由震源機(jī)制解推斷唐山地震序列發(fā)震斷層的分段特征*

楊雅瓊 王曉山 萬(wàn)永革 盛書(shū)中 陳 婷

1) 中國(guó)石家莊050021河北省地震局 2) 中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所3) 中國(guó)河北三河065201防災(zāi)科技學(xué)院

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由震源機(jī)制解推斷唐山地震序列發(fā)震斷層的分段特征*

楊雅瓊1)王曉山1,2),*萬(wàn)永革3,2)盛書(shū)中3)陳 婷1)

1) 中國(guó)石家莊050021河北省地震局 2) 中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所3) 中國(guó)河北三河065201防災(zāi)科技學(xué)院

使用唐山地區(qū)2002年1月—2015年11月ML≥2.5地震的255個(gè)震源機(jī)制解，采用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性的分段方法對(duì)唐山地震序列的發(fā)震斷層進(jìn)行分段．在已有唐山地區(qū)震源機(jī)制解分區(qū)特征的基礎(chǔ)上，給出了5個(gè)參考應(yīng)力張量，并通過(guò)差異顯著性的z值檢驗(yàn)計(jì)算將唐山地震序列的發(fā)震斷層分為寧河、唐山、灤縣和盧龍等4個(gè)子段，進(jìn)而分別對(duì)4個(gè)子段的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反演．結(jié)果顯示：4個(gè)子段的最大主壓應(yīng)力方向均呈近EW向，且唐山、寧河和盧龍子段的應(yīng)力場(chǎng)均表現(xiàn)出較大的拉張分量；唐山、寧河子段的最佳應(yīng)力張量與唐山主震對(duì)唐山斷裂帶兩端點(diǎn)所產(chǎn)生的引張應(yīng)力場(chǎng)的作用方式一致．此外，唐山子段的應(yīng)力場(chǎng)符合基于接收函數(shù)給出的上地幔物質(zhì)隆升模型，灤縣子段走滑型的應(yīng)力狀態(tài)反映了該區(qū)的共軛構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，盧龍子段的最佳應(yīng)力張量為正斷兼右旋走滑．從當(dāng)前唐山地震序列發(fā)震斷層分段的應(yīng)力場(chǎng)特征可以推斷，現(xiàn)今唐山地區(qū)的地震活動(dòng)具有繼承性，主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和該區(qū)深、淺共存的斷裂構(gòu)造體系控制．

唐山地震序列 震源機(jī)制解 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) 發(fā)震斷層分段

引言

1976年7月28日河北唐山MS7.8地震發(fā)生在唐山菱形塊體內(nèi)部NE走向的唐山斷裂帶上(虢順民等，1977)．該斷裂帶可劃分為南、北兩個(gè)段落，北段自西向東依次分布有陡河斷裂、唐山—巍山—長(zhǎng)山南坡斷裂和唐山—古冶斷裂，南段自西向東分布著唐山—豐南斷裂和唐山—古冶斷裂(尤惠川等，2002)；與NW向的薊運(yùn)河斷裂、灤縣—樂(lè)亭斷裂和EW向的豐臺(tái)—豐南斷裂交匯，形成南北兩段構(gòu)造斷裂閉鎖和唐山、寧河、灤縣等3個(gè)應(yīng)力集中區(qū)(馬瑾等，1980)．?dāng)嗔哑屏训挠邢拊M結(jié)果(Xie，Yao，1991；Huang，Yeh，1997)顯示，唐山地震發(fā)震斷層的破裂起始于唐山斷裂帶南段的北端(唐山斷裂帶南北兩段的交接點(diǎn)在唐山市附近)，然后沿走向?yàn)镹E30°的南段擴(kuò)展，5.9 s之后破裂開(kāi)始沿走向約為NE50°—60°的北段傳播(Náběleketal，1987)．郭慧等(2011a，b)根據(jù)唐山地震的最新地表破裂帶的位移特征，將唐山地震地表破裂帶分為南北兩段：北段以右旋走滑為主，兼有西升東降的垂直位移；南段以東升西降的傾滑活動(dòng)為主，兼有右旋走滑活動(dòng)；且兩段地表破裂帶的重疊區(qū)與MS7.8地震的微觀震中相近．Shedlock等(1987)關(guān)于唐山地震序列早期余震分布的研究也表明南北兩段的交接點(diǎn)在唐山市附近．唐山主震發(fā)生后3.5小時(shí)和15小時(shí)左右，分別發(fā)生了寧河MS6.2和灤縣MS7.1地震；主震后大約3.5個(gè)月，在主震破裂的SW延伸斷裂部位上發(fā)生寧河MS6.9地震(國(guó)家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組，1982)．顯然，這3次地震是因唐山主震產(chǎn)生破裂而發(fā)生的觸發(fā)型破裂事件，與主震共同構(gòu)成了一次復(fù)雜的板內(nèi)地震序列(Butleretal，1979；劉桂萍，傅征祥，2000；Robinson，Zhou，2005；萬(wàn)永革等，2008)．

