用CAP方法研究2016年6月23日河北尚義MS4.0地震震源機制

吳　鵬， 張小濤， 張　磊

(河北省地震局邯鄲中心臺，河北 邯鄲　056001)

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用CAP方法研究2016年6月23日河北尚義MS4.0地震震源機制

吳鵬， 張小濤， 張磊

(河北省地震局邯鄲中心臺，河北 邯鄲056001)

利用晉冀蒙危險區(qū)臨時虛擬臺網(wǎng)的寬頻帶數(shù)字化觀測資料，采用CAP(Cut and Paste)方法計算得到2016年6月23日河北尚義地震的震源機制解。節(jié)面Ⅰ：走向247°、傾角62°、滑動角-32°；節(jié)面Ⅱ：走向353°、傾角62°、滑動角-147°，震源深度8 km，震級MW3.93。結合地質構造隱伏斷層推斷，該地震可能是NNE向的大滿—前黑沙土隱伏斷裂構造引起的，發(fā)震斷層性質為左旋、走滑兼有正斷分量。

尚義地震；CAP方法；震源機制；斷層

0　引言

2016年6月23日08時37分，河北省張家口市尚義縣發(fā)生4.0級地震(114.20°E, 40.95°N)。此次地震震中距離尚義縣城24 km，距張家口市區(qū)60 km，多地有明顯震感。根據(jù)中國地震信息網(wǎng)全國5級以上地震目錄(http://www.csi.ac.cn/publish/main/813/4/ index.html)，在本次地震震中100 km范圍內(nèi)，有歷史記錄以來共發(fā)生5級以上地震4次，其中最大的地震是1628年10月7日河北懷安西洋河堡6.5級地震。1970年以來，影響較大的地震事件是1998年1月10日發(fā)生的6.2級河北張北—尚義地震(41.14°N，114.46°E)，距離本次地震震中18 km。

本次地震是否屬張北—尚義6.2級地震發(fā)震斷裂構造形成的，需要根據(jù)震源機制解并結合區(qū)域構造背景做進一步分析。因此，本文利用晉冀蒙危險區(qū)臨時虛擬臺網(wǎng)的寬頻帶數(shù)字化觀測資料，采用CAP方法對河北尚義地震的震源機制解進行反演，并對發(fā)震構造做了初步的探討。

1　區(qū)域構造背景

河北尚義地震的發(fā)震區(qū)域位于壩上高原區(qū)，屬內(nèi)蒙古高原的南緣。區(qū)域新構造運動比較強烈，構造形跡復雜，在新構造單元中此區(qū)域屬于冀北隆升區(qū)，是燕山山脈北部的組成部分，構造位置相當于內(nèi)蒙地軸的范圍。在新世紀中晚期有強烈玄武巖噴發(fā)，火山碎屑巖厚度達400 m以上。第四紀冀北隆升區(qū)內(nèi)部差異活動不明顯，地震活動較弱。研究表明，發(fā)震區(qū)在汾渭地震帶北端，屬于漢諾壩玄武巖覆蓋區(qū)，是張渤地震構造帶和山西地震構造帶的匯而不交的構造部位[1]，燕山—陰山隆起內(nèi)部沒有明顯的活動構造，是一個相對穩(wěn)定的地殼塊體；張渤地震帶呈NWW向，由一系列NWW向和NE向斷裂及其控制的新近紀和第四紀斷陷盆地組成，斷裂帶內(nèi)活動(隱伏)斷裂縱橫交錯，具有較強的構造活動性[2-3]；山西地震帶由一系列NNE向、NE向和NEE向活動斷裂共同控制的地塹或半地塹組成，北端存在上新世—第四紀斷陷型盆地，受活動斷裂控制。

2　方法與原理

CAP方法[4-5]利用區(qū)域數(shù)字地震波形資料求解震源機制解，其基本思想是將全波形分成體波和面波2部分，反演時對體波和面波分別賦予不同的權重以彌補體波震相相對較小的不足，使用頻率-波數(shù)方法求解格林函數(shù)并合成理論地震圖，采用互相關技術尋找觀測波形與理論波形的最佳擬合段，最后使用網(wǎng)格搜索方法求得穩(wěn)定解。

在近震反演中，由于波形受到地殼橫向各向異性較為明顯的影響，導致不同的頻率范圍內(nèi)波形差別很大，采用頻率-波數(shù)方法[6](F-K)計算各震中距的格林函數(shù)。

不同的臺站由于震中距差別較大，因而記錄到的波形存在數(shù)量級的差別，為此采用歸一化的誤差測量函數(shù)，通過格點搜索的方法，在適當范圍內(nèi)循環(huán)地震深度、方位角、傾角、滑動角，得到相對誤差最小時地震的震源機制和震源深度。

