2016年1月9日河北懷來ML3.4震群發(fā)震構(gòu)造分析1

單連君 張新東 王曉山

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2016年1月9日河北懷來L3.4震群發(fā)震構(gòu)造分析1

單連君 張新東 王曉山

（河北省地震局，石家莊 050021）

本文采用模板識別匹配濾波方法檢測2016年1月9日河北懷來L3.4震群序列目錄中遺漏的地震事件，并加入波形互相關(guān)信息對震相到時進行校正，采用蓋革法進行精確定位。重新定位后震群震中呈NEE向分布，與懷涿次級盆地北緣斷裂走向一致，并主要集中在該斷裂的小水峪-黃土窯段。震群中最大地震L3.4的P波初動解的一個節(jié)面走向與精定位后震中展布和斷裂的走向基本一致，可推測懷涿次級盆地北緣斷裂可能為懷來L3.4震群的發(fā)震構(gòu)造。震中集中分布的懷涿次級盆地北緣斷裂的小水峪-黃土窯段屬5個分段中滑動速率最大的段落，分析認為該震群可能是由斷層慢滑動引起的。

懷來震群 遺漏地震檢測 精確定位 發(fā)震構(gòu)造

引言

震群一般定義為短時間內(nèi)集中在一個區(qū)域內(nèi)的地震活動，或者由彈性斷層級聯(lián)破裂觸發(fā)引起，或者由震源處流體壓力的擾動和斷層的無震滑動引起（Vidale等，2006）。隨著數(shù)字地震臺網(wǎng)的布設(shè)，監(jiān)測能力的提高，我們能更好地研究這類地震活動，這對深入認識震群的孕育和發(fā)展過程具有重要意義。

2016年1月9日5時10分起，在河北省懷來縣發(fā)生震群活動，該震群位于晉冀蒙盆嶺構(gòu)造區(qū)最東端與NW向張家口-蓬萊斷裂帶交匯地段的延慶-懷來盆地（延懷盆地）中，張素欣等（2016）根據(jù)余震分布和震源機制解推斷該震群的發(fā)震構(gòu)造為黃土窯-土木斷裂，而該斷裂晚更新世以來沒有活動過（徐錫偉等，2002）。延懷盆地是中強地震較為集中之地，據(jù)史料記載，公元1300年以來共發(fā)生過6次5級以上地震，其中最大地震為1720年沙城6?級地震。近期在盆地內(nèi)部及其周邊地區(qū)陸續(xù)發(fā)生了2013年3月涿鹿微震群（譚毅培等，2014a），2013年8月蔚縣小震群（譚毅培等，2014b），2014年9月6日涿鹿4.3地震（楊歧焱等，2015），加上這次在晚更新世以來沒有活動過的斷裂上發(fā)生的懷來震群，使我們覺得有必要對該盆地的地震危險性進行分析。采用波形互相關(guān)進行地震精定位和波形反演震源機制等數(shù)字地震學技術(shù)對懷來震群的發(fā)震構(gòu)造進行研究，為該地區(qū)地震危險性分析、地震地質(zhì)研究和地震趨勢判斷提供有效依據(jù)。本文選取L≥1.0地震作為模板，通過波形互相關(guān)檢測因波形疊加而被目錄遺漏的地震事件，利用波形互相關(guān)震相檢測技術(shù)標定其P波、S波到時進行地震精確定位，再結(jié)合震源機制解分析懷來震群活動可能的發(fā)震構(gòu)造。

1　序列特征及構(gòu)造背景

自2016年1月9日5時10分起，在河北懷來（40.48°N，115.57°E）發(fā)生震群活動，最大地震為1月10日2時25分的L3.4地震，河北數(shù)字臺網(wǎng)常規(guī)定位震源深度13km。據(jù)河北數(shù)字臺網(wǎng)目錄，截至1月25日，共發(fā)生可定位小震259次，其中L0.9以下地震219次，L1.0—1.9地震33次，L2.0—2.9地震3次，L3.0—3.9地震1次。中國地震局地球物理研究所臺網(wǎng)沙城臺單臺記錄地震511次，直達S波與P波的到時差小于2.3s。震群序列的震中呈橢圓形分布（圖1），可能是序列中的大部分震中均由沙城臺單臺定位造成的。

