2015年河北灤縣震群發(fā)震機(jī)理分析

譚毅培，鄧?yán)?，曹井泉，單連君

1 天津市地震局，天津 3002012 河北省地震局，石家莊 050021

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2015年河北灤縣震群發(fā)震機(jī)理分析

譚毅培1，鄧?yán)?，曹井泉1，單連君2

1 天津市地震局，天津 3002012 河北省地震局，石家莊 050021

震群發(fā)震機(jī)理研究是近年來(lái)地震學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，其中基于觀測(cè)現(xiàn)象對(duì)不同發(fā)震機(jī)理模型的分析和討論是研究焦點(diǎn).本文以2015年河北灤縣震群為研究對(duì)象，首先通過(guò)模板匹配方法檢測(cè)震群活動(dòng)期間目錄遺漏地震事件，得到更為完整的地震目錄.再通過(guò)波形互相關(guān)震相檢測(cè)技術(shù)標(biāo)定地震事件在記錄臺(tái)站的震相到時(shí)，依據(jù)標(biāo)定的震相到時(shí)，利用雙差定位方法對(duì)震群進(jìn)行精定位，基于地震精定位結(jié)果分析震群的震中擴(kuò)展特征.最后通過(guò)波形互相關(guān)系數(shù)和破裂面重合程度檢測(cè)震群中是否存在重復(fù)地震活動(dòng).通過(guò)計(jì)算共檢測(cè)到目錄遺漏地震事件103個(gè).地震精定位結(jié)果顯示發(fā)震構(gòu)造為北東向斷層，震中擴(kuò)展表現(xiàn)出遷移速率先快后慢的兩階段線性擴(kuò)展特征.震群活動(dòng)期間共檢測(cè)到兩組重復(fù)地震活動(dòng)，其中第一組發(fā)生在震中擴(kuò)展的第一階段，第二組發(fā)生在震中擴(kuò)展的第二階段.在三種常見(jiàn)的震群發(fā)震機(jī)理模型——級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型、斷層慢滑動(dòng)模型和流體侵入模型中，斷層慢滑動(dòng)模型能夠解釋我們觀測(cè)到的重復(fù)地震活動(dòng)和震中線性擴(kuò)展現(xiàn)象，因此認(rèn)為此次灤縣震群活動(dòng)可能伴隨斷層的慢滑動(dòng)，斷層慢滑動(dòng)可能對(duì)灤縣震群的觸發(fā)和持續(xù)活動(dòng)起到一定作用.

重復(fù)地震；地震精定位；遺漏地震檢測(cè)；發(fā)震機(jī)理；灤縣震群

The process of digital seismic waveform data processing is divided into four steps.(1) Choose the three components waveform of earthquakes which magnitude greater than ML1.0 in the catalog as templates,and detect missing earthquakes by scanning the continues waveforms with matched filter technique.(2) Recalibrate P and S-wave phase arrival time using waveform cross-correlation phase detection technique to eliminate the artificial error in phase picking in the observation report made by Hebei seismic network,and then we obtain a more complete catalog and a more precise seismic phase report.(3) Relocate the earthquakes in the swarm using double-difference method (hypoDD) based on phase arrival time we recalibrated,and analyze the characteristics of swarm epicenter migration based on the relocation result.(4) Detect whether there are repeating earthquakes activity using both waveform cross-correlation standard and whether rupture areas can overlapped.

We finally detect 106 missing earthquakes in the swarm,66 of them have the magnitude greater than ML0.0,include 2 greater than ML1.0.Relocation result shows that the epicenters of earthquakes in the swarm have a strip distribution in NE-SW direction,which indicates the seismogenic structure may be a NE-SW trending fault.The spatial-temporal distribution variation of epicenters in the swarm shows a kind of two stages linear migration characteristics,in which the first stage has appeared with a higher migration velocity as 1.2 km per day,and the velocity of the second step is 0.0024 km per day.Then we identify two classes of repeating earthquakes,the first class which have higher cumulative slip occurred in the first migration step,and the second class occurred in the second step correspondingly.

According to the three basic models to explain the seismological mechanism of earthquake swarms:cascade model,slow slip model and fluid diffusion model,repeating earthquakes activity is difficult to explain by previous earthquakes stress triggering,however,it can be explained by continuing stress loading at the same asperity from fault slow slip.The phenomena of linear migration is more fitting slow slip model than the migration characteristics of fluid diffusion which satisfied diffusion equation.Comparing the phenomena we observed and the seismological mechanism models,we find that the Luanxian earthquake swarm may be associated with fault slow slip.Fault slow slip may play a role in Luanxian earthquake swarm triggering and sustained activity.

1 引言

震群發(fā)震機(jī)理指觸發(fā)震群活動(dòng)以及推動(dòng)震群持續(xù)活動(dòng)的物理過(guò)程和動(dòng)力學(xué)作用.其作為地震活動(dòng)性研究的組成部分，對(duì)深入認(rèn)識(shí)地震序列的孕育和發(fā)展過(guò)程有重要意義.隨著數(shù)字化地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及地下精細(xì)構(gòu)造研究的不斷完善，對(duì)震群發(fā)震機(jī)理的討論漸漸成為地震序列研究的熱點(diǎn)之一.

