沉積盆地臺(tái)網(wǎng)稀疏地區(qū)中等強(qiáng)度淺源地震起始深度測(cè)定
——以2013年前郭M S5.8和2016年Fairview MW5.1地震序列為例

王向騰， 李志偉， 鄧居智， 高金哲， 李紅星， 姚振岸， 李晶晶

1 東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013 2 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430077 3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094 4 吉林省地震局， 長(zhǎng)春 130117

0 引言

沉積盆地地區(qū)一般蘊(yùn)藏有大量的油氣資源.近年來(lái)，隨著油氣資源的開(kāi)發(fā)，盆地中地震活動(dòng)性逐漸增加，并發(fā)生了一系列中等強(qiáng)度地震.例如，美國(guó)Oklahoma 地區(qū)2011年11月分別發(fā)生了多次MW5.0+地震. 震中烈度8級(jí)左右，導(dǎo)致14座房屋摧毀，并造成數(shù)人受傷帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失(U.S. Geological Survey,2011).在2016年間，Oklahoma州發(fā)生了3個(gè)5級(jí)以上的地震，分別是MW5.1 Fairview 地震(Yeck et al., 2016;Goebel et al., 2017)、MW5.8 Pawnee地震(Chen et al., 2017)和MW5.0 Cushin地震.同時(shí)，在中國(guó)四川盆地以及松原盆地地區(qū)，中等強(qiáng)度地震的活動(dòng)性也有所增加.例如，在2019年在四川盆地南緣的宜賓市發(fā)生了多次5級(jí)以上地震，造成了重大人員傷亡以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失(Lei et al., 2019;易桂喜等, 2019).極淺震源深度是這些盆地中的地震成災(zāi)嚴(yán)重的主要原因之一.

震源深度通常可以通過(guò)震相到時(shí)以及地震波形數(shù)據(jù)來(lái)獲取.其中，地震質(zhì)心深度可以通過(guò)波形擬合方法反演得到，利用地震波形資料，震源參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定研究也已開(kāi)展了大量的工作.主要有近場(chǎng)時(shí)間域全波形MTINV (TDMT_INV) (Dreger and Kaverina, 2000;Dreger and Woods, 2002)、Computer programs in seismology(CPS)(Herrmann, 2013)和Cut and Paste(CAP)(Zhao and Helmberger, 1994;Zhu and Helmberger, 1996).Cut and Paste(CAP)方法可以對(duì)不同震相波形進(jìn)行時(shí)移，分段擬合Pnl體波和面波，有效降低速度模型對(duì)震源參數(shù)反演的影響 (Zhu and Helmberger, 1996)，在汶川、蘆山、九寨溝等地震震源深度測(cè)定研究中得到廣泛的應(yīng)用 (Zheng et al., 2010;Xie et al., 2013;李志偉等, 2015;易桂喜等, 2017;Xie et al.,2018). 另外，識(shí)別并擬合深度震相，或者擬合面波振幅譜，也可以提高震源深度的測(cè)定精度(Tsai and Aki, 1970;崇加軍等, 2010;Jia et al., 2016;趙博等, 2019).

起始破裂深度通常基于到時(shí)類方法測(cè)定，其優(yōu)點(diǎn)是主要震相特征比較明顯，震相易于識(shí)別.例如絕對(duì)到時(shí)定位、主事件定位、雙差定位方法等(Spence, 1980;Waldhauser and Ellsworth, 2000;周仕勇等,2001;田玥和陳曉非, 2002;楊智嫻等, 2003).其中，雙差定位方法在汶川、蘆山、九寨溝等地震中得到了廣泛的應(yīng)用(蘇金蓉等, 2013;Fang et al., 2015;梁姍姍等, 2018)上，Guo和Zhang(2017)在雙差定位的基礎(chǔ)上發(fā)展了double-pair雙差定位方法，可以消除事件發(fā)震時(shí)刻以及降低傳播路徑上速度結(jié)構(gòu)對(duì)震源定位的影響.Tian等(2020)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)在信噪比較低的地震波形中有效識(shí)別P波極性，并將其應(yīng)用在微地震定位中.另外，針對(duì)信噪比較低的波形，可以通過(guò)小波變換來(lái)壓制數(shù)據(jù)噪聲，提高震相信噪比(Zhang et al.,2017)，從而提高地震定位的精度.

