河北易縣ML3.8、3.3地震同震形變響應(yīng)及其震源機(jī)制①

馬 棟，馮向東，張素欣，王曉山，李均良，王 想

（1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2.河北省地震局 易縣地震臺(tái)，河北 易縣 074211）

0 引言

2010年7月30日22時(shí)21分、22時(shí)42分，在河北省易縣相繼發(fā)生了ML3.8、3.3地震，震中分別為：115.35°E、39.42°N 和115.35°E，39.41°N（重新定位結(jié)果）。兩次地震距易縣地震臺(tái)僅7km，易縣臺(tái)的形變測(cè)項(xiàng)有明顯同震響應(yīng)，周邊的赤城臺(tái)、懷來臺(tái)、天津薊縣臺(tái)也有不同程度的同震形變響應(yīng)。連續(xù)兩次3級(jí)地震對(duì)200km范圍內(nèi)的形變觀測(cè)造成同震響應(yīng)，這在中小地震的同震響應(yīng)方面屬于特殊地震事件。本文對(duì)同震形變響應(yīng)的性質(zhì)、幅度及其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，研究形變測(cè)項(xiàng)的同震響應(yīng)能力；結(jié)合地震波形資料，計(jì)算震源機(jī)制解，并通過震源球面投影、震中地震地質(zhì)構(gòu)造，分析有同震響應(yīng)的臺(tái)站、無同震響應(yīng)的臺(tái)站與斷層錯(cuò)動(dòng)的聯(lián)系。

這兩次3級(jí)以上地震雖然屬于中小地震，但由于其發(fā)生的地理位置特殊，屬于首都圈重點(diǎn)監(jiān)視地區(qū)，震中周圍易縣伸縮儀、張家口伸縮儀、陽原水平擺傾斜儀等存在變化。因此充分分析這兩次地震的震源機(jī)制、同震形變響應(yīng)，對(duì)于判斷該區(qū)震情的后續(xù)發(fā)展具有意義。

1 震中周圍地震活動(dòng)概況

易縣地震發(fā)生在淶水?dāng)嗔迅浇鹬?0km范圍歷史上共記錄5級(jí)以上地震3次，即1138年8月22日河北易縣5.5級(jí)地震、1658年2月3日河北淶水6.0級(jí)地震和1923年9月14日河北新城5.5級(jí)地震，最近1次ML3.0以上地震是1993年1月6日河北淶源的ML3.1地震。1057－1970年震中100km范圍內(nèi)歷史地震：5.0～5.9級(jí)地震10次，6.0～6.9級(jí)地震4次，7.0級(jí)地震1次；1970－2010年震中100km范圍內(nèi)地震情況：3.0～3.9級(jí)地震41次，4.0～4.9級(jí)地震5次，5.0～5.9級(jí)地震1次（圖1）。2008年1月－2010年7月，易縣臺(tái)記錄到易縣地區(qū)0級(jí)以上地震共計(jì)11次，其中ML0～0.9地震4次，ML1.0～1.9地震4次，ML2.0～2.9地震1次，ML3.0～3.9地震2次。

圖1 易縣周邊震中分布圖（1057－2010）Fig.1 Distribution of earthquake epicenters in Yixian and around region（1057－2010）.

2 同震形變響應(yīng)與地震波形資料對(duì)比分析

2.1 同震形變響應(yīng)情況

震中附近電磁和流體的測(cè)項(xiàng)較少，只有部分形變測(cè)項(xiàng)對(duì)這兩次地震有較好的同震響應(yīng)（圖2）。本文收集了河北省、天津市、北京市、山西省的定點(diǎn)形變資料，其中北京市的形變測(cè)項(xiàng)對(duì)易縣地震無同震響應(yīng)，主要原因是對(duì)于中小地震垂直擺傾斜儀的同震形變響應(yīng)較為明顯，而北京市的定點(diǎn)形變測(cè)項(xiàng)中垂直擺傾斜儀的測(cè)項(xiàng)較少；山西省的形變測(cè)項(xiàng)如代縣、太原距震中200～300km，對(duì)易縣地震均無同震形變響應(yīng)，其中只有臨汾臺(tái)有垂直擺傾斜儀測(cè)項(xiàng)（距震中498km），由于距離較遠(yuǎn)，也未能記錄到同震形變響應(yīng)；天津市薊縣臺(tái)距震中201km，薊縣垂直擺傾斜儀NS向?qū)σ卓h地震有同震響應(yīng)。

