河北及鄰區(qū)震源機制與構(gòu)造應(yīng)力場

劉　靜，董建輝，陳　婷，張環(huán)曦，張　蕾

(1.河北省地震局石家莊中心臺，石家莊　050021；2.長江三峽勘測研究院有限公司，武漢　430074；3.河北省地震局，石家莊　050021)

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河北及鄰區(qū)震源機制與構(gòu)造應(yīng)力場

劉靜1，董建輝2，陳婷3，張環(huán)曦1，張蕾1

(1.河北省地震局石家莊中心臺，石家莊050021；2.長江三峽勘測研究院有限公司，武漢430074；3.河北省地震局，石家莊050021)

采用CAP方法反演2008年1月至2013年11月河北及鄰區(qū)ML3.5以上地震的震源機制，結(jié)果顯示：震源錯動類型以走滑斷層類型為主，兼有一定數(shù)量的正斷層；構(gòu)造應(yīng)力場最大主壓應(yīng)力軸方向NEE，與之前的研究結(jié)果一致，但呈現(xiàn)出暫時的正斷層兼走滑的應(yīng)力狀態(tài)，具有繼承性和差異性特征，推測可能與中等地震易受局部構(gòu)造活動影響以及巨大地震改變了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用方式有關(guān)。

河北及鄰區(qū)；CAP方法；震源機制解；應(yīng)力場

0　引言

Reid在研究1906年美國舊金山大地震時，提出關(guān)于淺源構(gòu)造地震的直接成因的彈性回跳理論[1]，并被之后地震的現(xiàn)場考察、地震前后的地形變測量和地震波的觀測研究等結(jié)果確認。天然構(gòu)造地震是地下巖層經(jīng)過一段時間的彈性應(yīng)變積累，在某一點累積的形變超過了巖石所能夠承受的極限時突然錯動的結(jié)果。震源機制的研究是在地震斷層論確立之后開始的，震源機制就是地震時震源內(nèi)部的物理狀態(tài)和力學(xué)條件如何發(fā)生變化及其表現(xiàn)形式。構(gòu)造應(yīng)力場是地震孕育發(fā)生的力學(xué)背景，而震源機制解是研究構(gòu)造應(yīng)力場的基礎(chǔ)資料。頻繁發(fā)生的中小地震攜帶了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的力學(xué)信息，對于描繪區(qū)域構(gòu)造和控制區(qū)域應(yīng)力方向起著約束作用，為我們研究活動構(gòu)造和構(gòu)造應(yīng)力場提供參考依據(jù)。

河北地區(qū)地震記錄資料極為豐富，是我國開展以震源機制推斷應(yīng)力場研究最早的地區(qū)。李欽祖等[2]最早利用單臺小震初動極性資料確定紅山和沙城臺附近的應(yīng)力場。許忠淮等[3]利用北京周圍地區(qū)的地震P波初動資料，分區(qū)研究了綜合斷層面解得到的區(qū)域應(yīng)力場方向。李欽祖[4]根據(jù)華北地區(qū)的斷層面解、地震時的地面裂縫、強震的等震線長軸方向、某些大地震地區(qū)的大地測量結(jié)果，分析認為華北存在一個一致性相當(dāng)好的應(yīng)力場。之前的方法充分利用了不能單獨確定震源機制解的中小地震的P波初動數(shù)據(jù)推斷應(yīng)力方向，隨著數(shù)字地震臺網(wǎng)的建設(shè)，臺網(wǎng)的密度和布局不斷優(yōu)化，對求取中小地震的震源機制解提供了高質(zhì)量的波形資料。孫貴成等[5]基于HASH方法反演了山西帶中北部的ML2.0以上地震的震源機制解，并與Cut and Paste(CAP)方法反演的震源機制解進行了對比，驗證了結(jié)果的可靠性；李冬圣等[6]使用多種方法反演了2014年9月6日河北涿鹿的震源機制解；劉澤民等[7]開發(fā)了交互式FOCMEC方法的震源機制解反演程序，并應(yīng)用在2012年5月28日河北唐山4.8級地震[8]的震源機制解反演中；劉芳等[9]分析了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)中小地震震源機制及應(yīng)力場的主要特征。

