2010年1月24日山西河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的震源機(jī)制解與發(fā)震構(gòu)造探討＊

宋美琴 鄭 勇 李 斌 蘇 燕 王小山 呂 芳 趙曉云

1）中國(guó)太原030021太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西省地震局

2）中國(guó)武漢430077中國(guó)科學(xué)院動(dòng)力大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大地測(cè)量與地球物理研究所

3）中國(guó)石家莊050021河北省地震局

2010年1月24日山西河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的震源機(jī)制解與發(fā)震構(gòu)造探討＊

宋美琴1），鄭 勇2）李 斌1）蘇 燕1）王小山3）呂 芳1）趙曉云1）

1）中國(guó)太原030021太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西省地震局

2）中國(guó)武漢430077中國(guó)科學(xué)院動(dòng)力大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大地測(cè)量與地球物理研究所

3）中國(guó)石家莊050021河北省地震局

震源機(jī)制解 精確定位 發(fā)震構(gòu)造 河津－萬(wàn)榮地震

2010年1月24日，山西省運(yùn)城市河津－萬(wàn)榮交界地區(qū)發(fā)生MS4.8地震.由于本次地震強(qiáng)度較低，并未形成地表破裂帶，分析其發(fā)震構(gòu)造具有一定的困難.地震現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)只能根據(jù)淺層人工地震剖面、附近鉆孔資料、烈度等震線長(zhǎng)軸和震中區(qū)附近活動(dòng)斷裂等來(lái)推定，認(rèn)為西辛封隱伏斷裂為可能的發(fā)震斷裂.為此，下面我們將在分析本次地震的震源機(jī)制解、序列三維空間分布特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合本次地震的宏觀考察結(jié)果，確定其發(fā)震構(gòu)造并探討發(fā)震機(jī)理.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 反演方法

測(cè)定震源機(jī)制解的方法有多種，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研究積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，其中P波初動(dòng)及振幅比（梁尚鴻等，1984）和利用數(shù)字地震體波與面波剪切粘貼法（cut and paste，簡(jiǎn)寫(xiě)為CAP）波形反演方法（Zhao，Helmberger，1994；Zhu，Helmberger，1996；Tanet al，2006）測(cè)定震源機(jī)制解得到了廣泛的應(yīng)用（張永久，程萬(wàn)正，2007；付虹等，2009；胡新亮等，2004；Zhenget al，2009，2010a，b；呂堅(jiān)等，2008）.

本文收集了山西省寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的有關(guān)數(shù)據(jù)，采用P波初動(dòng)及振幅比和CAP兩種方法來(lái)分別反演本次地震的震源機(jī)制解，比較兩種結(jié)果的異同，分析節(jié)面參數(shù)與震源區(qū)斷裂的關(guān)系，以確定哪一個(gè)節(jié)面為發(fā)震斷裂.

1.2 資料選取和反演過(guò)程

1.2.1 P波初動(dòng)及振幅比方法

資料的選取對(duì)于計(jì)算結(jié)果的精確性和可靠性至關(guān)重要.本研究為了取得較好的結(jié)果，在選取資料時(shí)考慮了以下幾個(gè)條件：① 震中距≤150km的近臺(tái)記錄，以確保初至震相為Pg；② 臺(tái)站數(shù)≥6個(gè)，且均勻分布在震中周?chē)?，以保證得到的是地震的全方位信息；③ 若Pg、P11震相均發(fā)育時(shí)，量取P11震相前的Pg波列最大振幅，避免誤量為P11振幅；④ 垂直向振幅大于1mm且不能限幅.

基于以上條件，從震中周?chē)_(tái)站中遴選出6個(gè)臺(tái)站［侯馬（HMA）、臨汾（LIF）、永濟(jì)（YJI）、夏縣（XAX）、合陽(yáng)（HEYT）、隰縣（XIX）］（圖1），并量取了各臺(tái)的P波、S波最大振幅和P波初動(dòng)符號(hào).速度模型綜合考慮了人工地震測(cè)深剖面研究結(jié)果和波形擬合結(jié)果（于利民等，1995；祝治平等，1999；張學(xué)民等，2003），見(jiàn)表1.經(jīng)過(guò)正演、反演計(jì)算，取出與觀測(cè)資料Q1擬合最佳的那一組震源機(jī)制解參量作為本次地震的解.