對(duì)于唐山地震序列的應(yīng)力場(chǎng)研究，由于受震源機(jī)制解豐富程度和求解精度所限(許忠淮等，1994)，早期僅能在時(shí)間進(jìn)程和空間分布上對(duì)震源區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行粗略的分析．李欽祖等(1983)關(guān)于唐山地震序列早期震源機(jī)制解的研究揭示了震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)由主震前的緊張平衡態(tài)經(jīng)主震后的極不穩(wěn)定態(tài)逐漸向松弛平衡態(tài)演變；刁桂苓等(1995)關(guān)于唐山地震序列震源機(jī)制解的系統(tǒng)聚類(lèi)結(jié)果顯示，該序列的震源機(jī)制解類(lèi)型多，且取向分散；Xu和Wang(1986)利用滑動(dòng)方向擬合法得到的唐山老震區(qū)平均應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果顯示，震后唐山地區(qū)的主壓應(yīng)力軸發(fā)生了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)．2002年投入運(yùn)行的首都圈數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)極大地改善了唐山地區(qū)地震震源的定位精度和震源機(jī)制的求解質(zhì)量，為求取唐山地區(qū)更加精細(xì)的應(yīng)力場(chǎng)空間分布特征奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．李軼群和王健(2008)采用網(wǎng)格密集值方法將唐山余震區(qū)分為5個(gè)區(qū)域并分別求解各分區(qū)的小震綜合斷層面解；張宏志等(2008)利用雙差定位結(jié)果對(duì)唐山震區(qū)分區(qū)，并給出各分區(qū)震源機(jī)制解的平均應(yīng)力軸取向；萬(wàn)永革等(2008)則利用模擬退火算法和高斯-牛頓算法反演了唐山地震序列的5段地震斷層面的走向、傾角和滑動(dòng)角．上述研究均從地震活動(dòng)的叢集性出發(fā)，對(duì)唐山地震序列的發(fā)震斷層進(jìn)行分段，然后分別求取各子段的應(yīng)力場(chǎng)，但均并未將構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)地震活動(dòng)的影響考慮在內(nèi)．

唐山地區(qū)的斷裂構(gòu)造和主震的破裂過(guò)程極為復(fù)雜，各子段在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下的地震活動(dòng)存在明顯差異，本文將通過(guò)基于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層或板塊邊界進(jìn)行分段(Wyss，Lu，1995)的方法，利用唐山地震序列近期的255個(gè)震源機(jī)制解，從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)角度對(duì)唐山地震序列的發(fā)震斷層進(jìn)行分段，并給出經(jīng)過(guò)差異顯著性檢驗(yàn)的各子段的應(yīng)力場(chǎng)特征，以期為深入理解唐山地震序列的發(fā)震機(jī)理、發(fā)震構(gòu)造以及該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供詳盡的基礎(chǔ)資料．

1 構(gòu)造背景與數(shù)據(jù)

