1989
—1999大同地震序列的隱伏斷層研究：庫(kù)侖應(yīng)力分析和余震JHD重定位

馮永革， 王海洋, 陳永順， 黃清華

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院理論與應(yīng)用地球物理研究所， 北京　100871

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1989
—1999大同地震序列的隱伏斷層研究：庫(kù)侖應(yīng)力分析和余震JHD重定位

馮永革， 王海洋, 陳永順*， 黃清華

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院理論與應(yīng)用地球物理研究所， 北京100871

摘要1989年到1999年，大同—陽(yáng)高地區(qū)發(fā)生了一系列MS≥5的中強(qiáng)地震.本文基于前人對(duì)1989年三次MS≥5地震的震源機(jī)制反演的結(jié)果，通過建立不同斷層模型，利用庫(kù)侖應(yīng)力方法，計(jì)算前震對(duì)于主震，以及前震和主震對(duì)于余震的庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系，提出了一種可能的破裂模型，即1989年前震沿北西西方向發(fā)生左旋破裂，之后主震和余震沿北北東方向發(fā)生右旋破裂.根據(jù)這種破裂模式計(jì)算得出，前震發(fā)生后，主震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力增加了約2×105 Pa，余震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力出現(xiàn)下降；主震發(fā)生后，余震處的庫(kù)侖應(yīng)力出現(xiàn)回升，最后余震處的庫(kù)侖應(yīng)力幾乎沒有變化.基于大同地震臺(tái)網(wǎng)的近場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，用JHD(Joint Hypocentral determination)定位方法，對(duì)1999年11月1日MS=5.6地震后一個(gè)月的余震進(jìn)行重定位，得到一條走向118°，傾角85°的左旋走滑斷層，余震的深度分布在5 km至20 km范圍內(nèi)，顯示該斷層是隱伏斷層.另外提出對(duì)主震震中位置約10 km的修正.本文對(duì)1989年三次MS≥5地震序列和1999年MS=5.6地震余震空間分布的研究揭示該地區(qū)存在兩條活躍的共軛隱伏走滑斷層(1989年主震的北北東方向和1999年地震的北西西方向)，并且推斷已知的大王村斷裂和團(tuán)堡斷裂是地下這兩條共軛的隱伏走滑斷層構(gòu)造/地震活動(dòng)在地表的響應(yīng).

關(guān)鍵詞大同地震； 庫(kù)侖應(yīng)力； 地震觸發(fā)； JHD定位方法

1引言

大同—陽(yáng)高地震序列發(fā)生在山西、河北、內(nèi)蒙古交界地區(qū)，處于首都北京西北附近幾十公里處，是1976年唐山7.8級(jí)大震后，華北地區(qū)最活躍的地震事件之一.1989年至今，大同—陽(yáng)高地區(qū)已經(jīng)發(fā)生了5次MS震級(jí)大于5級(jí)的地震(表1)，其中包括1989年10月18日發(fā)生的三次MS震級(jí)大于等于5.5的前震、主震和余震序列.2010年4月4日，大同—陽(yáng)高地區(qū)再次發(fā)生了MS震級(jí)為4.6級(jí)的地震.這些地震都沒有造成地表的破裂，可能都是源自隱伏斷層.由震源機(jī)制解研究獲得的破裂方向和在震源附近僅有的2條地質(zhì)斷裂(大王村斷裂和團(tuán)堡斷裂)的走向也存在明顯的差別.因此，對(duì)大同—陽(yáng)高地震序列的詳細(xì)研究對(duì)于研究這一地區(qū)地震活動(dòng)性和斷層特點(diǎn)，尤其是隱伏斷層蘊(yùn)育地震這一科學(xué)難題具有重要的科學(xué)意義，也有利于該區(qū)域未來的防震減災(zāi)工作.

