2011年7月26～28日在威海市环翠区发生5次M_L>1.0地震序列,其中有3次大于3.0级,最大震级为3.5级。地震发生后,地震序列类型的判定是震后政府、社会、公众最关注的问题,也是地震分析预报工作的一项重要内容。部分大地震之前会有前震出现(Lin,2009),Abercrombie 和Mori(1996)通过统计分析,在美国西部地区,有50%的大震会有前震发生,朱传镇和王琳瑛(1996)发现在我国约有40%的M≥5.5浅源地震有前震。地震震源机制解分析是当前快速判定前兆震群的一种行之有效的方法(陈颙,1978; 倪四道等,2010; 付虹等,2011)。

在地震参数中,震源深度对于研究深度范围内的应力状态、地震活动性分析和震害预测等具有非常重要的意义(张国民等,2002; 高原,周蕙兰,1997)。但是,震源深度是一个不易计算的参数,很难对其进行约束,目前主要的方法有sPn与Pn震相之间的到时差(张瑞青等,2008; 房明山等,1995; 王登伟,2011; 洪星等,2006a)、sPL震相(崇加军等,2010)、CAP方法等(Zheng et al,2009,2010; 吕坚等,2008; 谢祖军等,2012; 宋美琴等,2012; 韦生吉等,2009)。

由于我国缺乏足够的强震观测资料,目前地震动衰减关系的研究主要采用的是转化方法,利用既有的地震动衰减和烈度衰减资料,在震级相同的条件下,利用烈度与地震动参数的换算关系求得地震动衰减规律,而历史地震等震线资料和地震烈度调查为研究地震动衰减关系提供最原始的数据(胡聿贤,张敏政,1984; 赵风新等,2009; 鄢家全等,2009; 吕坚等,2009)。

笔者利用P波初动方法分析了威海地震序列震源机制特征,探讨其发震构造,通过识别此次震群的sPn震相,重新确定了3.5级地震的震源深度,在此基础上进一步分析了2011年7月27日威海市环翠区3.5级地震的宏观烈度分布。

威海市辖区及邻近海域历史上发生的最大地震为1948年5月23日西北海域6级地震,此次地震导致威海市区房屋多处坍塌,据统计,市内房屋损坏约八千余间,砸伤六十余人,砸死2人,其他资财损失及市外部分房屋损坏不计其数(山东省地震局,2009)。

从区域范围内来看,威海市位于胶东半岛东部,地震活动性受蓬莱—威海断裂带、郯庐断裂带和牟平—即墨断裂带等影响(图1)。威海市城区北西向的神道口断裂和近东西向的城南河断裂为蓬莱—威海断裂带的南东段,北西段(长岛—烟台段)为晚更新世活动段,南东段(烟台—威海段)为中更新世活动段(王志才等,2006)。 而北东向的断裂为牟平—即墨断裂带向北的延伸。威海市辖区内的断裂以早中更新世活动断裂及前第四纪活动断裂为主,未发现全新世和晚更新世活动断裂(王华林,1998)。

图1 研究区构造背景图(修改自晁洪太等(1997))
Fig.1 Tectonic setting map of the study area(modified from Chao et al(1997))

据山东省地震台网测定,此次有感地震序列的地震参数如表1所示。判断前震的方法有多种(陈颙,1978; 倪四道等,2010; 付虹等,2011; 王林瑛,2005; 李丽,陈颙,2009),利用震源参数的一致性来判别一个地震序列是前震序列还是常规震群是一种可行的方法(陈颙,1978; 倪四道等,2010)。而研究震源机制解的方法有利用P波和S波的初动和振幅比法(刘杰等,2004; Snoke et al,1984)、P波初动方法以及CAP方法等(Zheng et al,2009,2010; 吕坚等,2008; 谢祖军等,2012; 宋美琴等,2012),笔者利用P波初动方法反演4次M_L≥2.0地震的震源机制解(陆远忠等,2002),反演结果如图2和表2所示。反演结果表明,这几次地震的破裂方式均为走滑型,两组破裂面中节面Ⅰ为北东向,节面Ⅱ为北西向。结合已有的资料,推测节面Ⅰ是最可能的破裂面。

表1 2011年7月威海地震序列的地震参数
Tab.1 Seisimic parameters of Weihai earthquake sequence on Jul,2007

表2 2011年7月威海地震序列的震源机制解参数
Tab.2 Focal mechanism solution parameters of Weihai earthquake sequence on Jul,2007

图2 2011年7月威海地震序列的震源机制解
(a)7月26日3.3级地震;(b)7月26日3.1级地震;(c)7月27日3.5级地震;(d)7月28日2.0级地震
Fig.2 Focal mechanism solution of Weihai earthquake sequence on Jul,2007(a)M3.3 earthquake on Jul.26;(b)M3.1 earthquake on Jul.26;(c)M3.5 earthquake on Jul.27; (d)M2.0 earthquake on Jul.28

笔者通过震源机制解和宏观考察的成果,结合威海已经开展的地震地质调查工作,探讨此次地震发生的地质构造条件。此次3.5级地震等震线长轴方向和震源机制解的优势破裂方向为北东向(图1)。王华林(1998)在本地区开展的地质构造资料研究表明,震中区附近有北东向高家庄—王家夼断裂及长峰—阮家口断裂通过。高家庄—王家夼断裂从高家庄起向西南经岳家庄南金子岭、王家河南、梅家沟南,止于王家夼东,全长6 km,断裂走向70°,倾向北西,倾角70°左右,断裂的活动性质以右旋走滑为主,兼逆冲,从活动时代上来看,该断裂为前第四纪断裂。长峰—阮家口断裂自长峰开始,向西南延伸经宅库南,到达阮家口南侧尖灭,总长4.5 km,总体走向60°,倾向南东,倾角60°,向东北隐伏于第四系之下,断裂对地貌有一定的控制作用,西北侧为长条状低丘,东南侧为低平谷地,该断裂为走滑断裂,断裂的最新活动时代是早、中更新世。