Vidale和Shearer(2006)通過(guò)分析美國(guó)南加州震群活動(dòng)，歸納了三種常見(jiàn)的震群活動(dòng)發(fā)震機(jī)理，即級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型、斷層慢滑動(dòng)模型和流體侵入模型.級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型認(rèn)為震群發(fā)震機(jī)理與主震觸發(fā)余震的機(jī)制相同，其主要建立在地震序列統(tǒng)計(jì)特征研究上(Helmstetter and Sornette,2003；Helmstetter et al.,2003；Felzer et al.,2004)，并得到靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)計(jì)算結(jié)果的支持(Sumy et al.,2014).斷層慢滑動(dòng)模型指中小地震震群活動(dòng)期間伴隨有地下斷層構(gòu)造慢滑動(dòng)的現(xiàn)象，其得到了數(shù)字地震波形研究的支持(Chen and Shearer,2011；Kato et al.,2014).在日本沿海(Kato et al.,2014；Hirose et al.,2014)、南美洲西海岸(Brodskey and Lay,2014)等俯沖帶地區(qū)可以觀測(cè)到斷層慢滑動(dòng)伴隨著震群活動(dòng).流體侵入模型指流體侵入地殼已存在的微小裂隙從而觸發(fā)小震群活動(dòng)，其多見(jiàn)于水庫(kù)蓄水(陳翰林等，2009；El Hariri et al.,2012)、向地下人工加壓注水(張致偉等，2012；Ellsworth,2013；Lei et al.,2013；McGarr et al.,2015)、活火山或古火山構(gòu)造地區(qū)(吳建平等，2007；Hensch et al.,2008；Horálek and Fischer,2008)、深部熱物質(zhì)脫水(Kato et al.,2010；Lindenfeld et al.,2012；Kassaras et al.,2014)和強(qiáng)降雨(蔣海昆等，2011)等引發(fā)的震群活動(dòng).流體作用亦可通過(guò)引發(fā)斷層慢滑動(dòng)而觸發(fā)地震活動(dòng)(Wei et al.,2015).

震中擴(kuò)展特征與重復(fù)地震檢測(cè)是分析震群發(fā)震機(jī)理的有效手段.Chen和Shearer(2011)、Chen等(2012)通過(guò)分析美國(guó)南加州震群的擴(kuò)展特征，發(fā)現(xiàn)流體侵入引發(fā)的震群與斷層慢滑動(dòng)引發(fā)的震群在震中擴(kuò)展形態(tài)特征上有所不同，可作為判別是否存在流體或斷層慢滑動(dòng)作用的依據(jù).單純的應(yīng)力級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型較難解釋同一凹凸體反復(fù)破裂產(chǎn)生的重復(fù)地震活動(dòng)，而斷層慢滑動(dòng)可使斷層應(yīng)力加載速度加快(Bouchon et al.,2011；Kato et al.,2012)，因而重復(fù)地震檢測(cè)有助于判斷在應(yīng)力觸發(fā)作用以外是否存在如斷層慢滑動(dòng)機(jī)制等其他的物理過(guò)程.

小震震群活動(dòng)頻次明顯增加是華北地區(qū)2011年以來(lái)顯著的地震活動(dòng)特征之一(全國(guó)7級(jí)地震與地震形勢(shì)跟蹤組，2014；譚毅培等，2014；曲均浩等，2015；倪紅玉等，2015).2015年1月11日至2月3日，河北灤縣地區(qū)發(fā)生震群活動(dòng)，震中位置處于1976年唐山地震余震區(qū)內(nèi)(如圖1所示).《河北省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震觀測(cè)報(bào)告》記錄到此次震群發(fā)生地震222次，最大地震震級(jí)為ML3.2.對(duì)灤縣震群的精細(xì)研究，可在一定程度上彌補(bǔ)首都圈強(qiáng)震數(shù)字化資料的不足，為分析首都圈地震活動(dòng)和強(qiáng)震危險(xiǎn)性提供依據(jù).本文首先補(bǔ)充震群活動(dòng)期間目錄遺漏的地震，再基于震中擴(kuò)展形態(tài)和重復(fù)地震識(shí)別分析灤縣震群的發(fā)震機(jī)理.

圖1 灤縣震群震中位置與周邊測(cè)震臺(tái)站分布圖五角星為震群震中位置，三角形為臺(tái)站位置，灰色圓圈為2008年以來(lái)河北臺(tái)網(wǎng)記錄到的中小地震事件.Fig.1 Epicenters location of Luanxian swarm and stations distribution around the swarm The black star represents the epicenter location of the swarm.The black triangles represent the stations.And the gray circles represent small earthquake epicenters recorded by Hebei seismic network from the year 2008.

2 遺漏地震檢測(cè)

采用模板匹配識(shí)別方法(Peng and Zhao,2009)檢測(cè)目錄遺漏的地震事件.選取震群中ML1.0以上地震作為模板，截取距離震中最近的灤縣臺(tái)(LUX)、昌黎臺(tái)(CLI)和桃林口臺(tái)(TLK)三分量直達(dá)S波到時(shí)前2 s到后2 s的波形，經(jīng)過(guò)零相移4階Butterworth濾波器2～8 Hz濾波后，在連續(xù)波形上進(jìn)行互相關(guān)掃描.