唐山地震發(fā)生在近EW向的陰山—燕山南緣活動(dòng)構(gòu)造帶與NNE向的華北平原活動(dòng)構(gòu)造帶的交匯處．如圖1所示，唐山地區(qū)主要發(fā)育有3組淺層活動(dòng)斷裂，即NE向的豐臺(tái)—野雞坨斷裂(F1)、寧河—昌黎斷裂(F3)、唐山斷裂帶(F5)，NW向的灤縣—樂(lè)亭斷裂(F2)、薊運(yùn)河斷裂(F4)和EW向的豐臺(tái)—豐南斷裂(F9)，唐山地震即發(fā)生在唐山斷裂帶的深部．

本文基于首都圈數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的2002年1月—2015年11月唐山地區(qū)ML≥2.5地震的波形資料，使用梁尚鴻等(1984)提出的垂直向直達(dá)P波、S波最大振幅比方法計(jì)算得到255個(gè)震源機(jī)制解，如圖1中灰色和紅色沙灘球所示，其震源位置利用hypo2000(Klein，1978)經(jīng)重新絕對(duì)定位得到．圖1中壓縮區(qū)用黑色填充的震源機(jī)制解為矩心矩張量解(Dziewonskietal，1981；Ekstr?metal，2012)，震中位置引自《中國(guó)地震目錄(公元1970—1979年)》(顧功敘等，1983). 由圖1可以看出，震源機(jī)制解相對(duì)集中在唐山斷裂帶的北段和灤縣地區(qū)，在盧龍和寧河地區(qū)呈叢集性分布，基本上與馬瑾等(1980)給出的震前3個(gè)應(yīng)力集中區(qū)分布一致．

圖1 唐山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和2002年1月—2015年11月ML≥2.5地震的震源機(jī)制解分布F1: 豐臺(tái)—野雞坨斷裂；F2: 灤縣—樂(lè)亭斷裂；F3: 寧河—昌黎斷裂；F4: 薊運(yùn)河斷裂；F5: 唐山斷裂帶；F6: 盧龍斷裂；F7: 漢沽斷裂；F8: 滄東斷裂；F9: 豐臺(tái)—豐南斷裂

根據(jù)震源機(jī)制解的3個(gè)應(yīng)力軸傾角大小，Zoback(1992)將震源機(jī)制解分為6種類(lèi)型，即正斷型、正走滑型、走滑型、逆走滑型、逆斷型和無(wú)法確定型．對(duì)本文所獲取的255個(gè)震源機(jī)制解進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果為：走滑型地震為93次，占總數(shù)的36.5%；正斷型和正斷兼走滑分量類(lèi)型為91次，占35.9%；逆斷型和逆斷兼走滑分量類(lèi)型為23次，占9.0%；無(wú)法確定型為48次，占18.4%．可以看出，走滑型與正斷型所占的比例基本相同，這可能是由于本文將具有走滑分量的正斷層和逆斷層分別劃歸至正斷型和逆斷型所致，從整體上看研究區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)以剪切拉張為主．

2 方法

Wyss和Lu(1995)首次提出了利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層或板塊邊界進(jìn)行分段的方法，并將該方法應(yīng)用于圣安德列斯斷層的分段研究，結(jié)果顯示，該斷層的5個(gè)子斷層中，4個(gè)子斷層的位置與基于非定量的構(gòu)造劃分法得到的分段結(jié)果是一致的．因此，應(yīng)用該方法對(duì)斷層進(jìn)行分段，不但使斷層或板塊邊界的劃分更量化和客觀化，而且還能找出構(gòu)造劃分法難以找出的子段．之后，該方法被應(yīng)用于阿留申板塊邊界(Lu，Wyss，1996)和阿拉斯加俯沖帶(Luetal，1997)的分段；這些地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用效果很好．Ratchkovski(2003)將其用于板緣地區(qū)的阿拉斯加德納里(Denali)斷層的分段，盛書(shū)中和萬(wàn)永革(2012)將其用于板內(nèi)地區(qū)的汶川地震斷層的分段研究，二者均給出了較好的分段結(jié)果．這些研究結(jié)果表明利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的均勻性對(duì)板塊邊界或斷層進(jìn)行分段的方法適用于各種類(lèi)型的構(gòu)造環(huán)境，能夠?qū)Π鍓K邊界或斷層給出經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)的分段結(jié)果．