河北省的同震形變響應(yīng)測(cè)項(xiàng)共計(jì)12項(xiàng)，分別為易縣四分量應(yīng)變儀第2、3、4分量、易縣垂直擺傾斜儀EW、NS向、易縣水管傾斜儀EW向、赤城垂直擺傾斜儀EW、NS向、懷來垂直擺傾斜儀EW、NE、NS向、懷來水管傾斜儀NS向。同震響應(yīng)項(xiàng)數(shù)占全省形變測(cè)項(xiàng)的16%，主要集中在距震中較近的易縣臺(tái)、赤城臺(tái)、懷來臺(tái)，其他臺(tái)站測(cè)項(xiàng)無明顯的同震響應(yīng)。同震形變響應(yīng)測(cè)項(xiàng)主要集中在垂直擺傾斜儀（7項(xiàng)），其次是四分量應(yīng)變儀（3個(gè)分量），另外還有水管傾斜儀（2項(xiàng)）；而伸縮儀、體應(yīng)變儀、水平擺傾斜儀均無明顯的同震響應(yīng)。按照儀器類別分析，有同震響應(yīng)的同類測(cè)項(xiàng)占全省該類測(cè)項(xiàng)的百分比為：垂直擺傾斜儀39%、四分量應(yīng)變儀75%、水管傾斜儀13%。圖3為易縣垂直擺傾斜儀分鐘值曲線，有較大幅度的同震階變。

分量應(yīng)變儀的同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間為2分鐘，垂直擺傾斜儀的同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間為2～10分鐘，水管傾斜儀的同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間為2～3分鐘。由于這兩次地震震級(jí)較小，能量釋放引起的地震動(dòng)較弱，因此同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短。與遠(yuǎn)震大震所表現(xiàn)的同震形變波［1－2］不同，易縣地震的同震形變響應(yīng)主要表現(xiàn)為突跳和階躍，其中分量應(yīng)變儀表現(xiàn)為突跳，垂直擺傾斜儀和水管傾斜儀主要表現(xiàn)為階躍（表1）。

表1 易縣ML3.8、3.3地震同震形變響應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

圖2 易縣地震震中附近形變臺(tái)站分布圖Fig.2 Distribution of the deformation observatory stations in the study area.

圖3 2010年7月30－31日易縣垂直擺傾斜儀分鐘值曲線圖Fig.3 Minute value curves of vertical pendulum from July 30to July 31，2010，in Yixian station.

無同震形變響應(yīng)的測(cè)項(xiàng)，主要有以下三方面的因素：一是受儀器靈敏度的限制，未能對(duì)微小地震動(dòng)做出響應(yīng)；二是震中距較大；三是部分測(cè)項(xiàng)在短時(shí)間內(nèi)受到了氣壓等因素的干擾，同震響應(yīng)湮沒在噪聲中，難以對(duì)其分析識(shí)別。

雖然易縣四分量應(yīng)變儀、垂直擺傾斜儀較其他臺(tái)站同類測(cè)項(xiàng)的同震響應(yīng)幅度偏大，但表1中的同震響應(yīng)幅度與震中距并無較好的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，甚至出現(xiàn)相反的情況。這是由于近震面波持續(xù)時(shí)間短，同震形變波一般難以記錄到準(zhǔn)確的最大幅度值［2－5］。遠(yuǎn)場(chǎng)大震以彈性形變?yōu)橹?，同震形變響?yīng)表現(xiàn)為形變波，震后恢復(fù)到震前的狀態(tài)和水平；近場(chǎng)中小地震主要以塑性形變?yōu)橹鳎鸬耐鹦巫冺憫?yīng)表現(xiàn)為同震階躍，之后形成臺(tái)階，未能完全恢復(fù)至震前水平。

2.2 同震形變響應(yīng)與地震波形資料對(duì)比分析

兩次地震有兩次對(duì)應(yīng)同震響應(yīng)的測(cè)項(xiàng)有：易縣四分量應(yīng)變儀的第3分量、赤城垂直擺傾斜儀EW、NS向、懷來垂直擺傾斜儀EW向；其余測(cè)項(xiàng)主要是對(duì)易縣ML3.8地震有同震響應(yīng)，而對(duì)易縣ML3.3地震無同震響應(yīng)。主要因素有兩個(gè)：其一是易縣ML3.8地震同震響應(yīng)之后，兩次地震間隔時(shí)間短，儀器處于調(diào)整階段，未能對(duì)之后的易縣ML3.3地震產(chǎn)生同震響應(yīng)；其二是受儀器靈敏度、震源深度、震級(jí)大小等的影響。