圖2為識(shí)別遺漏地震示意圖.其過(guò)程分為4步：(1)將3個(gè)臺(tái)站掃描得到的互相關(guān)系數(shù)序列按模板地震在此臺(tái)站的走時(shí)平移；(2)計(jì)算3個(gè)臺(tái)站波形互相關(guān)系數(shù)的平均數(shù)，取9倍絕對(duì)離差中位數(shù)(median absolute deviation，MAD)為閾值，挑選大于閾值或單臺(tái)互相關(guān)系數(shù)大于0.7，而目錄中未記錄的作為疑似遺漏地震事件；(3)基于波形互相關(guān)震相檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)疑似遺漏地震事件的震相，在距離震中最近的3個(gè)臺(tái)至少檢測(cè)到一個(gè)P波和S波震相的則確認(rèn)為遺漏地震；(4)利用遺漏事件水平向波形S波段最大振幅與模板地震的振幅比估計(jì)遺漏事件的震級(jí).

在1月11日至2月3日時(shí)間段內(nèi)共檢測(cè)到目錄遺漏的地震事件103個(gè)，其中ML1.0以上2個(gè)，ML0.0以上66個(gè).補(bǔ)充遺漏地震得到更加完整的地震目錄(包含發(fā)震時(shí)刻和震級(jí)信息，震源位置的確定見(jiàn)第3節(jié))，有利于提高震中擴(kuò)展特征分析結(jié)果的科學(xué)性和可靠性.

3 震中擴(kuò)展特征

本節(jié)首先使用雙差定位方法(Waldhauser and Ellsworth，2000)對(duì)震群進(jìn)行精定位，再基于精定位結(jié)果分析震群震中隨時(shí)間的擴(kuò)展特征.

區(qū)域臺(tái)網(wǎng)提供的震相報(bào)告存在人工量取震相到時(shí)的誤差，對(duì)精定位結(jié)果的可靠性造成不利的影響.加入波形互相關(guān)信息對(duì)震相到時(shí)進(jìn)行校正，可有效降低到時(shí)拾取中人工誤差的影響(黃媛等，2006).鑒于灤縣震群中地震事件記錄波形相似程度較高，本文首先人工校核震群中最大地震的震相到時(shí)，以此地震震相到時(shí)為模板，使用波形互相關(guān)震相檢測(cè)技術(shù)(譚毅培等，2014)標(biāo)定其他地震事件的震相到時(shí)，無(wú)法與模板匹配的震相則被舍去.考慮到首波Pn震相的識(shí)別相對(duì)復(fù)雜，且首都圈臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站密度較高，因此只選擇震中距110 km以?xún)?nèi)的10個(gè)臺(tái)站記錄波形進(jìn)行計(jì)算，從而避免Pn震相的干擾.

圖2 遺漏地震檢測(cè)方法示意圖模板地震為發(fā)生在2015年1月11日15∶55∶36.9的ML1.3地震，掃描時(shí)間段為2015年1月11日12∶00至24∶00.黑色圓圈為目錄給出的地震，灰色實(shí)心圓是檢測(cè)到的地震.(a) 三個(gè)臺(tái)站互相關(guān)相加結(jié)果，根據(jù)9倍絕對(duì)離差中位數(shù)計(jì)算得到閾值為0.2611；(b)—(d)分別為三個(gè)臺(tái)站波形互相關(guān)系數(shù)，閾值取為0.7.Fig.2 The process of missing earthquakes detection The template is an ML1.3 earthquake which occurred at 15∶55∶36.9 January 11st,2015.And scanning time window is 12∶00 to 24∶00 January 11st,2015.Black circles represent earthquake events in the catalog,and the gray dots represent missing earthquake events detected.(a) Average cross-correlation sequence calculated from three stations′ waveform.The threshold is 0.2611 which is 9 times of median absolute deviation.(b)—(d) Cross-correlation sequence calculated from single station,the threshold is 0.7.

圖3 灤縣臺(tái)(LUX)震相標(biāo)定過(guò)程示意圖藍(lán)色短線表示臺(tái)網(wǎng)震相報(bào)告給出的震相到時(shí)數(shù)據(jù)，紅色表示基于波形互相關(guān)震相檢測(cè)技術(shù)標(biāo)定的震相到時(shí)，最上方黑色為所選模板地震的波形，波形經(jīng)過(guò)1～10 Hz帶通濾波.每條波形左側(cè)數(shù)字為震相報(bào)告給出到時(shí)與互相關(guān)標(biāo)定到時(shí)之差，單位為s.(a) 震群中40個(gè)地震事件LUX垂直向記錄波形，選取P波到時(shí)前0.5 s至到時(shí)后1 s的波形檢測(cè)P波到時(shí)；(b) 40個(gè)地震事件LUX東西向記錄波形，選取S波到時(shí)前0.5 s至到時(shí)后1.5 s的波形檢測(cè)S波到時(shí).Fig.3 The process of seismic phase recalibration of the station LUXThe short blue lines represent phase arrival time in the observation report by Hebei seismic network,and the red lines represent phase arrival time recalibrated by cross-correlation phase detection method.The black waveform in the above is the template waveform.The numbers at the left of waveforms are different between phase arrival time in the observation report and recalibrated in this paper.(a) Vertical waveform of 40 earthquakes in Luanxian swarm recorded by station LUX,the P-wave arrival time is recalibrated by cross-correlation calculated from 1.5 s length waveform from 0.5 s before to 1 s after P-wave arrival time.(b) W-E direction waveform of 40 earthquakes in Luanxian swarm recorded by station LUX,the S-wave arrival time is recalibrated bycross-correlation calculated from 2 s length waveform from 0.5 s before to 1.5 s after S-wave arrival time.

