河北贊皇小震群震源斷層分析

李冬圣 蔡玲玲 李小軍 常 亮楊 銳 李雪英 賈 炯

（中國石家莊 050021河北省地震局）

河北贊皇小震群震源斷層分析

李冬圣 蔡玲玲 李小軍 常 亮楊 銳 李雪英 賈 炯

（中國石家莊 050021河北省地震局）

基于河北數(shù)字地震臺網(wǎng)和流動臺站的觀測數(shù)據(jù)，利用HYPODD方法對2013年5月20日河北贊皇小震群進(jìn)行重新定位，定位結(jié)果顯示，地震呈NE向展布，震群震源深度集中在4—8km，采用模擬退火算法和高斯—牛頓算法相結(jié)合的有效算法進(jìn)行斷層參數(shù)反演計算，計算結(jié)果與震源機(jī)制解斷層面結(jié)果一致性較好，均為右旋走滑類型。

贊皇震群；重新定位；震源機(jī)制；斷層面解

0 引言

根據(jù)河北省遙測地震臺網(wǎng)監(jiān)測，2013年5月20日河北贊皇發(fā)生小震群活動，持續(xù)至7月3日，共記錄地震事件220次，其中單臺記錄地震49次，最大震級ML3.2，ML2.0以上地震9次。歷史地震資料表明，贊皇縣從未發(fā)生類似震群活動及中強(qiáng)以上地震。 近年來，隨著“首都圈示范工程項目”和“‘十五’網(wǎng)絡(luò)化”項目的建設(shè)，河北省地震監(jiān)測能力不斷提高，記錄到大量小震，且越來越精確的震相拾取使得小震定位精度越來越高?；谛≌鹂臻g分布對地質(zhì)構(gòu)造及地球物理相關(guān)問題的研究引起越來越多地球科學(xué)家關(guān)注（楊智嫻等，2003；朱艾斕等，2005），萬永革等（2008）首先提出利用小震分布和區(qū)域應(yīng)力場確定大震斷層面參數(shù)的方法，用于分析唐山地震序列，該方法不僅能在全局搜索最優(yōu)解，而且可以估計參數(shù)誤差，在求得大震斷層面后還可以根據(jù)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場參數(shù)估計斷層面滑動角。曾憲偉等（2013）利用該方法研究臨潭—宕昌斷層面參數(shù)，李守勇等（2011）用以確定磁縣1830年7.5級強(qiáng)震斷層面參數(shù)。本文試圖通過對贊皇震群的重新定位、斷層面擬合和震源機(jī)制解的分析，研究2013年贊皇震群的構(gòu)造背景。

1 研究方法

1.1 雙差定位方法

雙差定位法（HYPODD）在相對定位方法中應(yīng)用較廣，通過對一定空間范圍內(nèi)地震事件兩兩組對，根據(jù)組對事件之間震相到時差得到事件對的相對空間分布，在一定程度上消除了地殼速度結(jié)構(gòu)橫向不均勻帶來的定位誤差，進(jìn)而在計算中消除路徑異常（Waldhauser，Ellsworth，2000；楊智嫻等，2003）。雙差法基本方程為

其中，Δtik和Δtjk分別對應(yīng)地震i 和j 到臺站k 的到時（走時）殘差，Xi和Xj是兩個震源位置矢量，Sk是兩個震源連線中點到臺站k地震射線的慢度矢量，εik和εjk為地震在臺站的到時拾取誤差。

1.2 斷層面擬合方法

采用模擬退火全局搜索和高斯牛頓局部搜索相結(jié)合方法（萬永革等，2008），利用贊皇震群重新定位結(jié)果，求解斷層面走向、傾角、位置及誤差估計，應(yīng)用華北地殼應(yīng)力場參數(shù)，計算斷層面滑動角大小。