沉積盆地地區(qū)一般固定臺(tái)站較少，臺(tái)網(wǎng)比較稀疏.地震發(fā)生后，開(kāi)始布設(shè)流動(dòng)地震臺(tái)網(wǎng)，這就導(dǎo)致了主震缺少近臺(tái)約束，加上盆地沉積層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，顯著偏離地震定位常用的區(qū)域尺度一維模型，導(dǎo)致對(duì)基于直達(dá)波到時(shí)方法測(cè)定的深度誤差較大，造成震源成因分析的差異.例如，對(duì)于發(fā)生在松遼盆地的2013年吉林前郭MS5.8地震序列，吳微微等(2014)反演得到地震起始深度在9～15 km之間，質(zhì)心深度在5～9 km，認(rèn)為該地震序列是位于沉積基地深部一條NW向的隱伏逆沖斷層上.劉雙慶等(2015)基于Pn-Pg震相組合數(shù)據(jù)，利用局部搜索方法測(cè)定了2013年吉林前郭5.8地震序列中32個(gè)地震震源深度.結(jié)果顯示：震源深度最小為6 km，最大14 km，多數(shù)地震集中在10 km左右，推測(cè)這些地震可能發(fā)生在盆地基地.Zhang等(2019)反演了2013和2017MS5群震的震源參數(shù)，發(fā)現(xiàn)2013年地震的震源中含有較大的非雙力偶源分量，并根據(jù)震源位置結(jié)果，推測(cè)深部流體作用觸發(fā)了震群.而劉俊清等(2017)利用HYPOINVERSE定位方法對(duì)該序列中5級(jí)以上地震進(jìn)行了重新定位，獲取地震的起始深度，分布在5.0～6.5 km之間，并用波形反演方法獲取地震矩心深度，震源深度為3～4 km左右.震源機(jī)制解反演結(jié)果顯示該地震序列含有較大的非雙力偶源分量，推測(cè)該地震序列與人類注水活動(dòng)有關(guān).楊宇等(2019)利用背景噪聲成像方法獲得了前郭和松原震區(qū)地殼S波速度結(jié)構(gòu)，并測(cè)定了地震深度，結(jié)果表明前郭地震序列深度主要分布在8～13 km，孕震層主要集中在中上地殼的高低速異常區(qū)，從而推測(cè)低波速異常所攜帶的流體可降低斷層面有效正應(yīng)力從而觸發(fā)地震.

類似的問(wèn)題也存在與2016年Oklahoma州Fairview地區(qū)MW5.1地震研究中.在主震之后，研究人員才開(kāi)始布設(shè)流動(dòng)臺(tái)站進(jìn)行觀測(cè)，基于稀疏的固定臺(tái)網(wǎng)，主震以及早期的余震震源起始深度測(cè)定誤差較大.對(duì)于該地震來(lái)說(shuō)，其成因有兩種不同的觀點(diǎn)：Yeck等(2016)認(rèn)為該地震起始深度約9 km，在結(jié)晶基底成核，并向地殼淺部破裂；Goebel等(2017)發(fā)現(xiàn)該地震序列起始于淺部，而向深部破裂，并破裂致10 km 深處.造成不同解釋的主要原因是前震、主震以及早期余震來(lái)說(shuō)，受稀疏的臺(tái)站影響，不同學(xué)者對(duì)其起始破裂深度定位結(jié)果差異可達(dá)3 km.

針對(duì)松遼盆地2013年前郭MS5.8和Oklahoma州2016年FairviewMW5.1兩個(gè)地震序列，其固定臺(tái)站均比較稀疏，導(dǎo)致主震以及地震序列中較大余震震源起始深度測(cè)定誤差較大，進(jìn)而地震成因存在較大差異.本文基于收集到的密集流動(dòng)臺(tái)站數(shù)據(jù)，對(duì)地震序列中較大的事件進(jìn)行了絕對(duì)到時(shí)定位.然后基于參考事件，利用Pn/Pg相對(duì)到時(shí)定位方法對(duì)主震以及早期余震的起始深度進(jìn)行了測(cè)定.根據(jù)主震起始和質(zhì)心深度，并結(jié)合余震分布情況，對(duì)上述兩個(gè)地震序列的破裂方式進(jìn)行了初步分析，進(jìn)而對(duì)比分析兩個(gè)地區(qū)地震的成因差異.