為了進一步認識河北及鄰區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場，本文采用 Zhao等[10]提出、Zhu等[11]發(fā)展的 CAP 反演方法，系統(tǒng)反演了河北及鄰區(qū)2008—2013年期間發(fā)生的ML3.5以上地震的震源機制解。利用獲得的中等地震震源機制以更高的分辨率研究構(gòu)造應(yīng)力場的時、空變化圖像，為未來地震活動分析研究提供具有參考價值的資料。

1　方法及資料

如何準確可靠地獲得中小地震震源機制解一直是地震學(xué)家努力的目標。中小地震震源機制解是震源物理、構(gòu)造應(yīng)力場、地震危險性分析等研究中的重要資料，而震源機制解反演中所使用的速度模型、P波初動極性數(shù)量、臺站布局等因素制約了反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

目前比較流行的P波初動法、P波和S波振幅比方法和波形反演方法各有利弊，在使用的時候要具體情況具體分析，發(fā)揮出每種方法的最大效能。P波初動極性在節(jié)面附近很難判斷，需要方位角和震中距分布均勻的臺站，且無法得到震源深度和矩震級；而波形反演方法則可以克服這些缺點，得到更加精確可靠的震源機制解。

本文采用CAP方法進行震源機制解的反演。Zhao等[10]通過分割波形記錄為Pnl和Snl部分，分別賦予不同的權(quán)重，利用格點搜索的方法進行地震震源機制的反演，Zhu等[11]進一步改進了該方法，通過去除歸一化振幅并使用距離比例系數(shù)使得反演結(jié)果更加穩(wěn)定。CAP方法將寬頻帶近震波形記錄分為體波和面波部分，分別計算合成波形與記錄波形的的誤差函數(shù)，在相關(guān)參數(shù)空間進行搜索，得到最小誤差的最優(yōu)解。將地震震源簡化為雙力偶點源，自由表面的理論地震圖可以用3種基本斷層對應(yīng)的格林函數(shù)加權(quán)線性組合來表示，3種基本斷層模型分別為：垂直走滑斷層，垂直傾滑斷層，以及45°傾滑斷層。根據(jù)彈性波理論得其產(chǎn)生的理論地震位移為：

其中，G為格林函數(shù)，A為輻射系數(shù)，θ為臺站方位角，φ,δ,λ分別為震源機制解的3個參量：走向，傾角，滑移角，M0為地震矩[11]。

基于河北數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的河北及鄰區(qū)2008—2013年期間發(fā)生的ML3.5以上地震(圖1)波形，采用頻率-波數(shù)方法(FK)計算格林函數(shù)[12]，在參數(shù)空間中定義合成波形與實際波形間的誤差函數(shù)，并進行網(wǎng)格搜索得到最佳機制解、深度以及矩震級。首先，將原始波形數(shù)據(jù)去除儀器響應(yīng)，再旋轉(zhuǎn)至大圓弧路徑三分量，利用FK程序計算格林函數(shù)，分別反演垂直向和徑向的Pnl波與三分量的面波，通過波形互相關(guān)獲取時移來對齊波形。在反演過程中，將Pnl波與面波各自帶通濾波，Pnl波帶通范圍為0.02～0.15 Hz，面波則為0.02～0.1 Hz，這樣可以盡量減少背景噪聲對波形的干擾，亦能壓制地下小尺度結(jié)構(gòu)散射所造成的影響。

注：三角形表示臺站，實心圓表示震中圖1　反演過程所用臺站和震中分布圖

計算格林函數(shù)的速度結(jié)構(gòu)均取自Crust1.0模型[13](表1)。CAP方法的一大優(yōu)勢是反演結(jié)果對速度模型的依賴性相對較小，對臺站處地殼速度結(jié)構(gòu)的精確性要求不高，故在臺站處也選用震源處地殼結(jié)構(gòu)。