圖4 灤縣震群震中位置精定位結(jié)果(a) 震中位置在地表的投影；(b),(c) 分別為震中在垂直地表的剖面AA′和BB′上的投影.Fig.4 Epicenter distribution of relocation result of Luanxian swarm(a) Map view of epicenter distribution；(b) and (c) are projection of epicenters in the vertical profiles AA′ and BB′.

圖5 灤縣震群震中位置擴(kuò)展圖圓圈表示可直接得到精定位結(jié)果的地震事件，十叉表示置于互相關(guān)系數(shù)最大模板震中位置的地震事件，紅色為目錄給出地震事件，藍(lán)色為本文檢測(cè)出的遺漏地震事件，灰色虛線為震中擴(kuò)展形態(tài)示意.(a) 震群活動(dòng)期間震中擴(kuò)展圖像；(b) 震群活動(dòng)前10個(gè)小時(shí)震中擴(kuò)展圖像；(c) 震中擴(kuò)展尖峰形態(tài)示意圖.Fig.5 Epicenter migration of Luanxian swarm The circles represent the earthquake events can relocated directly,the cross represent the events located at the same location as the template which has the biggest cross-correlation.The red circles represent events in the catalog,and the blue represent events detected in this paper.Dashed gray lines represent the migration curve of the epicenters.(a) Epicenter migration in the all time of swarm activity.(b) Epicenter migration in the first 10 hours of the swarm.(c) Migration curve of the epicenters.

圖6 基于波形互相關(guān)檢測(cè)相似地震過(guò)程示意圖紅色和藍(lán)色分別為兩次地震在四個(gè)臺(tái)站的垂直向記錄波形，選取P波到時(shí)前0.5 s到S波到時(shí)后4 s的波形，經(jīng)過(guò)1～10 Hz帶通濾波.Fig.6 The process of similar earthquakes detection using waveform cross-correlationThe red and blue waveforms are vertical component waveforms from 0.5 s before the P-wave arrival time to 4 s after the S-wave arrival time recorded by 4 stations of 2 earthquake events,which filtered by 1～10 Hz bandpass filter.

圖7 檢測(cè)到重復(fù)地震震中位置和破裂面重合程度(a) 紅色五角星為重復(fù)地震震中位置，灰色圓圈為震群中其他地震震中位置；(b)—(c) 紅色圈圈為估算的重復(fù)地震破裂面，灰色圓點(diǎn)為其震中位置.Fig.7 Epicenter distribution and overlapped rupture area of repeaters(a) Red stars represent epicenters of repeaters,and gray circles represent epicenters of other earthquakes in the swarm;(b)—(c) Red circles represent rupture area of repeaters,and the gray dots represent their epicenter locations.

圖3以距離震中最近的灤縣臺(tái)為例展示了標(biāo)定震相的過(guò)程.由圖3可見(jiàn)P波到時(shí)人工拾取誤差相對(duì)較小，都在0.05 s以?xún)?nèi)，而S波到時(shí)人工拾取誤差較大，有的地震事件甚至達(dá)到0.3 s.經(jīng)過(guò)波形互相關(guān)震相檢測(cè)后，波形相似的不同地震事件震相拾取誤差降低到5 ms(采樣間隔的一半)以?xún)?nèi).利用波形互相關(guān)標(biāo)定的震相到時(shí)，而不使用臺(tái)網(wǎng)震相報(bào)告中給出的到時(shí)數(shù)據(jù)，能夠有效抑制臺(tái)網(wǎng)工作人員手動(dòng)標(biāo)定到時(shí)所帶來(lái)的人工誤差，從而提高地震精定位結(jié)果的精度和可靠性.

對(duì)于能標(biāo)定4個(gè)以上臺(tái)站震相到時(shí)的地震事件，基于含有互相關(guān)信息震相到時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)其做精定位.雙差定位計(jì)算中使用奇異值分解(SVD)方法.作為遺漏地震檢測(cè)模板的ML1.0以上地震都能夠得到精定位結(jié)果.對(duì)于其他未檢測(cè)到4個(gè)臺(tái)站震相的地震，我們參考已有研究中成功應(yīng)用于分析余震和前震序列震中時(shí)空演化的方法(Peng and Zhao,2009；Tang et al.,2014；Wu et al.,2014a)，將其震中置于與其互相關(guān)系數(shù)最大的模板震中位置上.參考基于深反射剖面(曾融生等，1988)、接收函數(shù)(王峻等，2009)和層析成像(于湘?zhèn)サ龋?010)等唐山地區(qū)地下結(jié)構(gòu)研究結(jié)果，精定位所使用一維P波速度結(jié)構(gòu)如表1所示，VP/VS波速比設(shè)為1.73.

表1 地震精定位所使用速度結(jié)構(gòu)

通過(guò)雙差定位方法計(jì)算，共得到107個(gè)地震的精定位結(jié)果(圖4所示).結(jié)果顯示震中分布呈現(xiàn)更加明顯的條帶狀分布(圖4a)，發(fā)震構(gòu)造為北東向斷層，與唐山地震發(fā)震構(gòu)造走向基本一致.震中在垂直走向的剖面上的分布(圖4c)顯示發(fā)震構(gòu)造可能為近垂直地表的斷層.