1 研究方法

常用的基于直達(dá)波到時(shí)測(cè)定震源起始深度的方法，在臺(tái)站密集地區(qū)使用可以獲取可靠的研究結(jié)果.但是在缺少近臺(tái)震相數(shù)據(jù)時(shí)，直達(dá)波Pg對(duì)深度信息采樣不理想.利用Pn震相向下傳播的特征，聯(lián)合Pg和Pn震相可以提高對(duì)地震起始深度的約束(朱元清等, 1990;Wagner et al., 2013).為了減小速度模型誤差對(duì)起始深度測(cè)定結(jié)果的影響，類似于雙差定位方法，魏星等(2019)發(fā)展了Pn/Pg相對(duì)定位方法，并基于參考地震測(cè)定了2017年九寨溝地震序列中早期幾個(gè)較大地震的震源起始深度.何驍慧等(2020)聯(lián)合Pn與Pg震相基于參考的地震準(zhǔn)確測(cè)定了2017年精河MS6.6地震的起始深度，并通過(guò)波形時(shí)移差測(cè)定了地震同震破裂的延展方向和尺度.Pn/Pg相對(duì)到時(shí)定位方法基于參考事件，利用Pg震相對(duì)地震的水平位置進(jìn)行校正，基于Pn震相校正地震深度.通過(guò)網(wǎng)格搜索方法使得殘差最小，即可得到待測(cè)地震的起始位置.在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中每個(gè)臺(tái)站Pn與Pg震相權(quán)重相等，不同震相臨界震中距則需要根據(jù)研究區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)置(魏星等，2019).對(duì)于地震質(zhì)心深度，本文使用gCAP方法，該方法是由Zhu和Ben-Zion(2013)在CAP的基礎(chǔ)上加入了各向同性(ISO)和補(bǔ)償線性單力偶(CLVD)分量發(fā)展而來(lái)的，并在一些特殊震源的矩張量反演中得到廣泛應(yīng)用(Ross et al., 2015;張廣偉和雷建設(shè), 2015;Wang et al., 2019;王向騰等, 2019).例如，李圣強(qiáng)等(2013)使用gCAP方法研究了2011年5月東北深震的震源機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其震源中含有顯著的補(bǔ)償線性單力偶(CLVD)成分，推測(cè)可能是由日本東北近海地震后南東東向拉應(yīng)力的變化造成的.張廣偉和雷建設(shè)(2015)反演了2011年5.2級(jí)雙震震源機(jī)制，發(fā)現(xiàn)兩次地震均表現(xiàn)為體積縮小的閉合性爆破源，推測(cè)與火山下方巖漿活動(dòng)有關(guān).

2 案例研究

2.1 2013年前郭MS 5.8地震起始深度研究

在吉林省前郭地區(qū)于2013年10月30日分別發(fā)生了MS5.6和MS5.1兩個(gè)地震，在之后的11月份，4級(jí)左右的余震不斷，并在11月22—23日之間發(fā)生了三個(gè)5級(jí)以上的地震，其中最大震級(jí)5.8級(jí).吉林省和黑龍江地震局在震源區(qū)50 km范圍之內(nèi)布設(shè)了7個(gè)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站(圖 1)，最近臺(tái)站震中距約為 2 km，最小臺(tái)間距約為5 km，臺(tái)站方位角分布良好.該臨時(shí)臺(tái)網(wǎng)高質(zhì)量地記錄了11月3日至22日之間的地震事件.選擇其中一個(gè)較大事件作為參考地震，在垂直分量上拾取P波震相，然后旋轉(zhuǎn)至切向分量拾取S波到時(shí)，地震的波形分別為圖2所示.在地震定位時(shí)，參照劉俊清等(2017)文章中的速度模型(Vmodel1)，并結(jié)合王仁濤等(2019)利用2～14 s的Rayleigh噪聲成像結(jié)果，如表1所示.基于近臺(tái)到時(shí)數(shù)據(jù)定位結(jié)果如表2所示.

圖1 (a) Pg(黑色)與Pn(紅色)震相臺(tái)站分布圖; (b) 震中距30 km之內(nèi)的流動(dòng)臺(tái)站分布情況，三角為地震臺(tái)站，黑色圓點(diǎn)為參考地震Fig.1 (a) Distribution of seismic stations for Pg (black), Pn (red); (b) Distributions of earthquakes and seismic stations. Black triangles are two permanent and potable seismic stations, black dots denote reference event

表1 地震定位所使用的速度模型Table 1 Crustal velocity model for earthquake location

表2 MS5.2參考事件定位結(jié)果Table 2 The hypocenter locations of MS5.2 reference earthquake

