中国地震  2025, Vol. 41 Issue (2): 252-262
引用本文
郭延杰, 包莹, 梁珊珊, 等. 2025. 2021年阿鲁科尔沁旗ML5.1地震精定位及发震构造研究. 中国地震, 41(2): 252-262.   
Guo Yanjie, Bao Ying, Liang Shanshan, et al. 2025. The Accurate Location and Seismogenic Structure Analysis of 2021 Aruhorqin Banner ML5.1 Earthquake. Earthquake Research in China, 41(2): 252-262.  
2021年阿鲁科尔沁旗ML5.1地震精定位及发震构造研究
郭延杰1, 包莹1, 梁珊珊2, 李晓锐3, 于章棣1, 刘继伟1     
1. 赤峰地震监测中心站, 内蒙古赤峰 024000;
2. 中国地震台网中心, 北京 100045;
3. 运城地震监测中心站, 山西运城 044400
收稿日期：2024-06-19; 修定日期：2025-04-14
项目类别：中国地震局监测、预报、科研三结合课题(3JH-202301037)、内蒙古自治区地震局局长基金(2023MS11)共同资助
作者简介：郭延杰，男，1989年生，硕士，工程师，主要从事地震监测预警工作。E-mail：562688756@qq.com
摘要：2021年10月15日内蒙古自治区阿鲁科尔沁旗发生ML5.1地震。为更好地了解本次地震的发震构造，应用hypoDD方法对地震序列中34个地震进行精定位，分别采用CAP方法对主震、Focmec方法对ML2.0以上余震计算震源机制解，根据序列震源机制解进行应力场反演，并对地震序列进行断层面拟合。精定位结果显示，主震的震源深度为19.89km，定位后的31个地震分布更加集中，走向为ES-WN向，地震序列是一次由深部向浅部的破裂。震源机制解结果显示，主震震源机制解节面Ⅰ的走向、倾角和滑动角分别为134°/86°/-8°，节面Ⅱ的走向、倾角和滑动角分别为224°/82°/-177°，矩震级为4.51，是以走滑型为主的地震。结合余震NW向展布，认为节面Ⅰ对应发震构造。断层拟合结果显示，断层走向142.54°，倾角85.49°，结果与震源机制节面Ⅰ的走向和倾角相近，两者的走向均为NW向。区域应力场结果显示，最大主应力轴σ1的走向为93.51°，倾伏角为8.69°，最小主应力轴σ3走向为186.49°，倾伏角为18.81°，表明该区域的断层应力主要以走滑性质为主。综合上述结果并结合本地区的地质构造特征，认为此次地震的发震构造可能与一条NW向隐伏断裂有关。
关键词：双差定位    震源机制    断层面解    发震构造    阿鲁科尔沁旗    
The Accurate Location and Seismogenic Structure Analysis of 2021 Aruhorqin Banner ML5.1 Earthquake
Guo Yanjie1, Bao Ying1, Liang Shanshan2, Li Xiaorui3, Yu Zhangdi1, Liu Jiwei1     
1. Chifeng Earthquake Monitoring Center Station, Chifeng 024000, Inner Mongolia, China;
2. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;
3. Yuncheng Earthquake Monitoring Center Station, Yuncheng 044400, Shanxi, China
Abstract: An earthquake with a magnitude of ML5.1 occurred in Aruhorqin Banner, Inner Mongolia Autonomous Region, on October 15, 2021. To enhance the understanding and analysis of the seismotectonic structure of this event, this study employs a comprehensive methodology. The hypoDD method is utilized to accurately relocate 34 earthquakes, while the CAP method is applied to determine the focal mechanism of the main shock. The Focmec method is used for aftershocks with magnitudes above ML 2.0. Subsequently, the stress field is inverted based on the focal mechanisms of the earthquake sequence, and fault fitting is performed on the relocated events. The relocation results indicate that the earthquake source depth is 19.89km. The distribution of 31 relocated earthquakes is more concentrated, exhibiting a trend from southeast to northwest, with the rupture sequence propagating from deeper to shallower depths. The focal mechanism results for the main shock reveal that the strike, dip, and rake angles of nodal plane Ⅰ are 134°, 86°, and-8°, respectively, while those of nodal plane Ⅱ are 224°, 82°, and-177°, respectively. The moment magnitude(MW)is determined to be 4.51, indicating a predominantly strike-slip event. Given the northwest distribution of aftershocks, nodal plane Ⅰ is inferred to correspond to the seismogenic structure. Fault fitting results show that the fault strike is 142.54° and the dip angle is 85.49°, which aligns closely with the direction and inclination of focal mechanism plane Ⅰ, both trending northwest(NW). Regional stress field analysis indicates that the maximum principal stress axis(σ1)trends at 93.51° with an elevation angle of 8.69°, while the minimum principal stress axis(σ3)trends at 186.49° with an elevation angle of 18.81°. These results suggest that the fault stress in this region is predominantly characterized by strike-slip motion. Based on the above findings and the seismic geological structural characteristics of the region, it is inferred that the seismogenic structure of this earthquake is a northwest-trending concealed fault.
Key words: Double-difference earthquake location method     Focal mechanism     Fault plane solution     Seismogenic fault     Aruhorqin Banner    
0 引言

