CAP方法反演2016年唐山ML4.3地震震源機(jī)制解

朱音杰，劉 檀，趙英萍，劉 新，李冬圣，丁 成

(1.河北省地震局石家莊中心臺(tái)，石家莊 050021；2.河北省地震局，石家莊 050021；3.河北省地震局豐寧地震臺(tái)，河北 承德 067000)

CAP方法反演2016年唐山ML4.3地震震源機(jī)制解

朱音杰1，劉 檀1，趙英萍2，劉 新2，李冬圣2，丁 成3

(1.河北省地震局石家莊中心臺(tái)，石家莊 050021；2.河北省地震局，石家莊 050021；3.河北省地震局豐寧地震臺(tái)，河北 承德 067000)

利用河北臺(tái)網(wǎng)及臨近區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的地震波形資料，采用CAP方法反演了2016年9月10 日河北唐山ML4.3地震的震源機(jī)制解和震源深度并將反演結(jié)果作為已知輸入，利用F-K方法計(jì)算理論地震波形，與觀測(cè)記錄進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。結(jié)果顯示，此次唐山地震為右旋—正傾斷層，矩震級(jí)為4.4，最佳雙力偶解為節(jié)面I：走向238.0°，傾角44.0°，滑動(dòng)角-143.0°；節(jié)面Ⅱ：走向119.5°，傾角65.3°，滑動(dòng)角-52.4°，最佳震源深度為6.5 km。

唐山地震；CAP方法；震源機(jī)制解；余震

0 引言

2016年9月10日河北唐山古冶區(qū)及開平區(qū)交界處發(fā)生ML4.3地震，市區(qū)有明顯震感。本文利用河北臺(tái)網(wǎng)及臨近區(qū)域臺(tái)網(wǎng)寬頻帶數(shù)字地震儀的地震波形記錄，對(duì)唐山地震精確定位并反演其震源機(jī)制解。根據(jù)地震活動(dòng)性和地質(zhì)構(gòu)造特征探討唐山ML4.3地震的發(fā)震構(gòu)造，并對(duì)其是否屬于唐山大地震余震進(jìn)行討論分析。

在震源機(jī)制的研究中，學(xué)者們?cè)谶@方面積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)。Zhao和Helmberger等[1]提出的CAP(Cut and Paste)波形反演求取震源機(jī)制解的方法，采用近震寬頻帶波形資料，利用分段的波形擬合，通過濾波去除長周期的地脈動(dòng)及漂移，充分利用波形中所包含的震源信息，彌補(bǔ)了P波初動(dòng)法在臺(tái)站分布不均、P波極性判斷及計(jì)算地震深度的問題，使得反演結(jié)果更加穩(wěn)定、可靠。CAP方法獨(dú)特的波形分離、浮動(dòng)擬合技術(shù)，即使在速度模型不佳、格林函數(shù)不理想、甚至是臺(tái)站分布不均勻的情況下，仍能獲得不錯(cuò)的波形擬合效果[2]。

1 發(fā)震背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

唐山地區(qū)位于華北板塊的北邊界陰山EW向構(gòu)造帶南緣—燕山褶斷帶和冀中塊體東邊界帶—滄東斷裂的交匯部位[3]。唐山極震區(qū)構(gòu)造顯著的特點(diǎn)是：由寧河—昌黎斷裂、豐臺(tái)—野雞坨大斷裂(現(xiàn)榛子鎮(zhèn)斷裂)、灤縣—樂亭斷裂和薊運(yùn)河斷裂的切割形成一個(gè)NEE向的菱形塊體。

唐山斷裂帶發(fā)育在菱形塊體內(nèi)部的蓋層中，并由3條近平行的斷層組成(圖1)：

1)陡河斷層。全長約20 km，緊靠地壘構(gòu)造的西側(cè)展布，東北段為傾向NW的正斷層，西南段由2條平行的小斷層組成，斷面都傾向NW，西邊一條為正斷層，東邊一條為逆斷層。

2)唐山—巍山—長山南坡斷層。全長約21 km，由一些斷續(xù)出露的斷層組成，走向NE，傾向NW，傾角達(dá)80°，以擠壓逆沖性質(zhì)為主，斷層多沿地層層面分布。

3)唐山—古冶斷層。長約32 km，總體走向NE至NEE，其中西南段走向NE 30°，東北段走向NE50°，傾向SE，傾角50°～60°，屬于走滑性質(zhì)。

