2013年1月23日12时18分,辽宁省辽阳市灯塔市与沈阳市苏家屯区交界处(41.48°N,123.20°E)发生M5.1地震,震源深度7 km。该地震位于郯庐断裂带北延段走向NE的营口—佟二堡断裂东北端附近,属于孤立型地震事件。该地震是自1999年岫岩5.4级地震后,辽宁地区发生的最大地震,打破了辽宁内陆地区5级地震长达13 a的平静格局(焦明若等,2014),且震中位置处在地震活动性较低的辽宁中北部地区,具有一定的指示意义。地震发生后,不同机构和学者基于不同方法和数据相继给出了该地震的震源机制解,如中国地震局地震预测研究所(2013)第一时间使用了CAP方法计算了灯塔M5.1地震的震源机制解; 李彤霞等(2014)、王岩等(2016)使用了P波初动方法; 林向东等(2017)在研究华北地区震源机制分区特征时,使用FOCMEC方法求解了该地震的震源机制解; 苏培臻等(2020)对辽宁地区中小地震震源机制进行研究时,同样使用CAP方法得到了灯塔地震的震源机制解。但这些结果存在明显的差异性和离散度,究竟选择哪一个作为后续相关研究的依据,值得探讨。谢弘臻和王九洋(2018)根据sPL-Pg等震相数据使用入射角法和单纯形法重新测定了灯塔地震震源深度为14 km; 孙素梅等(2018)对灯塔地震序列进行了重新定位。但以上研究并未对该地震发生的动力学背景进行深入分析。

本文使用基于P波初动极性和S/P振幅比的HASH方法(Hardebeck,Shearer,2002,2003)求取2013年灯塔M5.1地震的震源机制解,将已有结果的差别进行量化,给出灯塔M5.1地震的震源机制中心解。为了进一步研究本次地震孕育和发生的动力学过程,收集2001—2013年辽宁地区128次M_L2.5～4.8地震的震源机制解,反演该地区的构造应力场。进而模拟在其作用下,可能出现的各种震源机制类型,为深入研究灯塔M5.1地震的发震条件和辽宁中北部孕震机理提供数据和参考。

为了保证较高的台站分布率,本文从震中距小于200 km的32个台站提取P波初动和S/P振幅比数据,其具体分布如图1所示。其中,P波初动极性符号直接从辽宁地震台正式观测报告读取。在SAC软件环境下,将所选台站的观测波形旋转至R、T、Z方向,去仪器响应,卷积到位移记录,进行1～15 Hz的带通滤波,剔除信噪比小于3的波形。标注P波和S波到时时,为了保证精准度,人工量取径向分量R和垂直分量Z的直达P波峰值,矢量求和后,作为P波振幅; 由于转换波可能在直达S波前到达,取S波到时的前后1 s内,3个分量上的最大振幅作为S波振幅。由图1可知,计算输入了23个P波初动极性数据,不包含emergent极性符号; 22个S/P振幅比数据,而可使用的有效振幅比数量是16个,因为解算时S/P振幅比的最小阈值设置为大于2.5,有6个台站的数据不满足该条件被舍弃。

HASH方法通过使用不同梯度的速度模型进行射线追踪得到可靠的离源角(Hardebeck,Shearer,2002),计算过程中,本文使用卢造勋等(2002)、赵宏阳和陈晓非(2017),郑确(2018)提出的速度模型(图2)。灯塔M5.1地震震源机制解计算

图1 本文研究所选台站的分布
Fig.1 The distribution of seismic stations used in this study

图2 本文计算使用的速度模型
Fig.2 Velocity model used for calculation in this paper

结果见表1,节面Ⅰ走向为12.85°,倾角为89.42°,滑动角为175.83°。断层面不确定度24°,辅助断层面不确定度29°; P波极性数量23,初动矛盾比0.00; 逼近最优解概率67%,台站分布率76%; S/P振幅比数量16,平均lg(S/P)矛盾比0.49。本次地震强度中等,震中位于辽宁中北部,台站分布均匀,用于计算的数据较为充足且可靠。在P波初动极性数据和S/P振幅比数据的共同约束下,最终结果的质量分级为“B”,在通常可接受的A、B、C、D等4个质量等级中(许英才等,2021)处于中上,比较理想。

收集不同来源的灯塔M5.1地震震源机制解,与本文结果一并列于表1。采用万永革(2019)提出的确定同一地震多个震源机制中心解的方法,求解得到与这些震源机制最小空间旋转角的平方和最小的震源机制中心解,将中心解与各震源机制最小空间旋转角的标准差作为误差范围,选择标准差最小的结果,给出最终解与各输入震源机制的最小空间旋转角(表1)。

表1 不同来源的灯塔M5.1地震震源机制解及本文得到的震源机制中心解和标准差
Tab.1 Focal mechanism solutions of the Dengta M5.1 earthquake and the standard deviation of the central focal mechanism from different sources

