0 引言

据中国地震台网正式测定，2019年5月18日06时24分(北京时间)在吉林松原市宁江区(45.30°N，124.75°E)发生M5.1地震，震源深度10km。截至5月19日8时0分未发生3.0级以上地震，2.0级及以上余震仅有2次，分别是18日8时51分2.2级和20时23分2.4级地震。尽管此次地震余震较少，但主震震感明显，有个别房屋出现裂缝现象。

此次地震震中位于松辽盆地中部断陷带的中央坳陷区内，是我国东北地区地震发生频度和强度较高的区域。从历史地震分布(图 1)来看，公元1119年2月在吉林松原市前郭附近发生1次6¾级强烈地震，是整个松辽盆地有记载的最大震级的地震(李传友等，1999)。自2011年日本9.0级大地震发生以来，西太平洋板块向欧亚板块俯冲作用明显增强，导致中国东北地区地震活动频繁。2013年，在震源区西南侧约80km处前郭附近相继发生爆发性的震群活动(盛书中等，2017；刘俊清等，2017a、2017b)，并伴随着一系列M_S≥5.0中等强度规模的地震。2017年7月在本次地震震源区附近发生1次M_S4.9地震，自该地震发生以来，宁江震区小地震频发，地震活动性显著提高，2018年5月在该区域又发生1次M_S5.7地震(图 2)。

本次地震发生的松辽盆地是东北地震区主要地震活动构造单元。从整体上看，松辽盆地主要受太平洋板块向东北亚大陆俯冲产生的推挤作用力的影响；从区域上看，松辽盆地受区域性控盆断裂和内部多组深大断裂的控制。盆地周缘发育着西缘嫩江断裂、东缘依兰-伊通断裂、南缘赤峰-开原断裂以及北缘讷莫尔河断裂；盆地内部存在SN向、EW向、NNE向和NW向4组主要基底断裂系统(宋均秋，2008；赵陟君，2015)。区域地质构造显示此次地震位于第二松花江断裂前郭段和扶余-肇东断裂交汇处，2条断裂均为晚更新世隐伏断裂，且均为走滑型断裂，走向分别为NW和NE。第二松花江断裂和扶余-肇东断裂均属于深大基底断裂，其倾向为NW，在构造上属于易于积累能量孕育地震区域(邵博等，2016)。盆地东部区域内中深源地震主要是由于西太平洋板块NWW向俯冲而成(吴微微等，2014)。

松辽盆地不仅地质构造复杂，且盆地内还拥有大庆油气田、吉林油气田等油气开采区。已有研究成果表明，水库蓄水、地表与地下开采，地表以下液体与气体的排放以及液体注入地下岩层等都可能诱发地震(刘俊清等，2017a)。因此，详细研究地震震源参数特性，有利于揭示地震成因及孕育机制等信息。在震源物理研究领域中，地震矩张量M_ij是描述震源特性的重要物理量，也是研究震源性质的手段，为研究一般情形的震源提供了可能。地球内部的任意震源可以表示为6个独立分量的矩张量，可分解为双力偶分量(DC)、补偿线性矢量偶极分量(CLVD)和反映震源整体膨胀或收缩的分量(ISO)3部分(Vavryčuk，2001)。双力偶分量描述的是各向同性介质中沿断层面发生的剪切滑动，通常认为是构造地震的震源模型，构造地震是由断层的剪切位错触发的，双力偶(DC)分量占主要部分。非双力偶分量则反映了震源机制的复杂性，例如发生在非平面几何形态断层上的多个剪切滑动子事件，或者体积变化源，如地下核实验、火山活动、俯冲带或者地幔间断面的化学相变等事件表现为显著的非双力偶成分。对于采矿区、火山区和地下核实验等诱发地震，大多为塌陷或膨胀型震源机制，其显著特征是震源体的体积变化分量(ISO+CLVD)占很大的比重(张广伟等，2015；梁姗姗等，2017)。因此，可以根据地震矩张量分解后各个分量的比重来分辨震源的类型以及在1个复杂震源中不同类型震源成分所占的比例。前人震源机制结果认为前郭地区地震矩张量解中含有较高的体积变化分量(吴微微等，2014；刘俊清等，2017a)，但尚未对宁江震群的发震构造进行系统研究，故其发震机理尚不明确，仍需要进一步研究。因此，本研究采用ISOLA近震全波形反演方法(Sokos et al，2013)，确定吉林宁江M_S5.1地震全矩张量解，并对其孕育和发震机理进行探讨，研究结果可为震源区及东北地区未来地震危险性研判提供基础资料。