由震中位置可以推測(cè)，此次唐山ML4.3地震的發(fā)震斷層可能為唐山—古冶斷層，與唐山MS7.8地震發(fā)震斷層一致。

1.2 地震活動(dòng)性背景

一次較大地震發(fā)生后，余震序列總的趨勢(shì)是隨時(shí)間有起伏地逐漸減弱[4]。余震是在大地震，即中強(qiáng)度以上地震之后在地球內(nèi)部發(fā)生主震的同一地方發(fā)生。因發(fā)震位置的不同，也能造成余震延續(xù)時(shí)間的長短不一，例如板緣地震衰減比較快，可能只需幾天或十幾天時(shí)間，板內(nèi)地震衰減會(huì)比較慢，可能延續(xù)幾十年乃至上百年，唐山地震余震序列便如上所述。所以判斷一次地震是否屬于余震可以從空間、時(shí)間以及破裂機(jī)制等方面進(jìn)行討論。

圖1 唐山ML4.3級(jí)地震區(qū)域構(gòu)造圖

唐山7.8地震的余震序列總體上呈衰減特征，但是衰減過程中有階段性起伏，這個(gè)唐山ML4.3地震是近期一次新的起伏。唐山7.8地震已經(jīng)過去40年，但是其余震序列仍在持續(xù)。根據(jù)仲秋等[5]的研究，該地震的余震序列還將持續(xù)100年左右。

2004年以來，唐山老震區(qū)的ML4.0以上地震呈現(xiàn)出2年左右的準(zhǔn)周期特征，準(zhǔn)周期約為22～26個(gè)月，同時(shí)兼有雙震特征[6](圖2)。

圖2 研究區(qū)域內(nèi)4.0級(jí)及以上地震M-t圖

從圖2中可以看出，從2004年到2014年中基本呈現(xiàn)出這個(gè)特征，但在2015年09月發(fā)生ML4.7地震，打亂了這個(gè)規(guī)律。并且從地震活動(dòng)性來看，2015年之后3.5級(jí)及以上地震明顯增加，地震活動(dòng)性增強(qiáng)，具體原因有待更深一步的研究。

2 資料與求解

2.1 資料選取及數(shù)據(jù)處理

通常情況下，區(qū)域速度結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性隨著震中距增加而增大，區(qū)域地震臺(tái)站記錄到的震相復(fù)雜性也隨著震中距增大而增大。因此，在利用區(qū)域地震波形反演中強(qiáng)地震的震源機(jī)制解時(shí)，較多地采用震中距250 km范圍內(nèi)的臺(tái)站記錄[7]。

CAP方法反演震源機(jī)制解主要通過對(duì)比給出震源機(jī)制解的理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形，擬合殘差最小的機(jī)制解為最終反演結(jié)果。在研究中將原始速度記錄扣除儀器響應(yīng)，并旋轉(zhuǎn)成Z-R-T分量，并將其分成Pnl和Snl兩部分。將Pnl部分經(jīng)帶寬為0.05～0.2 Hz、Snl部分經(jīng)帶寬為0.05～0.1 Hz的4階Butterworth帶通濾波器進(jìn)行濾波，提高信噪比。根據(jù)Pnl和Snl部分的波形特點(diǎn)，設(shè)置2者相對(duì)權(quán)重為2∶1，更好地約束2者的振幅比對(duì)震源深度及機(jī)制解的影響。在計(jì)算過程中，采用距離影響因子、頻率—波數(shù)法(F-K方法)等解決了震中距過小及給定速度模型下各個(gè)臺(tái)站間格林函數(shù)的計(jì)算結(jié)果問題的影響，得到各種頻率下的體波和面波波形，由震源函數(shù)及格林函數(shù)合成理論波形。經(jīng)上述處理，得到每個(gè)臺(tái)Pnl部分的垂直分量、徑向分量和Snl部分的3個(gè)分量。

由于CAP方法對(duì)速度結(jié)構(gòu)依賴相對(duì)較小，綜合研究區(qū)域內(nèi)地形因素，采用與河北臺(tái)網(wǎng)MSDP軟件對(duì)應(yīng)一致的速度模型(表1)。