F1：懷涿次級盆地北緣斷裂；F2：延礬次級盆地北緣斷裂；F3：新保安-沙城斷裂；F4：黃土窯-土木斷裂；F5：桑干河斷裂；F6：孫莊子-烏龍溝斷裂；F7：南口山前斷裂；F8：施莊斷裂；d1：杏林堡-小水峪段；d2：小水峪-黃土窯段，d3：永豐堡-雞鳴驛段；d4：雞鳴驛-黃土港段；d5：沈莊-長瞳段。震源機制解為2014年9月6日涿鹿4.3級地震，空心菱形為2013年3月涿鹿微震群

懷來L3.4震群發(fā)生在延懷盆地內(nèi)部的懷涿次級盆地北緣斷裂附近（圖1）。懷涿次級盆地北緣斷裂是發(fā)育在懷來-涿鹿次級盆地北緣邊界的傾滑正斷裂，北起懷來東北角的杏林堡，終止在涿鹿長瞳一帶，整體走向NEE，傾向SE，傾角50°—75°，由一系列次級斷層呈折線狀或右階斜列狀排列而成，全長約58km。根據(jù)懷涿次級盆地北緣斷裂晚第四紀以來的斷裂作用累積地貌表現(xiàn)、幾何結(jié)構(gòu)特征和古地震復(fù)發(fā)模式等，可將其劃分為5個基本破裂段，從東到西分別為杏林堡-小水峪段（d1）、小水峪-黃土窯段（d2）、永豐堡-雞鳴驛段（d3）、雞鳴驛-黃土港段（d4）和沈莊-長瞳段（d5）等（徐錫偉等，2002）。各段落探槽開挖獲得的古地震資料可以相互對比，但段落之間的古地震序列、復(fù)發(fā)間隔等定量參數(shù)各不相同，反映出各段落具有相對獨立的地震活動性，而且具有不同的段落邊界類型。

延懷盆地泛指延慶、懷來、礬山、涿鹿等4個盆地。2013年3月的涿鹿微震群（圖1）發(fā)生在涿鹿次級盆地，譚毅培等（2014a）通過精定位結(jié)果的分析，推測此次震群的發(fā)震構(gòu)造為走向NW—SW的近直立斷層，可能為施莊斷裂。2014年9月6日涿鹿4.3級地震（圖1）發(fā)生在延礬盆地北緣斷裂附近，震源機制解和現(xiàn)場調(diào)查評定的烈度圖表明，等震線長軸為北東向，與震源機制解節(jié)面Ⅱ和延礬盆地北緣斷裂走向基本一致（楊歧焱等，2015；李冬圣等，2016）。

2　方法

2.1　模板地震選取

本文所用數(shù)據(jù)來自河北省數(shù)字地震臺網(wǎng)和晉冀蒙臨時臺網(wǎng)記錄的三分量地震波形，首先選取2016年1月9日至11日懷來震群L1.0以上的地震事件和臺站連續(xù)波形，模板地震選擇和波形預(yù)處理遵循譚毅培等（2014a）在涿鹿微震群遺漏地震檢測中使用的標準。共挑選出滿足條件的11個地震事件作為模板地震，如表1所示。

表1　所選用的模板地震

對于每個模板地震，對1月9日至11日的連續(xù)波形進行掃描，計算互相關(guān)系數(shù)（Cross- correlation，CC）。對三分向數(shù)據(jù)的CC取平均，通過計算序列的絕對離差中位數(shù)（Median Absolute Deviation，MAD）搜索地震（Peng等，2009）。本文取9倍MAD作為判別地震的閾值。圖2展示了對1月10日2點至5點共3個小時連續(xù)波形使用模板地震Eq0110022547進行互相關(guān)掃描的結(jié)果。首先將沙城臺（SHC）、涿鹿臺（ZHL）、赤城臺（CHC）3個臺站（圖4中藍色字母標注的臺站）掃描得到的互相關(guān)系數(shù)序列按模板地震在此臺站的走時平移，然后對連續(xù)數(shù)據(jù)進行閾值檢測以得到遺漏事件。該閾值包含兩種，其一是計算3個臺站波形互相關(guān)系數(shù)的平均數(shù)，設(shè)閾值為9倍MAD；其二是單臺互相關(guān)系數(shù)，設(shè)閾值為0.7。經(jīng)掃描得到大于閾值的，而原地震目錄中未記錄的事件則作為疑似地震事件。最后，基于波形互相關(guān)震相檢測技術(shù)檢測疑似遺漏地震事件的震相，并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遺漏事件的震級。共檢測出19個超過閾值的事件，經(jīng)與目錄對比，其中疑似遺漏事件9個，震級為L0.2—0.6。