基于參考地震，利用Pn/Pg方法對(duì)該地震序列中2個(gè)較大的地震進(jìn)行重新測(cè)定.根據(jù)臺(tái)站分布情況將震中距小于140 km的臺(tái)站作為Pg，將震中距大于 230 km臺(tái)站作為Pn震相.選用MS5.2地震作為參考事件，其Pn震相清晰，過(guò)仔細(xì)挑選，拾取了7個(gè)Pg到時(shí)(圖2d)與31個(gè)臺(tái)站Pn到時(shí)(圖2e和f)，初至波拾取精度約在0.1 s左右(圖2h和i).同時(shí)，也拾取了該地震序列中MS5.6和MS5.8事件的P波到時(shí).分析相對(duì)到時(shí)差隨臺(tái)站方位角特征(圖3 a和b)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)時(shí)差呈現(xiàn)正弦分布特征，范圍為-0.5～0.5 s.基于拾取的到時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)置深度步長(zhǎng)為0.5 km，范圍為1～10 km；水平位置步長(zhǎng)為1 km，搜索范圍為5 km.反演結(jié)果(圖4a和b)顯示：兩個(gè)地震起始深度均在3.5 km左右.

圖2 2013年11月22日MS5.2參考地震事件波形圖，粗細(xì)紅色豎線分別代表拾取的到時(shí)以及最大的誤差范圍(a)垂向分量波形，(b)和(c)為切向分量波形，其中(c)為S震相放大圖.(d)和(e，f)分別為M5.2參考事件固定臺(tái)站Pg和Pn初動(dòng)示意圖；(h，i)為Pn震相局部放大.Fig.2 Waveforms of reference event on 22 November, 2013, the thick and thin lines represent arrivaltimes of P waves and maximum errors, respectively(a) Vertical components. (b) and (c) Tangential components and short time windows of S phases. The onsets of Pg (d) and Pn (e,f) for MS5.2 reference event, (h,i) Zoom in view of Pn waves.

圖3 MS5.6(a)與MS5.8(b)地震Pn和Pg震相相對(duì)到時(shí)差隨方位角分布Fig.3 Distribution of Pn and Pg relative difference traveltimes for the M S 5.6 (a) and M S5.8 (b) earthquake

圖4 兩個(gè)較大地震起始深度隨殘差分布，MS5.8 (a)，MS5.6 (b)Fig.4 Distribution of relative traveltime residuals with depth for two MS 5.5+ earthquakes

表3 2013年前郭MS5.8地震序中兩個(gè)較大地震深度重新定位結(jié)果Table 3 The hypocenter locations of two large earthquakes in 2013 Qianguo earthquake sequence

為了確認(rèn)地震震源深度的可靠性，本文同時(shí)利用gCAP方法對(duì)上述兩個(gè)地震的質(zhì)心深度進(jìn)行測(cè)定.選擇震中距300 km之內(nèi)地震臺(tái)站，其信噪比較高，將波形去儀器響應(yīng)之后，旋轉(zhuǎn)至大圓路徑.Pnl和面波時(shí)窗長(zhǎng)度分別設(shè)置為20 s和60 s，濾波范圍是0.05～0.2 Hz和0.05～0.13 Hz.結(jié)果顯示MS5.8地震的質(zhì)心深度為5 km左右(圖5a)，最佳深度波形擬合如圖5b 所示，大部分臺(tái)站波形擬合系數(shù)在0.7 以上，可以看到Love波形復(fù)雜，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)為沉積層中的多次波，其也能較好擬合，說(shuō)明使用的速度模型較為合適.利用相同的方法，我們還反演了MS5.6地震的震源參數(shù)，結(jié)果顯示其質(zhì)心深度在4 km左右，震源中包含有較大的非雙力偶源分量(40%左右)，這與劉俊清等(2017)研究成果一致.對(duì)于5級(jí)左右的地震來(lái)說(shuō)，其破裂尺度在3 km左右，本文測(cè)得的地震起始和矩心深度差別在合理范圍之內(nèi).