表1　震源地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)分層模型

2　震源機制解分析

采用CAP方法反演，獲得了2008年1月—2013年11月河北及鄰區(qū)ML≥3.5地震震源機制解34例(圖2和表2)。根據(jù)Zoback[14]研究全球應(yīng)力場時的震源機制解類型劃分標準對所研究區(qū)域地震進行分類統(tǒng)計，走滑斷層(SS)錯動類型的地震23個，占67.6%；正斷層(NF)為主的錯動類型地震9個，占26.5%；逆斷層(TF)類型2個。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，河北及鄰區(qū)的震源錯動類型以走滑為主，兼一定數(shù)量的正斷層。正斷層類型地震主要集中在晉冀蒙盆嶺構(gòu)造區(qū)，位于山西斷陷帶右旋走滑在東北端的尾端拉張區(qū)；走滑類型的地震主要分布在唐山老震區(qū)，少數(shù)地震為正斷兼走滑型，唐山地震序列早期的應(yīng)力場為松弛平衡態(tài)[15]，系統(tǒng)聚類顯示震源機制解類型多、取向分散[16]；現(xiàn)今中小地震具有繼承性活動的特征，受統(tǒng)一的華北構(gòu)造應(yīng)力場的制約[17]。濮陽地區(qū)的震源機制解表現(xiàn)出與華北地區(qū)反向的NW向P軸方位，與孫晴和李守勇[18]給出的濮陽地區(qū)的應(yīng)力場方向存在差異。

表2　2008年1月-2013年11月河北及鄰區(qū)ML3.5以上地震震源機制解

圖2　2008年1月-2013年11月河北及鄰區(qū)ML3.5級以上地震震源機制解(綠色：走滑型，藍色：逆沖型，紅色：正斷型)

為檢驗CAP反演結(jié)果的可靠性，選取發(fā)生在邢臺老震區(qū)的2010年4月30日河北寧晉ML3.9地震，采用P波初動方法計算的結(jié)果與CAP方法的結(jié)果(圖3)進行對比(表3)?？梢钥闯?，2種方法反演的震源機制解參數(shù)基本一致，震源錯動性質(zhì)一致(圖4)。分析認為震源機制解參數(shù)的差異可能與反演過程中所使用的臺站分布有關(guān)，P波初動方法使用了均勻分布在震源周圍的短周期、寬頻帶的臺站記錄，而CAP方法只能使用寬頻帶的臺站波形，從而造成臺站分布的空隙。

注：LIC 臨城臺；ZAH 贊皇臺；XTT 邢臺臺；YON 永年臺；XIY 昔陽臺；WAT 武安臺；CXT 磁縣臺；WAX 完縣臺；SXT 涉縣臺圖3　2010年4月30日河北寧晉ML3.9地震CAP方法結(jié)果

日期時間來源節(jié)面Ⅰ/(°)走向傾角滑動角節(jié)面Ⅱ/(°)走向傾角滑動角P軸/(°)方位傾角T軸/(°)方位傾角B軸/(°)方位傾角斷層類型2010-04-3002:36:31CAP9180-1318377-1694716137223474SSP波初動95823487172503319816182SS

a CAP反演結(jié)果b P波初動方法結(jié)果圖4　2010年4月30日河北寧晉ML3.9地震震源機制解對比

3　應(yīng)力場特征

使用ZMAP軟件包中的Michael方法[19]反演河北及鄰區(qū)整體的應(yīng)力場，得到3個應(yīng)力主軸的方向(圖5)。河北及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的最大主壓應(yīng)力方向為75.2°，最小主應(yīng)力方向為336.7°，最大主壓應(yīng)力軸的傾伏角為49°，相對應(yīng)力大小為0.31。圖5中給出了3個應(yīng)力主軸方向的95%置信區(qū)間。魏光興等[20]對華北地區(qū)應(yīng)力場的研究表明，河北及鄰區(qū)處于以NEE向水平壓應(yīng)力和NWW向水平張應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中，地震應(yīng)力場的優(yōu)勢方向，主壓應(yīng)力軸為70°～80°，主張應(yīng)力軸為340°～350°；Wan[21]使用FMSI方法基于中國地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)庫和Global Centroid Moment Tensor (GCMT) database提供的部分震源機制解反演了中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場，其中河北及鄰區(qū)的最大主應(yīng)力軸方位為63°～90°，最小主應(yīng)力軸方位為331°～14°。本文結(jié)果與上述結(jié)果基本一致。