根據(jù)地震精定位結(jié)果，將震中位置投影到斷層與水平面交線上，得到震中隨時(shí)間的擴(kuò)展圖像(圖5)，其中紅色為目錄給出的地震，藍(lán)色為檢測(cè)到的遺漏地震.橫坐標(biāo)的零點(diǎn)設(shè)為目錄給出的第一個(gè)ML1.0以上地震(2015年1月11日15∶55∶36.9，ML1.3)的震中位置，縱坐標(biāo)原點(diǎn)亦設(shè)為此地震發(fā)震時(shí)刻.如圖5a所示，在震群活動(dòng)期間，地震震中整體上由南西向北東方向遷移，震中向北東方向呈現(xiàn)隨時(shí)間線性擴(kuò)展特征，速率約為每天0.024 km.仔細(xì)觀察地震最為密集的10個(gè)小時(shí)(圖5b)，也可觀察到震中向北東方向的線性擴(kuò)展，擴(kuò)展速率約為每天1.2 km.總之，震中分布表現(xiàn)出擴(kuò)展速率先快后慢的兩階段線性擴(kuò)展的特征(圖5c)，第一階段持續(xù)時(shí)間較短而擴(kuò)展速率較快，第二階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng).

4 重復(fù)地震檢測(cè)

Li等(2007)對(duì)唐山地區(qū)重復(fù)地震活動(dòng)進(jìn)行了研究，確認(rèn)了唐山地區(qū)存在重復(fù)地震活動(dòng)，進(jìn)而使用重復(fù)地震估計(jì)唐山斷層深部滑移速率.本節(jié)采用與Li等(2007)相似的方法檢測(cè)灤縣震群活動(dòng)期間是否存在重復(fù)地震.如圖6所示，首先選取距離震中最近的灤縣臺(tái)(LUX)、昌黎臺(tái)(CLI)、桃林口臺(tái)(TLK)和遷西臺(tái)(QIX)4個(gè)臺(tái)站垂直向記錄波形，經(jīng)過(guò)零相移4階Butterworth濾波器1～10 Hz濾波后，截取P波到時(shí)前0.5 s至S波到時(shí)后4 s的波形兩兩計(jì)算波形互相關(guān)系數(shù).我們定義其中至少有3個(gè)臺(tái)互相關(guān)系數(shù)大于0.9的為相似地震.經(jīng)過(guò)互相關(guān)計(jì)算共檢測(cè)到22對(duì)相似地震事件.

下一步從相似地震中篩選重復(fù)地震，計(jì)算過(guò)程參考Li等(2011)和李樂(lè)等(2013,2015)的方法，首先對(duì)地震記錄波形進(jìn)行內(nèi)插，使用3次樣條插值將采樣率由每秒100點(diǎn)插值為每秒10000點(diǎn)，再采用波形互相關(guān)震相檢測(cè)技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)定相似地震的震相到時(shí)，利用雙差定位方法對(duì)每對(duì)相似地震進(jìn)行精定位，并基于圓盤(pán)破裂斷層模型計(jì)算其破裂尺度和滑動(dòng)量.采用近震震級(jí)與地震矩的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(Abercrombie,1996)log(M0)=9.8+ML計(jì)算地震矩.根據(jù)地震矩計(jì)算破裂半徑r：

(1)

其中Δσ為應(yīng)力降.根據(jù)趙翠萍等(2011)對(duì)華北北部地震應(yīng)力降的計(jì)算結(jié)果，將應(yīng)力降設(shè)定為常量2 MPa.再利用地震矩的定義計(jì)算滑移量D：

(2)

當(dāng)相似地震中震級(jí)較小地震的震中位置在較大地震破裂面以?xún)?nèi)，即地震對(duì)震中間距離小于較大地震的破裂半徑時(shí)，我們判定此組相似地震為重復(fù)地震.由此共檢測(cè)到兩組重復(fù)地震，其各包含3個(gè)地震事件.圖7展示了所檢測(cè)到重復(fù)地震的震中位置和破裂面重合程度，表2給出了兩組重復(fù)地震發(fā)震時(shí)刻、相對(duì)位置、破裂半徑和滑移量等信息.

表2 兩組重復(fù)地震參數(shù)列表

注：* 距離表示與本組中第1號(hào)地震的震源距.

5 討論

5.1 計(jì)算參數(shù)選擇與誤差分析

在遺漏地震檢測(cè)部分選擇地震事件三分量S波到時(shí)前2 s到后2 s記錄波形作為檢測(cè)遺漏地震的模板，主要是參考Peng和Zhao(2009)、Kato和Nakagawa(2014)以及Kato et al(2014)的方法.也有學(xué)者選擇垂直向直達(dá)P波到時(shí)前2 s到后2 s、水平向直達(dá)S波到時(shí)前2 s到后2 s波形作為模板(如Wu et al.,2014a；Tang et al.,2014).如圖6所示，LUX和TLK兩個(gè)臺(tái)站垂直向波形記錄S波段能量大于P波段能量，CLI臺(tái)垂直向波形記錄S波段能量與P波段基本相當(dāng).考慮到選擇能量較大的震相波形更有利于檢測(cè)到信噪比較低的遺漏地震信號(hào)，因而本文在垂直向波形仍選擇S波到時(shí)前2 s到后2 s作為模板.