1 数据与方法

本研究收集了吉林、黑龙江、辽宁和内蒙古4个地震台网所记录的吉林宁江M_S5.1地震三分量宽频带波形资料，震中距在200~430km之间，台站围绕震源区有较好的分布，为得到较为可靠的全矩张量解提供了必要基础。根据台站信噪比和台站方位角覆盖情况，选取了12个台站三分量地震记录参与全矩张量反演(图 1)。

本研究主要采用ISOLA(ISOLated Asperities)近震全波形矩张量反演方法得到宁江M_S5.1地震全矩张量解(Sokos et al，2013)。ISOLA方法采用单一点源或多点源模型，通过网格搜索和最小二乘法反演得到地震的最佳矩张量解。该方法具有纯双力偶(DC)、偏量矩张量(双力偶分量DC+补偿线性矢量偶极分量CLVD)、全矩张量(DC+CLVD+ISO分量)和固定震源机制(fixed mechanism)4种求解方式，可以在点、线、面3种不同维度空间范围搜索最佳解。其中，固定震源机制解求解方式仅反演得到矩心时间、深度和地震矩。该方法可以采用多种量化参数来评估反演解的稳定性和可靠性，如方差偏移量(VR)、条件数(CN)、震源机制变化指数(FMVAR)和时空变化指数(STVAR)等结果评价参数，详细的计算方法和说明可参阅相关研究文献(Sokos et al，2013)。该方法在震源机制求解，尤其对中小地震震源机制求解时有较好的应用(梁姗姗等，2019)。

本文采用单一点源模型和全矩张量解反演方式来确定吉林宁江M_S5.1地震全矩张量解。在近震全波形矩张量反演过程中，参考中国地震台网正式速报结果，固定震中位置(45.30°N，124.75°E)，在震源深度方向进行网格搜索，搜索范围1~20km，步长2km，为了减小地壳速度模型不准确性对结果造成的影响，滤波的下限频率需要在满足信噪比的情况下尽可能低，而上限频率的确定与地震震级和台站震中距相关(刘俊清等，2017a)。本研究通过对每个台站进行频谱分析，确定滤波频带范围为0.02~0.04Hz。格林函数采用离散波数法(Discrete Wavenumber)(Bouchon，1981)，采样间隔为0.2Hz。全矩张量反演所使用的速度模型综合了前人接收函数和深地震测深等的研究成果(图 3)，泊松比设为1.73(张广成等，2013；熊小松等，2011)。

2 研究结果分析

通过地震全矩张量反演得到宁江M_S5.1地震的断层面几何参数、矩震级、矩心深度、矩张量分量以及震源区应力状态等震源参数：断层面解几何参数节面Ⅰ走向304°/倾角81°/滑动角26°，节面Ⅱ走向210°/倾角65°/滑动角170°；矩震级M_W5.0，最佳矩心深度6km；矩张量分量Mrr/Mtt/Mpp/Mrt/Mrp/Mtp分别为1.004/3.478/-2.535/-1.680/0.335/1.414，矩张量解ISO，CLVD和DC各分量所占百分比分别为14.4%，10%和75.6%；震源区应力主轴的空间取向为：主压力轴P方位角75°、倾角11°，主张力轴T方位角170°、倾角24°。

图 4给出了本次地震不同震源深度下波形之间的关系。从图 4中可以看出，在不同深度上震源机制解变化不大，均显示为走滑型地震，且在不同深度上均含有一定比例的非DC成分，表明地下深部介质物性、力学性质或流体分布等的不均匀性影响震源特性。在震源深度6km处，波形互相关系数最大，地震的DC分量为75.6%。图 5为固定震中位置在垂直深度方向搜索M_S5.1地震震源机制解对应的理论波形和实际波形拟合图，总体平均方差减少量VR为0.92，表明台站理论波形和观测波形有较好的拟合度。

