2014年河北涿鹿M4.3地震矩張量反演

李冬圣，李文軍，王艷榮，賈　炯，蔡玲玲，張從珍

(1.河北省地震局，石家莊　050021； 2.承德地震中心臺(tái)，河北 承德　067000；3.秦皇島中心臺(tái)，河北 秦皇島　066000)

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2014年河北涿鹿M4.3地震矩張量反演

李冬圣1，李文軍2，王艷榮3，賈炯1，蔡玲玲1，張從珍1

(1.河北省地震局，石家莊050021； 2.承德地震中心臺(tái)，河北 承德067000；3.秦皇島中心臺(tái)，河北 秦皇島066000)

摘要：使用河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄的三分量寬頻帶數(shù)字波形資料，在時(shí)間域反演2014年9月6日河北涿鹿M4.3地震的矩張量解，深度14 km時(shí)得到最佳解，Variance(VR)為92.2、Double-couple (Pdc)值為88、Compensation linear vector dipole(CLVD)值為12，Residual / double-couple(RES/Pdc)達(dá)到9.54×10-12，震源機(jī)制解呈右旋走滑，與格點(diǎn)嘗試法計(jì)算結(jié)果一致，文章結(jié)合涿鹿地區(qū)的地質(zhì)資料和構(gòu)造背景對(duì)發(fā)震斷層進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：河北涿鹿；矩張量反演；震源機(jī)制；發(fā)震構(gòu)造

0引言

地震矩張量解給出了地震的大小、破裂類型以及斷層面的一些參數(shù)，為相關(guān)部門在震后應(yīng)急救援和震后趨勢(shì)判斷過程中提供重要的參考依據(jù)。測(cè)定震源機(jī)制解的方法有多種，比如用SNOKE方法[1]、振幅比法[2]、TDMT方法[3]、CAP方法[4]等。很多學(xué)者應(yīng)用不同的方法求解了不同區(qū)域的震源機(jī)制解，為各地區(qū)開展相關(guān)研究工作提供了一定的參考資料。其中，時(shí)間域地震矩張量反演的方法只需要稀疏臺(tái)網(wǎng)記錄的三分量波形，就可以得到較為可靠的反演結(jié)果，所以在處理中等地震震源機(jī)制解中具有明顯優(yōu)勢(shì)。許多研究表明，由于區(qū)域長(zhǎng)周期地震波對(duì)速度結(jié)構(gòu)的橫向變化及密度的非均勻性相對(duì)不敏感，如果震源位置比較準(zhǔn)確，滿足震源的同步，假設(shè)波形信噪比高，則用區(qū)域范圍稀疏臺(tái)網(wǎng)記錄的三分量長(zhǎng)周期波形就足以反演得到穩(wěn)定的矩張量解[5]。

2014年9月6日18點(diǎn)37分河北涿鹿發(fā)生M4.3地震(40.3°N，115.4°E)，涿鹿縣震感強(qiáng)烈，張家口市周邊大部分縣市有明顯震感[6]。本文使用河北臺(tái)網(wǎng)所接收到的寬頻帶三分量地震儀波形數(shù)據(jù)記錄，利用TDMT方法在時(shí)間域反演涿鹿地震的矩張量解，并與格點(diǎn)嘗試法利用P波初動(dòng)極性得到的計(jì)算結(jié)果相比較，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)背景分析該地震的發(fā)震構(gòu)造。

1研究方法

本文使用Dreger[3]提出的利用區(qū)域長(zhǎng)周期記錄的三分量波形在時(shí)間域反演地震矩張量解的TDMT_INVC方法，通過他們給出的層狀介質(zhì)中點(diǎn)源位錯(cuò)所產(chǎn)生的地震波場(chǎng)表達(dá)式和頻率—波數(shù)方法計(jì)算地震在地表產(chǎn)生的理論位移，利用線性最小二乘方法使給定震源深度的地震理論與觀測(cè)位移擬合殘差最小，得到地震的矩張量解，原理詳見文獻(xiàn)[3]。

具體操作過程：根據(jù)震級(jí)大小確定反演所用臺(tái)站，震中距范圍為200 km內(nèi)；根據(jù)臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量、方位角覆蓋范圍、臺(tái)站正確的儀器響應(yīng)函數(shù)等確定臺(tái)站選擇方案；然后對(duì)觀測(cè)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括去均值，去傾校正，旋轉(zhuǎn)到Z、R、T分量并積分為位移，扣除儀器響應(yīng)函數(shù)，濾波到使用的頻段等；最后使用各臺(tái)站的區(qū)域地殼模型計(jì)算格林函數(shù)并進(jìn)行反演，針對(duì)單臺(tái)反演結(jié)果進(jìn)行多臺(tái)聯(lián)合反演。