同震階變是儀器記錄到的地震期間地球應(yīng)變場(chǎng)的一種準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)整，地震發(fā)生時(shí)，孕震體釋放能量，震源區(qū)應(yīng)變場(chǎng)的調(diào)整是應(yīng)力應(yīng)變的傳遞，震源區(qū)外不能直接記錄到震源區(qū)的應(yīng)變調(diào)整，只能記錄到通過地震動(dòng)使得各地應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整［6－9］。易縣地震震級(jí)小，距震中7km的易縣臺(tái)垂直擺傾斜儀有大幅的同震階變，這是記錄到的震源區(qū)應(yīng)變調(diào)整；而赤城臺(tái)和懷來臺(tái)距震中超過100km、薊縣臺(tái)超過200 km，這兩個(gè)臺(tái)記錄到的同震響應(yīng)不屬于震源區(qū)的應(yīng)力調(diào)整，是地震動(dòng)使周邊應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的調(diào)整，進(jìn)而記錄到的同震階變。

有同震形變響應(yīng)的4個(gè)臺(tái)站中，易縣、赤城、懷來、薊縣的震相分析、S波與P波到時(shí)差及其同震形變響應(yīng)特征見表2。易縣臺(tái)使用的是CTS－1地震計(jì)，頻帶50Hz－120s；赤城臺(tái)使用的是BBVS－60地震計(jì)，頻帶50Hz－60s；懷來臺(tái)使用的是FBS－3地震計(jì)，頻帶20Hz－20s；上述地震計(jì)的采樣率為50～100Hz。易縣垂直擺傾斜儀等形變測(cè)項(xiàng)為分鐘值采樣，采樣率為1／60Hz。形變數(shù)據(jù)比地震數(shù)據(jù)的采樣率低幾千倍，中小地震持續(xù)時(shí)間短，同震形變響應(yīng)表現(xiàn)為臺(tái)階和突跳，未能反映出很好的形變波形，因此不能對(duì)同震形變響應(yīng)做震相識(shí)別。

從地震波形分析，易縣、赤城、懷來、薊縣的地震波持續(xù)時(shí)間為1～3分鐘，而同震形變響應(yīng)測(cè)項(xiàng)中有13項(xiàng)持續(xù)時(shí)間在2～3分鐘（表1），這與地震計(jì)記錄到的地震波形持續(xù)時(shí)間一致；有4項(xiàng)持續(xù)時(shí)間為6～10分鐘（表1），其曲線形態(tài)為“同震階躍－持續(xù)－部分恢復(fù)”，持續(xù)和恢復(fù)階段主要是受地震波的作用，形變儀器的加載和卸載作用造成的。如不考慮持續(xù)和恢復(fù)階段，同震階躍的時(shí)間為1～3分鐘，這與地震計(jì)記錄到的地震波持續(xù)時(shí)間一致。

表2 易縣ML3.8、3.3地震震相分析、同震形變響應(yīng)特征

3 易縣 ML3.8、3.3地震重新定位結(jié)果

使用hyp2000程序，對(duì)易縣 ML3.8、3.3地震進(jìn)行重新定位，參與定位的21個(gè)臺(tái)站基本將震中包圍，定位結(jié)果見表3。結(jié)果顯示易縣ML3.8地震速報(bào)目錄與重新定位目錄的偏差較大，經(jīng)、緯度定位偏差分別為0.04°、0.03°，速報(bào)目錄震中與重新定位震中的偏差主要是由參與定位臺(tái)站的數(shù)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位的算法、速度模型的選取等有關(guān)。

表3 2010年7月30日易縣ML3.8、3.3地震重新定位與速報(bào)目錄對(duì)比

4 震源機(jī)制解及其同震形變響應(yīng)臺(tái)站震源球面投影分析

4.1 震源機(jī)制解

采用點(diǎn)源位錯(cuò)模型，層狀介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算理論地震圖，與觀測(cè)的地震垂直向記錄的直達(dá)P、S波最大振幅擬合，反演震源機(jī)制的方法［10］。該方法適用于區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)，而且臺(tái)少震小的情況。只要具有4個(gè)以上臺(tái)站完整的垂直向記錄波形，利用振幅比擬合就可以反演得到震源機(jī)制［11］。由區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)垂直向地震Ap和As振幅資料計(jì)算中小地震的震源機(jī)制，參考臺(tái)站Pg初動(dòng)選擇最佳結(jié)果。

利用河北省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的區(qū)域波形資料，選用震中周圍10個(gè)臺(tái)站。震中位置分別采用河北臺(tái)網(wǎng)eqt目錄和重新定位結(jié)果，用垂直向地震Ap和As振幅資料，計(jì)算2010年7月30日河北易縣ML3.8、3.3地震的震源機(jī)制解參數(shù)，得出不同的解 算結(jié)果（表4、圖4）。

表4 2010年7月30日易縣ML3.8、3.3地震震源機(jī)制解參數(shù)

圖4 易縣ML3.8、3.3地震震源機(jī)制解Fig.4 Focal mechanism solutions of Yixian ML3.8、ML3.3earthquakes.