表1 研究地區(qū)地殼速度模型

2.2 震源機(jī)制解結(jié)果分析

根據(jù)近震臺(tái)站記錄和華北地區(qū)的速度模型，利用CAP方法反演得到的最佳震源機(jī)制解、理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形的對(duì)比(圖3)。本文采用的是震中距200 km范圍內(nèi)的臺(tái)站。在圖3顯示的理論合成波形與實(shí)測(cè)波形的比較中，9個(gè)臺(tái)站Pnl部分和面波部分共42個(gè)震相，相關(guān)系數(shù)大于0.8的有31個(gè)，達(dá)到了70%以上，屬于強(qiáng)度相關(guān)。其中，相關(guān)系數(shù)大于0.9的有23個(gè)，在強(qiáng)度相關(guān)中超過了70%，反演方差為9.547×10-4，反演結(jié)果理論地震波形圖與實(shí)測(cè)地震波形圖吻合得較好。該深度對(duì)應(yīng)的雙力偶解為最佳震源機(jī)制解(表2)，其結(jié)果為矩震級(jí)4.4。

圖3 CAP方法反演的震源機(jī)制解理論波形圖(紅色)與實(shí)測(cè)波形圖(黑色)對(duì)比

表2 唐山ML4.3級(jí)地震反演結(jié)果

根據(jù)反演結(jié)果與研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖推測(cè)，節(jié)斷面Ⅰ為發(fā)震斷層面；由震中位置圖可以推斷此次地震發(fā)生在唐山—古冶斷裂帶。由于唐山—古冶斷裂帶呈現(xiàn)NE走向，唐山—古冶斷裂帶的東北段走向?yàn)?0°，與震源機(jī)制解結(jié)果一致，因此得出此次地震發(fā)生在唐山斷裂帶中NE向唐山—古冶構(gòu)造帶東北段上。反演結(jié)果中壓應(yīng)力軸方向?yàn)榻黈EE向，張應(yīng)力軸近NS向，根據(jù)斷層走向分析得到，發(fā)震斷層為右旋—正傾斷層。

由最終選取的臺(tái)站分布圖看(圖4)， 臺(tái)站間最大空隙角小于180°,臺(tái)站個(gè)數(shù)為9個(gè)，臺(tái)站分布參數(shù)deltaU=0.30，小于0.35，該地震利用CAP方法反演得到的機(jī)制解可以采用。

圖4 參與計(jì)算臺(tái)站分布圖

為了驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，同時(shí)利用初動(dòng)及振幅比方法[8]計(jì)算該地震的震源機(jī)制解。初動(dòng)及振幅比方法主要以計(jì)算直達(dá)波PG、SG振幅比為主，初至波初動(dòng)方向?yàn)檩o進(jìn)行震源機(jī)制解計(jì)算。只要有準(zhǔn)確的直達(dá)波觀測(cè)振幅比及觀測(cè)值歸算到震源球面上的位置正確，振幅比觀測(cè)對(duì)震源機(jī)制參數(shù)有較強(qiáng)的約束能力[9]。通過初動(dòng)及振幅比方法得到的震源機(jī)制解為節(jié)面Ⅰ走向?yàn)?29.0°，傾角為36.0°，滑動(dòng)角為-173.0°；節(jié)面Ⅱ走向?yàn)?34.0°，傾角為86.0°，滑動(dòng)角為-54.0°(圖5)。

a 初動(dòng)及振幅比方法 b CAP方法圖5 分別利用初動(dòng)及振幅比和CAP方法計(jì)算震源機(jī)制解沙灘球?qū)Ρ葓D

表3 2種方法計(jì)算震源機(jī)制解結(jié)果對(duì)比

從圖5及表3可以看出，利用初動(dòng)—振幅比方法計(jì)算震源機(jī)制解與CAP方法計(jì)算結(jié)果基本一致，得到的斷層類型均為右旋—正傾滑動(dòng)。2種方法略有差異，在初動(dòng)—振幅比方法中對(duì)振幅選取精確度要求較高。

劉桂萍等在計(jì)算唐山大地震應(yīng)力場(chǎng)變化一文中，對(duì)唐山7.8級(jí)主震斷層位錯(cuò)模型參數(shù)中總結(jié)到主震斷層走向?yàn)?29°，傾角80°[10]，與此次地震震源機(jī)制節(jié)面Ⅰ走向基本一致，因此也可以推斷2016年9月10日唐山ML4.3級(jí)地震為唐山大地震的余震序列。

2.3 震源深度

一般來說，利用CAP方法可以獲得較準(zhǔn)確的震源深度。然而震源深度可能受到反演過程中多種因素的影響，比如面波和體波的相對(duì)權(quán)重，以及不同的濾波頻段等因素[11]。圖6給出了唐山ML4.3地震震源機(jī)制解隨不同深度變化的取值情況，可以看出，震源深度在6.5 km處震源機(jī)制解的反演方差相對(duì)較小，且每個(gè)深度反演得到的震源機(jī)制節(jié)面參數(shù)基本相同，反演結(jié)果比較穩(wěn)定。