表1　大同地震序列的地震參數(shù)(來自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng))

大同—陽(yáng)高地區(qū)(圖1)處于大同盆地南緣，六棱山以北.大同盆地位于山西斷裂帶的北端，盆地總體走向?yàn)楸睎|-北東東，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多處隆起和凹陷組成.北東走向的口泉斷裂、北東東走向的六棱山斷裂、恒山北緣斷裂是盆地內(nèi)的3條主要活動(dòng)斷裂，它們控制著盆地的形成、發(fā)育以及新構(gòu)造格局和地震活動(dòng)(仇轉(zhuǎn)和劉巍，2005b).

對(duì)于大同—陽(yáng)高地震序列，許多學(xué)者從活動(dòng)構(gòu)造、余震分布、等烈度線、震源機(jī)制等方面研究了該地震的發(fā)震構(gòu)造及震源特征.韋寶珠等(1992)根據(jù)Pnl及SH波記錄進(jìn)行了波形擬合，分析了1989年地震的震源機(jī)制結(jié)果；刁桂苓等(1993)通過對(duì)小震和余震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出大同震群具有體破裂的結(jié)論；徐建德(1992)根據(jù)1989年余震震中分布、震源機(jī)制解、等震線長(zhǎng)軸方向及地表地質(zhì)現(xiàn)象等，對(duì)幾次地震的破裂方向進(jìn)行了討論；劉瑞豐等(1995)使用震中距為3°～90°的CSDN臺(tái)網(wǎng)的P波長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)，用時(shí)間域內(nèi)線形反演的方法，得到了大同地震序列的震源機(jī)制與斷層面解；王鳴和王培德(1992)、王鳴等(1994)通過對(duì)余震震中分布的分析，分別研究了1989年和1991年的地震的斷層面；朱艾斕等(1999)研究了1989年和1991年大同—陽(yáng)高兩次地震的震源斷層的三維特征；蘇宗正和程新原(1992)經(jīng)過地質(zhì)考察發(fā)現(xiàn)大王村斷裂和團(tuán)堡斷裂很可能就是發(fā)震斷層，并且對(duì)幾次地震的破裂方向進(jìn)行了判斷.

圖1　山西大同—陽(yáng)高地區(qū)地形圖圖中藍(lán)色邊框區(qū)域?yàn)楸疚挠?jì)算庫(kù)侖應(yīng)力變化的區(qū)域，黑色粗線表示該區(qū)域已知斷裂帶，紅色五星為幾次地震的震中，黃色三角形為大同地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)的子臺(tái)站.Fig.1　Datong-Yanggao area of Shanxi Coulomb stress calculations are performed within the area bounded by the dash blue rectangular. Black lines indicate the local faults. Red stars are the 5 earthquakes with MS≥5.5. Yellow triangles denote a sub array of Datong Earthquake Array.

對(duì)于大同—陽(yáng)高地震序列的震源機(jī)制解，前人的研究結(jié)果比較相似，斷層節(jié)面與華北構(gòu)造剪切應(yīng)力方向一致(許忠淮等，1983).但是，由于大同—陽(yáng)高地震序列的發(fā)震斷層在地表沒有明顯出露，所以對(duì)于1989年三次中強(qiáng)地震的斷層破裂方向，不同學(xué)者給出的解釋不同.韋寶珠等(1992)和朱艾斕等(1999)認(rèn)為1989年三次MS≥5.5的地震均發(fā)生在同一斷層，走向是北北東方向；蘇宗正和程新原(1992)經(jīng)過地質(zhì)調(diào)查認(rèn)為，1989年前震和余震沿北西西方向，主震沿北北東方向；徐建德(1992)認(rèn)為1989年前震破裂方向?yàn)榻鼥|西向，主震和余震破裂方向?yàn)楸北睎|方向；王焱等(2002)結(jié)合地震宏觀烈度資料認(rèn)為前震、主震走向北北東，余震走向北北西向.

由于1989年的三次MS≥5的地震發(fā)震時(shí)間相差僅為幾個(gè)小時(shí)，本文從其相互之間的靜態(tài)彈性應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系角度分析，結(jié)合震區(qū)的地質(zhì)和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)狀況，合理建立這三次地震事件的斷層模型，分析震后庫(kù)侖應(yīng)力變化，進(jìn)而討論大同—陽(yáng)高地震序列中三次地震破裂斷層的參數(shù).