1.3 振幅比計算震源機(jī)制解

梁尚鴻等（1984）提出一種測定小震震源參數(shù)的方法，利用區(qū)域地震臺網(wǎng)垂直向位移記錄中Pg波和Sg波最大振幅比值，由計算層狀介質(zhì)中點源位錯的Pg、Sg綜合地震圖測定小震震源參數(shù)。利用P波和SV波或SH的振幅比，是利用其輻射花樣比值求解震源機(jī)制參數(shù)。振幅比的輻射花樣隨空間方位的變化比單種波的輻射花樣強(qiáng)烈，力偶平面內(nèi)振幅比的輻射花樣呈8瓣分布。由此，只要有正確的直達(dá)波觀測振幅比，且觀測值歸算到震源球面位置正確，振幅比觀測對震源機(jī)制參數(shù)有較強(qiáng)的約束能力。

使用區(qū)域地震臺網(wǎng)垂直向地震AP和AS振幅資料計算震源機(jī)制軟件，配置臺站位置文件WDSTA、速度結(jié)構(gòu)文件WDHV；讀取事件波形初動和振幅值寫入WDF文件，進(jìn)行正演和反演計算，根據(jù)正演和反演輸出的結(jié)果文件，采用GMT繪圖選擇最佳解。

2 資料處理與分析

2.1 河北省遙測地震臺網(wǎng)觀測資料分析

2013年5月20日河北省遙測地震臺網(wǎng)監(jiān)測到贊皇地區(qū)發(fā)生小震群事件，當(dāng)日記錄地震事件11次，5月24至26日平均每天監(jiān)測小震達(dá)20次以上，截至7月3日共記錄地震220次，單日記錄事件最多達(dá)24次，最大震級為6月3日ML3.2（圖1）。參與贊皇地震定位臺站主要有河北贊皇臺（HEZAH）、河北元氏臺（HEYUS）、河北臨城臺（HELIC），外圍地震臺山西昔陽臺（SXXIY）。為了進(jìn)一步跟蹤震情，河北省地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中心在贊皇縣以西架設(shè)兩套流動臺（L1301，L1303）。由此，地震監(jiān)測臺站均勻分布在贊皇四周，形成較好的地震監(jiān)測條件，ML0地震至少可被3—4個臺站記錄。

以河北省遙測臺網(wǎng)產(chǎn)出地震目錄繪圖顯示，贊皇地震呈EW向分布，大部分地震分布在贊皇臺以西，只有零星幾個地震分布在贊皇臺以東位置，見圖2（a）。觀測報告顯示，贊皇臺以東地震震級偏小，且發(fā)震時間在架設(shè)流動臺站前，參與定位臺站少、張角大，尤其使用hypo 2000和單純形法分別進(jìn)行定位，定位結(jié)果不穩(wěn)定。

圖2 精定位前后震中分布（a）精定位前震中分布；（b）精定位后震中分布Fig.2 Earthquake distribution before and after the accurate location

2.2 贊皇震群重新定位

使用HYPODD方法（Waldhauser et al，2000）對贊皇震群進(jìn)行重新定位。截至7月3日，贊皇震群共觀測到220次地震，剔除單臺記錄的49次事件，選取171次地震參與重新定位。震相數(shù)據(jù)包含8 085個P波到時、8 635個S波到時，重新定位前對震相數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，修訂定位結(jié)果不穩(wěn)定的地震參數(shù)，最終平均每次地震具有8個震相數(shù)據(jù)。

重新定位使用的分層速度模型參考邢臺震源區(qū)地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)（祝治平等，1995），模型分6層（表1），波速比設(shè)定為1.72。原始定位采用單純型法，無水平和垂直誤差，擬合殘差平均值0.15 s。精定位得到147個震源位置參數(shù)，均方根殘差平均值為0.05 s，震源位置南北向平均誤差0.10km，東西向平均誤差0.08km，深度誤差平均 0.15km。

表1 贊皇地區(qū)地殼速度模型Table 1 Velocity model of the crust in ZAH area

贊皇震群精定位前，地震分布呈EW向，且主要集中在兩個區(qū)域內(nèi)，精定位后最大震級ML3.2的地震發(fā)生在震群中間部位，地震分布比較集中，呈NE向展布，震群震源深度平均為5.8km，依照圖2（b）對小震群序列按NW和NE方向進(jìn)行剖面劃分，并將地震震源深度投影到AA′和BB′兩個剖面，見圖3，深度剖面顯示，震群在震源深度變化上具有一定規(guī)律。圖3（a）為地震條帶沿線AA′的震源擴(kuò)展剖面，可見贊皇小震群總體震源深度較淺，集中分布在4—8km范圍內(nèi)；地震條帶總長約4km，無明顯空間幾何特征。圖3（b）為地震條帶沿直線BB′的震源擴(kuò)展剖面，震源深度沿BB′剖面總體傾角較陡，可見震源分布隨距斷裂遠(yuǎn)近存在從淺到深的分布，勾畫震源深度剖面包絡(luò)線，可以得到傾角約70°的斷面。