圖5　河北及鄰區(qū)主應(yīng)力軸及其置信區(qū)間的下半球等面積投影

4　結(jié)論與討論

現(xiàn)今河北及鄰區(qū)中等地震的震源錯動方式為走滑類型為主，兼有少量的正斷層類型，這與該區(qū)存在的左旋走滑的張家口—渤海地震構(gòu)造帶和右旋走滑的山西地震構(gòu)造帶有密切關(guān)系， 在兩帶交匯處的晉冀蒙盆嶺構(gòu)造區(qū)多數(shù)地震為正斷兼走滑類型。本文所選取的中等地震，震源體積較小，易受局部構(gòu)造活動影響，攜帶了較為豐富的局部構(gòu)造活動信息，這在構(gòu)造應(yīng)力場反演結(jié)果有所體現(xiàn)，強震所表現(xiàn)出來的華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場為NEE向的水平主壓應(yīng)力[4，20]，而本文反演得到的河北及鄰區(qū)的應(yīng)力場優(yōu)勢方向為NEE(75.2°)，最大主壓應(yīng)力軸的傾伏角為49°，應(yīng)力場狀態(tài)表現(xiàn)出正斷層性質(zhì)，這與張宏志等[17]、黃驥超等[22]對本地區(qū)的研究成果類似；孫貴成等[5]研究山西帶北段的震源機制解特征時也發(fā)現(xiàn)正斷層性質(zhì)的地震較多的現(xiàn)象，這可能與大量使用中小地震的震源機制解反演應(yīng)力場有關(guān)，中小地震的發(fā)生既受大區(qū)域應(yīng)力場的制約，又體現(xiàn)局部構(gòu)造運動的性質(zhì)，具有一定的隨機性。

通過分析河北及鄰區(qū)近期的構(gòu)造應(yīng)力場，發(fā)現(xiàn)具有繼承性和差異性等特征。本文所研究的震源機制解均發(fā)生在汶川地震和日本大地震之后，山西斷陷帶上的地震震源錯動類型可能與汶川地震后鄂爾多斯塊體周緣的應(yīng)力變化有關(guān)[23]，日本宮城MW9.0地震造成我國東北和華北地區(qū)產(chǎn)生毫米至厘米級的同震水平位移，導(dǎo)致東北和華北地區(qū)一系列NNE走向的斷裂產(chǎn)生了不同程度的張性應(yīng)變[24]。巨大地震可能改變了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用方式，使河北及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場呈現(xiàn)暫態(tài)的正斷層兼走滑分量的狀態(tài)。由于受到地震發(fā)生的復(fù)雜性和國內(nèi)外目前地震研究水平的制約，上述認識仍需積累更長時間、更加豐富的地質(zhì)構(gòu)造、大地測量以及其它研究成果的進一步檢驗和完善。

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Focal Mechanism and Tectonic Stress Field in Hebei and Its AdjacentArea

LIU Jing1, DONG Jian-hui2, CHEN Ting1, ZHANG Huan-xi3, ZHANG Lei4

(1. Shijiazhuang Central Seismic station, Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021, China;2.Three Gorges Geotechnical Consultants CO.,LTD (Wuhan), Wuhan 430074, China;3. Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021, China)

Using the CAP method,we calculated the focal mechanism solutions of theML≥3.5 earthquakesoccurred from January 2008 to November 2013 in Hebei province and its adjacent area. Most of the focal mechanisms are of strike-slip fault type except for a certain number of normal faults. The maximum principal compressive stress axis of the tectonic stress field is in the NEE direction which is consistent with previous research results, but the tectonic stress field shows a transient normal fault and strike-slip stress state and has the characteristics of inheritance and difference. These characterizes may be related to the aspects that moderate earthquake is easily affected by the regional tectonic activities and the changing of regional tectonic stress field caused by great earthquake.

Hebei province and its adjacent area; CAP method; focal mechanism solution; the stress field

2016-03-05

河北省地震局青年基金項目(DZ20140709027)

劉靜(1986—)，女，河北邯鄲人，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測工作．E-mail：436016924@qq.com

P315.3

A

1003-1375(2016)03-0042-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.008

劉靜，董建輝，陳婷，等．河北及鄰區(qū)震源機制與構(gòu)造應(yīng)力場[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(3):42-47.