1999年主震震中位置相對(duì)1989和1991年的4次地震震中有約10 km的向東偏移.王焱等(2002)通過大同遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了1999年地震的發(fā)震斷層，并推測(cè)此斷層可能是新破裂.但是其地震定位精度較低，且未考慮到主震震源位置與其余震的相對(duì)位置關(guān)系.本文通過對(duì)地震后一個(gè)月的余震進(jìn)行高精度重定位，以對(duì)1999年主震震源斷層進(jìn)行約束，同時(shí)比較其與1989年和1991年幾次地震的震源機(jī)制解和震中相對(duì)位置，提出1999年主震可能和1989年前震是發(fā)生在同一個(gè)北西西走向的隱伏斷層，其震中位置可能存在向西北方向5～10 km的修正.

2研究方法

本文采用的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力方法基于庫(kù)侖—納維破裂準(zhǔn)則計(jì)算地震產(chǎn)生的庫(kù)侖應(yīng)力變化、地表位移等，有

(1)

其中τβ是破裂面上的剪應(yīng)力，S為巖石的剪切強(qiáng)度，σβ是正應(yīng)力(膨脹為正)，p為孔隙壓，μ為摩擦系數(shù).當(dāng)某個(gè)面上的剪切應(yīng)力達(dá)到或大于巖石的剪切強(qiáng)度和摩擦阻抗的差時(shí)，該面就容易發(fā)生脆性破裂.通常所說的庫(kù)侖應(yīng)力標(biāo)志著一個(gè)面趨于破裂的程度.因此通過計(jì)算庫(kù)侖應(yīng)力變化Δσf就可以分析一個(gè)面趨于破裂的可能性大小(King et al., 1994)，其中

(2)

地震應(yīng)力觸發(fā)是指由于地震的發(fā)生造成臨近區(qū)域庫(kù)侖應(yīng)力變化，從而影響了整個(gè)區(qū)域內(nèi)斷層的活動(dòng)性.具體來說，是指前面地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化張量投影到后續(xù)地震的斷層面和滑動(dòng)方向上，再考慮到正應(yīng)力孔隙壓力和摩擦系數(shù)的影響，得到庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化.若庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化方向與后續(xù)地震斷層滑動(dòng)方向一致，即庫(kù)侖應(yīng)力變化為正，前面地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化促使斷層破裂，則地震可能被觸發(fā)，地震危險(xiǎn)增大；反之，負(fù)庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化抑制斷層的破裂，發(fā)生地震的可能性降低，此區(qū)域稱為“應(yīng)力影區(qū)”(萬(wàn)永革等，2002).靜態(tài)庫(kù)倫應(yīng)力觸發(fā)機(jī)制在國(guó)內(nèi)外短期地震叢事件的應(yīng)用十分廣泛(Stein et al., 1994; 岳漢等，2008；張竹琪等，2008).對(duì)于大同—陽(yáng)高震群，1989年的三次MS≥5級(jí)地震，發(fā)震事件間隔只有數(shù)小時(shí)，十分適于靜態(tài)彈性庫(kù)倫應(yīng)力觸發(fā)的研究.對(duì)于1991年的地震，由于相隔時(shí)間較長(zhǎng)，適于用黏彈性模型下的庫(kù)倫應(yīng)力觸發(fā)機(jī)制研究(Freed and Lin, 1998)，不在本文討論范圍.

31989年三次地震的斷層模型

3.1模型參數(shù)

3.1.1地質(zhì)參數(shù)及區(qū)域應(yīng)力

大同盆地是新生代火山和玄武巖活動(dòng)的區(qū)域，因此計(jì)算時(shí)巖石的剪切模量采用玄武巖的剪切模量.玄武巖的剪切模量μ一般在19.976～32.973 GPa之間變化，本文中近似取μ為22 GPa.巖石泊松比一般為0.10～0.35，這里取最接近地球介質(zhì)的0.25.對(duì)于摩擦系數(shù)，根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，摩擦系數(shù)取值為0.4比較適宜，但小幅的變化對(duì)于結(jié)果并沒有決定性的影響.