圖5 2013年11月23日前郭MS5.8主震VR隨震源深度分布(a)以及最佳深度波形擬合情況(b)Fig.5 Variance reduction residuals versus centroid depth (a) and waveform matching in the optimal centroid depth (b) of the MS5.8 mainshock on 23 November 2013

圖6 地震事件以及臺(tái)站分布情況(a) Pg(黑色)與Pn(紅色)震相臺(tái)站分布圖，黑色虛線和實(shí)線分別代表120 km與230 km震中距; (b) 震中距50 km范圍內(nèi)的臺(tái)站分布情況，(c)圖(b)中方框區(qū)域放大.紅色、黑色和藍(lán)色圓點(diǎn)分別為主震、MW4.4和MW4.2余震的震中位置，三角為地震Fig.6 Distributions of earthquakes and seismic stations(a) Pg (black), Pn (red). Black dashed and solid circle indicate the range within epicentral distance of 120 km and 230 km. (b) Distributions of seismic stations less than 50 km. (c) Zoom in view of box in (b). The mainshock (red) , MW4.2 (blue) and MW4.4 reference event (black), Black triangles are two nearby permanent and potable seismic stations

2.2 2016 Fairview MW5.1地震起始深度測(cè)定

在2016年2月13日MW5.1地震發(fā)生之后，研究區(qū)域布設(shè)了多個(gè)流動(dòng)臺(tái)站，最小臺(tái)間距約5 km，最近臺(tái)站震中距約2 km，如圖6所示.選擇兩個(gè)4級(jí)左右地震事件，拾取P波與 S波震相.然后基于3個(gè)不同地殼速度模型，利用HYP2000方法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表4和5所示.對(duì)于2016年6月8日MW4.2余震事件來(lái)說(shuō)，不同模型給出的地震水平和深度定位誤差均在0.5 km之內(nèi)，但是對(duì)比不同模型的震源深度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Herrmann等(2011)以及OGS1D(Oklahoma地質(zhì)調(diào)查局)模型反演的震源深度比較接近，相差0.5 km之內(nèi)，但是和基于Keranen等(2013)模型相差約為1 km左右，平均深度為6.9 km，而2016年7月9日MW4.4余震定位結(jié)果也有類似之處，平均震源深度為7.5 km.為了減小深度定位誤差，我們將三個(gè)深度的平均結(jié)果作為后續(xù)相對(duì)定位參考事件的深度.

表4 2016年7月8日MW4.2參考事件定位結(jié)果Table 4 The hypocenter locations of MW4.2 earthquake on 8 July 2016

表5 2016年7月9日MW4.4參考事件定位結(jié)果Table 5 The hypocenter locations of MW4.4 earthquake on 9 July 2016

利用類似的數(shù)據(jù)處理方法，經(jīng)過(guò)仔細(xì)挑選，對(duì)于MW4.2級(jí)參考事件，拾取了10個(gè)Pg到時(shí)(圖7a)與7個(gè)臺(tái)站Pn到時(shí)(圖7b和c).Pg到時(shí)差(圖8a和b)范圍為-0.2～0.2 s，250° 方位角上，其差值為最大正值，到時(shí)差最小值大約在40°方位角上.不同方位角上Pn相對(duì)到時(shí)差幅度值整體小于Pg的，表明主震震源深度大于該參考事件.而對(duì)于MW4.4參考事件，不同方位角上Pn相對(duì)到時(shí)差幅度值整體略大于Pg(圖8c)，表明主震震源深度小于該參考事件.兩個(gè)參考事件相對(duì)到時(shí)差觀測(cè)顯示：主震震源深度位于兩個(gè)參考事件深度之間.

圖7 MW5.1主震的Pg(a)和Pn(b)震相P波初動(dòng)示意圖，(c)為圖(b)局部放大情形，粗細(xì)紅色豎線分別代表拾取的到時(shí)以及最大的誤差范圍Fig.7 The onsets of Pg (a) and Pn (b) for MW5.1 mainshock, (c) zoom in view of (b), the thick and thin lines represent arrivaltimes of P waves and maximum errors, respectively

圖8 Pn和Pg相對(duì)到時(shí)差分布圖(a)為MW4.2參考事件Pg(黑色)和Pn(紅色)相對(duì)到時(shí)差隨方位角分布; (b)與(a)類似，但是隨震中距分布.(c)和(d)為參考事件MW4.4到時(shí)差分布圖.Fig.8 Distribution of Pn and Pg relative difference traveltimes(a) Distribution of Pn (red) and Pg (black) relative difference traveltimes with azimuth for MW4.2 reference event; (b) The same as (a) but for epicentral distance; (c) and (d) are same as (a) and (b) but for MW4.4 reference event.

