河套地震帶中小地震的震源機(jī)制測(cè)定及應(yīng)力場(chǎng)特征

韓曉明劉芳張帆魏建民徐巖侯迪李娟梁沙沙

1　內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲里木路80號(hào)，010010

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河套地震帶中小地震的震源機(jī)制測(cè)定及應(yīng)力場(chǎng)特征

韓曉明1劉芳1張帆1魏建民1徐巖1侯迪1李娟1梁沙沙1

1內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲里木路80號(hào)，010010

摘要：運(yùn)用振幅比和CAP方法測(cè)定224次地震的震源機(jī)制解，進(jìn)行歸一頻度統(tǒng)計(jì)和震源機(jī)制類(lèi)型時(shí)空分析，以考察河套地震帶的應(yīng)力場(chǎng)在模式轉(zhuǎn)換和應(yīng)力作用方式兩方面的變化形態(tài)。河套地震帶的壓應(yīng)力方位在北東向存在優(yōu)勢(shì)分布，張應(yīng)力方位在北西向存在優(yōu)勢(shì)分布，滑動(dòng)角主要分布在近水平方向，應(yīng)力場(chǎng)整體表現(xiàn)出繼承性運(yùn)動(dòng)特征，表明水平剪切拉張運(yùn)動(dòng)總體控制了帶內(nèi)斷裂的作用模式而多產(chǎn)出走滑型地震，并貫穿整個(gè)研究時(shí)段，屬穩(wěn)態(tài)應(yīng)力作用模式。在太平洋板塊向西俯沖和青藏塊體向北運(yùn)移的聯(lián)合作用下，河套地震帶兩側(cè)的陰山隆起和鄂爾多斯塊體作相對(duì)旋性扭動(dòng)，最終驅(qū)使帶內(nèi)眾多北東-近東西向展布的斷裂產(chǎn)生水平旋性剪切，構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)演化模式。

關(guān)鍵詞：河套地震帶；震源機(jī)制解；振幅比；CAP；應(yīng)力場(chǎng)特征

河套地震帶屬于中國(guó)東部華北至東北應(yīng)力區(qū)的次級(jí)應(yīng)力區(qū)域，最大主壓應(yīng)力方向?yàn)楸睎|(臨河地區(qū))-北東東(呼和浩特至包頭地區(qū))，構(gòu)造應(yīng)力張量結(jié)構(gòu)以走滑型為主(圖1)。本文基于河套地震帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景特征，根據(jù)2001年以來(lái)發(fā)生在河套地震帶的中小地震事件，運(yùn)用振幅比和CAP方法測(cè)定震源機(jī)制，通過(guò)歸一頻度統(tǒng)計(jì)和斷層滑動(dòng)類(lèi)型的時(shí)空分析，考察河套地震帶的應(yīng)力場(chǎng)在模式轉(zhuǎn)換和應(yīng)力作用方式兩方面的變化形態(tài)，并結(jié)合外圍動(dòng)力學(xué)環(huán)境和區(qū)域斷裂構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)闡釋其變化原因。

1研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景及地震活動(dòng)

河套地震帶位于陰山隆起與鄂爾多斯臺(tái)地之間，是鄂爾多斯周緣斷陷帶中規(guī)模最大、構(gòu)造活動(dòng)和垂直差異運(yùn)動(dòng)十分顯著的地區(qū)。第四紀(jì)以來(lái)，陰山隆起與鄂爾多斯塊體之間作相對(duì)左旋的剪切拉張運(yùn)動(dòng)[1]，這種運(yùn)動(dòng)特征通過(guò)1970年以來(lái)河套地震帶發(fā)生的4次6級(jí)以上地震的震源機(jī)制解能得到體現(xiàn)，震源機(jī)制解所表達(dá)的張應(yīng)力方位為NW-NNW，壓應(yīng)力方位為NE-NEE。其中發(fā)生在臨河盆地周緣的兩次地震的張應(yīng)力為NW，壓應(yīng)力為NE，發(fā)生在呼包盆地周緣的兩次地震的張應(yīng)力為NNW，壓應(yīng)力為NEE，表明河套地震帶次級(jí)構(gòu)造單元的應(yīng)力場(chǎng)方向特征并非完全一致[2]。