2數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及速度結(jié)構(gòu)選擇

2008年以來，經(jīng)過“十五”測(cè)震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)，河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)目前能同時(shí)接收170個(gè)臺(tái)站的信號(hào)，省內(nèi)大部分地區(qū)監(jiān)測(cè)能力達(dá)ML1.5，周邊地區(qū)及鄰近海域監(jiān)測(cè)能力達(dá)ML2.0。2012年在全國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)儀器方位角普查校正工作中，河北、北京、山西、地球所等單位用尋北儀對(duì)各單位所屬的臺(tái)站進(jìn)行了方位角普查與校正，避免了由于方位角偏差對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來的影響。

搜集涿鹿M4.3地震震中距200 km范圍內(nèi)所有寬頻帶數(shù)字波形記錄，排除數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量較差和記錄不完整的臺(tái)站，選擇了ZJK(張家口臺(tái))、CHC(赤城臺(tái))、FEN(豐寧臺(tái))、LLM(琉璃廟臺(tái))、ZKD(周口店臺(tái))、LNQ(靈丘臺(tái))6個(gè)信噪比較高的臺(tái)站波形資料反演矩張量。6個(gè)臺(tái)站全部為基巖臺(tái)，儀器型號(hào)為CTS-1、BBVS-60，數(shù)據(jù)采集器為24位，采樣率為100 Hz。

格林函數(shù)計(jì)算是反演地震矩張量的關(guān)鍵步驟，速度模型的建立對(duì)格林函數(shù)的計(jì)算有很大的影響。本文計(jì)算理論地震圖參考孫若昧等[7]首都圈地區(qū)地殼一維P波速度模型(表1) ，研究中根據(jù)每個(gè)臺(tái)站的位置選用了各自的速度模型。

表1　速度結(jié)構(gòu)

3矩張量反演及結(jié)果分析

2014年9月6日在河北省涿鹿發(fā)生M4.3地震，隨后發(fā)生了10余次震級(jí)較小的余震。圖1為震中及反演所用臺(tái)站分布圖，6個(gè)臺(tái)站分布在震中四周。圖2顯示本次地震LNQ(靈丘臺(tái))原始記錄數(shù)據(jù)經(jīng)過扣除儀器響應(yīng)、濾波等處理過程。

圖1　河北涿鹿M4.3震中及反演所用臺(tái)站分布圖

圖2　LNQ(靈丘臺(tái))記錄的涿鹿M4.3地震觀測(cè)波形預(yù)處理

圖3為河北涿鹿M4.3地震矩張量反演所選用的ZJK、CHC、FEN、LLM、ZKD、LNQ6個(gè)臺(tái)站理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形及反演結(jié)果雙力偶震源機(jī)制下半球投影，同時(shí)繪制出P、T軸。觀測(cè)波形和理論波形互相關(guān)系數(shù)為0.922，震源機(jī)制為右旋走滑類型。

圖3　理論波形與實(shí)際波形擬合及反演結(jié)果(實(shí)線為記錄波形，虛線為理論波形)

為了近一步分析本文矩張量反演結(jié)果的可靠性，反演結(jié)果與MSDP外掛自動(dòng)反演程序計(jì)算結(jié)果相比較(圖3)。自動(dòng)反演中采用了CHD(承德臺(tái))、LUX(灤縣臺(tái))、JIP(經(jīng)棚臺(tái))、ZHB(張北臺(tái))、YAY(陽(yáng)原臺(tái))、DAX(代縣臺(tái))、QSP(秋樹坪臺(tái))等7個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)，雖然兩者使用的臺(tái)站不同，但得出的反演結(jié)果很接近。

反演結(jié)果與格點(diǎn)嘗試法計(jì)算結(jié)果相比較見圖4，表2數(shù)據(jù)顯示本文的計(jì)算結(jié)果與格點(diǎn)嘗試法結(jié)果很相近，由此進(jìn)一步證明了反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4　矩張量自動(dòng)反演結(jié)果

發(fā)震時(shí)間日期時(shí)間MS節(jié)面Ι走向/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)節(jié)面Ⅱ走向/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)備注2014090618:37:404.330212790868-112122188279180-176格點(diǎn)嘗試法TDMT

圖5　涿鹿M4.3震源機(jī)制解比較

圖6　涿鹿M4.3地震矩張量解VR、DC、CLVD和RES/Pdc隨深度的變化

涿鹿地震在地震目錄中給出的震源深度為20 km，震源深度的確定對(duì)于分析地震活動(dòng)構(gòu)造背景具有很重要的作用。TDMT時(shí)間域矩張量反演中，震源深度的不同會(huì)影響理論地震圖的形態(tài)，從而影響矩張量的反演質(zhì)量，為了避免震源深度對(duì)矩張量反演結(jié)果產(chǎn)生的影響，計(jì)算過程中反演了3～20 km不同深度上的地震矩張量解。從圖5可以看出，方差(VR)、殘差和每個(gè)解的DC比(RES/Pdc)在不同的深度上變化很明顯。VR值在14 km處達(dá)到最高點(diǎn)，這表明涿鹿M4.3級(jí)地震在深度14 km時(shí)得到最佳解，此時(shí)DC值為88，CLVD值為12，RES/Pdc達(dá)到9.54×10-12，震源機(jī)制解顯示節(jié)面Ι走向127°，傾角86°，滑動(dòng)角-11°，節(jié)面Ⅱ走向218°，傾角79°，滑動(dòng)角-176°，為右旋走滑斷層，地震矩M0為2.62×1022。