圖1 震中周?chē)_(tái)站分布與震中位置Fig.1 Stations around epicenter and epicenter

表1 研究區(qū)地殼速度模型Table 1 Crustal velocity model of study region

1.2.2 CAP方法

選用河津－萬(wàn)榮MS4.8地震震中周?chē)?個(gè)臺(tái)站［合陽(yáng)（HEYT）、侯馬（HMA）、臨汾（LIF）、盧氏（LS）、洛陽(yáng)（LYN）、永濟(jì)（YJI）、夏縣（XAX）、延安（YAAN）、陽(yáng)城（YAC）］的數(shù)字寬頻帶記錄（圖1），采用與1.2.1節(jié)方法相同的速度模型（表1）.在反演過(guò)程中，將理論波形與旋轉(zhuǎn)后的觀測(cè)波形濾波后得到Pnl部分（0.05—0.2Hz）和面波部分（0.02—0.05Hz）進(jìn)行擬合，全空間中進(jìn)行格點(diǎn)搜索震源參數(shù)，搜索得到不同深度上的震源機(jī)制和誤差，調(diào)整震源參數(shù)，使得波形能夠較好地吻合觀測(cè)數(shù)據(jù)，誤差最小的解即為最佳的震源機(jī)制解.

2 結(jié)果與分析

2.1 P波初動(dòng)及振幅比結(jié)果

由表2可知，本次地震錯(cuò)動(dòng)類(lèi)型為正斷兼斜滑活動(dòng).其主壓應(yīng)力軸為ENE向，主張應(yīng)力軸為近NS向，以水平拉張作用為主、擠壓作用為輔.這與山西區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)差異較大；與所在的臨汾斷陷盆地區(qū)域平均應(yīng)力場(chǎng)（劉巍等，1993）接近.說(shuō)明河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的發(fā)震應(yīng)力場(chǎng)與臨汾盆地局部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)是一致的.

表2 兩種不同方法獲得的震源機(jī)制解結(jié)果（下半球投影）Table 2 Results of focal mechanism solutions from two different methods（lower－h(huán)emisphere projection）

2.2 CAP結(jié)果

從震源機(jī)制擬合誤差隨深度的分布（圖2）可看出，19km處的波形擬合最好，誤差最小.圖3為震源深度在19km附近時(shí)的位移譜擬合結(jié)果和CAP反演得到的地震震源機(jī)制解，以及臺(tái)站投影到震源球上的位置，震源機(jī)制解參數(shù)見(jiàn)表2.結(jié)果顯示，本次地震為正斷兼斜滑活動(dòng)，且震源機(jī)制解各參數(shù)與P波初動(dòng)及振幅比方法反演得到的結(jié)果非常接近，結(jié)果可信.

圖2 震源機(jī)制擬合誤差隨震源深度變化Fig.2 Variation of focal mechanism solution and mismatch with different focal depth

圖3 河津－萬(wàn)榮MS4.8地震震源機(jī)制解投影圖、理論地震圖（實(shí)線）和觀測(cè)地震圖（虛線）波形左側(cè)從上至下分別為震中距、臺(tái)站代碼及方位角，波形下面數(shù)字分別為理論地震圖相對(duì)觀測(cè)地震圖的移動(dòng)時(shí)間和理論地震圖與觀測(cè)地震圖的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Focal mechanism solution（top），theoretical（solid line）and observational（dotted line）seismogram of the Hejin－Wanrong MS4.8earthquake.The left side of the waveform is epicentral distance，station code and azimuth，figures under the waveform indicates shift time of theoretical seismogram relative to observation seismogram（upper）and number below indicates correlation coefficient between theoretical and observational seismogram