相對(duì)于歷史地震的高強(qiáng)度，研究區(qū)近代以來(lái)的中強(qiáng)地震表現(xiàn)出高頻度的特點(diǎn)[3-4]。1920年以來(lái)，華北地區(qū)的中強(qiáng)地震出現(xiàn) “填空性”活動(dòng)特征，而位于鄂爾多斯塊體北緣的河套地震帶也在長(zhǎng)期平靜后發(fā)生了5次6級(jí)以上地震。其中，1976～1979年連續(xù)發(fā)生3次6級(jí)以上地震，形成小規(guī)模叢集活躍，使其成為鄂爾多斯塊體周緣中強(qiáng)地震最為活躍的區(qū)域(圖1)。由此可見(jiàn)，河套地震帶的斷裂運(yùn)動(dòng)模式和應(yīng)力場(chǎng)積累規(guī)模具備產(chǎn)出強(qiáng)烈地震的條件。

2震源機(jī)制求解

選擇振幅比[5-6]和CAP(cut and paste)[7]方法進(jìn)行震源機(jī)制測(cè)定，這兩種方法均可削弱臺(tái)站布局、介質(zhì)非均勻性和速度結(jié)構(gòu)模型的影響而得到相對(duì)精確的震源機(jī)制解。ML≥4.0地震采用基于波形擬合反演的CAP方法求解，ML<4.0地震采用基于P波初動(dòng)的振幅比方法求解。CAP反演震源機(jī)制的過(guò)程中，東段的地震采用魏文博等[8]的速度模型，西段的地震采用李祥等[9]的速度模型(圖2)。

2.1振幅比方法和CAP方法

振幅比計(jì)算過(guò)程中，運(yùn)用層狀介質(zhì)中一點(diǎn)源位錯(cuò)模型計(jì)算綜合地震圖得到P、S最大振幅，并對(duì)P、S最大振幅的比值與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來(lái)確定震源機(jī)制。為保證震源機(jī)制解的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)際操作中約定參與計(jì)算的臺(tái)站數(shù)目為5個(gè)以上，振幅讀取精度控制在0.2 mm以內(nèi)，記錄振幅大于0.5 mm且不限幅。同時(shí)，采用限定震中距(150 km以內(nèi))的辦法排除Pn、P11、Sn、S11等震相。

根據(jù)CAP方法和相關(guān)約束原則[7]，挑選震中距在150～500 km范圍內(nèi)地震事件的EVT格式波形記錄，首先將臺(tái)站記錄的儀器響應(yīng)去除，把地震波形旋轉(zhuǎn)至徑向、切向和垂向，分解為Pnl和Snl兩部分，用4階帶通濾波分別在0.05～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz頻段內(nèi)對(duì)Pnl和Snl的噪聲部分進(jìn)行壓制并賦予不同的權(quán)重，然后采用頻率-波數(shù)方法(F-K)計(jì)算震中距的格林函數(shù)并得到合成地震圖，與實(shí)際觀測(cè)波形進(jìn)行互相關(guān)，最終通過(guò)格點(diǎn)搜索方法進(jìn)行震源機(jī)制反演求解。

2.2計(jì)算結(jié)果

2001年以來(lái)河套地震帶224次ML≥2.8地震事件震源機(jī)制結(jié)果見(jiàn)圖3。圖4給出了CAP方法求解震源機(jī)制的示例。對(duì)于波形擬合效果較好的地震(圖4(a))，可以通過(guò)反演不同矩心深度下的震源機(jī)制解(圖4(c))獲取最佳震源深度和最佳雙力偶解(圖4(b))。