由于本次地震序列的样本较少,无法利用小震分布和区域应力场来反演断层面参数(万永革等,2008),结合震源机制解和已有的地震地质资料,我们初步推断本次地震序列的发震断层为高家庄—王家夼断裂及长峰—阮家口断裂。从区域范围来看(图3),地震序列的发生受即墨—牟平断裂带的向北延伸的影响(周本刚等,2002)。

图3 2011年7月27日威海ML3.5地震震中及烈度等震线
Fig.3 Distribution of epicenters and intensity isoseismal of Weihai ML3.5 earthquake on Jul.27,2011

震源深度是一个非常重要的参数,对于研究孕震机理、板块运动和壳幔构造等具有非常重要的意义(张国民等,2002; 高原,周蕙兰,1997)。震源深度越浅,地震破坏性越大,因此,准确计算震源深度有助于正确评估地震灾害造成的损失。笔者采用sPn与Pn波走时差测定近震震源深度(张瑞青等,2008; 房明山等,1995; 王登伟,2011; 洪星等,2006a),对于华北地区而言,当Δt<5.93 s(Δt=T_sPn-T_Pn)时,震源位于上地壳内,震源深度(高立新等,2007)为

h=2.56Δt,(1)

当5.93 s≤Δt<11.7 s时,震源在下地壳内,其震源深度(高立新等,2007)为

h=15+3.11(Δt-5.93)=3.11Δt-3.44.(2)

sPn波震相的观测范围一般在震中距小于1 000 km 内,sPn波震相的主要特征有:sPn波的振幅和周期通常比Pn波大,在初动清楚的情况下,sPn与Pn波初动方向相反。从走时特征来看,sPn震相出现在Pg之前、Pn之后(王登伟等,2011)。对于同一地震,sPn与Pn的走时差与震中距无关,通常为一常量,因此,可以用多个地震台站的数据来测定sPn与Pn的走时差。

通过分析北隍城台和长岛台2011年7月27日3.5级地震波形的Pn震相和sPn震相(图4),计算得到Δt为3.6～3.8 s,根据式(1),计算得到震源深度为9.2～9.7 km。

由于式(1)是整个华北地区的单一公式,具有较大的不确定性,而洪星等(2006b)、张瑞青等(2008)利用基于一维n层地壳模型下sPn与Pn之间的到时差公式克服了这种不确定性,公式表达式为

Δt=h×K_i+∑^i-1_j=1[H_j×(K_n×K_j)] i=1,2,…,n.(3)

其中,K_i=((V_pm²-V_si²)^1/2)/(V_si×V_pm)+((V_pm²-V_pi²)^1/2)/(V_pi×V_pm),h为震源深度。

假设震源发生在第i层地壳模型中,H_i为i层地壳的厚度,V_pm为莫霍界面的P波速度,V_pi和V_Si分别是第i层地壳的P波和S波速度(洪星等,2006b; 张瑞青等,2008)。利用威海附近地区人工地震测深研究结果得到的地壳模型(张碧秀等,1996),结合Zheng等(2011)的黄海的地区的地壳速度结果,上地壳P波速度约为6.1 km/s,厚度12 km; 中地壳P波速度约为6.3 km/s,厚度13 km; 下地壳P波速度为7.4 km/s,厚度5 km; 上地幔P波速度为7.9 km/s。假定V_p/V_S的速度比为1.732,可得到相应的S波速度。利用式(3)对震源深度进行精确计算,计算结果为10.0～10.6 km。计算结果与用华北地区的经验公式计算的结果相近,从而验证了该经验公式在本地区震源深度的计算中是可靠的。可见,此次地震位于上地壳,这与地震烈度调查中,出现地声和轻微破坏现象相一致。

图4 2011年7月27日ML3.5级地震部分台站数字地震记录(a)北隍城台;(b)长岛台
Fig.4 Digital seismic recording of Weihai ML3.5 earthquake recorded by some stations on Jul.27,2011(a)Beihuangcheng Station;(b)Changdao Station

震源机制解的研究表明,威海地震序列的破裂方式均为走滑型,节面Ⅰ为北东向,节面Ⅱ为北西向,推测节面Ⅰ(走向北东向)是最可能的破裂面。根据本次研究结果和目前已有的资料,初步推断发震断层为北东向的高家庄—王家夼断裂及长峰—阮家口断裂。通过分析本次3.5级地震的多个台站的地震波形的Pn震相和sPn震相,计算得到震源深度为9.2～9.7 km,且位于上地壳。通过地震烈度调查,圈定Ⅴ度与Ⅳ度的烈度等震线,其长轴方向大约N60°E。

山东省地震局郑建常博士在震源机制解分析方面进行了指导,中科院地质与地球物理研究所赵连锋副研究员对文章的修改提出了建设性的意见,中国地震局地球物理研究所朱涛博士、张瑞青博士、潘佳铁博士在地壳速度结构分析方面提供了大力帮助,在此一并表示感谢。