3 地震序列精定位結(jié)果分析

高精度地震定位是確定活動(dòng)斷裂的基礎(chǔ)性工作，為推斷震源機(jī)制解哪一個(gè)節(jié)面為地震的實(shí)際破裂面，本研究利用雙差定位方法對(duì)余震序列進(jìn)行了精確定位.精定位后均方根殘差的平均值為0.09s，震源位置的估計(jì)誤差在EW方向上平均為0.24km，NS方向上平均為0.19km，UD方向上平均為0.25km，定位精度得到了很大提高（限于篇幅所限，詳情另文討論）.精確定位后河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的震源位置為35.51°N、110.73°E，深度12km.這一結(jié)果與宏觀震中接近（35.50°N、110.67°E）；與山西省地震局的速報(bào)定位結(jié)果差距較大（35.66°N、110.78°E，深度7km），相距7.5km.從精確定位前后的地震震中分布來(lái)看（圖4），重新定位前結(jié)果分布離散，優(yōu)勢(shì)分布不顯著.重新定位后小震主要集中在一個(gè)寬5km、長(zhǎng)3 km的矩形區(qū)域內(nèi)，主震位于集中區(qū)的中間，據(jù)此推測(cè)本次地震的破裂方式為雙側(cè)破裂為主；集中區(qū)內(nèi)的小震主要沿近NS向展布，EW向也有零星分布，表明本次地震的發(fā)震斷裂走向?yàn)镾N向的可能性大.這與地震現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)推定的NNW向西辛封隱伏斷裂（走向330°，傾向SW，傾角45°）走向差異較大①山西省地震局.2010.河津4.8級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)考察報(bào)告..

圖4 河津－萬(wàn)榮MS4.8地震序列震中分布及剖面示意圖（注：精定位后主震位于剖面線交叉處）Fig.4 Earthquake epicenters and faults（Note：The main shock located at the intersection of section lines after precise locating of earthquakes）

為確定哪一條斷層為可能的發(fā)震斷層面，本文沿余震長(zhǎng)軸方向（近NS向）取剖面A—A′，垂直長(zhǎng)軸方向取B—B′剖面（圖4）來(lái)分析地震活動(dòng)與斷裂之間的相互關(guān)系.由剖面A－A′（圖5）可見(jiàn)，余震區(qū)長(zhǎng)軸分布寬度約5km，地震集中分布在地下6—20km之間；主震位于剖面的中部，余震在上部和下部都有，表明主破裂的擴(kuò)展朝上部和向下部同時(shí)存在.由剖面B—B′（圖5）所示，整個(gè)地震序列中絕大多數(shù)地震集中在一個(gè)寬約1km的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地震密集區(qū)可勾勒出一個(gè)向西（W）傾斜的高角度破裂面，其為河津萬(wàn)榮MS4.8地震發(fā)震斷裂的可能性較大.

震源深度剖面推測(cè)的發(fā)震斷裂傾向W與現(xiàn)場(chǎng)考察確定的西辛封發(fā)震斷裂傾向SW較為一致，但近NS向余震長(zhǎng)軸方向與西辛封斷裂走向相差約30°（圖4）；震源機(jī)制解顯示本次地震錯(cuò)動(dòng)方式為正斷層兼斜滑活動(dòng)，上盤(pán)為主動(dòng)盤(pán)，地震應(yīng)該集中在西辛封斷裂的SW盤(pán)一側(cè)，而本次地震序列的地震均展布在西辛封斷裂的NE盤(pán)，顯然無(wú)法解釋本次地震是西辛封斷裂的正斷活動(dòng)；主震震源機(jī)制解有一組節(jié)面走向約為283°—285°，傾向SW，與西辛封斷裂走向330°相差50°左右；因此，不論是震源機(jī)制節(jié)面解還是地震深度剖面顯示的斷層面以及序列水平面長(zhǎng)軸方向均與西辛封斷裂產(chǎn)狀存在較大差異，將其確定為發(fā)震構(gòu)造，不太合理.