震中擴(kuò)展特征分析中，雙差定位算法使用SVD方法，程序給出震群水平定位平均誤差約為5.8 m，深度定位平均誤差約為30.0 m.震中在斷層與水平面交線投影僅由震中位置計(jì)算得到，其誤差與水平定位精度直接相關(guān)，深度定位的誤差對(duì)震中擴(kuò)展特征分析影響不大，因而圖5中震中位置的誤差即為水平定位平均誤差～6 m.鑒于震中擴(kuò)展范圍為百米級(jí)，遠(yuǎn)大于震中位置的誤差，定位精度可以滿(mǎn)足震中擴(kuò)展特征分析的要求.

將無(wú)法得到精定位結(jié)果的地震置于互相關(guān)最大的模板地震震中位置，已應(yīng)用于一些余震序列和前震序列的震中擴(kuò)展特征分析中(Peng and Zhao,2009；Tang et al.,2014；Wu et al.,2014a)，其結(jié)果對(duì)分析斷層余滑和余震觸發(fā)機(jī)理等科學(xué)問(wèn)題起到了重要的作用.因此我們認(rèn)為使用此辦法給出震中位置并應(yīng)用于震群震中擴(kuò)展特征分析是可行的.Zhang和Wen(2015)使用能量反投影方法對(duì)檢測(cè)到的遺漏地震進(jìn)行定位.若今后通過(guò)與利用震相定位結(jié)果的對(duì)比和測(cè)試，能量反投影方法可以得到可靠的定位結(jié)果，則可將其應(yīng)用于地震序列震中擴(kuò)展的分析研究中.

重復(fù)地震檢測(cè)部分中，雙差定位算法給出相似地震水平定位平均誤差約為3.5 m，深度定位平均誤差約為10.9 m.由此計(jì)算得到在斷層面上的定位誤差約為11.4 m.表2中給出重復(fù)地震的破裂半徑都在24 m以上，大于誤差的兩倍，在定位誤差范圍內(nèi)本節(jié)檢測(cè)出的重復(fù)地震事件破裂面仍然有所重疊.趙翠萍等(2011)計(jì)算華北北部地震應(yīng)力降使用樣本為ML≥2.5地震，并且通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為我國(guó)大陸中小地震應(yīng)力降與震級(jí)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系.本文檢測(cè)到重復(fù)地震震級(jí)范圍為ML1.0至2.3，根據(jù)應(yīng)力降與震級(jí)的正相關(guān)關(guān)系外推，其平均應(yīng)力降應(yīng)小于本文設(shè)定的2 MPa，造成本文計(jì)算的破裂半徑偏小，即地震實(shí)際的破裂半徑應(yīng)大于本文計(jì)算結(jié)果，因而不影響本文檢測(cè)到的兩組重復(fù)地震破裂面相互交疊的結(jié)論.綜上所述，在考慮定位誤差和參數(shù)設(shè)定誤差的情況下，灤縣震群中存在重復(fù)地震活動(dòng)的結(jié)果是基本可靠的.

5.2 震群發(fā)震機(jī)理分析

本節(jié)基于第1節(jié)中提到的Vidale和Shearer(2006)歸納的三種常見(jiàn)的震群活動(dòng)發(fā)震機(jī)理模型對(duì)灤縣震群發(fā)震機(jī)理進(jìn)行分析.

Nadeau和Johnson(1998)將重復(fù)地震的發(fā)生機(jī)理解釋為穩(wěn)滑區(qū)域包圍的較強(qiáng)凹凸體的重復(fù)破裂，而震群地震間相互應(yīng)力觸發(fā)很難解釋這種同一凹凸體重復(fù)破裂機(jī)制.因此，重復(fù)地震活動(dòng)的存在表明推動(dòng)震群持續(xù)活動(dòng)的因素除了地震應(yīng)力觸發(fā)作用外，可能還存在其他的物理過(guò)程.凹凸體在周?chē)€(wěn)定蠕滑的加載下有可能會(huì)發(fā)生重復(fù)破裂(Anooshehpoor and Brune,2001；Beeler et al.,2001；Sammis and Rice,2001)，Uchida等(2016)利用重復(fù)地震間隔估計(jì)斷層的滑動(dòng)速率變化，認(rèn)為斷層滑動(dòng)速率加快使得重復(fù)地震間隔時(shí)間減小.因而斷層慢滑動(dòng)是灤縣震群短時(shí)間內(nèi)發(fā)生重復(fù)地震活動(dòng)的一個(gè)可能的解釋.

Chen和Shearer(2011)通過(guò)對(duì)美國(guó)加州71次震群活動(dòng)的研究，總結(jié)了斷層慢滑動(dòng)與流體侵入引發(fā)震群在震中擴(kuò)展特征的差別.斷層慢滑動(dòng)引發(fā)的震群活動(dòng)震中隨時(shí)間線性擴(kuò)展，其擴(kuò)展尖峰近似為直線；而流體侵入引發(fā)的震群活動(dòng)震中擴(kuò)展速率隨時(shí)間逐漸減慢，擴(kuò)展尖峰近似為二次型曲線，可用流體擴(kuò)散方程解釋(Horálek and Fischer,2008).本文觀測(cè)到灤縣震群震中呈現(xiàn)出由南西向北東方向的線性擴(kuò)展特征，符合斷層慢滑動(dòng)引發(fā)的震群震中隨時(shí)間的擴(kuò)展形態(tài).