为了估算震源机制反演断层面解参数的不确定度，采用大折刀法(Jackknifing method)对反演的参数进行不确定度分析(Sokos et al，2013)。考虑到不同方位和震中距地震记录对反演结果的影响，对本次地震所使用的12个台站依次减少1个台站(图 6)或1个分量(图 7)进行多次反演。图 6(a)、6(b)、6(c)和图 7(a)、7(b)、7(c)分别是断层面几何参数(走向、倾角和滑动角)频度分布的直方图，图 6(d)、6(e)和图 7(d)、7(e)分别是矩心位置和矩心时间偏移频度分布图，图 6(f)和图 7(f)是双力偶成分的直方图。由图 6、7可见，各参数分布相对集中，表明反演结果的稳定性。在图 6(g)和图 7(g)中，将所有反演的震源机制结果投影到同一震源球上，可以看出2次得到的地震断层面节面线分布均较集中。图 6(f)和图 7(f)为所有解与本研究所得最优震源机制解的Kagan角直方图，Kagan角为2个震源机制解之间的最小3D旋转角，可以用来描述2个震源机制解的近似程度(Kagan et al，1991)。由图 6(f)和图 7(f)可看出Kagan角分布在1°~5°间，变化范围很小，这也进一步验证了ISOLA反演结果的可靠性和稳定性。

为了更加直观地展示震源破裂机制特征，使用Husdon震源类型图进一步分析本次地震的发震类型(图 8)。Husdon震源类型图是使用T值和K值为自变量所绘制出的震源类型图。T值为偏量分量相对于纯双力偶机制的偏离程度，K值为体积变化的量度，其中

$ {T = \frac{{m_1^*}}{{\left| {m_3^*} \right|}}} $

(1)

$ {K = \frac{{{M_{\rm ISO}}}}{{\left| {{M_{{\rm{ISO}}}}} \right| + \left| {m_3^*} \right|}}} $

(2)

式中，M_ISO为矩张量的ISO分量，m₁^*和m₃^*为P轴和T轴偏量主力矩(Deviatoric Principal Moment)。图 8中横坐标表示剪切成分T值，纵坐标表示张性组分K值；+V和-V表示各向同性分量(ISO)中的纯膨胀源和纯压缩源；纯双力偶(DC)位于图的中心位置，即T值与K值交点位置；+CLVD和-CLVD表示2种错动方向相反的补偿线性矢量偶极；Dipole是CLVD的一种特殊表示，表示震源区只有1个方向的拉伸与压缩；Crack是ISO的一种特殊表示，表示震源的非对称膨胀与压缩，在某一方向变化量较大。我们将全矩张量反演结果投影到Husdon震源类型图上(Hudson et al，1989)(图 8)，红色五角星为本次地震投影位置。由图 8可以看出，宁江M_S5.1地震明显偏离原点，表明含有一定成分的非双力偶分量，同时也可以看出地震的投影点靠近ISO和CLVD区域，且均为正值，可见在震源体力学性质中有一定成分的体积变化分量，代表了该区域震源具有体积增加张性性质断裂。相关研究结果表明，由于地壳各向异性所导致的非双力偶分量成分最多高达15%(Vavryčuk，2001)，当大于该值时，我们认为并不是典型的双力偶震源机制。较高比例的非双力偶成分说明此次地震可能并非单纯的构造原因导致的剪切位错，明显的非双力偶成分与震源、地下介质的特殊性密切相关。地震全矩张量中含有较高比例的非双力偶成分说明震源破裂过程非常复杂，非双力偶破裂过程可能来源于复杂断层面的剪切破裂、张性破裂、非均匀性和各向异性地下介质中的剪切破裂或多态相变等(Julian et al，1998)。