模板地震為發(fā)生在2016年1月10日02:25:47.40的ML1.1地震，掃描時間為2016年1月10日2:00—5:00。黑色空心圓為目錄給出的地震，灰色實心圓是檢測到的地震。（a）3個臺站互相關(guān)相加結(jié)果，根據(jù)9倍絕對離差中位數(shù)計算得到閾值為0.2950；（b）—（d）分別為3個臺站波形互相關(guān)系數(shù)，閾值取為0.7。

2.2 震相校正

由區(qū)域臺網(wǎng)提供的觀測報告中的震相到時是地震定位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而震相報告中存在人工拾取到時的誤差，對定位結(jié)果的精確度造成一定影響，使用波形互相關(guān)方法對波形相似的地震進行震相校正可以有效降低人工拾取到時誤差的影響。

圖3以震中距最近的SHC臺為例，展示了校正震相到時的過程。使用波形互相關(guān)技術(shù)對21個地震事件進行P波和S波到時校正。人工拾取P波和S波到時的誤差范圍分別是－0.55—0.42s和－0.58—0.41s，經(jīng)過波形互相關(guān)震相檢測后，波形相似的不同地震事件震相拾取誤差降低到5ms（采樣間隔的一半）以內(nèi)。該方法一定程度上消除了每個事件定位過程中人工拾取P波或S波到時的相對誤差，從而提高了定位結(jié)果的精度。

3 發(fā)震構(gòu)造分析

對能標定3個及以上臺站震相到時的地震事件進行重新定位，定位中所用臺站分布見圖4。這些臺站在方位上均勻地分布于震群周圍，所用速度模型參考譚毅培等（2014a）分析2013年3月涿鹿震群的一維速度模型。對于L1.0以上的模板地震都能夠得到精定位結(jié)果，而對于其它未能標定3個及以上臺站震相到時的地震，將其震中定在與其互相關(guān)系數(shù)最大的模板地震震中處。

最上方黑色曲線為所選模板地震經(jīng)過1—10Hz帶通濾波的波形。藍色短線表示臺網(wǎng)震相報告給出的震相到時數(shù)據(jù)，紅色表示基于波形互相關(guān)震相檢測技術(shù)標定的震相到時，每條波形左側(cè)數(shù)字為震相報告給出到時與互相關(guān)標定到時之差，單位為s

藍色五角星為震群位置，黑色三角形為臺站位置

黑色實心圓為精定位前震中，綠色實心圓為精定位后震中（圖例同圖1）

利用格點嘗試法（許忠淮等，1983）求取本次震群中最大地震L3.4的震源機制解，參數(shù)為：節(jié)面Ⅰ走向65°，傾角77°，滑動角175°；節(jié)面Ⅱ走向156°，傾角85°，滑動角13°；P軸方位角290°，傾角5°，錯動方式為走滑型。為了便于對比震群精定位前后的震中分布，將沙城臺單臺定位的目錄刪除。圖5給出了精定位前臺網(wǎng)目錄（圖5中黑色實心圓）的震中分布，可以看出震中呈NW向展布，與震源機制解的節(jié)面Ⅱ走向接近。懷涿次級盆地北緣斷裂的杏林堡-小水峪段（d1）與小水峪-黃土窯段（d2）在小水峪附近右階斜列，形成了一個寬約200m的階區(qū)，并在北部基巖山地有NW向斷層與懷涿次級盆地北緣斷裂交匯（徐錫偉等，2002），初步推測震群活動可能與該NW向斷層有關(guān)。

經(jīng)過波形互相關(guān)震相校正的地震事件，使用蓋革法重新定位后的震中（圖5中綠色實心圓）主要集中分布在懷涿次級盆地北緣斷裂的小水峪-黃土窯段（d2），震中展布的優(yōu)勢方向與懷涿次級盆地北緣斷裂以及震源機制解節(jié)面Ⅰ的走向基本一致，節(jié)面Ⅰ傾角較陡，這與深反射剖面揭示的深部斷裂呈高角度傾斜較為一致（祝治平等，1997）。小水峪-黃土窯段的平均垂直滑動速率為0.41—0.55mm/a（徐錫偉等，2002），屬各分段中滑動速率最大的段落，深部斷層的慢滑動可能是此次震群爆發(fā)的主要原因，可以推斷懷涿次級盆地北緣斷裂為此次震群的發(fā)震構(gòu)造。