選擇類似的搜索步長(zhǎng)，對(duì)MW5.1主震起始深度進(jìn)行反演.結(jié)果顯示(圖9a和b)起始深度分別為7 km和6.5 km，比MW4.2參考地震事件震源深度(6.9 km)略深，而比MW4.4參考事件震源深度(7.5 km)略淺，這符合理論預(yù)期.本研究結(jié)果與Schoenball和Ellsworth (2017)基于波形互相關(guān)相對(duì)定位結(jié)果(6.995 km)一致，也與Goebel等(2017)等研究結(jié)果(7 km)較為吻合.

針對(duì)MW5.1主震之前的5個(gè)4級(jí)地震，無(wú)近臺(tái)記錄，根據(jù)其到時(shí)測(cè)定的震源深度可能包含較大誤差,不同機(jī)構(gòu)測(cè)得的震源深度相差較大(表6).

表6 2016年2月13 MW5.1地震序列幾個(gè)較大前震以及余震重新定位結(jié)果Table 6 The hypocenter locations of several large foreshocks and aftershocks of the MW5.1 sequence

例如，2015年 11月15日MW4.3地震事件，NEIC和Yeck等(2016)測(cè)得的結(jié)果相差6 km.其主要原因是在地震之前以及地震后早期時(shí)間，流動(dòng)臺(tái)站還沒(méi)布設(shè)，固定近臺(tái)較少，且方位角分布不理想，僅利用直達(dá)波到時(shí)測(cè)定的地震起始深度誤差較大.本文使用同樣方法對(duì)較大的前震進(jìn)行了重新測(cè)定，結(jié)果如表6.而對(duì)于流動(dòng)臺(tái)站架設(shè)完成之后的2個(gè)地震事件，NEIC，Yeck等(2016)以及本文測(cè)定的結(jié)果較為一致.為了考察本文測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們對(duì)比了幾個(gè)4級(jí)左右的前震的質(zhì)心深度(http:∥www.eas.slu.edu/eqc/eqc_mt/MECH.NA)與相對(duì)定位方法測(cè)定的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大部分地震兩者相差在1.5 km左右，這符合4級(jí)左右地震的破裂大小.

3 討論

本文研究的兩個(gè)案例具有一定的相似性，以2016年FairviewMW5.1地震為例，討論P(yáng)n/Pg方法測(cè)定震源起始深度的不確定性，并分析對(duì)比討論上述兩個(gè)案例可能的成因.

圖9 MW5.1主震起始深度隨殘差分布，參考事件MW4.2 (a)和參考事件MW4.4 (b)Fig.9 Distribution of relative traveltime residuals with depth for reference MW4.2 (a) and MW4.4 (b)

圖10 MW4.4和MW4.2參考事件Pn和Pg震相相對(duì)到時(shí)差隨方位角分布情況Fig.10 Distribution of Pn (red) and Pg (black) relative difference traveltimes with azimuth for MW4.4 and MW4.2 reference event

Pn/Pg相對(duì)定位方法依賴于參考事件震源深度的準(zhǔn)確性.為此，我們對(duì)兩個(gè)余震相對(duì)位置進(jìn)行確認(rèn).兩個(gè)參考事件均被流動(dòng)臺(tái)站記錄，Pg震相方位角覆蓋良好，其相對(duì)到時(shí)差(MW4.4—MW4.2參考事件)在約50°方位角上為最大值，而在約230°方位角上最小(圖10).這說(shuō)明兩個(gè)參考事件在50°方位角上，這與多個(gè)近臺(tái)絕對(duì)定位震中位置分布一致(圖10).Pn震相相對(duì)到時(shí)在不同方位角上小于Pg到時(shí)差，這顯示MW4.2地震淺于MW4.4地震，兩事件在深度分布上也與多臺(tái)定位結(jié)果一致.為了方便對(duì)比，選擇Herrmann等(2011)速度模型計(jì)算格林函數(shù)，利用波形方法反演了參考地震的震源深度，結(jié)果分別為6.0 km和6.5 km，這與Herrmann等人的反演結(jié)果一致(7 km).近臺(tái)到時(shí)定位結(jié)果分別為6.9 km和7.5 km.四級(jí)左右地震破裂尺度大約1 km，質(zhì)心深度與起始深度比較接近.