由表1可知,以不同来源震源机制作为初始解得到的中心解都差别甚微,标准差大体一致且精确到小数点后第4位,体现出中心解计算方法的稳定性。其中以中国地震局地震预测研究所给出的震源机制作为初始解得到的中心解标准差是最小的。本文以此结果(节面Ⅰ走向13.16°,倾角88.64°,滑动角171.01°; 节面Ⅱ走向103.38°,倾角81.01°,滑动角1.37°)作为灯塔M5.1地震的震源机制中心解。P轴走向58.61°,倾角5.38°,不确定范围分别是47.76°～68.76°和-2.28°～12.54°; B轴走向184.64°,倾角80.91°,不确定范围分别是63.32°～240.30°和73.20°～91.71°; T轴走向327.92°,倾角7.31°,不确定范围分别是317.06°～338.06°和-0.22°～14.88°,震源机制中心解的标准差为10.928 7°。

需要指出的是,以中国地震局地震预测研究所测定的结果为初始解得到的中心解的标准差最小,但这并不表明该机构给出的结果离最终选定的中心解最近。这6个初始解中,本文使用HASH方法求解的震源机制与最终选定的中心解距离是最近的,为4.90°。这是因为震源机制中心解的求解是一个非线性的问题,采用雅可比矩阵求解各参数的偏量可能有略微超出或未达到最优解,但离最优解应很近(万永革,2019),这就是选择标准差最小的解作为最优解的缘故,也说明本文采用HASH方法计算灯塔M5.1震源机制解是合理的。计算时输入的各震源机制和本文计算所得的震源机制中心解及其不确定范围利用万永革(2015)的应力场表述方式,如图3所示。图3a中黑色弧线表示中心震源机制解的2个节面,绿色弧线为其不确定范围,紫色弧线表示计算时输入的各震源机制节面,红色、蓝色和黄色圆点表示中心解的P轴、T轴和B轴,其不确定范围用对应颜色的封闭曲线表示; 图3b中压缩和膨胀区域分别用蓝色和红色表示。从图3可知,震源机制中心解的B轴不确定范围相对大一些,但整体上参数较为集中。

图3 2013年灯塔M5.1地震震源机制中心解(a)及空间三维辐射花样(b)
Fig.3 Central focal mechanism solution of the Dengta M5.1 earthquake in 2013(a)and its 3D pattern(b)

本文收集灯塔M5.1地震发生前2001—2013年辽宁地区M_L2.5～4.8地震的震源机制解资料,共计128个(表2)。其中,2001—2007年的M_L3.5～4.1地震的震源机制解从国家地震科学数据共享中心 http://data.earthquake.cn/.获取,震源机制解多采用P波初动法求解; 2008—2012年M_L≥3.0地震的震源机制资料是王岩等(2016)使用P波初动法给出的结果; 2010—2013年M_L2.5～M_L3.0的震源机制解来自林向东等(2017)利用FOCMEC方法计算所得结果; 这些震源机制中,采用P波初动法求解的矛盾比不超过0.36。根据世界应力图(Zoback,1992)的方案对以上震源机制解进行分类,其中,正断型33个、正走滑型10个、走滑型46个、逆走滑型7个、逆断型17个,不确定型15个,正断型和走滑型占70%,如图4所示。

表2 2001—2013年辽宁地区ML2.5～4.8地震震源机制解
Tab.2 Focal mechanism solutions of ML2.5-4.8 earthquakes in Liaoning area from 2001 to 2013

图4 2001—2003年辽宁地区ML2.5～4.8地震震源机制分布
Fig.4 The distribution of focal mechanisms of ML2.5-4.8 earthquakes in Liaoning from 2001 to 2013

本文采用全局网格搜索算法(Wan et al,2016)进行计算,该方法以断层滑动方向与剪应力方向一致为原则,可考虑震级的不同对输入震源机制分配相应权重,从而得到精确的反演结果。结合应力形因子(Gephart,Forsyth,1984)R=(S2-S1)/(S3-S1)(S1、S2、S3, 分别代表主压应力、中间应力和主张应力的大小)对3个主应力的相对大小进行判断。设置3个主应力轴的搜索步长为1°,应力形因子R的搜索步长为0.05,置信度水平为90%,进行构造应力场反演,所得结果及其不确定范围见表3和图5。图5a为反演结果的等面积投影,图中90%置信度水平下最大剪应力所在截面用绿色弧线表示,剪应力方向用黄色小箭头表示,3个主应力轴的90%置信区间用S1,S2和S3周围的封闭曲线表示,输入的震源机制节面用黑色弧线表示,主压应力轴的最优方位用红色大箭头表示,“可能断层面”的理论滑动方向用红色小箭头表示,主张应力轴的最优方位用蓝色大箭头表示,“可能断层面”的观测滑动方向用蓝色小箭头表示。图5b是所得应力状态的三维表示。其中,主压应力的相对大小和方向用红色填充,主张应力的相对大小和方向用蓝色填充。