利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的均勻性對(duì)板塊邊界或斷層進(jìn)行分段的方法假設(shè)板塊邊界或斷層的各子段內(nèi)的應(yīng)力張量方向相同，且構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向在不同子段呈顯著變化，用單個(gè)震源機(jī)制解與參考應(yīng)力張量之間的殘差作為板塊邊界或斷層的分段參數(shù)(Wyss，Lu，1995)．基于上述假設(shè)，將發(fā)生在三維空間里的地震事件視為沿板塊邊界或斷層走向分布的一維事件，計(jì)算出沿?cái)鄬踊虬鍓K邊界走向的每個(gè)震源機(jī)制解相對(duì)于參考應(yīng)力張量的最小三維空間旋轉(zhuǎn)角(Kagan，2007)，即本文的分段參數(shù)．相鄰子段間的差異顯著性采用z檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法(Meyer，1975)來(lái)計(jì)算，z檢驗(yàn)是基于中心極限定理，即從相同母體中抽取的兩個(gè)樣本組的平均值之差服從正態(tài)分布．z值是用來(lái)檢驗(yàn)來(lái)自同一序列的兩組獨(dú)立樣本平均值之間的差異，具體檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式為

(1)

式中，μ1為子段1的平均殘差，μ2為子段2的平均殘差，s1和s2分別為兩個(gè)子段內(nèi)的殘差標(biāo)準(zhǔn)差，n1和n2分別為兩個(gè)子段內(nèi)的震源機(jī)制解個(gè)數(shù)．計(jì)算不同參考應(yīng)力張量相對(duì)于唐山地震序列震源機(jī)制解的殘差累積的z值，當(dāng)z值超過(guò)z檢驗(yàn)顯著性水平為0.05的臨界值(1.96)時(shí)，判定其通過(guò)顯著性檢驗(yàn)．本文要求當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上的參考應(yīng)力張量通過(guò)差異顯著性檢驗(yàn)時(shí)，才可將該震源機(jī)制解所處位置確定為唐山地震序列發(fā)震斷層的分段點(diǎn)．

3 唐山地震序列分段

3.1 參考應(yīng)力張量反演

利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層進(jìn)行分段，可通過(guò)3種方法求取所需要的參考應(yīng)力張量．其一，不同參考應(yīng)力張量與不同子段中震源機(jī)制解的殘差通常不等，當(dāng)所選的參考應(yīng)力張量與某一子段的應(yīng)力場(chǎng)相近時(shí)，該子段的殘差累積曲線的斜率變化不明顯，因而易于分辨；其二，根據(jù)斷裂帶的產(chǎn)狀變化進(jìn)行分段，類(lèi)似于地質(zhì)上的活斷層分段方法；其三，根據(jù)地震活動(dòng)叢集性進(jìn)行分段．對(duì)復(fù)雜的斷裂帶進(jìn)行分段時(shí)，需全面考慮各種因素，盡可能選用多個(gè)應(yīng)力張量作為參考應(yīng)力張量(Luetal，1997)．關(guān)于唐山地區(qū)震源機(jī)制解的分區(qū)特征和發(fā)震斷層的分段性，目前已有很多研究成果，本文將基于前人根據(jù)震源機(jī)制解得到的分段結(jié)果，定量地對(duì)其進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)唐山地震序列進(jìn)行更加合理的分段．