4 討論與結(jié)論

本文基于模板識別匹配濾波方法對2016年1月9日的懷來震群序列中的遺漏地震進行檢測，并通過波形互相關(guān)方法對震相到時進行校正，使定位精度大大提高，為分析發(fā)震構(gòu)造提供了重要支持。臺網(wǎng)目錄給出的震中分布對判斷發(fā)震斷裂過程造成了一定的干擾，而加入波形互相關(guān)信息進行震相校正后重新定位的震中優(yōu)勢分布與震源機制解、震群所處的懷涿次級盆地北緣斷裂走向以及深部斷裂的產(chǎn)狀比較一致，可以推斷懷涿次級盆地北緣斷裂可能為懷來震群的發(fā)震構(gòu)造。

懷涿次級盆地北緣斷裂是一條晚更新世—全新世活動斷層。在杏林堡與小水峪兩村之間，懷涿次級盆地北緣斷裂上、下盤分別發(fā)育4級和3級地貌面。從古地震破裂展布來看，小水峪階區(qū)東西兩側(cè)的杏林堡-小水峪段和小水峪-黃土窯段最新一次地表破裂型地震和距今1.31ka以來發(fā)生在杏林堡-小水峪段的地震破裂（可能為發(fā)生在公元1720年的歷史地震）越過小水峪邊界階區(qū)，延續(xù)到小水峪-黃土窯段之上，說明這一段落邊界不屬于持久性邊界（徐錫偉等，2002）。本次懷來震群重定位后地震集中分布在小水峪-黃土窯段，推測可能是1720年地震的震源斷層沒有完全愈合，且小水峪-黃土窯段垂直滑移速率較大，深部斷層慢滑動引起震群爆發(fā)。

由于震級較小的地震波形信噪比較低，造成遺漏地震和人工讀取震相到時的誤差。引入波形互相關(guān)技術(shù)使地震目錄的完整性得到改善，地震定位的精度有所提高，與震源機制、深部構(gòu)造特征相結(jié)合，為判斷發(fā)震機理提供了一條可借鑒的途徑。

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徐錫偉，吳衛(wèi)民，張先康等，2002．首都圈地區(qū)地殼最新構(gòu)造變動與地震．北京：科學出版社.

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Analysis of Seismogenic Structure of the HuailaiL3.4 Earthquake Swarm on January 9, 2016 in Hebei Province

Shan Lianjun, Zhang Xindong and Wang Xiaoshan

(Earthquake Agency of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

The template recognition and matched filter method is used to detect missing earthquake events in the HuailaiL3.4 earthquake swarm on January 9, 2016 in Hebei Province, and the waveform correlation information is added to correct the earthquake phase arrival time. After the precise relocation by the Geiger method, direction of the distribution of swarm epicenters is in the NEE direction, which is consistent with the strike of the north margin fault of the Huaizhuo sub-basin. The relocated events are mainly concentrated in the Xiaoshuiyu-Huangtuyao segment of the north margin fault of the Huaizhuo sub-basin. The strike of node plane of P-wave first motion solution ofL3.4 is same as the distribution of precise relocation and the strike of the north margin fault of the Huaizhuo sub-basin. It is inferred that the north margin fault of the Huaizhuo subbasin may be the seismogenic structure of the HuailaiL3.4 earthquake swarm. The segment of the Xiaoshuiyu-Huangtuyao has the biggest slip rate among the five segments of the north margin fault of the Huaizhuo subbasin, so we conclude that the earthquake swarm may be caused by the slow slip model.

Huailai earthquake swarm; Missing earthquake detection; Precise relocation of earthquake; Seismogenic structure

10.11899/zzfy20170312

河北省地震局地震科技星火計劃重點項目“晉冀蒙交界區(qū)臨時測震臺網(wǎng)建設(shè)運行及強震背景跟蹤研究（DZ20150428102）”與“晉冀蒙交界地區(qū)典型盆地孕震動力學模型構(gòu)建（DZ20160621076）”

2016-09-17

單連君，男，生于1983年。工程師，碩士。研究方向：地震綜合預(yù)報。E-mail：584434003@qq.com

王曉山，男，生于1980年。副研究員，博士。研究方向：數(shù)字地震學。E-mail：wxs@eq-he.ac.cn