据中国地震台网正式测定，2021年10月15日5时10分内蒙古自治区阿鲁科尔沁旗发生ML5.1地震，震源深度15km。截至2021年12月31日，结合震后架设的流动监测台，内蒙古地震台网共记录到阿鲁科尔沁旗ML5.1地震序列ML1.0以上地震34次，其中，ML3.0~3.9地震4次，ML5.0以上地震1次，最大的余震为2021年10月15日5时33分ML3.5地震。

研究发震构造对于理解孕震机理、地震趋势研判以及应急处置有着至关重要的影响，目前主要结合已有的地质构造条件，对精定位、震源机制解与应力场等技术手段开展研究(万永革等，2023)。众多学者已对此次地震及其附近的2003年巴林左旗—阿鲁科尔沁旗5.9级地震开展较多研究。前人分别从准确定位、波速比、b值、震源机制解和地质地貌调查等方面对巴林左旗—阿鲁科尔沁旗地震进行了相关研究(刘芳等，2004a、2004b；韩晓明等，2010；蒋海昆等，2014；杜龙等，2009)。王鑫等(2024)对此次地震序列与2003年巴林左旗—阿鲁科尔沁旗5.9级地震序列进行发震构造的对比研究，得出此地震的发震构造可能与水泉子沟—天山口断裂性质相近的一条隐伏断裂有关。李娟等(2023)通过对2012年以来此次地震周边区域的22个ML≥3.5地震的震源机制解和大区域应力场反演的研究分析，认为此次地震是水泉子沟—天山口断裂发生正走滑错动形成的一次中等强度地震。截至目前，已有的发震构造成果结论不尽相同，同时，缺少对此次阿鲁科尔沁旗ML5.1地震结合发震构造与震源区小区域应力场的详细研究。因此，在现有研究的基础上，进一步对此次地震序列开展发震构造的研究很有必要。

本文首先应用双差定位方法对阿鲁科尔沁旗ML5.1地震序列进行精定位，获得研究区地震活动性及迁移特征；其次，应用CAP方法对主震、应用Focmec方法对质量较高的ML2.0以上余震求取震源机制解，并根据地震序列震源机制解结果求得该区域的局部应力场；然后，采用断层面求解方法进行断层面拟合，估计其分布情况；最后，结合该区域的地质构造探讨此次发震构造。

1 研究区地震构造背景

此次地震震源区域的基本构造格架由大兴安岭隆起和松辽盆地构成，存在三个方向的断裂，分别是以西拉木伦河断裂为代表的EW向断裂、以绰尔河断裂为代表的NE向断裂和以水泉子沟—天山口断裂为代表的NW向断裂(郭延杰等，2023a；蒋海昆等，2014)。其中，水泉子沟—天山口断裂主要是正断兼走滑性质的中更新世活动断裂，倾向SSW-SW，倾角为51°~70°，长度约为60km(杜龙等，2009)，该断裂距离2021年ML5.1地震(图 1中用箭头指出)约为40km，如 图 1所示。震源区构造部位不同以及力学机制的差异形成了性质不同的活动构造区。该地区中等地震活动较频繁，有史料记载以来发生5级以上地震6次，其中2000年后发生5级以上地震2次，分别为2003年巴林左旗—阿鲁科尔沁旗5.9级和2013年科尔沁左翼后旗5.3级地震。自2008年中国地震台网数字化以来，图 1所示区域记录的MS3.0以上地震131次(蒋海昆等，2006；德力格尔等，1989；郭延杰等，2023b)。