圖3 重新定位后震中分布剖面（a）AA′ 剖面；（b）BB′ 剖面Fig.3 Earthquake epicenters after relocation and profle of focal depth

2.3 斷層面求解

采用贊皇震群重新定位數(shù)據(jù)反演斷層參數(shù)，結(jié)果顯示，斷層走向NE，傾向NE［圖4（a），圖4（b）］，傾角較大［圖4（c）］，小震距斷層面在0.5km以內(nèi)精度較高［圖4（d）］，根據(jù)萬永革等（2007）提出的將模擬退火算法和高斯—牛頓算法相結(jié)合的有效算法，避免對初始解的依賴得到全局最優(yōu)解，求得斷層走向、傾角、到坐標(biāo)原點距離及斷層面4個頂點位置（表2），并給出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差。由贊皇震群反演確定斷層近乎直立，北偏東41°［圖2（b）］。應(yīng)用萬永革等（2007）提出的應(yīng)力軸方位較傾角準(zhǔn)確、R值相對難以確定的準(zhǔn)則，假定P、T軸方位誤差5°，相對應(yīng)力大小誤差0.1°，依據(jù)大華北構(gòu)造應(yīng)力場參數(shù)（Wan Y G，2010）和地震斷層面幾何參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差，推算滑動角為-155.907 5°，認(rèn)為斷層為右旋走滑斷層，標(biāo)準(zhǔn)差為6.617 4°。

圖4 贊皇地震斷層重新定位小震分布（a）水平面；（b）斷層面；（c）垂直于斷層面的橫斷面投影；（d）小震距斷層面距離的分布Fig.4 Distribution of precisely located small earthquakes near the ZAH fault

表2 運(yùn)用贊皇震群精定位小震資料求得的地震斷層面走向、傾角和位置Table 2 Fault plane parameters determined precisely local earthquake for segments in ZAH earthquake

2.4 地震序列震源機(jī)制解

在獲得精確的震源位置后，采用精定位所用速度結(jié)構(gòu)和垂直向直達(dá)P、S波最大振幅比及初動計算震源機(jī)制解的方法（梁尚鴻等，1984），對贊皇震群ML＞ 2.0地震進(jìn)行震源機(jī)制解研究。為了保證單個震源機(jī)制解的穩(wěn)定性，參與計算的臺站數(shù)目要求不少于6個，且在震中周圍均勻分布，震中距控制在120km之內(nèi)，避免出現(xiàn)Pn和Pg混淆現(xiàn)象；2013年5月20日至7月3日發(fā)生ML＞ 2.0地震9次，使用位于震中四象限范圍內(nèi)數(shù)字記錄垂直分量P波初動、P波和S波最大振幅比法，反演震源機(jī)制解。5月26日22點53分ML2.1地震由于雙震重疊無法識別P波初動，其余8個震源機(jī)制類型基本一致，均為右旋走滑（圖5）。

圖5 贊皇震群震源機(jī)制解Fig.5 Focal mechanism solutions of ZAH earthquake swarm

由圖5可見，參與計算震源機(jī)制的臺站空間分布較好，P波初動符號（向上或向下）呈很好的四象限分布，且觀測點沿地震射線在震源球下半球的投影點及初動符號對2個節(jié)面的空間位置限制嚴(yán)格。因此，認(rèn)為該震源機(jī)制解比較可靠。根據(jù)余震分布［圖2（b）］確定NE向節(jié)面為斷層面，角度約40°。贊皇臺、臨城臺、昔陽臺和井陘臺及后架設(shè)的兩套流動臺站（L1301，L1303），均記錄到震群中ML＞ 1.0地震，且地震的P波初動符號高度一致，贊皇臺為“-”，臨城臺為“+”，L1301為“-”，L1301為“+”。