重新定位結(jié)果兩次地震位置更為靠近，計(jì)算所得的震源機(jī)制基本一致。易縣ML3.8地震震源斷層初步判定為NEE向，斷層面參數(shù)為走向69°、傾角38°、滑動(dòng)角－129°，斷層表現(xiàn)為正斷兼右旋走滑。易縣ML3.3地震震源斷層初步斷定為NEE向，斷層面參數(shù)為走向74°、傾角38°、滑動(dòng)角－142°，斷層表現(xiàn)為正斷兼右旋走滑。兩次地震震源機(jī)制類型基本一致。1970年以來震中100km范圍內(nèi)ML5.0以上地震只有2006年7月4日文安ML5.5地震（據(jù)全國地震小震目錄）。文安地震震源機(jī)制為：P軸方位NEE、T軸方位NNW，接近水平。NNE向的節(jié)面屬于直立（傾角87°）；NWW向的節(jié)面傾斜（傾角43°）。震源斷層面的滑動(dòng)角－133°，為正斷層兼走滑斷層類型［12］。易縣地震與文安地震都為正斷層兼走滑斷層類型，震源機(jī)制解近似。張紅艷等將張渤帶分為六個(gè)研究區(qū)，其中易縣地震震中位于張渤帶中南段，易縣地震的P軸方位為SWW、T軸方位為NNE，與張渤帶中南段的平均構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)趨于一致［13－14］。

4.2 同震形變響應(yīng)臺(tái)站震源球面投影分析

震中350km內(nèi)的主要形變臺(tái)站共計(jì)24個(gè)（包括河北省12個(gè)、山西省5個(gè)、天津市1個(gè)、北京市6個(gè)），震中距為0～100km的臺(tái)站3個(gè)，101～200 km的臺(tái)站8個(gè)，201～300km的臺(tái)站9個(gè)，301～350km的臺(tái)站4個(gè)。計(jì)算出震中至形變臺(tái)站的方位角、離源角，并根據(jù)重新定位結(jié)果計(jì)算出的震源機(jī)制解，對(duì)上述形變臺(tái)站做震源球面投影（圖5）。投影結(jié)果表明有同震響應(yīng)和無同震響應(yīng)的形變臺(tái)站主要集中在壓縮區(qū)域，由于易縣地震震級(jí)偏小，引起同震響應(yīng)的臺(tái)站相對(duì)較少，并且有同震響應(yīng)的臺(tái)站也主要集中在垂直擺傾斜儀測(cè)項(xiàng)，其中易縣垂直擺傾斜儀的同震響應(yīng)為W傾、S傾（圖3），與斷層錯(cuò)動(dòng)造成的地傾斜方向基本一致（圖5）。

圖5 形變臺(tái)站震源球面投影Fig.5 Seismic source projections of deformation stations.

5 結(jié)論

（1）易縣ML3.8、3.3地震屬于中小地震，但仍有4個(gè)臺(tái)站的13個(gè)測(cè)項(xiàng)記錄到較為明顯的同震形變響應(yīng)，這在中小地震的同震形變響應(yīng)分析中是較為突出的震例。由于近震及中小地震同震形變響應(yīng)的主要表現(xiàn)形式為同震階變和突跳，不同于遠(yuǎn)震大震表現(xiàn)的同震形變波，不能通過面波延遲、最大面波幅度等進(jìn)行分析。

（2）地震波形數(shù)據(jù)比定點(diǎn)形變數(shù)據(jù)的采樣頻率高數(shù)千倍，地震計(jì)記錄到的易縣地震的地震波持續(xù)時(shí)間僅有1～3分鐘，因此無法從同震形變響應(yīng)數(shù)據(jù)中進(jìn)行震相分析，但同震形變響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間與地震計(jì)記錄到的地震波持續(xù)時(shí)間基本一致。

（3）通過河北區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的21個(gè)臺(tái)站的數(shù)字波形資料對(duì)易縣地震重新定位，河北臺(tái)網(wǎng)速報(bào)目錄經(jīng)緯度與重新定位經(jīng)緯度最大偏差分別為0.04°、0.03°。

（4）兩次地震震源機(jī)制類型基本一致，發(fā)震斷層表現(xiàn)為正斷兼右旋走滑，與張渤帶中南段平均區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)趨于一致。

（5）有同震響應(yīng)和無同震響應(yīng)的形變臺(tái)站主要集中在震源球面投影的壓縮區(qū)域，易縣垂直擺傾斜儀的同震響應(yīng)為 W傾、S傾，與斷層錯(cuò)動(dòng)造成的地傾斜方向基本一致。

致謝：本文得到天津市地震局、山西省地震局、中國地震臺(tái)網(wǎng)中心等單位提供的部分定點(diǎn)形變觀測(cè)資料，在此表示衷心感謝！

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