綜合以上分析，三種常見(jiàn)震群活動(dòng)發(fā)震機(jī)理中，斷層慢滑動(dòng)模型能夠解釋所觀測(cè)到的震中線性擴(kuò)展特征和重復(fù)地震活動(dòng)現(xiàn)象.因此我們認(rèn)為灤縣震群的發(fā)震機(jī)理可能符合斷層慢滑動(dòng)模型，即灤縣震群活動(dòng)可能伴隨著發(fā)震斷層的慢滑動(dòng).

級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型認(rèn)為震群中較早發(fā)生的地震改變了局部應(yīng)力狀態(tài)，是觸發(fā)后續(xù)地震活動(dòng)的決定性因素.斷層慢滑動(dòng)模型和流體侵入模型并不否認(rèn)應(yīng)力觸發(fā)的作用，而是強(qiáng)調(diào)在這種應(yīng)力觸發(fā)作用之外，還存在某種物理過(guò)程對(duì)震群活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展同樣起到推動(dòng)作用.有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)應(yīng)力變化有可能觸發(fā)重復(fù)地震的間隔時(shí)間縮短(Chen et al.,2013；Wu et al.,2014b).Kato等(2014)觀測(cè)到2011年?yáng)|日本MW9.0地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化觸發(fā)了日本Boso半島海域斷層的慢滑動(dòng).針對(duì)2011年?yáng)|日本MW9.0地震和2014年智利MW8.2地震的前震序列，不同學(xué)者使用不同方法分別獲得了支持?jǐn)鄬勇瑒?dòng)模型和級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型的證據(jù)(Kato et al.,2012；Marsan and Enescu,2012；Kato and Nakagawa,2014；Herman et al.,2016).Borghi等(2016)利用形變資料證實(shí)了2009年意大利L'Aquila地震前震序列斷層慢滑動(dòng)過(guò)程的存在，并通過(guò)計(jì)算斷層慢滑動(dòng)產(chǎn)生的靜態(tài)庫(kù)倫應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)主震和大部分余震發(fā)生在應(yīng)力加載區(qū)內(nèi).綜合以上研究結(jié)果，地震序列的發(fā)震機(jī)理可能是斷層慢滑動(dòng)和應(yīng)力觸發(fā)作用的綜合結(jié)果，而不是單一的模型能夠完全解釋的.本文根據(jù)觀測(cè)現(xiàn)象認(rèn)為灤縣震群發(fā)震機(jī)理符合斷層慢滑動(dòng)模型，同樣也不否認(rèn)應(yīng)力觸發(fā)作用，而是在應(yīng)力觸發(fā)之外可能存在發(fā)震斷層的慢滑動(dòng)，這種慢滑動(dòng)對(duì)灤縣震群的觸發(fā)和持續(xù)活動(dòng)也起到了一定作用.

除上文提到的三種常見(jiàn)模型外，對(duì)震群發(fā)震機(jī)理還有其他解釋.鑒于震中擴(kuò)展和重復(fù)地震現(xiàn)象基本可以通過(guò)斷層慢滑動(dòng)模型進(jìn)行解釋?zhuān)疚奈从懻摂鄬勇瑒?dòng)、級(jí)聯(lián)觸發(fā)和流體侵入以外的模型.若針對(duì)其他地震序列的研究觀測(cè)到三種模型都無(wú)法解釋的現(xiàn)象，則需考慮其他的可能性.

5.3 與前震序列研究結(jié)果的比較

表2給出了兩組重復(fù)地震的累計(jì)滑移量，圖8比較了由累計(jì)滑移量和重復(fù)地震間隔估算的平均滑移速率.第一組重復(fù)地震累積滑移量較大而地震間隔較短，反之第二組重復(fù)地震累積滑移量較小而地震間隔較長(zhǎng)，顯示出第一組重復(fù)地震發(fā)生期間斷層平均滑動(dòng)速率較快.灤縣震群活動(dòng)期間檢測(cè)到的重復(fù)地震數(shù)量較少，由于樣本量較少無(wú)法給出可靠的定量化斷層平均滑移速率，我們只能推測(cè)震群活動(dòng)期間斷層滑動(dòng)速率可能存在由快而慢的變化.

圖8 重復(fù)地震累積滑移量分布圖藍(lán)色表示第一組重復(fù)地震，紅色表示第二組重復(fù)地震.橫坐標(biāo)表示每組重復(fù)地震與本組第一個(gè)地震的發(fā)震時(shí)刻之差，虛線的斜率表示根據(jù)重復(fù)地震估算的斷層平均滑移速率.Fig.8 Cumulative slip of two classes of repeatersThe blue represents repeater class 1,and the red represents repeater class 2.The X-axis represents the difference between origin time of repeaters in a class and the first repeater in this class.The slope of the dashed lines represent the average slip rate calculated from the repeaters.

我們注意到Igarashi等(2003)將重復(fù)地震活動(dòng)分為“持續(xù)性”(continual-type)和“突發(fā)性”(burst-type)兩類(lèi).“持續(xù)性”重復(fù)地震資料被廣泛應(yīng)用于斷層滑動(dòng)速率估算中(Nadeau and Johnson,1998；Igarashi et al.,2003；Li et al.,2011；李樂(lè)等，2013,2015).“突發(fā)性”重復(fù)地震多出現(xiàn)在震群活動(dòng)和中強(qiáng)地震余震活動(dòng)過(guò)程中，我們認(rèn)為其可應(yīng)用于斷層慢滑動(dòng)伴隨震群活動(dòng)中斷層滑移速率的定性估計(jì).

