檢測(cè)函數(shù)(correlation detector)，選擇P波前2 s和后4 s的時(shí)間窗，對(duì)2個(gè)相似波形進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到部分波形互相關(guān)結(jié)果(圖3)。通過波形互相關(guān)計(jì)算，共獲得250 704對(duì)互相關(guān)走時(shí)差，相關(guān)性系數(shù)在0.6以上。

圖3 部分P波波形互相關(guān)結(jié)果

2 地震重定位結(jié)果

利用雙差重定位方法對(duì)Ridgecrest地震序列的2 098個(gè)事件進(jìn)行重定位，采用共軛梯度法(LQSR)分別獲得2 069個(gè)目錄數(shù)據(jù)、2 073個(gè)互相關(guān)數(shù)據(jù)和2 037個(gè)目錄與互相關(guān)數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的地震重定位震源參數(shù)，重定位率高達(dá)97%。圖4(b)為僅使用地震目錄數(shù)據(jù)重定位結(jié)果，與原始定位結(jié)果(圖4(a))相比，震源沿?cái)鄬臃植嫉木€性趨勢(shì)更為集中。地震群分為4個(gè)事件簇，余震分布與小湖斷層展布方向一致，在帕納明特山谷斷層附近和加洛克斷層西南方向末端分別形成一個(gè)小型事件簇，而在Coso地?zé)釁^(qū)附近存在一個(gè)缺震帶，地震越過該處向更北方向形成一個(gè)事件簇，前震、主震及大部分余震形成一個(gè)大型事件簇，表明Ridgecrest地震序列斷層構(gòu)造的復(fù)雜性。MW6.4前震及余震呈“L”形分布，MW7.1主震發(fā)生后余震展布從“L”形變?yōu)椤癟”形。在深度方向上，重定位后震源深度主要分布在4～8 km，經(jīng)2輪迭代后，加權(quán)均方根殘差由171 ms降至65 ms，其東西、南北和深度方向的平均相對(duì)誤差分別為0.271 km、0.266 km和0.404 km。

各分圖中，上圖為平面圖，下圖為震源深度沿經(jīng)度方向剖面

由僅使用互相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行重定位的結(jié)果(圖4(c))可知，震源分布沿?cái)鄬拥木€性趨勢(shì)更加顯著，可提高深度方向的定位精度，前震和主震的震源深度與USGS結(jié)果相似，余震在36°N、117.8°W附近的地震空缺帶表現(xiàn)更為明顯；在深度方向上，重定位后震源深度呈分段條帶特征。經(jīng)2輪迭代后，加權(quán)均方根殘差為57 ms，其東西、南北和深度方向的平均相對(duì)誤差分別為0.215 km、0.200 km和0.233 km。

聯(lián)合使用地震目錄和互相關(guān)走時(shí)差進(jìn)行重定位(圖4(d))獲得的震源分布特征與僅使用互相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行重定位的結(jié)果類似。經(jīng)4輪迭代后，相互關(guān)走時(shí)殘差和目錄走時(shí)殘差分別為55 ms和72 ms，其東西、南北和深度方向的平均相對(duì)誤差分別為0.139 km、0.130 km和0.159 km，震源深度結(jié)果(圖5(d))表明，重定位后震源深度的分布更趨向于正態(tài)分布。

圖5 震源深度直方圖

3 Ridgecrest地震活動(dòng)性和斷層構(gòu)造分析

3.1 地震活動(dòng)與斷層構(gòu)造分析

由于Ridgecrest地震的發(fā)震及破裂過程較復(fù)雜(圖6)，地震的發(fā)生觸發(fā)了該處規(guī)模不一的復(fù)雜“斷層系”，因此應(yīng)結(jié)合余震分布的線性特征、震源機(jī)制解、地震構(gòu)造和野外調(diào)查報(bào)告[1]，分析探討地震活動(dòng)性和斷層構(gòu)造的關(guān)系。Ridgecrest地震序列開始于MW6.4前震，短時(shí)間內(nèi)在空間分布上呈“L”形，重定位后余震分布呈現(xiàn)出2個(gè)方向的展布，其中沿NW-SE方向約142°，沿NE-SW方向約227°，傾角約為87°，這與GFZ公布的震源機(jī)制解相吻合。結(jié)合余震分布、震源機(jī)制解、震源區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景和野外調(diào)查報(bào)告推斷，發(fā)震斷層應(yīng)為一條走向NW的活動(dòng)斷層，與震源區(qū)小湖斷裂帶產(chǎn)狀相似，由此推斷小湖斷裂帶為前震的發(fā)震斷層。Ridgecrest地震序列的深度剖面(圖7)表明，斷層在較深處開始破裂，余震往更淺區(qū)域移動(dòng)，破裂向淺層區(qū)域延伸。