根據(jù)唐山地區(qū)震源機(jī)制解的分區(qū)特征(許忠淮，1985；李軼群，王健，2008；張宏志等，2008)和唐山地震序列地震斷層面的擬合結(jié)果(萬(wàn)永革等，2008)，本文將研究區(qū)分為5個(gè)子段：寧河段、唐山斷裂帶南段、唐山斷裂帶北段、灤縣段、盧龍斷裂段．將基于震源機(jī)制應(yīng)力反演程序(focal mechanism stress inversion package，簡(jiǎn)寫(xiě)為FMSI)(Gephart，F(xiàn)orsyth，1984)獲取的最佳應(yīng)力模型平均殘差作為表征區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)均勻程度的一個(gè)指標(biāo)，當(dāng)平均殘差介于6°—9°之間時(shí)，反演所得到的最佳應(yīng)力模型視為可接受解，但區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)仍存在一定程度的不均勻性(Wyss，Lu，1995；Luetal，1997)．利用FMSI方法分別對(duì)研究區(qū)的5個(gè)子段進(jìn)行應(yīng)力張量反演，結(jié)果列于表1．可以看出：除唐山斷裂帶北段外，其它4段的應(yīng)力張量均可視為可接受解；寧河、唐山斷裂帶南段和盧龍斷裂這3個(gè)子段的最大主壓應(yīng)力方向?yàn)镋SE--WNW向；唐山斷裂帶北段和灤縣段這兩個(gè)子段的最大主壓應(yīng)力方向近EW向，且表現(xiàn)出一定的拉張分量．表1還顯示出：唐山斷裂帶北段的平均殘差大于9°，表明該段的應(yīng)力場(chǎng)具有較高的非均勻性；唐山斷裂帶北段的震源機(jī)制解個(gè)數(shù)相對(duì)于其它4段最多，各種類(lèi)型的震源機(jī)制解沿唐山斷裂帶北段均勻分布，并且在該斷裂帶東北端形成一條近NS向的地震條帶，表明此處可能存在隱伏于地殼深處的活動(dòng)斷裂(張四昌，刁桂苓，1992)，復(fù)雜的斷裂結(jié)構(gòu)互相作用可能導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)的非均勻性．

表1 唐山地震序列發(fā)震斷層分段的參考應(yīng)力張量反演結(jié)果

注：R表示相對(duì)應(yīng)力大小，R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1).

3.2 基于應(yīng)力場(chǎng)均勻性的斷層分段

將所選用的震源機(jī)制解沿?cái)鄬幼呦驈腟W至NE進(jìn)行排列，分別計(jì)算5個(gè)參考應(yīng)力張量和排序后的每個(gè)震源機(jī)制解的最小空間旋轉(zhuǎn)角，并將其作為每個(gè)地震震源機(jī)制解與參考應(yīng)力張量之間的殘差，繪制殘差累積曲線和z檢驗(yàn)絕對(duì)值曲線，如圖2所示．由殘差累積曲線(圖2a)可以看出，在第31，145和219次地震處，寧河段、唐山斷裂帶南段、唐山斷裂帶北段和盧龍斷裂段的參考應(yīng)力張量的殘差累積曲線斜率發(fā)生改變，而灤縣段的參考應(yīng)力張量殘差累積曲線的整體趨勢(shì)變化則不明顯．由相應(yīng)殘差累積曲線的z檢驗(yàn)值曲線(圖2b)可以看出：在第31次地震處，寧河段、唐山斷裂帶北段和盧龍斷裂段參考應(yīng)力張量的殘差累積曲線z檢驗(yàn)值均超過(guò)臨界值；在第145次地震處，灤縣段和盧龍斷裂段參考應(yīng)力張量的殘差累積曲線z檢驗(yàn)值均超過(guò)臨界值；在第219次地震處，唐山斷裂帶北段和盧龍斷裂段參考應(yīng)力張量的殘差累積曲線z檢驗(yàn)值均超過(guò)臨界值．對(duì)于唐山斷裂帶南段參考應(yīng)力張量而言，各子段間的殘差累積曲線z檢驗(yàn)值未通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，且殘差累積z檢驗(yàn)值曲線的趨勢(shì)變化與寧河段參考應(yīng)力張量的殘差累積z檢驗(yàn)值曲線大體一致．按照差異顯著性的選擇標(biāo)準(zhǔn)，本文選擇第31，145和219次地震的位置(圖1中壓縮區(qū)用紅色填充的震源機(jī)制解所示)作為唐山地震序列發(fā)震斷層分段的分界點(diǎn)，即由z檢驗(yàn)值結(jié)果可見(jiàn)，在0.05的顯著性水平上，各子段的差異較為顯著．如圖1所示，第31次地震位于唐山斷裂帶與豐臺(tái)—豐南斷裂的交匯處，第145次地震位于唐山斷裂帶與一條隱伏斷裂的交匯處，第219次地震位于盧龍斷裂上，因此從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性的角度出發(fā)，將唐山地震序列的發(fā)震斷層分為4個(gè)子斷層段，第31，145和219次地震的震源位置即為唐山地震序列發(fā)震斷層在地殼深部介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的分界點(diǎn)．