在上述震源深度測(cè)定過(guò)程中，將Pn和Pg的比例設(shè)置為相等權(quán)重.為了考察Pn以及Pg震相數(shù)據(jù)比例對(duì)震源深度測(cè)定的影響，本文使用bootstrapping方法對(duì)Pg以及Pn震相隨機(jī)采樣.基于從17個(gè)震相中隨機(jī)挑選9個(gè)震相，使用Pn/Pg方法進(jìn)行了500多次反演.對(duì)于MW4.2 參考地震來(lái)說(shuō)，反演結(jié)果大多數(shù)在6～7 km之間(圖11a).而對(duì)于MW4.4參考地震來(lái)說(shuō)，反演結(jié)果大多數(shù)在5.5～6.5 km之間(圖11b).總的來(lái)說(shuō)地震起始深度反演誤差約為 1 km.在密集臺(tái)網(wǎng)地區(qū)，多個(gè)近臺(tái)的直達(dá)波地震數(shù)據(jù)可以獲取高精度的地震位置結(jié)果，而稀疏臺(tái)網(wǎng)地區(qū)，缺少近臺(tái)的震相到時(shí)，對(duì)地震起始深度約束較差，不同學(xué)者測(cè)得的2016年FairviewMW5.1地震起始深度相差約3 km.Pn/Pg相對(duì)到時(shí)方法基于定位準(zhǔn)確的參考事件，并增加對(duì)深度敏感的Pn震相，有效地提高了該地震起始深度的測(cè)定精度.

圖11 Pn以及Pg震相數(shù)據(jù)比例對(duì)震源深度測(cè)定結(jié)果的影響(a) 以MW4.2地震作為參考事件; (b) 以MW4.4地震作為參考事件.Fig.11 Uncertainties of hypocentral depth inversion for the mainshock based on MW4.2 (a) and MW4.4 (b) aftershock with different ratios of Pn and Pg phases

基于參考地震事件，通過(guò)Pn/Pg相對(duì)到時(shí)定位方法，我們測(cè)定了MW5.1 主震的較為準(zhǔn)確的起始破裂深度，其結(jié)果為7 km 左右.為了研究其地震破裂方式，基于gCAP方法，我們也反演了該地震的質(zhì)心深度，結(jié)果為8 km左右.這表明，該地震可能是由淺部向深部破裂.為了更加深入了解該地震序列的發(fā)展過(guò)程，我們將本文得到的M4級(jí)左右地震震源深度與Schoenball和Ellsworth(2017)和Yeck等(2016)以及NEIC研究結(jié)果進(jìn)行比較(圖 12)，發(fā)現(xiàn)不同機(jī)構(gòu)測(cè)定的地震水平位置比較相近，而Yeck等(2016)幾個(gè)地震較深，在9～12 km之間，經(jīng)查看這些地震主要發(fā)生于地震早期，而在流動(dòng)臺(tái)布設(shè)之后，幾個(gè)地震研究結(jié)果比較一致.從本文的結(jié)果來(lái)看，幾個(gè)前震有由淺向深擴(kuò)展的趨勢(shì).

圖12 2016年2月13日Oklahoma地區(qū)MW5.1地震及其較大前震和余震分布(a) 震中分布情況，灰色，黑色，藍(lán)色和紅色圓圈分別為NEIC, Yeck等(2016), Schoenball和Ellsworth(2017)以及本文重新定位后主震以及余震位置; (b) 不同定位結(jié)果在AA′剖面上的投影.Fig.12 Distribution of the Fairview MW5.1 mainshock and early large aftershocks(a) Epicenters in the NEIC, Yeck et al. (2016), Schoenball and Ellsworth (2017) and our catalogs are shown as gray, black, blue and red circles. (b) Earthquakes projected on the profile AA′.

為了進(jìn)一步確定2016年FairviewMW5.1起始震源深度的準(zhǔn)確性，我們利用遠(yuǎn)震深度(pP,sP)相進(jìn)行研究.通常遠(yuǎn)震震相選取的震中距范圍為30°～90°，在該震中距范圍之內(nèi)P波較為簡(jiǎn)單，不會(huì)包含受到地幔過(guò)渡帶以及核幔邊界的多次波.為了減小長(zhǎng)周期噪聲的影響，通常使用0.8～2 Hz的帶通濾波.經(jīng)過(guò)仔細(xì)挑選發(fā)現(xiàn)，震中距40°，方位角330°處的IM臺(tái)陣波形信噪比比較高, 通過(guò)互相關(guān)臺(tái)陣波形可以清楚地觀測(cè)到深度震相(圖13).通過(guò)擬合理論地震波形可以看出地震的起始深度在6 km左右，與相對(duì)到時(shí)方法測(cè)定的結(jié)果較為一致.對(duì)于2013年11月22日前郭MS5.8地震來(lái)說(shuō)，本文同樣分析了其遠(yuǎn)震深度震，發(fā)現(xiàn)P波震相與后續(xù)的深度震相難以區(qū)分，波形擬合結(jié)果顯示其震源深度在4 km左右.