图 1 阿鲁科尔沁旗区域历史地震、地质构造和台站分布
2 数据与方法 2.1 地壳速度模型选取

双差定位和震源机制解计算所采用的速度模型均来自赵艳红等(2018)给出的蒙东地区一维地壳速度结构( 表 1)，其中波速比vP/vS为1.73。

表 1 蒙东地区一维地壳速度结构模型
2.2 方法

双差定位方法是一种相对定位法，在地震序列中，当2个地震事件之间的距离均小于各自到台站的距离，默认2个地震事件的传播路径相同，通过计算各自到这一台站走时差的残差进而定位(Waldhauser et al，2000；张晖等，2021)。求解此次地震序列全部地震事件到不同台站的双差方程，即可得到每个地震的相对位置(张珂等，2023)。

选取震中距300km范围内14个台站(图 1)自2021年10月15日至12月31日记录到的34个地震的震相到时和波形数据，同时以阿鲁科尔沁旗ML5.1震源位置作为计算的起始。此次地震序列地震数量不多，所以将地震对间最小连接数(MINLINK)设置为4，地震对存储最小连接数(MINOBS)设置为4，将单个事件簇成震群所需的最小互相关(OBSCT)设置为6。将震相中P波和S波震相走时的权重分别定为1.0和0.6，应用奇异值分解算法进行计算。

使用上述相同台站的宽频带波形数据，采用CAP方法(Zhao et al，1994)对阿鲁科尔沁旗ML5.1地震的震源机制解进行反演，其中搜索深度区间为0~30km，深度搜索步长为1km，信噪比阈值设置为1.2，P波和S波震相的权重分别设置为1.0和0.6。而对于震级更小的地震，应用Focmec方法对8个ML2.0以上(不含主震)波形信噪比较好的地震事件波形进行反演，计算过程中先在垂直向选取初动方向清晰的P波与SV波进行标记并测量振幅，而后在切向标记SH波并测量振幅，同时设定允许最大的振幅比为0.6。

根据上述方法计算此次地震序列的主震以及ML2.0以上余震共9个震源机制解结果，应用Stressinverse软件(Vavryčuk，2014)对阿鲁科尔沁旗地震震源区进行区域应力场反演，主震震源机制解权重设为1，余震震源机制解权重为0.8。

断层面拟合应用稳健估计方法，假设地震均发生在断层及其邻区，将模拟退火法和高斯牛顿法相结合得出震源位置距离平方和最小的平面，认为该平面即为所求的断层面(万永革等，2008)。

3 结果与分析 3.1 精定位结果分析

双差定位最终获得了31个地震的精定位结果(图 2(a)中蓝色圆点)，有3个事件在定位过程中丢失连接。相比于精定位之前的结果(图 2(a)中灰色圆点)，重定位后的序列分布更加集中，长轴走向为ES-WN向，长度约10km，短轴呈现EN-WS向，长度约8km。主震震源深度为19.89km，余震震源深度主要集中在14~21km之间，可知大部分余震位于主震的上部，表明本次破裂为一次由深部向浅部的破裂。剖面显示余震带较窄，倾角近垂直，推断发震的破裂面几乎垂直(图 2(b)、2(c))。