圖2 累積殘差曲線(a)及其相應(yīng)的z檢驗(yàn)絕對(duì)值曲線(b)垂直虛線為分段界限，圖(b)中的水平線表示z檢驗(yàn)顯著水平為0.05的臨界值1.96

大地震由于破裂尺度太大對(duì)應(yīng)力場(chǎng)方向的局部變化不敏感，因而只能反映大尺度的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)，而小地震既能反映大尺度的應(yīng)力場(chǎng)，又能對(duì)局部擾動(dòng)的應(yīng)力場(chǎng)有所顯示．現(xiàn)今唐山地區(qū)以中小地震(2.5≤ML≤5.1)為主，對(duì)應(yīng)的破裂尺度約為幾百米，能夠反映出其應(yīng)力場(chǎng)在10—100 km尺度上是否具有均勻性(Luetal，1997)，因此該震級(jí)范圍適于研究唐山地震序列的斷層分段性，即根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)的均勻性可以確定各段分界點(diǎn)的位置．根據(jù)上述分段方法，本文將唐山地震序列的發(fā)震斷層分為寧河、唐山、灤縣和盧龍等4個(gè)子段，并利用FMSI方法反演得到各子段的最佳應(yīng)力張量，具體列于表2，圖3給出了重新分段后的4個(gè)子段的應(yīng)力場(chǎng)3個(gè)主應(yīng)力軸的分布圖．

表2 基于應(yīng)力場(chǎng)均勻性得到的唐山地震序列發(fā)震斷層4個(gè)子段的應(yīng)力張量反演結(jié)果

圖3 重新分段后4個(gè)子段的應(yīng)力場(chǎng)3個(gè)主應(yīng)力軸分布圖

從表2所示的反演結(jié)果可以看出：唐山子段的擬合殘差較大，應(yīng)力場(chǎng)非均勻程度較高，這可能與唐山斷裂帶NE端存在一近NS向的地震條帶有關(guān)，將該條帶與唐山斷裂帶北段分別進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)反演，結(jié)果也列于表2，可以看到: 二者的應(yīng)力場(chǎng)都較為均勻；灤縣子段的相對(duì)應(yīng)力大小R值為0.5，表明灤縣地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)比較均勻，分段較為合理．從唐山子段分割出來(lái)的隱伏斷裂的最佳應(yīng)力張量與灤縣MS7.1地震(圖1中發(fā)震時(shí)間為1976年7月28日18時(shí)45分的震源機(jī)制解)的矩心矩張量解比較接近，呈純正斷層錯(cuò)動(dòng)．由圖3可以看出，4個(gè)子段的最大主壓應(yīng)力方向均為近EW向，與李瑞莎等(2008)和盛書(shū)中等(2013)對(duì)該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的研究結(jié)果基本一致．