4討論與結(jié)論

1)利用河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄的寬頻帶三分量數(shù)字波形資料反演了2014年9月6日河北涿鹿M4.3地震的矩張量解，臺(tái)站較為均勻的分布在震中周圍，波形擬合質(zhì)量較好，時(shí)間域矩張量反演結(jié)果與自動(dòng)反演結(jié)果和格點(diǎn)嘗試法計(jì)算結(jié)果十分接近。

2)地震震中位于華北斷塊區(qū)山西斷陷帶內(nèi)，震源機(jī)制解表明，節(jié)面Ⅱ呈NE向，右旋走滑型，與延礬北緣斷裂走向符合,與該區(qū)域的震源機(jī)制解類型和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)基本一致[8]。歷史上該地區(qū)地震活動(dòng)較強(qiáng)，共發(fā)生M5.0以上地震 17 次。帶內(nèi)發(fā)育有一系列NE、NNE向的晚第三紀(jì)斷陷盆地，本次地震就發(fā)生在山西斷陷帶內(nèi)延慶—礬山盆地(簡(jiǎn)稱延礬盆地)北緣斷裂附近(圖1)。1995年7月該地區(qū)曾發(fā)生震群事件，最大地震為M3.6，這次涿鹿M4.3地震與1995年的震群事件都發(fā)生在斷層西南段的燕王溝—黑山寺—紅土溝斷層NE方向的延長(zhǎng)線上，刁桂苓等[9]通過調(diào)查分析得出該斷層長(zhǎng)175 km，走向30°～45°，傾向SE，傾角55°～75°，最后一次地表位錯(cuò)事件在晚更新世末期，屬于正斷層性質(zhì)。于貴華等[10]通過選用該區(qū)50余次地震的震源機(jī)制解分析，延礬盆地北緣斷裂在地表附近以脆性變形為主，表現(xiàn)為斷裂錯(cuò)動(dòng)，在距地表4 km左右破裂帶開始變寬；隨著深度的加大,因地下溫壓增大,地殼物質(zhì)開始出現(xiàn)脆韌性轉(zhuǎn)換,破裂面向傾向方向偏移,正斷層滑動(dòng)面也有向剪切變形帶轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。而本次涿鹿M4.3地震震源深度14 km，震源斷層呈右旋走滑，與1995年該區(qū)震群的震源斷層性質(zhì)相同，和延礬盆地北緣斷裂深淺構(gòu)造存在差異特征相符。這次地震在序列上能分出主震和余震，其能量釋放集中在主震時(shí)，屬于孤立型地震，地震有感范圍較廣，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員考察發(fā)現(xiàn)未造成重大災(zāi)害[11]。

3)雖然在時(shí)間域反演了2014年涿鹿M4.3地震的斷層面解和地震矩心深度等，但還不能完全揭示地震的發(fā)生、發(fā)展全過程，應(yīng)通過其他方法并結(jié)合2013年3月3—5日河北涿鹿微震群事件，進(jìn)一步研究該地區(qū)的發(fā)震構(gòu)造和孕震背景。 參考文獻(xiàn)：

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Seismic Moment Tensor Inversion of 2014 ZhuoluM4.3 Earthquake

LI Dong-sheng1, LI Wen-jun2, WANG Yan-rong3, JIA Jiong1, CAI Ling-ling1, ZHANG Cong-zhen1

(1. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;2. Chengde Central Seismic Station, Chengde 067000, China;3. Qinhuangdao Central Seismic Station, Qinhuangdao 066000, China)

Abstract:Using Three-component broadband digital waveform data from Hebei Digital Seismograph Network, we inversed the seismic moment tensor of Hebei Zhuolu M4.3 earthquake on September 6, 2014 in time domain, obtain the optimum solution at the depth of 14km. The results show that the Variance (VR) is 92.2, the Double-couple (Pdc) value is 88, the Compensation linear vector dipole(CLVD) is 12 and the Residual/double-couple (RES/Pdc) is 9.54×10-12. The focal mechanism solution is of right-lateral strike-slip type which is consistent with the result from grid method. The seismogenic structure of the earthquake is discussed combining with geological data and background tectonic of the Zhuolu area.

Key words:Hebei Zhuolu; seismic moment tensor inversion; focal mechanism solution; seismogenic structure

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.006

中圖分類號(hào):P315.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1003-1375(2016)01-0036-05

作者簡(jiǎn)介：李冬圣(1982—)，女(漢)，河北冀州人，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)及分析工作.E-mail：Lds981112@163.com

基金項(xiàng)目：2014年測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干項(xiàng)目(20140302)

收稿日期:2015-03-05

李冬圣 ，李文軍，王艷榮，等．2014年河北涿鹿M4.3地震矩張量反演[J].華北地震科學(xué),2016,34(1):36-40.