圖6 不同深度誤差和震源機(jī)制隨不同震源深度的變化

在震源深度方面，如果某一臺(tái)站離震中較近或者就在震中區(qū)，則該臺(tái)震源距與震源深度相近[12]。根據(jù)震源距公式：

D=VΦ×Δt

(1)

VΦ=(VP·VS)/(VP-VS)

(2)

式中：VΦ為虛波速度，由速度模型中的第2層計(jì)算，取6.01 km/s；Δt為某一臺(tái)站記錄的S波與P波的到時(shí)差，由最近的臺(tái)站陡河臺(tái)(39.75°N，118.33°E)的觀測(cè)記錄得到，取1.27 s。據(jù)此推算，震源深度約為7.6 km，而CAP反演該地震的最佳擬合深度為6.5 km，反演結(jié)果略小于理論推算值。一方面可能是濾波頻段的選擇及人工標(biāo)注震相走時(shí)差造成的誤差；另一方面，CAP反演的是矩心深度，反映的是能量釋放最大處的深度，物理意義上有一定區(qū)別，因此會(huì)造成誤差。

3 結(jié)論

本文利用河北臺(tái)網(wǎng)及臨近臺(tái)網(wǎng)寬頻帶地震儀的近震波形數(shù)據(jù)，采用CAP方法對(duì)2016年9月10日唐山ML4.3地震進(jìn)行反演，得出以下結(jié)論。

1)此次地震的震源機(jī)制解節(jié)面走向與唐山大地震主震斷層基本一致，結(jié)合地震活動(dòng)性背景來看，此次地震應(yīng)屬于唐山大地震的余震序列。發(fā)震斷層可能是唐山斷裂帶中NE向唐山—古冶斷裂。

2)該反演地震在矩心深度為6.5 km時(shí)震源機(jī)制解反演方差達(dá)到較小值，波形相關(guān)系數(shù)絕大多數(shù)都大于0.7，表明反演結(jié)果可靠。

3)CAP方法反演得到的ML4.3地震最佳震源機(jī)制解結(jié)果為：節(jié)面Ⅰ，走向?yàn)?38.0°，傾角為44.0°，滑動(dòng)角為-143.0°；節(jié)面Ⅱ，走向?yàn)?19.5°，傾角為65.3°，滑動(dòng)角為-52.4°。節(jié)面Ⅰ與唐山—古冶斷裂帶東北段走向基本一致，故推斷此斷裂帶為唐山ML4.3地震的發(fā)震構(gòu)造，震源斷層面取向NEE，NEE向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為孕震和發(fā)震的主要力源。發(fā)震斷層為右旋—正傾斷層。

致謝：感謝審稿老師給予的寶貴意見。

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Focal Mechanism Inversion of the 2016 TangshanML4.3 Earthquake Using the CAP Method

ZHU Yin-jie1, LIU Tan1, ZHAO Ying-ping2, LIU Xin2, LI Dong-sheng2, DING Cheng3

(1. Huangbizhuang Seismic Station, Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;2. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China; 3. Fengning Seismic Station, Earthquake Administration of Hebei Province, Chengde 067000, China)

On September 10, 2016, aML4.3 earthquake occurred in Tangshan city which belongs to the Tangshan earthquake sequence. In this study, on basis of waveform data from digital seismic network of Hebei province and its adjacent regions, the focal mechanism solution and focal depth of the earthquake is inverted using the CAP method. The results of focal mechanism and focal depth are confirmed by comparing the observed records with the synthetic waveform computed using the F-K method. The results show that the earthquake mechanism is a strike-slip fault with normal thrust component. The moment magnitude is 4.4. The strike, dip and slip angles of two nodal planes of the best double couple solution is 238.0°, 44.0° , -143° and 119.5° , 65.3° , -52.4° , the estimated focal depth is 6.5 km.

Tangshan earthquake; CAP method; focal mechanism; aftershock

朱音杰，劉檀，趙英萍，等. CAP方法反演2016年唐山ML4.3地震震源機(jī)制解[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(2):50-55.

2016-12-02

測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)(20150404)

朱音杰(1986—)，男，山東文登人，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)工作． E-mail：zhuyinjie_361@163.com

P315.33

A

1003-1375(2017)01-0050-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.008