圖6 Ridgecrest地震序列重定位結(jié)果

前震發(fā)生34 h后，MW7.1主震被激發(fā)，引起更大的能量釋放，這可能是由于前震近似位于構(gòu)造應(yīng)力和地應(yīng)力集中的斷層轉(zhuǎn)折處[10]，而主震的余震不僅往西北方向延伸，也往東南方向延伸，迅速將前震的“L”形展布變?yōu)椤癟”形展布。余震的傳播是一個(gè)“雙向”延伸的過程，這與走滑型地震分布特征一致[12]。Kendrick等[1]的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告顯示，該破裂沿2個(gè)方向延伸，Zhang等[13]在反演震源破裂的過程中發(fā)現(xiàn)，主震的破裂具有不對(duì)稱性雙向特點(diǎn)。主震及余震的分布呈NW-SE向展布，走向約142°，重定位后震源深度在BB′剖面上(圖7)顯示出地震序列傾角近似垂直的特征，結(jié)合主震及其較大余震的震源機(jī)制推斷，主震為右旋走滑事件，斷層走向應(yīng)為NW-SE。而震源區(qū)附近發(fā)育有右旋走滑機(jī)制的小湖斷裂帶及左旋走滑機(jī)制的加洛克斷層，加洛克斷層發(fā)生淺層蠕變，但蠕變未向西延伸至地震活動(dòng)區(qū)，小湖斷裂帶右旋走滑的平均速率約為0.6～1.3 mm/a，比加洛克斷層快數(shù)倍[3,14-15]，由此推斷小湖斷裂帶應(yīng)為地震序列的發(fā)震斷層。此外，加洛克斷層西南方向末端形成事件簇，今后是否會(huì)發(fā)生更大的地震值得密切關(guān)注。

小圖中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位d,縱坐標(biāo)為余震震源深度與主震或前震震源深度差值，單位km

從圖6可以看出，余震分布的東南和西北末端呈“V”形和三角形特征，尤其在東南端呈現(xiàn)數(shù)條近似平行的斷層構(gòu)造，而在西北末端出現(xiàn)缺震帶，地震越過該區(qū)域往更北方向傳播，這可能是由于Coso地?zé)釁^(qū)影響地震活動(dòng)的傳播。不連續(xù)和多種形態(tài)的余震分布揭示了Ridgecrest地震序列斷層構(gòu)造的復(fù)雜性，在MW6.4前震發(fā)生后，震源區(qū)積累的能量未能完全釋放，余震沿?cái)鄬用娌粩嘞蛏蟼鞑サ倪^程受到影響，進(jìn)而觸發(fā)MW7.1主震，激活該處存在的共軛斷層，小湖斷裂帶為此次地震序列的發(fā)震斷層。

3.2 不同剖面震源深度與地質(zhì)活動(dòng)的關(guān)系

為顯示不同剖面震源深度分布特征與地質(zhì)活動(dòng)的關(guān)系，分別將震源投影到地震剖面(圖7)上，圖中AA′剖面走向與主震一致，BB′剖面與AA′剖面近似正交。在AA′剖面上，地震到剖面軸線的距離為40～50 km，以坐標(biāo)橫軸原點(diǎn)為界，右側(cè)余震數(shù)量相對(duì)較多，地震分布呈西北少、東南多的特征。從MW6.4前震的余震剖面(圖7)可以看出，地震始于深處，余震往淺部移動(dòng)，斷層破裂向淺層區(qū)域傳播，震中位置大致向南東方向移動(dòng)，表明MW6.4前震的活動(dòng)與走向NE、傾向NW的斷裂活動(dòng)有關(guān)。余震在AA′剖面上無擁簇現(xiàn)象，呈分段條帶特征，揭示該處存在由5條以上復(fù)雜斷層構(gòu)造組成的斷層系。Ridgecrest地震序列在BB′剖面方向展布約15 km，近似垂直于剖面，傾角約87°，表明地震序列與走滑型斷層構(gòu)造有關(guān)。

4 結(jié) 語

本文基于雙差地震定位方法，利用近震P波目錄走時(shí)差數(shù)據(jù)和互相關(guān)走時(shí)差數(shù)據(jù)反演2019-07兩次Ridgecrest地震及主震后1個(gè)月內(nèi)MW≥2.5余震的震源參數(shù)。重定位結(jié)果顯示，2 098個(gè)事件形成4個(gè)事件簇，可獲得高達(dá)97%重定位率的震源參數(shù)，其中僅使用目錄數(shù)據(jù)的重定位地震數(shù)量為2 069，僅使用互相關(guān)數(shù)據(jù)的重定位地震數(shù)量為2 073，同時(shí)使用目錄數(shù)據(jù)和互相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行重定位得到2 037個(gè)精定位震源參數(shù)。重定位后目錄走時(shí)殘差為65 ms，互相關(guān)走時(shí)殘差為57 ms，雙差定位可提高地震重定位精度，運(yùn)用互相關(guān)技術(shù)可提高人工拾取到時(shí)的精度，引入互相關(guān)走時(shí)差可使重定位精度提高。由重定位后深度剖面可知，地震位置在水平方向變化較小，但在震源深度上存在明顯波動(dòng)，可能是在震中距和速度模型相同的情況下，深度定位誤差與走時(shí)差有關(guān)，走時(shí)差越大深度定位誤差也越大[16]。將精定位后的余震分布特點(diǎn)和震源機(jī)制解、地震構(gòu)造及野外調(diào)查報(bào)告相結(jié)合，可有效分析地震活動(dòng)性和斷層構(gòu)造的關(guān)系。重定位后余震分布長(zhǎng)約90 km，寬約25 km，東南部余震較多，西北部余震較少，由此推斷前震破裂往西南方向擴(kuò)展，最大滑動(dòng)量在NE-SW方向上，而主震為雙邊破裂，最大滑移量在NW-SE方向上。重定位后震源空間分布的線性趨勢(shì)更加明顯，地震序列表現(xiàn)出多斷層組成的斷層系特征，震源深度的優(yōu)勢(shì)分布為4～8 km，“L”形和“T”形震源空間分布特征揭示了共軛斷層的存在，推測(cè)小湖斷裂帶為地震序列的發(fā)震斷層。

與前人的研究相比，本文對(duì)地震活動(dòng)與斷層構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)行了定量分析，推斷了地震序列的發(fā)震斷層，可為今后復(fù)雜斷層研究和風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估提供信息，同時(shí)為該地區(qū)層析成像研究提供參考。