3　反演過程與結果

3.1數(shù)據(jù)選取

2014年河北省地震局、山西省地震局、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局、地球物理研究所、北京大學等單位針對晉冀蒙交界地區(qū)震情跟蹤研究建立了合作機制，并實施了“晉冀蒙交界地區(qū)強震短臨跟蹤研究合作專項”任務。在晉冀蒙交界地區(qū)共建設39個臨時地震臺站，同時接入了相鄰80個固定地震臺站，數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶颖笔〉卣鹋_網(wǎng)中心組成119個子臺的虛擬臺網(wǎng)。在研究中，選取的資料為晉冀蒙臨時臺網(wǎng)的75個寬頻帶儀器臺站記錄，其中經(jīng)過篩選、整理得到震相清晰、信噪比高的22個臺站用于反演(圖1)。這些臺站分布較合理，僅在西北側沒有臺站，其他方位都較好地包裹了地震震中。

注：紅色五角星表示尚義地震震中位置；藍色三角形表示有反演結果的寬頻帶臺站；黑色線條為活動斷層圖1　臺站分布和震中位置圖

本文計算中采用的速度模型為CRUST1.0[7]分層速度結構(表1)，利用頻率-波數(shù)方法計算出各震中距的理論格林函數(shù)，得到了各臺站的理論波形。

表1　尚義地區(qū)地殼速度模型

注：最后一層為0，表示上地幔為半空間模型

3.2反演結果

在反演過程中，對挑選出的寬頻帶臺站數(shù)據(jù)去除儀器響應，旋轉至大圓路徑得到徑向、切向和垂向的速度記錄；再把速度記錄分成Pnl和面波2部分，對2部分波形分別進行濾波，其中，Pnl的濾波范圍是0.05～0.2 Hz，面波的濾波范圍是0.05～0.10 Hz；然后，在全空間中格點搜索震源參數(shù)，搜索得到不同深度上的震源機制和誤差，調(diào)整震源參數(shù)，使得波形能夠較好地吻合觀測數(shù)據(jù)，得到最佳的震源機制解。

通過上述步驟，得到尚義地震的CAP方法反演結果，節(jié)面Ⅰ：走向247°、傾角62°、滑動角-32°，節(jié)面Ⅱ：走向353°、傾角62°、滑動角-147°，震源深度8 km，震級MW3.93。

圖2為2016年6月23日河北尚義4.0級地震利用網(wǎng)格搜索得到的震源機制解隨不同震源深度的變化圖，其中橫軸為震源深度，縱軸為該深度計算理論波形和實際觀測的最小二乘誤差值。從圖2可以看出，震源機制求解過程穩(wěn)定，誤差變化小，震源深度為8 km時，震源機制解具有最小的反演誤差。河北省地震臺網(wǎng)測定尚義4.0級地震的震源深度為14 km，由圖2可以看出，在14 km的擬合誤差要明顯大于8 km，由此可以斷定尚義地震的震源深度為8 km。

圖2　不同震源深度的波形擬合誤差及最佳震源機制解

圖3給出了對應最優(yōu)解的理論波形和觀測波形的擬合情況。22個臺站波形資料共得到波形擬合結果97個，其中理論波形與觀測波形相關系數(shù)大于95%的占57.7%；相關系數(shù)大于60%(相關性較好)的約占94.8%。反演過程中相關系數(shù)相對較低的是體波部分(Pz、Pr)，這是由于體波部分的頻率較高，對地殼不均衡的分辨率更高。整體上看，本文中理論波形與觀測波形具有較高的擬合度，反演結果是穩(wěn)定可靠的。

注：紅線為理論波形，黑線為觀測波形；波形左側字母為臺站名，字母下方的數(shù)字分別為震中距和觀測數(shù)據(jù)P波初至相對理論波形初至時間的相對位移；波形下面的數(shù)字依次為各波段觀測數(shù)據(jù)與理論波段的相對移動時間及互相關系數(shù)；Pz和Pr分別代表體波的垂向、徑向分量，Sz、Sr、Sh分別代表面波的垂向、徑向、切向分量。 圖3　河北尚義4.0級地震震源機制最優(yōu)解的理論波形和觀測波形的擬合情況

為了進一步確定震源機制解的可靠性，本文又利用晉冀蒙臨時臺網(wǎng)的119個臺站，選取Pg波和Pn波初動方向清晰的47個臺的初動資料，使用格點搜索法計算了本次地震的震源機制(圖4)，最終獲得震源機制為節(jié)面Ⅰ：走向267°、傾角80°、滑動角-33°,節(jié)面Ⅱ：走向4°、傾角57°、滑動角-168°，初動結果與CAP方法結果基本一致，也說明了CAP反演結果的正確性。

圖4　尚義4.0級地震P波初動的震源機制解(加號代表初動向上，圓圈代表初動向下)