4 討論與結(jié)論

本文使用唐山地震序列近期的255個(gè)震源機(jī)制解，將該序列的發(fā)震斷層劃分為寧河、唐山、灤縣、盧龍等4個(gè)子段．灤縣、盧龍子段的范圍大致上與李軼群和王健(2008)給出的灤縣、盧龍區(qū)一致，本文獲取的灤縣、盧龍子段的最佳應(yīng)力張量與李軼群和王健(2008)的綜合斷層面解的類(lèi)型基本一致，只是盧龍子段的最大主壓應(yīng)力方向與李軼群和王健(2008)所得的結(jié)果相比有所偏轉(zhuǎn)；寧河、唐山子段的范圍與許忠淮(1985)給出的寧河、唐山區(qū)基本一致，其最大主壓應(yīng)力方向相對(duì)于該序列早期有所偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力軸傾角大于45°，具有較大的拉張分量．唐山子段與寧河子段的分界點(diǎn)(第31次地震)在EW向的豐臺(tái)—豐南斷裂附近，與震源破裂過(guò)程反演結(jié)果(Náběleketal，1987；Xie，Yao，1991；Huang，Yeh，1997)中的南北兩段分界點(diǎn)、地表破裂帶南北兩段分界點(diǎn)(郭慧等，2011a，b)的位置大致吻合，唐山子段與唐山斷裂帶北段展布范圍基本一致；而震源破裂過(guò)程反演結(jié)果中的南段和地表破裂帶的南段近期地震活動(dòng)較弱，由于震級(jí)較小地震的震源機(jī)制解可信度不高，所以南段可用的震源機(jī)制解個(gè)數(shù)較少，且大部分集中在薊運(yùn)河斷裂與昌黎—寧河斷裂交匯處，寧河子段與唐山斷裂帶南段的最佳應(yīng)力張量基本相同，故將唐山斷裂帶南段合并到寧河子段，這樣反演的最佳應(yīng)力張量與前人的研究結(jié)果(許忠淮，1985；李軼群，王健，2008；萬(wàn)永革等，2008)較為一致．在唐山斷裂帶NE端，一條近NS向的小震條帶(張四昌，刁桂苓，1992；劉亢等，2015)將唐山子段與灤縣子段隔開(kāi)，唐山子段的北端分界點(diǎn)(第145次地震)恰好就在近NS向的小震條帶上；灤縣子段處于盧龍斷裂與灤縣—樂(lè)亭斷裂的共軛交匯處，地震活動(dòng)叢集，張宏志等(2008)和萬(wàn)永革等(2008)使用雙差定位后的震源位置結(jié)合斷裂構(gòu)造細(xì)分出盧龍斷裂段和灤縣地震段，但本文認(rèn)為不能將地震活動(dòng)簡(jiǎn)單地歸并至某條斷裂上，因此本文將交匯處的震源機(jī)制解看成一個(gè)整體，劃分出灤縣子段，其最佳應(yīng)力張量表現(xiàn)為走滑型的應(yīng)力結(jié)構(gòu)．綜上所述，本文根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的均勻性所得到的唐山地震序列發(fā)震斷層的分段與震源破裂過(guò)程反演結(jié)果、地表破裂分段特征、地震活動(dòng)叢集以及構(gòu)造特征大體一致，在一定程度上反映了唐山地震震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的現(xiàn)今狀態(tài)．

唐山地震序列發(fā)震斷層各子段的最佳應(yīng)力張量與該區(qū)較大地震的矩心矩張量解類(lèi)似，也從一定程度上驗(yàn)證了本文給出的斷層分段較為合理．灤縣MS7.1和寧河MS6.9地震以及絕大多數(shù)余震均發(fā)生在唐山斷裂帶的SW端和NE端，而這兩個(gè)區(qū)域恰好是唐山MS7.8地震所產(chǎn)生的引張應(yīng)力區(qū)；本文中寧河子段和唐山子段的最佳應(yīng)力張量為拉張狀態(tài)，與主震對(duì)寧河、唐山兩個(gè)子段的應(yīng)力場(chǎng)作用方式一致．近期震源機(jī)制解中正斷型地震較多，唐山、寧河和盧龍子段的應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)出的拉張分量，使我們不能僅限于二維平面討論唐山地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)作用方式，而忽略掉地殼深部構(gòu)造環(huán)境所產(chǎn)生的垂直力作用．劉啟元等(2007)給出的唐山及其鄰區(qū)60 km 深度范圍內(nèi)的三維地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)顯示，沿唐山斷裂帶布設(shè)的臺(tái)站下方的中上地殼存在明顯的向上擠出的S波低速體，流體和熱作用導(dǎo)致并加速了地殼物質(zhì)的弱化和物質(zhì)向兩側(cè)的擠出，同時(shí)在地殼上部產(chǎn)生張應(yīng)力，這可能是唐山子段近期走滑型和正斷型事件活躍的深部動(dòng)力學(xué)成因；在剖面NE端存在的局部低速體可能與盧龍子段的應(yīng)力場(chǎng)作用方式有關(guān)，而灤縣子段在剖面上則未顯示出較強(qiáng)的橫向不均勻性．唐山地震序列的形成與地殼內(nèi)部垂直構(gòu)造差異運(yùn)動(dòng)和張剪性局部應(yīng)力場(chǎng)的觸發(fā)作用密切相關(guān)(Shaoetal，1986；劉啟元等，2007)．