反演得到辽宁地区构造应力场主压应力轴为NEE向,主张应力轴为NNW向,中间应力轴倾角较陡; R=0.45,3个主应力轴基本呈等差排列(万永革等,2011),属走滑类型。本文反演结果与已有研究结果(张萍,蒋秀琴,2000; 葛荣峰等,2009; Wan,2010)比较一致,体现出辽宁地区NE—NNE向断层为右旋走滑,NW向断层为左旋走滑,几乎所有地震都以走滑断层作为发震构造的背景特征(万波等,2017)。

表3 应力场反演结果
Tab.3 Result of stress field inversion

图5 应力场反演结果(a)及其三维示意(b)
Fig.5 Result of stress field inversion(a)and its 3D diagram(b)

万永革(2020)提出了模拟不同应力体系下,可产生的震源机制类型及节面上剪应力和正应力表现的方法。本文基于该方法,得到在辽宁地区构造应力场的约束下产生的各种震源机制类型,及将其作用在灯塔M5.1地震震源机制中心解2个节面上产生的剪应力和正应力,并用最大剪应力作归一化,得到相对剪应力和相对正应力,如图6所示。

灯塔M5.1地震震源机制中心解节面Ⅰ走向13.16°,倾角88.64°,滑动角171.01°,相对剪应力和相对正应力分别为0.878(最大为1)和-0.366(拉张为正),剪应力滑动角-163.7°,与观测滑动角相差25.29°; 节面Ⅱ走向103.38°,倾角81.01°,滑动角1.37°,相对剪应力和相对正应力分别为0.793和0.547,剪应力滑动角2.2°,与观测滑动角相差0.83°。很明显,2个节面基本上都处于剪应力最大区域,且剪应力滑动角与对应节面的观测滑动角比较接近。李彤霞等(2014)推断本次地震的发震构造为营口—佟二堡断裂带,对应本次地震震源机制中心解节面Ⅰ,而该断裂是在右行剪应力作用下,使早期断裂再活动形成新的断裂(单家增等,2004); 孙素梅等(2018)对灯塔M5.1地震序列进行重定位研究,认为NS、NE向地震剖面为发震控制断裂,对应中心解节面Ⅰ,推测NWW向地震剖面是一条隐伏断裂,对应中心解节面Ⅱ。本文模拟在辽宁地区构造应力条件下,2个节面震前都基本处于最大剪应力加载状态,而剪应力导致的破裂形式与作为发震构造的营口—佟二堡断裂的活动形式一致。

综合来看,本次地震是在辽宁地区整体走滑型构造应力场作用下,经过一定时间的应力积累,沿应力场最优节面的能量释放。

图6 辽宁地区构造应力场作用下的震源机制解及相对剪应力(a)和相对正应力(b)分布
Fig.6 Focal mechanism solutions and distribution of relative shear stress(a)and relative normal stress(b)by the action of the tectonic stress field in Liaoning

本文使用HASH方法计算2013年辽宁灯塔M5.1地震震源机制中心解,结合有关学者和机构给出的结果得到本次地震的震源机制中心解,反演辽宁地区的构造应力场并研究本次地震发生的动力学背景,主要得出以下结论:

(1)通过HASH方法,利用P波初动极性和S/P振幅比数据计算得到灯塔M5.1地震震源机制解走向12.85°,倾角89.42°,滑动角175.83°。

(2)灯塔M5.1地震震源机制中心解节面Ⅰ走向13.16°,倾角88.64°,滑动角171.01°; 节面Ⅱ走向103.38°,倾角81.01°,滑动角1.37°,为走滑型地震。

(3)灯塔M5.1地震前,辽宁地区构造应力场的主压应力轴为NEE向,主张应力轴为NNW向,它们的倾角均较小,3个主应力轴基本呈等差排列,形成了走滑应力体系。

(4)在辽宁地区构造应力场作用下,右行剪切应力经过积累,达到一定程度而发生灯塔M5.1走滑地震。

本文使用HASH方法进行求取,是为了与之前的成果形成对比,为计算该地震震源机制中心解提供一个补充。在反演辽宁地区构造应力场时,本文并没有参照戴盈磊等(2020)对输入的震源机制数据根据震级不同进行加权的处理方式,因为输入数据中,最小震级是M_L2.5,最大震级是M_L4.8,震级跨度并不大,且这里侧重的是所谓“5级地震平静期”辽宁地区的整体应力状态。已有研究表明,华北地震区5级以上地震一般具有较明确的构造背景(环文林等,1997)。本文通过对辽宁地区震源机制解与构造应力场关系研究,体现了在同一应力体系下该地区可产生震源机制的多样性,同时发现灯塔M5.1地震是典型的在背景构造应力场作用下发生的破裂,验证了之前学者的推断,并进一步揭示了辽宁中北部地区的地震发生条件和活动特点。

辽宁地震台提供了本文研究数据,审稿专家提出了宝贵修改意见,在此一并表示感谢。