圖4(a)為理論地震圖(粗灰線)和觀測(cè)地震圖(細(xì)黑線)的波形擬合效果，每行波形最左側(cè)為臺(tái)站代碼和震中距，擬合曲線下方第1行數(shù)字為理論地震圖相對(duì)觀測(cè)地震圖的移動(dòng)時(shí)間，第2行數(shù)字為理論地震圖和觀測(cè)地震圖的相關(guān)系數(shù)，PnlV、PnlR分別為Pnl垂直分量和徑向分量。圖4(b)為震源深度為4 km時(shí)的最佳雙力偶解(下半球投影)，黑色為拉張區(qū)，白色為壓縮區(qū)；圖4(c)為不同震源深度下的擬合殘差分布，其中深度為4 km時(shí)對(duì)應(yīng)的殘差值最小。

為整體把握震源機(jī)制解所表達(dá)的應(yīng)力場(chǎng)方向特征，分別以10°、20°和30°為基本統(tǒng)計(jì)單位，對(duì)震源機(jī)制參數(shù)進(jìn)行歸一頻數(shù)統(tǒng)計(jì)和累計(jì)比率分析(圖5)。結(jié)果顯示，在研究時(shí)段內(nèi)，斷層的兩個(gè)節(jié)面走向分別在北東至北東東向和北西向存在優(yōu)勢(shì)分布，根據(jù)河套地震帶所轄構(gòu)造的分布特點(diǎn)，北東向節(jié)面更能代表應(yīng)力場(chǎng)方向特征；節(jié)面的傾角分布在30°～80°，覆蓋范圍較大；滑動(dòng)角在±180°和0°附近存在優(yōu)勢(shì)分布，契合研究區(qū)以水平走滑為主的斷層作用機(jī)制特征；壓應(yīng)力方位整體分布呈北東向，張應(yīng)力T軸方位整體分布呈北西向，同樣符合應(yīng)力場(chǎng)背景特征。

3震源機(jī)制類(lèi)型的時(shí)空分布

在震源機(jī)制參數(shù)中，斷層節(jié)面的滑動(dòng)角最易表現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)情形。為考察河套地震帶的震源機(jī)制類(lèi)型構(gòu)成情況，依據(jù)滑動(dòng)角和震源機(jī)制類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]，對(duì)震源機(jī)制類(lèi)型進(jìn)行歸類(lèi)統(tǒng)計(jì)。其中，斜滑型占46.2%、走滑型占33.3%、逆沖型占12.5%、正斷層占8.0%，斜滑型和純走滑型共占79.5%?？梢钥闯?，研究時(shí)段內(nèi)河套地震帶的構(gòu)造應(yīng)力張量結(jié)構(gòu)以走滑為主。

不同的震源機(jī)制類(lèi)型對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力作用模式，其中正斷層對(duì)應(yīng)拉張應(yīng)力，逆斷層對(duì)應(yīng)擠壓應(yīng)力，走滑斷層對(duì)應(yīng)水平剪切應(yīng)力[10]，因此，震源機(jī)制類(lèi)型的時(shí)序分布也可反映應(yīng)力作用方式的時(shí)序變化形態(tài)。從圖6看出，2001年以來(lái)，河套地震帶主要產(chǎn)出走滑型和斜滑型地震，正斷層和逆沖型震源機(jī)制類(lèi)型分布較為稀疏；從空間分布看(圖7)，除在盆地向隆起過(guò)渡地段出現(xiàn)少量的正斷層和逆沖型震源機(jī)制外，河套地震帶內(nèi)地震主要受到水平剪切作用而多表現(xiàn)為走滑型震源機(jī)制。

4結(jié)語(yǔ)