圖5 河津－萬(wàn)榮MS4.8地震序列小震深度Fig.5 Depth of small earthquakes of Hejin－Wanrong MS4.8earthquake sequence

是否為震源附近其它斷裂，將從精定位結(jié)果和震源區(qū)斷裂分布作進(jìn)一步分析.由圖4可見(jiàn)，中條山北緣斷裂是臨汾盆地與峨眉臺(tái)地的構(gòu)造分界線，斷裂走向WNW，向北部臨汾盆地一側(cè)傾斜.本文的河津萬(wàn)榮MS4.8地震位于中條山北緣斷裂附近，余震長(zhǎng)軸方向與該斷裂近似垂直，少數(shù)余震沿?cái)嗔炎呦蛘共?本文的震源機(jī)制解顯示的正斷活動(dòng)與中條山北緣斷裂為正斷層相吻合；主震震源機(jī)制解有一組節(jié)面走向約為283°—285°，與中條山斷裂走向WNW差距較??；但斷裂傾向NW與前述推斷的斷層面傾向W差異較大；因此，可以排除中條山北緣斷裂為本次地震的發(fā)震斷裂.

4 討論與結(jié)論

1）河津－萬(wàn)榮MS4.8地震最佳雙力偶解為：節(jié)面Ⅰ走向285°、傾角63°、滑動(dòng)角－53°，節(jié)面Ⅱ走向47°、傾角44°、滑動(dòng)角－140°，揭示本次地震為正斷兼斜滑.其中節(jié)面解與震源區(qū)地質(zhì)資料以及地震現(xiàn)場(chǎng)考察工作隊(duì)提供的西辛封發(fā)震斷層產(chǎn)狀差異較大.

2）精定位后小震活動(dòng)優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)軸方向?yàn)镹S向，垂直長(zhǎng)軸走向的深度剖面顯示本次地震活動(dòng)為一傾向W的斷裂活動(dòng).

3）震源機(jī)制解、地震序列精確定位三維空間分布與西辛封斷裂和震源附近的中條山北緣斷裂展布綜合分析表明，西辛封斷裂、中條山北緣斷裂均不是本次地震的發(fā)震斷裂.

4）本次地震震級(jí)較小，其破裂長(zhǎng)度范圍有限.精定位結(jié)果顯示，除近NS向存在優(yōu)勢(shì)分布外，EW向也有零星活動(dòng).這說(shuō)明河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的主干斷裂是南北走向的斷裂，同時(shí)伴隨東西走向的分支斷裂的活動(dòng).這種余震序列的共軛分布符合巖石力學(xué)理論，即未發(fā)現(xiàn)預(yù)存破裂的巖石在單軸壓應(yīng)力的作用下，在巖石中將產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱(chēng)于壓力軸的、共軛的庫(kù)侖剪切應(yīng)力面，破裂在這對(duì)共軛面上發(fā)生（黃嬡等，2006）.

5）本文兩種計(jì)算方法給出的震源機(jī)制解很接近，說(shuō)明斷層錯(cuò)動(dòng)方式是可信的；而地震序列精定位推斷的發(fā)震斷裂與現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果以及震源區(qū)附近斷裂均不吻合，且現(xiàn)場(chǎng)考察給出的烈度VI度區(qū)成NNE向展布.淺層人工地震剖面、附近鉆孔資料和地震地質(zhì)工作結(jié)果顯示，在震源區(qū)僅有中條山北緣和隱伏的西辛封兩條斷裂.這進(jìn)一步說(shuō)明地震是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，目前掌握的資料和本次研究均無(wú)法確定河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的發(fā)震斷裂，有待于進(jìn)一步開(kāi)展深入細(xì)致的工作來(lái)推斷其發(fā)震構(gòu)造.

付虹，王紹晉，龍曉帆，鄔成棟，趙小艷.2009.利用數(shù)字化速度波形和仿真位移波形資料求解震源機(jī)制解的比較［J］.地震研究，（1）：18－24.

胡新亮，刁桂苓，馬瑾，李雪英，高景春，王勤彩.2004.利用數(shù)字地震記錄的P／S振幅比資料測(cè)定小震震源機(jī)制解的可靠性分析［J］.地震地質(zhì)，26（2）：347－354.

黃嬡，楊建思，張?zhí)熘?2006.2003年新疆巴楚—伽師地震序列的雙差法重新定位研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，49（1）：162－169.

梁尚鴻，李幼銘，束沛溢.1984.利用區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)P、S振幅比資料測(cè)定小震震源參數(shù)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，27（3）：249－257.

劉巍，趙新平，安衛(wèi)平，張開(kāi)健.1993.山西地區(qū)的地殼應(yīng)力場(chǎng)［J］.山西地震，74（3）：3－11.