山西地塹系所處的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有北西—南東向拉張，北東—南西向擠壓的特點(diǎn).本文在計(jì)算中采用的是許忠淮等(1983)給出的結(jié)果：大同—陽(yáng)高地震序列位于P軸NE55°，T軸NW35°(近水平)的呼和浩特區(qū).

3.1.2斷層參數(shù)

仇轉(zhuǎn)和劉巍(2005a)根據(jù)地震后的余震分布長(zhǎng)軸方向判斷，前震、主震、余震的破裂面長(zhǎng)度分別是8、10、8 km.王鳴和王培德(1992)通過對(duì)1989年三次地震后的余震進(jìn)行定位，認(rèn)為1989年主震后應(yīng)力釋放比較徹底的區(qū)域面積約為60 km2.再考慮到三次地震均以高角度斷層走滑為主，破裂面寬度分別設(shè)定為5、6 km和5 km.王鳴和王培德(1992)對(duì)1989年余震定位的結(jié)果還顯示，余震在豎直方向主要分布在3～13 km的范圍內(nèi).因此，根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)地震目錄給出的地震定位深度結(jié)果，假設(shè)1989年主震震源位于斷層的底部，前震和余震震源位于斷層中央，破裂方式均假設(shè)為雙向破裂.

對(duì)比各個(gè)文獻(xiàn)中給出的震源機(jī)制，本文計(jì)算時(shí)采用劉瑞豐等(1995)得到震源機(jī)制解.劉瑞豐給出的幾次地震的震源機(jī)制解，與Harvard CMT給出的結(jié)果基本一致，只有在1989年前震節(jié)面1的滑動(dòng)角上二者相差30°.但是許多學(xué)者指出(王鳴和王培德，1992；韋寶珠等，1992；朱艾斕等，1999)，大同—陽(yáng)高地震序列的震源斷層為高角度走滑形式，因此，這里采用劉瑞豐等(1995)文中的結(jié)果也是合理的.

地震矩張量有簡(jiǎn)單的計(jì)算公式：

(3)

其中，μ為剪切模量，S為斷層面面積，L為斷層面平均位錯(cuò).在已知μ，M0，S的情況下，可以估算L.根據(jù)公式(3)，結(jié)合表2給出的地震矩張量以及前文估計(jì)的斷層面參數(shù)，可以估算出1989年3次地震的斷層面平均位錯(cuò)(見表3).

表2　1989年大同—陽(yáng)高地震序列的震源機(jī)制解

表3　1989年3次地震的震源斷層參數(shù)

前人研究一致認(rèn)為，1989年主震的震源斷層走向?yàn)楸北睎|方向(蘇宗正和程新原，1992；王鳴和王培德，1992；韋寶珠等，1992；朱艾斕等，1999；王焱等，2002).但是對(duì)于前震和余震的震源斷層走向，如前文所述，仍存在很多爭(zhēng)議.本文分別建立模型，討論前震和余震的震源斷層參數(shù).

3.21989年前震斷層參數(shù)

分別采用表2中1989年前震的兩個(gè)節(jié)面為斷層面參數(shù)，建立模型，采用Coulomb 3.0軟件包(Toda et al., 2005)，計(jì)算前震發(fā)生后對(duì)周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響，主要是靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化.

由圖2、3比較可知，若前震震源斷層采用節(jié)面1的參數(shù)，則主震震源位于庫(kù)侖應(yīng)力增加區(qū)，且震源處的庫(kù)侖應(yīng)力增大約2×105Pa；若前震震源斷層采用節(jié)面2的參數(shù)，則主震震源位于庫(kù)侖應(yīng)力降低區(qū)，且震源處的庫(kù)侖應(yīng)力降低約0.6×105Pa.考慮到前震和主震先后發(fā)生，相隔時(shí)間約2 h，前震的發(fā)生應(yīng)該更有可能觸發(fā)主震而不是抑制主震.因此，1989年前震的走向更有可能是北西西方向，也即前震首先發(fā)生左旋走滑，之后主震發(fā)生右旋走滑，二者構(gòu)成共軛破裂，前震的發(fā)生很可能觸發(fā)了主震的發(fā)生.