圖6是震源機(jī)制解參數(shù)統(tǒng)計，Strike為節(jié)面走向，主要集中于NE45°和NW45°；dip是節(jié)面傾角，集中在75°，和震源斷層擬合結(jié)果一致性較好；slip是節(jié)面滑動角，接近0°或180°，反映出震源斷層多為走滑類型，與斷層擬合結(jié)果的走滑性質(zhì)基本一致。震源機(jī)制應(yīng)力軸P、T軸傾角Pdip和Tdip均較小，接近水平方向，反映了斷層的在水平主壓應(yīng)力作用下的走滑錯動狀況，Paz是最大壓應(yīng)力主軸的方位，NEE方向優(yōu)勢分布明顯，Taz是最小壓應(yīng)力主軸的方位，NNW方向優(yōu)勢分布明顯和華北地區(qū)區(qū)域應(yīng)力場方向基本一致。

圖6 震源機(jī)制解參數(shù)統(tǒng)計Fig.6 Parameters of focal mechanism solutions

3 結(jié)論

（1）對贊皇震群進(jìn)行重新定位，結(jié)果顯示：地震分布比較集中，且呈NE向展布，主要集中在寬4km、深4—8km的空間范圍內(nèi)；采用模擬退火全局搜索和高斯—牛頓局部搜素相結(jié)合的方法，估算斷層面走向NE41.28°±2.80°、傾角76.97°±1.02°，基于華北地殼應(yīng)力場參數(shù)，反演斷層面滑動角為-155.9075°±6.6174°。

（2）計算震群中8個ML2.0以上地震的震源機(jī)制解，斷層面優(yōu)勢走向為NE45°和NW45°。傾角約75°，P、T軸接近水平方向，和華北區(qū)域應(yīng)力場基本一致。

（3）小震精確定位結(jié)果模擬斷層面與震源機(jī)制解斷層面結(jié)果一致性較好，表明此次小震群活動在區(qū)域應(yīng)力場作用下可能形成一系列性質(zhì)接近的微小斷裂。

小震群活動往往發(fā)生在多震地區(qū)及有大斷層穿過的地震活動帶上，贊皇震群區(qū)屬于弱震區(qū)，周邊30km內(nèi)歷史上未發(fā)生過5級以上地震（楊銳等，2014），小震活動弱，且震源區(qū)附近無較大斷層，在此背景下，2013年贊皇震群活動顯得更加突出，發(fā)生機(jī)理較為特殊。因附近無明顯斷裂穿過，而此次震群的最大震級僅為ML3.2，即使形成斷層，尺度也較小，如何研究和描述需開展進(jìn)一步工作。小震斷層擬合與震源斷層面解相互印證的研究思路需要更多震例檢驗，在此希望對相關(guān)地震研究提供新思路和方法。

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Analysis of the focal tomography for Zanhuang small earthquake swarm in Hebei Province

Li Dongsheng，Cai Lingling，Li Xiaojun，Chang Liang，Yang Rui，Li Xueying and Jia Jiong
（Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

Based on the data from Hebei Digital Seismic Network stations and mobile stations，we relocated the earthquakes of Zanhuang small earthquake swarm which occurred on May 20th，2013 through HYPODD methods.The results show that the distribution of those earthquakes is along NE and the source depths are mainly between 4km to 8km.The result from the method combined simulated annealing algorithm and Gauss - Newton algorithm shows that the focal tomography is strike 41°，dip 77°，rake -156°.The focal mechanism for eight earthquakes with magnitude higher than ML2.0 in this earthquake swarm through inversion all show strike NE and NW tendency nodal plane which are consistent with the focal plane with dextral strike-slip fault type.

Zanhuang earthquake swarm，HYPODD relocation，focal mechanism，fault plane solution

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.004

李冬圣（1982—），女，工程師，主要從事地震監(jiān)測及分析工作。E-mail：Lds981112@163.com

2014年測震臺網(wǎng)青年骨干項目（20140302）及河北省重點地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)及地震監(jiān)測預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研究（132754071）聯(lián)合資助

本文收到日期：2015-01-08