呂堅(jiān)，鄭勇，倪四道，高建華.2008.2005年11月26日九江—瑞昌MS5.7、MS4.8地震的震源機(jī)制解與發(fā)震構(gòu)造研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，51（1）：158－164.

于利民，刁桂苓，李欽祖，束沛鎰.1995.由深源遠(yuǎn)震體波記錄反演華北部地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)［J］.華北地震科學(xué)，13（3）：11－20.

張學(xué)民，束沛鎰，刁桂苓.2003.山西省部分臺(tái)站下方S波速度結(jié)構(gòu)研究及與地震關(guān)系探討［J］.地震學(xué)報(bào)，25（4）：341－350.

張永久，程萬(wàn)正.2007.用P、S波速度振幅比求小震機(jī)制解的可行性研究［J］.中國(guó)地震，23（4）：366－374.

祝治平，張建獅，張成科，趙金仁，劉明清，唐周瓊，蓋玉杰，任青芳，聶文英，楊清.1999.山西中南部殼幔結(jié)構(gòu)的研究［J］.地震學(xué)報(bào)，21（1）：42－49.

Tan Y，Zhu L P，Helmberger D V，Saikia C K.2006.Locating and modeling regional earthquakes with two stations［J］.J Geophys Res，111（B01）：306－314.

Zhao L S，Helmberger D V.1994.Source estimation from broadband regional seismogram［J］.Bull Seism Soc Amer，84（1）：91－104.

Zheng Y，Yang Y J，Michael H R，Zheng X F，Xiong X，Li Z N.2010a.Crustal structure of the northeastern Tibetan plateau，the Ordos block and the Sichuan basin from ambient noise tomography［J］.Earthquake Science，23（5）：465－476.

Zheng Y，Ni S D，Xie Z J，LüJ，Ma H S，Paul S.2010b.Strong aftershocks in the northern segment of the Wenchuan earthquake rupture zone and their seismotectonic implications［J］.Earth Planets Space，62（11）：1－6，doi：10.5047／eps.2009.06.001.

Zheng Y，Ma H S，LüJ，Li Y C，Wei S J.2009.Source mechanism of strong aftershocks（MS≥5.6）of the 2008／05／12 Wenchuan earthquake and the implication for seismotectonics［J］.Sci China Ser D－Earth Sci，52（6）：739－753.

Zhu L P，Helmberger D V.1996.Advancement in source estimation techniques using broadband regional seismograms［J］.Bull Seism Soc Amer，86（5）：1634－1641.

Discussion on focal mechanism solutions and seismogenic structure of 24Jan 2010Hejin－Wanrong，Shanxi，MS4.8earthquake

Song Meiqin1），Zheng Yong2）Li Bin1）Su Yan1）Wang Xiaoshan3）LüFang1）Zhao Xiaoyun1）
1）National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Earthquake Administration of Shanxi Province，Taiyuan030021，China
2）Key Laboratory of Dynamical Geodesy，Institute of Geodesy and Geophysics，
Chinese Academy of Sciences，Wuhan430077，China
3）Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang050021，China

focal mechanism solution；accurate positioning；seismogenic structure；Hejin－Wanrong earthquake

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.01.011

P315.3＋3

A

宋美琴，鄭勇，李斌，蘇燕，王小山，呂芳，趙曉云.2012.2010年1月24日山西河津－萬(wàn)榮MS4.8地震的震源機(jī)制解與發(fā)震構(gòu)造探討.地震學(xué)報(bào)，34（1）：111－117.

Song Meiqin，Zheng Yong，Li Bin，Su Yan，Wang Xiaoshan，LüFang，Zhao Xiaoyun.2012.Discussion on focal mechanism solutions and seismogenic structure of 24Jan 2010Hejin－Wanrong，Shanxi，MS4.8earthquake.Acta Seismologica Sinica，34（1）：111－117.

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20100311129－2）、中國(guó)地震局星火計(jì)劃（xh1005）和中國(guó)地震局“中國(guó)大陸未來(lái)10年M≥7.0地震危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)”工作專(zhuān)項(xiàng)共同資助.

2011－01－17收到初稿，2011－09－02決定采用修改稿.

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