圖2　1989年前震引起的靜態(tài)庫(kù)倫應(yīng)力變化.1989年前震斷層采用節(jié)面1的參數(shù)：走向104.8°，傾角86.7°，滑動(dòng)角-9.6°.圖中紅色線條表示斷層，綠線表示若斷層延伸至地表，假想的斷層地表出露，白色五星表示震源位置.1989主震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力增加了大約2×105 PaFig.2　Coulomb stress change induced by the 1989 foreshock. Parameters of the focal plan 1 of the 1989 foreshock are: strike 104.8°, dip 86.7°, rake -9.6°. Red lines are the buried faults. Green lines indicate the projections of the faults along the dip direction to the surface. White stars denote the source locations. The Coulomb stress increases by about 2 ×105 Pa at the 1989 main shock location

圖3　1989年前震引起的靜態(tài)庫(kù)倫應(yīng)力變化. 1989年前震斷層采用節(jié)面2的參數(shù)：走向195.3°，傾角80.4°，滑動(dòng)角-176.7°.1989年主震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力降低了約0.6×105 PaFig.3　Coulomb stress change induced by the 1989 foreshock. Parameters of the focal plan 2 of the 1989 foreshock are: strike 195.3°, dip 80.4°, rake -176.7°. The Coulomb stress decreases by about 0.6 ×105 Pa at the 1989 main shock location

3.31989年余震斷層參數(shù)

分別采用表2中的1989年余震的兩個(gè)節(jié)面為斷層面參數(shù)，建立模型，計(jì)算前震和主震對(duì)周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響，主要是靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化.計(jì)算中，1989年前震的斷層參數(shù)選取節(jié)面1，即前述確定的斷層節(jié)面.

比較圖4、5可知，若余震震源斷層為表2中的節(jié)面1，則余震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力將下降2×105Pa左右，也即余震震源處的破裂會(huì)受到抑制；若余震震源斷層為節(jié)面2，則余震處的庫(kù)侖應(yīng)力變化為0.余震在主震后1 h發(fā)生，這么短的時(shí)間內(nèi)，余震更有可能被觸發(fā)而不是被抑制.雖然采用節(jié)面2的參數(shù)計(jì)算出的結(jié)果并沒有顯示余震處的庫(kù)侖應(yīng)力有顯著的增加，但相比于節(jié)面1，節(jié)面2更可能是斷層面.因此，首先發(fā)生的左旋走滑的前震，降低了余震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力，接著發(fā)生的右旋走滑的主震又增加了余震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力，最后發(fā)生了右旋走滑的余震.

圖5　1989前震和主震引起的靜態(tài)庫(kù)倫應(yīng)力變化.1989年余震斷層采用節(jié)面2的參數(shù)：走向196.3°，傾角82.6°，滑動(dòng)角-176.2°. 余震震源處， 也即7 km處的庫(kù)侖應(yīng)力變化幾乎為0， 但是余震斷層的絕大部分均位于庫(kù)侖應(yīng)力顯著增加區(qū)Fig.5　Coulomb stress change induced by the 1989 foreshock and main shock. Parameters of the focal plan 1 of the 1989 aftershock are: strike 196.3°, dip 82.6°, rake -176.2°. The Coulomb stress stays unchanged at the 1989 aftershock location, but most of the aftershock fault is located at the area where the Coulomb stress increase significantly

綜上，通過建立斷層模型，計(jì)算靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化，從應(yīng)力觸發(fā)的角度推斷出1989年前震斷層的走向?yàn)楸蔽魑鞣较颍?989年余震的震源斷層走向?yàn)楸北睎|方向.在區(qū)域應(yīng)力的作用下，大同—陽(yáng)高的地震斷層呈現(xiàn)共軛斷層的特點(diǎn).