將檢測(cè)到的重復(fù)地震活動(dòng)與震中擴(kuò)展分析結(jié)果相對(duì)照，第一組重復(fù)地震發(fā)生在震中擴(kuò)展速度較快的第一階段，而第二組重復(fù)地震發(fā)生在震中擴(kuò)展速度較慢的第二階段.灤縣震群震中擴(kuò)展速率出現(xiàn)由快變慢的趨勢(shì)，斷層滑移速率可能也存在由快變慢的變化，可能意味著震群發(fā)震斷層的慢滑動(dòng)在震群活動(dòng)期間出現(xiàn)減速.

對(duì)板塊邊界俯沖帶及板塊內(nèi)中強(qiáng)地震前震序列研究結(jié)果中，有些觀測(cè)到發(fā)震斷層慢滑動(dòng)震中擴(kuò)展速率存在由慢變快(Kato et al.,2012；Kato and Nakagawa,2014)或滑移速率由慢變快的加速現(xiàn)象(Bouchon et al.,2011)，有些則未觀測(cè)到震中擴(kuò)展的加速(Sugan et al.,2014；Meng et al.,2015)，但鮮有與本文對(duì)灤縣震群觀測(cè)到的震中擴(kuò)展減速類(lèi)似現(xiàn)象的報(bào)道.前震序列和震群在震中擴(kuò)展特征上的差別是否具有一定的普遍性，即震中擴(kuò)展形態(tài)能否成為有助于識(shí)別震群和前震序列的特征現(xiàn)象，尚需更多震例的研究.

6 結(jié)論

本文基于模板匹配方法，在灤縣震群活動(dòng)期間檢測(cè)到目錄遺漏地震103個(gè)，其中ML1.0以上2個(gè).震群精定位結(jié)果顯示，發(fā)震構(gòu)造可能為北東向近垂直的斷層構(gòu)造.震中分布表現(xiàn)出擴(kuò)展速率先快后慢的兩階段線性擴(kuò)展特征，第一階段持續(xù)時(shí)間較短而擴(kuò)展速率較快，第二階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)而擴(kuò)展速率較慢.基于波形互相關(guān)和破裂面重合標(biāo)準(zhǔn)，在震群活動(dòng)期間檢測(cè)到兩組重復(fù)地震活動(dòng).

基于三種常見(jiàn)的震群活動(dòng)發(fā)震機(jī)理——斷層慢滑動(dòng)模型、級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型和流體侵入模型，分析認(rèn)為斷層慢滑動(dòng)模型能夠較好地解釋本文觀測(cè)到的震中線性擴(kuò)展和重復(fù)地震活動(dòng)現(xiàn)象.因而認(rèn)為此次灤縣震群活動(dòng)可能伴隨著北東向斷層的慢滑動(dòng)，斷層慢滑動(dòng)在灤縣震群的觸發(fā)和持續(xù)活動(dòng)過(guò)程中起到了一定作用.

致謝 感謝兩位審稿專(zhuān)家寶貴的建設(shè)性意見(jiàn)，感謝中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司預(yù)報(bào)管理處提供的支持和鼓勵(lì)，感謝中國(guó)地震局馬宏生博士、張浪平博士、中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心周龍泉研究員、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所邵志剛研究員、李樂(lè)博士、中國(guó)地震局地球物理研究所韓立波博士、四川省地震局張致偉等專(zhuān)家的指導(dǎo)和建議，感謝地震分析預(yù)報(bào)青年工作組地震序列小組成員有益的討論，感謝天津市地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的數(shù)據(jù)資料支持.本文部分圖件采用GMT軟件包(Wessel and Smith,1995)繪圖.

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(本文編輯 胡素芳)

Seismological mechanism analysis of 2015 Luanxian swarm,Hebei province

TAN Yi-Pei1,DENG Li1,CAO Jing-Quan1,SHAN Lian-Jun2

1 Earthquake Administration of Tianjin Municipality,Tianjin 300201,China2 Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China

The seismological mechanism of an earthquake swarm,a kind of seismic burst activity,means the physical and dynamic process in earthquakes triggering in the swarm.In the field of seismic activity research,detailed analysis of seismological mechanism of earthquake swarm is seriously important for understanding the process of earthquake triggering,moreover,which have been a hot spot in seismological research recent years.Here we focus on the seismological mechanism of 2015 Luanxian swarm in Hebei province based on the detailed analysis of digital seismic waveform record,and discus the relationship between observed phenomena and seismological mechanism models.

Repeating earthquakes；Earthquake relocation；Missing earthquakes detection；Seismological mechanism；Luanxian swarm

譚毅培，鄧?yán)?，曹井泉?2016.2015年河北灤縣震群發(fā)震機(jī)理分析.地球物理學(xué)報(bào)，59(11):4113-4125,

10.6038/cjg20161115.

Tan Y P,Deng L,Cao J Q,et al.2016.Seismological mechanism analysis of 2015 Luanxian swarm,Hebei province.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):4113-4125,doi:10.6038/cjg20161115.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41604053)，地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH15004Y)和三結(jié)合項(xiàng)目(160204)聯(lián)合資助．

譚毅培，博士，高級(jí)工程師，主要從事地震預(yù)報(bào)與地震序列分析工作．E-mail:oivertan921@sina.cn

10.6038/cjg20161115

P315

2016-07-29，2016-09-03收修定稿