圖13 利用遠(yuǎn)震深度震相測(cè)定2016年Fairview MW5.1主震震源深度，紅色與黑色曲線分別為合成與觀測(cè)地震波形Fig.13 Focal depth determination of the 2016 Fairview MW5.1 mainshock based on teleseismic depth phases, red and black lines denote synthetic and observed waveforms, respectively

2013年11月前郭地震序列中兩個(gè)較大地震起始和質(zhì)心深度均較淺(3～5 km左右)，其震區(qū)位于油田開(kāi)發(fā)區(qū)，開(kāi)采深度在3800 m左右.注水開(kāi)采油氣時(shí)，流體可以直接到達(dá)斷層，從而導(dǎo)致孔隙應(yīng)力增加，降低斷層有效正應(yīng)力，可導(dǎo)致沉積層淺部斷層重新活動(dòng)，同時(shí)震源中40%左右的非雙力偶源成分也反映了震源的復(fù)雜性，推測(cè)應(yīng)為開(kāi)采時(shí)注入地下的流體產(chǎn)生的，這與劉俊清等 (2017)根據(jù)震源特性研究結(jié)果一致.但是，本文尚未收集到油田區(qū)域注水井詳細(xì)的注水資料，以及本文僅測(cè)定了地震序列中較大地震的起始深度，難以對(duì)注水活動(dòng)與地震序列之間的因果關(guān)系進(jìn)行更加仔細(xì)的分析.而2016年FairviewMW5.1地震序列幾個(gè)前震以及主震的起始深度略淺與其質(zhì)心深度，地震序列有由淺部向深部延伸的趨勢(shì).Goebel等(2017)注水應(yīng)力擾動(dòng)數(shù)值模擬顯示該地震序列起始于淺部，并向深部發(fā)展.注水活動(dòng)對(duì)斷層的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，流體的直接影響，即孔隙流體擴(kuò)散到斷層時(shí)，增加斷層的孔隙應(yīng)力，處于臨界狀態(tài)和優(yōu)選方位的斷層最先滑移.另外一種是滯后響應(yīng)，流體應(yīng)力擾動(dòng)傳播至較遠(yuǎn)處斷層附近時(shí)，可以誘發(fā)離注水井較遠(yuǎn)處的地震(Keranen et al., 2013).基于本文測(cè)定的震源深度結(jié)果，2013年前郭MS5.8地震序列可能是第一種誘發(fā)模式，而2016年FairviewMW5.1地震序列則應(yīng)為第二種誘發(fā)模式.

4 結(jié)論

針對(duì)沉積盆地中2013年11月MS5.8地震序列以及Oklahoma州Fairview地區(qū)2016MW5.1地震序列，本文基于區(qū)域流動(dòng)觀測(cè)，獲取了較大余震較可靠的震源位置，并將其作為參考事件，利用Pn/Pg方法測(cè)定了序列中較大地震起始破裂深度.結(jié)果顯示：在2013年前郭地震序列中，主震起始破裂深度約3.5 km，而質(zhì)心深度在5 km左右，結(jié)合震源機(jī)制中含有較大的非雙力偶源成分，推斷2013年11月前郭MS5.8地震序列可能與附近的注水活動(dòng)有關(guān).而2016年FairviewMW5.1地震起始深度約7 km，質(zhì)心深度為8 km，5個(gè)較大的前震深度分布在5～9 km，該地震序列可能是由較遠(yuǎn)處注水活動(dòng)引起的應(yīng)力擾動(dòng)所誘發(fā)的.

然而，上述兩個(gè)地震案例都處于沉積盆地，淺層速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還需收集更多流動(dòng)臺(tái)站數(shù)據(jù)，獲取震源區(qū)更加可靠的速度模型，并基于近臺(tái)震相到時(shí)以及波形獲取2～3級(jí)地震的震源深度和機(jī)制解，并結(jié)合注水活動(dòng)資料，進(jìn)一步研究地震叢集的成因.

致謝感謝審稿人寶貴的修改意見(jiàn)和建議.國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(doi:10.11998/SeisDmc/SN)、吉林省地震局以及Incorporated Research Institutions for Seismology (https:∥www.iris.edu/hq/)為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)，本文大部分圖件由GMT繪制完成.