图 2 序列重定位后的震中分布(a)和沿AA′(b)、BB′(c)测线的震源深度剖面图
3.2 震源机制解

根据 表 1速度模型，应用CAP方法反演得到2021年10月15日阿鲁科尔沁旗ML 5.1地震的最佳双力偶机制解，14个台站中参与计算的波段共有67个，其中，理论与实际波形相关系数大于0.7的共有52个台站，占台站总数的77%，拟合误差为0.2，二者的相关性较强，且波形吻合较好，因此所得震源参数可信度较高。最佳震源机制解节面Ⅰ的走向、倾角和滑动角分别为134°/86°/-8°，节面Ⅱ的走向、倾角和滑动角分别为224°/82°/-177°，矩震级为MW5.51，属于典型的走滑型地震(图 3)。最佳矩心深度为19.2km(图 4)，与重定位获得的初始破裂深度(19.89km)相差不大。2个近垂直的节面倾角也与 图 2(b)、2(c)中倾角较大的推断相符。Kagan角常被用来衡量震源机制解之间的差异(Kagan，2000)，经与国家地震科学数据中心结果(315°/85°/10°)进行对比，二者的Kagan角约为9°，说明本文的计算结果是可靠的(小于15°被认为相似)。

图 3 ML5.1主震震源机制解及观测波形(黑色)与理论波形(红色)对比 注：震源球采用下半球投影，黑色区域代表压缩区，白色区代表拉张区，字母和数字为节面Ⅰ结果、矩震级和反演方差；波形图左侧字母为台站名，其下数字为台站震中距(km)和P波初至理论值与观测值的拟合偏移(s)；波形图下方第1行数字为对应段地震波形理论相对实际观测的移动时间(s)，负值表示理论波形相对观测波形向后，第2行数字为理论与实际波形相关系数(%)。

图 4 ML5.1主震不同深度震源机制解与拟合误差

同时采用Focmec方法(Snoke et al，1984)对8个ML2.0以上信噪比较好的余震的震源机制解进行反演(图 5、表 2)。按照断层运动学特征分类标准，除4号和8号地震为走滑兼逆冲型，其余地震均为走滑兼具正断型，与主震的破裂类型一致。根据 图 5可知，ML2.0以上余震序列主要沿主震的NW向展布，判断该地震序列发震断层走向为NW向，认为主震的震源机制解NW向节面Ⅰ对应发震构造。

图 5 阿鲁科尔沁旗地震序列震源机制解

表 2 阿鲁科尔沁地震序列震源机制解结果
3.3 应力场反演结果

针对 表 2中ML5.1地震序列的震源机制解结果，利用应力张量反演确定该区域应力场特征(Michael，1984)，结果如 图 6所示。其中，最大主应力轴σ1的走向为93.51°，倾伏角为8.69°；中间主应力轴σ2走向为339.87°，倾伏角为69.14°；最小主应力轴σ3走向为186.49°，倾伏角为18.81°；表明此次地震序列是在EW向近水平的主压应力场作用下发生的走滑性质为主的破裂，这与前人研究结果总体上较为一致(张帆等，2020；李娟等，2023；姚立珣等，1992；刘玉琢等，1989)。

图 6 阿鲁科尔沁旗地震序列反演的应力场方向
3.4 断层拟合分析

为精准掌握断层面位置，应用稳健估计方法对阿鲁科尔沁旗ML5.1地震序列进行断层面参数拟合，结果如 图 7所示。

图 7 断层拟合结果 (a)参与拟合的地震震中分布；(b)断层面；(c)拟合结果在垂直断层走向剖面的投影；(d)小震距断层面距离的分布

由 图 7(a)可见，参与拟合的事件沿着AA′方向展布，根据拟合结果可知断层的走向为142.54°，误差1.4°；倾角为85.49°，误差2.1°。根据 图 7(c)、7(d)所示，地震序列几乎全部分布在断层面的两侧。断层面拟合结果与震源机制结果中节面Ⅰ的走向和倾角均相近，断层面倾角几乎与节面Ⅰ相一致，且二者的走向均为NW向。目前，稳健估计方法较为成熟并广泛应用到断层拟合中，其结果进一步验证了双差定位和震源机制解结果的准确性。