断层面几何参数表明宁江M_S5.1地震为走滑型为主的地震事件，由于震源区内存在着第二松花江断裂和扶余-肇东断裂近为共轭的2条断裂，其走向与震源机制的2个共轭断层节面的走向几乎一致，仅仅依赖断层面几何参数无法确定2个共轭节面中究竟哪一个是实际的发震断层面，因此，需要借助余震分布特征对其进行判断。我们收集了震后吉林省区域数字地震台网所处理的余震序列定位结果，并分析其余震序列随时间扩展分布特征(图 9)，以本次地震发震时间为参考零点，以非等间距时间段来显示地震序列空间分布。图 9采用不同颜色描述不同时间段发生的地震。从图 9可以看出，余震主要集中分布在第二松花江断裂和扶余-肇东断裂交汇处，且能清晰地看出震后24h内发生的余震具有向NE向展布的趋势。因此，我们推断节面Ⅱ可能为优势发震断层面，即本次地震的主控断裂为扶余-肇东断裂，该断裂和与其正交的第二松花江断裂共同控制着余震展布方向。吉林省地震局根据现场调查得到的震源区地震烈度结果和本研究的推论有较好的一致性^①。

① http://111.26.194.22:8888/zwyw/20190520/23822.html

在本次宁江M_S5.1地震前，在相同区域分别于2017年7月23日和2018年5月28日发生M_S4.9地震和M_S5.7地震(图 10)。尽管这3次地震的发生时间间隔较长，但初始破裂位置相近，地震展布特征相似，均呈现出较小范围内窝状分布特点。研究表明3次地震震源机制一致，均为走滑型地震，说明宁江地区3次地震的发震构造相同，均是在扶余-肇东断裂和第二松花江断裂交汇部位的周期性运动。

3 结论与讨论 3.1 结论

对宁江M_S5.1地震开展全矩张量反演研究，确定了此次地震的断层面几何参数、矩震级、矩心深度、矩张量分量以及震源区应力状态等震源参数：节面走向304°/倾角81°/滑动角26°，节面Ⅱ走向210°/倾角65°/滑动角170°；矩震级M_W5.0，最佳矩心深度6km；矩张量分量Mrr/Mtt/Mpp/Mrt/Mrp/Mtp分别为1.004/3.478/-2.535/-1.680/0.335/1.414，矩张量解ISO，CLVD和DC各分量所占百分比为14.4%，10%和75.6%；主压力轴P方位角75°、倾角11°，主张力轴T方位角170°、倾角24°。根据宁江M_S5.1地震序列展布形态，推断节面Ⅱ可能为优势发震断层面，即本次地震的中控断裂为扶余-肇东断裂，该断裂和与其正交的第二松花江断裂共同控制着余震展布方向。

3.2 讨论

震源机制解结果显示该地震是1次浅源走滑型为主的事件。全矩张量解具有显著的非DC分量特征，说明地震可能不是单纯的构造原因导致的剪切位错，而是受震源区介质的复杂性和特殊性所影响。由于研究区域油气资源丰富，前人对该区域做了多方面的研究工作，均表明震源区地下结构和孕震介质的复杂性。远震接收函数研究显示出震源区莫霍面略微隆起以及地壳厚度变薄(张广成等，2013)，且松辽盆地莫霍界面深度由西向东逐渐减小，东部地区莫霍面形态复杂(朱洪翔等，2017)；反射地震剖面显示出与通过接收函数方法所得到的结果相同的莫霍面特征(高君等，2002)；大地电磁测深结果显示松辽盆地深部存在明显双层高导异常，上层为壳内高导层，呈“蛇”状分布，推断为岩浆底侵区，下层为幔内高导层，呈“哑铃”状，为软流圈上涌区(韩江涛等，2018)；地壳热结构显示出松辽盆地为陆壳内软流圈强烈上涌地区，热流值明显高于周边其他地区(Wang et al，2018)。通过上述地球物理方法对该区域的研究，我们综合分析认为在西太平洋板块作用形成俯冲带的同时，也相应地产生了热物质上涌，这些地球物理过程可能会改变莫霍面形态，使其向上突起并作用于活动断层，从而形成此次宁江M_S5.1地震。此次地震与2017、2018年发生在该区域地震的发震机理相同，均可能与深部流体作用有关。地震震中位于扶余-肇东断裂和第二松花江断裂的交叉处，这种交叉型断裂为深部流体提供了通道。流体长期作用于断裂，“弱化”了断层，致使震源区不易积累更大的应力，从而以中等震级震群型地震的方式释放。由于松辽盆地历史中强震以往未独立存在，宁江地区自2017年以来地震较为活跃，我们认为并不排除还会有同等强度的地震发生，故应加强该区域的地震危险性评估。