41999年地震后一個(gè)月余震的重定位

采用大同地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)地震目錄11月的地震數(shù)據(jù)，對(duì)1999年11月1日主震后一個(gè)月的約200次震級(jí)大于1.0的小震進(jìn)行精確重定位.

4.1數(shù)據(jù)及參數(shù)選取

大同震區(qū)位于大同地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)之內(nèi)(圖1)，本文所用的六個(gè)子臺(tái)分布在長(zhǎng)100 km、寬50 km的范圍中，臺(tái)站間距30 km左右，各個(gè)臺(tái)站的震中距在20～70 km之間(王焱等，2002).大同—陽(yáng)高地震序列分布在幾十公里的范圍內(nèi).結(jié)合以上因素，采用JHD(Joint Hypocentral Determination，震源聯(lián)合定位法)(Pujol, 2000)對(duì)1999年大同地震的余震進(jìn)行重定位.大同地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)的子臺(tái)位置參數(shù)見表4.P波速度模型采用王鳴和王培德(1992)對(duì)1989年大同地震的余震進(jìn)行定位時(shí)的模型，見表5.

表4　大同地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)的子臺(tái)位置參數(shù)

表5　定位時(shí)采用的P波速度結(jié)構(gòu)

4.2重定位結(jié)果

經(jīng)過JHD重定位，得到1999年大同地震后一個(gè)月的余震定位結(jié)果，其中定出243次震級(jí)大于1.0的余震參數(shù)，平均走時(shí)殘差為0.2 s，最大走時(shí)殘差0.3 s.余震平面分布見圖6.經(jīng)過最小二乘擬合，得到的斷層面走向?yàn)?17.95°，斷層傾角為85°(圖7).與這一斷層面相對(duì)應(yīng)的Harvard CMT給出的1999年主震震源機(jī)制為走向122 °，傾角72°，滑動(dòng)角-7°，二者十分接近.

圖6　1999年主震后的余震經(jīng)過JHD重定位的結(jié)果.黑色五星為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)地震目錄給出的1999年主震位置.余震斷層的走向與震源機(jī)制解中左旋走滑的節(jié)面十分接近.白色五星為1989年至1991年4次MS≥5.5的地震震源位置.A′A: 推斷的1999年發(fā)震斷層.BB′: 推斷的1989年發(fā)震斷層Fig.6　Relocated aftershocks using JHD after the 1999 main shock. Black star denotes the main shock location provided by CENC. The strike of the fault agrees well with the focal mechanism. White stars are the 4 MS≥5.5 earthquakes from 1989 to 1991. A′A: Inferred fault of 1999 main shock. BB′: Inferred fault of 1989 main shock

圖7　(a)1999年余震定位后投影到1999斷層A′A走向上的結(jié)果，實(shí)五星為1999年震源；(b)1999年余震定位后投影到1989年主震斷層BB′走向上的結(jié)果，直線的傾角為85°Fig.7　(a)Aftershocks projected on the strike direction of the 1999 main shock, A′A.Solid star is the main shock location provided by CENC；(b)Aftershocks projected on the strike direction of the 1989 main shock, BB′. The dip of the least-square fitting line is 85°

從圖7a中可以看出，余震分布長(zhǎng)約11 km，深度范圍為6～17 km，但是主震的位置距余震定出的斷層位置約5 km左右.圖7a中虛線表示若把震源位置沿?cái)鄬幼呦蛳蛭饕苿?dòng)10 km，則震源就落在余震定出的斷層面上虛五星的位置.圖7b中顯示斷層為高角度近乎直立斷層.

據(jù)此，1999年主震的震源斷層應(yīng)該是走向北西西向，傾角85°的左旋走滑斷層.其中，斷層面長(zhǎng)約10 km，寬約11 km.考慮到地震震級(jí)為MS=5.6，假設(shè)斷層的平均位錯(cuò)為0.3 m.則根據(jù)公式(3)，可粗略估算出1999年主震的矩張量約為6× 1017N·m.而Harvard CMT給出的1999年主震的矩張量為2.3×1017N·m，與理論結(jié)果數(shù)量級(jí)相符.因此文中的斷層面比較合理，可以認(rèn)為是1999年的發(fā)震斷層.圖6和圖7a中顯示，1999年主震震源位置偏離余震斷層約5km.考慮到地震定位的誤差，主震震源真實(shí)位置沿?cái)鄬幼呦蛳蛭鞅币苿?dòng)5～10 km比較合理.