從近期唐山地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的基本特征可以看出，唐山地震的震源斷層并沒(méi)有愈合，而是處于持續(xù)活動(dòng)狀態(tài)，且現(xiàn)今的中小地震具有繼承性斷裂活動(dòng)特征．寧河、唐山、灤縣和盧龍這4個(gè)子段相對(duì)之前研究結(jié)果所表現(xiàn)出來(lái)的最大主壓應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)和傾伏角增大等現(xiàn)象需要基于更豐富、更精確的資料進(jìn)行精細(xì)研究．隨著數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的廣泛布設(shè)，高精度地震觀測(cè)資料為我們研究歷史大震震源構(gòu)造的精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使得重新考慮唐山、灤縣、寧河地震的破裂模型、機(jī)制及其震后的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程成為可能．本文僅從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性的角度對(duì)唐山地震序列的發(fā)震斷層進(jìn)行分段，期望下一步能夠加入更小震級(jí)地震的震源機(jī)制解資料，對(duì)唐山地震序列的發(fā)震斷層再進(jìn)行下一級(jí)子段的細(xì)分．

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Seismogenic fault segmentation of Tangshan earthquake sequence derived from focal mechanism solutions

Yang Yaqiong1)Wang Xiaoshan1,2),*Wan Yongge3,2)Sheng Shuzhong3)Chen Ting1)

1)EarthquakeAdministrationofHebeiProvince,Shijiazhuang050021,China2)InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China3)InstituteofDisasterPrevention,HebeiSanhe065201,China

Based on the method of tectonic stress field homogeneity, this paper determined the segmentation of the seismogenic fault of Tangshan earthquake sequence by using the focal mechanisms of earthquake withML≥2.5 occurred in Tangshan area from January of 2002 to November of 2015. According to the previous subarea results related to focal mechanisms in Tangshan area, this paper obtained five reference stress tensors, and the seismogenic fault of Tang-shan earthquake sequence was divided into four segments,i.e., Ninghe, Tang-shan, Luanxian and Lulong, by the significant difference analysis ofz-test of cumulative misfit. The inversion for stress fields of the four segments shows the orientation of maximum principal stress axes is nearly in EW, and the stress filed of the Tangshan, Ninghe and Lulong segments showed a greater tensile component. The best stress tensors of Tangshan and Ninghe segments are consistent with the tensile stress field caused by the Tangshan main shock’s pulling the northeastern and southwestern ends of Tangshan fault zone. The uplift model of upper mantle material derived from receiver function may also conform to the stress field of Tangshan segment. The strike-slip stress field of Luanxian segment is closely related to the conjugated structure in this area. The best stress tensor of Lulong segment is normal fault with right-lateral strike-slip. From the present characteristics of stress field for the seismogenic fault segmentation of Tangshan earthquake sequence, it is concluded that the seismicity in Tangshan area has inherited the development mode of Tangshan earthquake sequence, and mainly can be controlled by the regional tectonic stress field and the coexistence of deep and shallow faults.

Tangshan earthquake sequence; focal mechanism; tectonic stress field; segmentation of the seismogenic fault

10.11939/jass.2016.04.009.

國(guó)家自然科學(xué)基金(91214201)和河北省地震局地震科技星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(DZ20150428102, DZ20140101002)聯(lián)合資助.

2016-04-11收到初稿，2016-06-10決定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.04.009

P315.2

A

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*通訊作者 e-mail: wxs@eq-he.ac.cn