4　討論

對于張北—尚義地震的發(fā)震構造，許多學者做了大量的工作，其最突出的特征是未在地表發(fā)現(xiàn)活動斷裂。研究資料顯示，在張北—尚義地震的發(fā)震構造問題上存在著分歧。通過陸地衛(wèi)星多時相圖像解譯得出該區(qū)地殼內(nèi)部可能發(fā)育著2組隱伏斷裂，1組是NE向的大滿—前黑沙土斷裂，另1組是NNW向的廟東營—大營灘斷裂(圖5)。鄧志輝等[8]根據(jù)區(qū)域地震活動和余震分布認為，張北—尚義地震發(fā)生在陰山—燕山構造帶內(nèi)，與區(qū)域內(nèi)的近NS與近EW向的共軛構造相關。鄭秀芬等[9]通過重新精定位得出結論，大滿—前黑沙土斷裂可能是張北—尚義地震的發(fā)震構造。蔡華昌等[10]認為NWW向的小水泉—滿井斷裂是發(fā)震斷裂。白玲等[11]依據(jù)震前存在NWW向小震條帶，認為NWW向的斷層作了左旋走向滑動。不同的研究結果說明該區(qū)內(nèi)地質構造復雜，相互佐證的資料較少，本次地震的發(fā)生為研究該區(qū)的發(fā)震構造提供了新的研究資料。

注：虛線代表隱伏斷層；紅色震源球表示尚義4.0級地震的震源機制；綠色震源球表示張北6.2級地震的震源機制[12]。 圖5　尚義地震震源位置與隱伏斷層的大致位置[1]

圖5所示，尚義4.0級地震發(fā)生在尚義—平泉斷裂和隱伏的大滿—前黑沙土斷裂附近。尚義—平泉斷裂大致沿北緯41°展布，走向EW。該斷裂斷面較陡，傾向時南時北，均表現(xiàn)為高角度擠壓特征，斷裂活動具有左旋扭動特征。張北—尚義地震處于2組隱伏斷裂的交匯處附近，成共軛特征，受到2組斷裂的共同作用。楊國華等[13]認為燕山單元在向西運動的過程中，其西南端與向東北運動的鄂爾多斯塊體的東北端形成“觸角相抵”之勢，在2個塊體的相互運動中，發(fā)震區(qū)域受NE向應力擠壓發(fā)生了張北—尚義地震。而尚義4.0級地震也發(fā)生在“觸角相抵”的位置，其發(fā)震區(qū)域也應該是受NE向應力擠壓。從震源機制解分析，尚義地震的震源機制解2個節(jié)面參數(shù)與尚義—平泉斷裂產(chǎn)狀存在較大的差異，而節(jié)面Ⅰ與大滿—前黑沙土斷裂走向基本一致，推斷發(fā)震斷層為NE向。由于此次地震沒有余震序列，無法為確定發(fā)震斷裂提供有力的佐證，但根據(jù)區(qū)域構造背景，發(fā)震區(qū)域不存在活動斷裂或其他隱伏斷裂，因此可以推斷出大滿—前沙黑土斷裂可能為尚義4.0級地震的發(fā)震斷裂，地震發(fā)生于斷裂的西端。

5　結論

利用CAP方法反演得到2016年6月23日河北尚義4.0級地震的震源機制解：節(jié)面Ⅰ，走向247°、傾角62°、滑動角-32°；節(jié)面Ⅱ，走向353°、傾角62°、滑動角-147°；震源深度8 km，震級MW3.93。同時，使用地震震中周圍47個臺站的P波初動獲得的震源機制解為：節(jié)面Ⅰ，走向267°、傾角80°、滑動角-33°；節(jié)面Ⅱ，走向4°、傾角57°、滑動角-168°。2種方法震源機制結果基本一致，佐證了CAP方法結果的正確性。

CAP反演得到的震源機制解節(jié)面參數(shù)與尚義—平泉斷裂偏差較大，節(jié)面Ⅰ與大滿—前黑沙土斷裂走向基本一致。結合地質構造推斷，尚義地震可能是NNE向的大滿—前黑沙土隱伏斷裂構造引起的，發(fā)震斷層性質為左旋、走滑兼有正斷分量。

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Focal Mechanism of Hebei ShangyiMS4.0 Earthquake on June 23， 2016 by CAP Method

WU Peng, ZHANG Xiao-tao, ZHANG Lei

(Handan Central Seismic Station, Earthquake Administration of Hebei Province, Handan 056001, China)

In this paper, we calculate the focal mechanism of Shangyi earthquake using the CAP method on basis of data from Jin-ji-meng network. The result is 247°,62° and -32° for strike, dip angle and slip angle, with the other nodal plane of 353°,62°and -147°, the focal depth is 8 km, andMW=3.93. It is considered that Daman-Qianheitu buried fault is the earthquake generating fault of Shangyi earthquake, and the fault is of the left lateral strike slip type with normal component.

shangyi earthquake； CAP method； focal mechanism； fault

2016-07-13

2015年河北省地震局科技星火計劃重點項目“晉冀蒙交界地區(qū)地震危險及對策研究”(DZ20150428102)

吳鵬(1982—)，男，河北邯鄲人，工程師，主要從事測震臺網(wǎng)監(jiān)測與儀器維護工作．E-mail：wup67551@163.com.

P315.332

A

1003-1375(2016)03-0048-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.009

吳鵬，張小濤，張磊．用CAP方法研究2016年6月23日河北尚義MS4.0地震震源機制[J]．華北地震科學，2016，34(3):48-52.