4 讨论

本文研究区域位于大兴安岭隆起与松原盆地南侧过渡区，如 图 8所示，其中白色部分为大兴安岭隆起区，黄色部分为第四纪盆地，即松辽盆地，红色实线为水泉子沟—天山口断裂。该区域受太平样板块向欧亚陆块俯冲作用以及青藏块体向北运移挤压的联合作用，致使松辽盆地形成以NEE向压应力场、NNW向和近EW向张应力场为主的构造应力环境(姚立珣等，1992；刘玉琢等，1989；李娟等，2023)。2003年该区域曾发生巴林左旗—阿鲁科尔沁旗MS5.9地震，距离此次ML5.1地震约50km。刘芳等(2004a、2004b)根据震前b值、波速比和地震空间相关长度分析认为，该区域地质构造较为简单，地下介质整体性较好，刚度较强，且发生在该区域内的地震类型一致，孕震成因也有较强的相似性。《中国震例》(蒋海昆等，2014)中巴林左旗—阿鲁科尔沁旗MS5.9地震的震源机制解为：节面Ⅰ走向/倾角/滑动角200°/65°/154°，节面Ⅱ走向/倾角/滑动角319°/70°/30°(图 8)，与此次ML5.1地震的震源机制解相似度较高。通过对比此次ML5.1地震与MS5.9地震的震源机制解，两次地震均为走滑兼正断型地震。杜龙等(2009)通过对巴林左旗—阿鲁科尔沁旗MS5.9地震的调查研究发现，该区域内存在长度约60km，断错量为15cm，以正断为主且有部分走滑性质的NWW向水泉子沟—天山口断裂。蒋海昆等(2014)认为巴林左旗—阿鲁科尔沁旗MS5.9地震的孕震与水泉子沟—天山口断裂有较高的关联性。尽管此次ML5.1地震与2003年MS5.9地震均为走滑兼正断型地震，但是根据本文研究结果，不认为此次ML5.1地震的发震与水泉子沟—天山口断裂有较高的关联性。其原因主要是此次ML5.1地震震中位置距离断层迹线约40km，距离较远，且此次ML5.1地震为走滑兼正断型地震，与水泉子沟—天山口断裂的以正断为主兼走滑性质不同。通过查阅上述文献与资料，未发现该地震周边存在已知的断裂，因此，此次ML5.1地震可能与一条NW向隐伏断裂有关。

图 8 研究区地质构造和震源机制解对比结果
5 结论

通过对阿鲁科尔沁旗ML5.1地震序列开展精定位、震源机制解和应力场反演，并对该地震序列进行断层面参数拟合估计断层面的分布，结合该区域的构造背景，得出以下结论：

(1) 使用HypoDD方法对包含主震在内的31个地震进行精定位，得到主震的震源深度为19.89km，31个地震的震源深度主要在14~21km范围内。精定位后31个地震分布更加集中，长轴走向为ES-WN向，长度约10km，短轴呈现EN-WS向，长度约8km，且其剖面显示余震带较窄，倾角近垂直。

(2) 阿鲁科尔沁旗ML5.1地震震源机制解节面Ⅰ的走向、倾角和滑动角分别为134°/86°/-8°，节面Ⅱ的走向、倾角和滑动角分别为224°/82°/-177°，矩震级为MW5.51，反演方差为6.44×10-4，矩心深度为19.2km，是一次走滑型地震。通过对ML2.0以上的8个余震反演，得到本次地震序列以走滑型为主的性质，且呈NW向展布，判断该事件的发震断层走向为NW向，主震的震源机制解NW向节面Ⅰ对应发震构造。

(3) 该区域最大主应力轴σ1的走向为93.51°，倾伏角为8.69°；中间主应力轴σ2走向为339.87°，倾伏角为69.14°；最小主应力轴σ3走向为186.49°，倾伏角为18.81°。主压力轴的走向为近EW向，主张力轴走向为NNW向，该区域的断层应力主要以走滑性质为主。

(4) 根据断层拟合结果，其断层的走向为142.54°，误差1.4°；倾角为85.49°，误差2.1°，断层面拟合结果与震源机制结果中节面Ⅰ的走向和倾角均相近，走向均为NW向。

结合阿鲁科尔沁区域构造背景，认为阿鲁科尔沁旗ML5.1地震是一次走滑型为主的地震，推测其发震构造与一条NW向的隐伏断裂有关。

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