李春來和王培德(2005)對(duì)1999年11月7日到18日的30多次余震進(jìn)行精定位后，得到的余震分布范圍處于本文的定位結(jié)果范圍內(nèi)，但是，由于數(shù)量較少并且余震位置相對(duì)離散，李春來等認(rèn)為1999年主震產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)的變化使主震斷層周圍的斷層也發(fā)生了小震活動(dòng).而本文中的結(jié)果顯示，余震絕大多是分布在一個(gè)斷層上，由此判斷，主震震后周圍斷層的活動(dòng)性并沒有得到顯著的提高.

5結(jié)論和討論

通過建立1989年大同—陽(yáng)高地震序列(3個(gè)地震事件)的斷層模型，對(duì)比前震不同節(jié)面對(duì)主震斷層面上庫(kù)侖應(yīng)力變化的影響，以及前震和主震對(duì)于余震不同節(jié)面上的庫(kù)侖應(yīng)力變化的影響，提出1989年前震斷層的走向?yàn)楸蔽魑鞣较?，主震和余震的走向?yàn)楸北睎|方向.通過對(duì)1999年地震后一個(gè)月余震的高精度重定位，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)走向北西西、近乎直立的左旋走滑隱伏斷層，推斷是1999年主震的發(fā)震斷層.同時(shí)比較其與1989年幾次地震的震源機(jī)制解和震中相對(duì)位置，提出1999年主震可能和1989年前震都發(fā)生在這條北西西走向的隱伏斷層，1999年主震震中位置可能存在向西北方向5～10 km的修正.

1989年到1999年，大同地震序列的5個(gè)地震事件的震源斷層呈現(xiàn)共軛方向，一條是北北東方向，另一條是北西西方向.如前文所述，大同地區(qū)的主應(yīng)力方向?yàn)镻軸NE55°，T軸NW35°(近水平).北北東和北西西兩個(gè)方向正是區(qū)域應(yīng)力的最大剪應(yīng)力方向.部分文章指出，雖然大同震區(qū)南端毗鄰的六棱山山前斷裂在晚更新世—全新世強(qiáng)烈活動(dòng)，表現(xiàn)為張性傾滑活動(dòng)，但是這與大同—陽(yáng)高地震序列的震源斷層機(jī)制有明顯差異.大同盆地處于的山西斷陷帶至今仍處于發(fā)展演化階段，特別是盆地邊緣以盆地的沉降和山體的隆升為主要活動(dòng)特征.但是，大同—陽(yáng)高震區(qū)的地震序列只有很少的傾滑分量，主要是北北東和北西西的走滑運(yùn)動(dòng).由此可見，大同地區(qū)近期的幾次斷層活動(dòng)主要受區(qū)域應(yīng)力的控制.

蘇宗正和程新原(1992)指出，通過電法勘探和鉆探發(fā)現(xiàn)大同震區(qū)存在北東方向的大王村斷裂和北西方向的團(tuán)堡斷裂(圖6)，二者在南部的基巖隆起區(qū)出露，在北部隱伏.根據(jù)斷層破裂方向和震源機(jī)制，部分學(xué)者認(rèn)為(蘇宗正和新原，1992;朱艾斕等，1999)，大王村斷裂可能與1989年主震和1991年主震相對(duì)應(yīng).而根據(jù)本文庫(kù)倫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，1989前震的破裂方向沿北西西向，同時(shí)，1999年的主震斷層亦沿北西西向，這兩次地震似乎應(yīng)與北西走向的團(tuán)堡斷裂相關(guān).但是根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，大王村斷裂為壓性斷層，團(tuán)堡斷裂也主要是正斷層活動(dòng)；而大同—陽(yáng)高地震序列主要是走滑為主的高角度斷層活動(dòng)，且大同—陽(yáng)高地震序列的破裂方向與大王村斷裂、團(tuán)堡斷裂的走向存在明顯差別.因此，我們推斷，大同—陽(yáng)高地震序列的震源均發(fā)生在5 km以下的一對(duì)共軛隱伏斷層，而大王村斷裂和團(tuán)堡斷裂很可能是這對(duì)隱伏斷層的構(gòu)造/地震活動(dòng)在地表淺層的響應(yīng).