震源機(jī)制類(lèi)型構(gòu)成結(jié)果顯示，2001年以來(lái)，河套地震帶的斜滑型地震占46.2%、走滑型地震占33.3%、逆沖型地震占12.5%、正斷層地震占8.0%，走滑型和斜滑型地震總比例達(dá)到79.5%。歸一頻度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2001年以來(lái)，河套地震帶的壓應(yīng)力方位在北東向存在優(yōu)勢(shì)分布，張應(yīng)力方位在北西向存在優(yōu)勢(shì)分布，滑動(dòng)角主要分布在-30°～30°，即水平剪切拉張運(yùn)動(dòng)總體控制了斷裂的作用模式而多產(chǎn)出走滑型地震。結(jié)合外圍動(dòng)力學(xué)環(huán)境和區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)性質(zhì)分析認(rèn)為，在太平洋板塊向西俯沖和青藏塊體向北運(yùn)移的聯(lián)合作用下，河套地震帶兩側(cè)的陰山隆起和鄂爾多斯塊體相對(duì)作旋性扭動(dòng)，驅(qū)使北東向-近東西向展布的斷裂產(chǎn)生水平旋性剪切而主要產(chǎn)出正走滑型震源機(jī)制。另外，河套地震帶西段應(yīng)力場(chǎng)的壓應(yīng)力方向?yàn)楸北睎|-北東向，東段應(yīng)力場(chǎng)的壓應(yīng)力方位為北東東-近東西向，應(yīng)力場(chǎng)方向的區(qū)域性偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象應(yīng)該是河套地震帶應(yīng)力場(chǎng)長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)典型特征[2]。除了受外圍動(dòng)力學(xué)作用形式以及構(gòu)造塊體的運(yùn)動(dòng)模式約束外，其還可能與西段的斷裂構(gòu)造多呈北東向展布、東段的斷裂構(gòu)造多為近東西向展布有關(guān)(圖1)。斷裂的展布形態(tài)也影響到了震源機(jī)制斷層節(jié)面的方位分布，使其產(chǎn)生構(gòu)造相依的分布特點(diǎn)。

致謝：感謝美國(guó)圣路易斯大學(xué)朱露培教授提供CAP程序。

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FocalMechanismDeterminationofMedium-SmallEarthquakesand

Foundationsupport:TheSparkProgramofEarthquakeTechnologyofCEA，No.XH15010Y.

Aboutthefirstauthor:HANXiaoming,associateresearcher,majorsindigitalseismology,E-mail：hxmpower@126.com.

CharacteristicofStressFieldinHetaoSeismicBelt

HAN Xiaoming1LIU Fang1ZHANG Fan1WEI Jianmin1XU Yan1HOU Di1LI Juan1LIANG Shasha1

1EarthquakeAdministrationofInnerMongolia, 80ZhelimuRoad，Hohhot010010，China

Abstract:InordertoinspectthechangeformofschematransformationandthestressformofHetaoseismicstressfield,weuseamplituderatioandCAPmethodstocalculate224focalmechanismsolutions,basedonnormalizedfrequencystatisticsandanalysisoffaultsliptype.TheresultsshowthattheadvantagedistributionofcompressivestressorientationisNE,theadvantagedistributionoftensilestressorientationisNW,andtherakeangleisdistributednearlyhorizontally.Further,thewholestressfieldshowsinheritancefeatures,horizontalshearandtensioncontrolthestressformoffaultsinHetaoseismicbelt,andthemainoutputsarestrike-sliptypeearthquakes.Throughoutthewholestudyperiod,asteadystressmodelispresented.Combiningperipheraldynamicpropertieswithregionaltectonicmovementdeterminesthat,underthejointactionofthewestwardsubductionofthePacificplateandtheQinghai-Tibetblocknorthwardmigration,YinshanupliftandOrdosblockrelativetodospintwist.Finally,theNE-EWdistributionfaultspresenthorizontalandrotaryshear,andconstitutearelativelystableevolutionmodelofstressfield.

Keywords:Hetaoseismicbelt;focalmechanismsolution;amplituderatio;CAP;characteristicsofstressfield

收稿日期：2015-06-26

第一作者簡(jiǎn)介：韓曉明，副研究員，主要從事數(shù)字地震學(xué)研究，E-mail：hxmpower@126.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.06.006

文章編號(hào)：1671-5942(2016)06-0495-04

中圖分類(lèi)號(hào)：P315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃(XH15010Y)。