致謝感謝山西省地震局大同地震臺(tái)王焱提供的1999年地震余震數(shù)據(jù)，感謝兩名匿名審稿人的建設(shè)性意見.

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)-南北地震帶北段(201308011)，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)(2009AA093401-05)和國(guó)家自然科學(xué)基金委(41030857；91128210)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介馮永革，男，1966年生，工程師，主要從事地球物理野外觀測(cè)及地震學(xué)研究.E-mail：fengyg@pku.edu.cn *通訊作者陳永順，男，1956年生，教授，主要從事地震大地構(gòu)造學(xué)研究.E-mail：johnyc@pku.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160215 中圖分類號(hào)P315,P541

收稿日期2015-02-09，2015-11-30收修定稿

Blind-faults of Datong earthquake sequence: JHD and Coulomb stress analyses

FENG Yong-Ge， WANG Hai-Yang， CHEN Yong-Shun*, HUANG Qing-Hua

InstituteofTheoreticalandAppliedGeophysics,SchoolofEarthandSpaceScience,PekingUniversity,Beijing100871,China

AbstractA series of MS≥5 earthquakes struck Datong area from 1989 to 1999. In this study we calculated the Coulomb stress triggering relationship between the foreshock and main shock, and between the foreshock, main shock and the aftershock to test several faulting models from previous studies. We propose one viable faulting model for the three events of 1989 which should be very useful for studying the seismic hazard in this region. Based on the focal mechanisms of the 1989′s 3 earthquakes (foreshock, main shock, aftershock) from previous studies, several faulting models from previous studies were constructed for testing here. We then calculated the Coulomb stress triggering relationship between the foreshock and main shock, and between the foreshock, main shock and the aftershock, and the results had led to a viable faulting model for the three events of 1989 as the following. The 1989 foreshock fault stroke left-laterally along the NWW direction. Several hours later, the main shock and the aftershock struck right-laterally along the NNE direction. After the foreshock, the Coulomb stress in the main shock area increased about 2×105 Pa, while the Coulomb stress in the aftershock area underwent a fall. After the main shock, however, the Coulomb stress in the aftershock area increased.

With the access to the data from the Datong earthquake array, one month′s aftershocks after the 1999-11-1MS=5.6 earthquake were relocated using JHD (Joint hypocentral determination) method. The distribution of these relocated aftershocks reveals a buried left-lateral fault with the strike of 118° and the dip of 85°. The location of the main event (MS=5.6) should be adjusted according to the fault location. The results in this study have suggested that two buried conjugate strike-slip faults control the faulting system of the Datong-Yanggao area, consisting of the NNE fault, corresponding to the main shock in 1989, and the NWW fault, corresponding to the main shock in 1999. We further propose that the shallow NE Dawangcun fault and NW Tuanbao fault are the manifestations of the two buried conjugate faults at the shallow crust.

KeywordsDatong earthquakes； Coulomb stress； Earthquake triggering； JHD

馮永革， 王海洋, 陳永順等. 2016. 1989—1999大同地震序列的隱伏斷層研究：庫(kù)侖應(yīng)力分析和余震JHD重定位.地球物理學(xué)報(bào)，59(2):568-577,doi:10.6038/cjg20160215.

Feng Y G, Wang H Y, Chen Y S, et al. 2016. Blind-faults of Datong earthquake sequence: JHD and Coulomb stress analyses.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(2):568-577,doi:10.6038/cjg20160215.