張家口—渤海地震帶中小地震應(yīng)力降分布特征

賈 炯 趙英萍 王亞玲 蔡玲玲 王莉嬋 王 寧

（中國石家莊 050021 河北省地震局）

0 引言

地震的發(fā)生是某一區(qū)域應(yīng)力集中，震源區(qū)巖石介質(zhì)發(fā)生剪切變形并達到一定程度時發(fā)生快速破裂錯動的結(jié)果。應(yīng)力降表征地震發(fā)生瞬間錯動時位錯面上的應(yīng)力變化，通過研究應(yīng)力降可以了解地震發(fā)生過程中的構(gòu)造應(yīng)力釋放水平。對地震主震前后應(yīng)力降變化的研究已有報道，韋士忠等（1992）認為，1989 年山西大同MS6.1 地震前，小震應(yīng)力降明顯升高，震后恢復(fù)正常，震前、震后應(yīng)力降的變化與應(yīng)力變化有關(guān)；胡秀敏等（2007）對廣東及鄰區(qū)地震的研究顯示，應(yīng)力降與震級間存在統(tǒng)計學(xué)正相關(guān)關(guān)系；秦嘉政等（2005）對2001 年施甸MS5.9 地震序列的研究認為，前震序列的平均應(yīng)力降比余震序列高1 倍；鄭建常等（2008）對2003 年青島嶗山ML4.1 地震的研究認為，余震序列的應(yīng)力降遠小于主震。梁秀英（1985）通過研究應(yīng)力降變化與大震的時空相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)大震前該地區(qū)中小地震的應(yīng)力降普遍較低。張?zhí)熘械龋?000）的研究結(jié)果表明，地震主震發(fā)生前約1 年的時間內(nèi)在震中周圍地區(qū)會發(fā)生多次高應(yīng)力降地震，主震發(fā)生后應(yīng)力降相對下降。由此可見，地震前應(yīng)力降的變化具有一定的地球物理意義。計算中小地震應(yīng)力降的方法有多種，常用的一種是在時間域根據(jù)初動半周期和初動振幅進行計算；另一種是在頻率域通過波譜分析求解應(yīng)力降，而數(shù)字記錄儀的更新?lián)Q代，為在頻率域計算應(yīng)力降提供了便利，并且在很大程度上提高了精度。多年來，國內(nèi)外研究者利用地震波在應(yīng)力降方面開展了許多工作，如趙翠萍等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力降與震級間存在正相關(guān)性，即隨著震級增大，應(yīng)力降呈升高趨勢。

張家口—渤海地震帶（簡稱張—渤地震帶）自西北向東南分別由張家口斷裂、新保安—沙城斷裂、施莊斷裂、孫河—南口斷裂、永定河斷裂、廊坊—武清斷裂、寶坻斷裂、薊運河斷裂和海西斷裂等組成，經(jīng)河北，穿北京、天津延至渤海，大致走向WNW，長約600 km，寬十幾至數(shù)十千米。1976 年唐山7.8 級、1975 年海城7.3 級地震，尤其是2014 年9 月6 日河北涿鹿4.7 級、2010 年4 月4 日山西陽高4.9 級、2012 年5 月28 日河北唐山5.1 級地震，均發(fā)生在該斷裂帶附近，該區(qū)域中小地震活動相對活躍。因此，對張—渤地震帶應(yīng)力降進行研究可為探究該地區(qū)地震特性提供依據(jù)，同時也可為該地區(qū)的震情監(jiān)測和中短期乃至臨震地震預(yù)測提供一定的幫助。

1 方法

對河北數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的地震波形進行識別，應(yīng)用MATLAB 對數(shù)據(jù)進行處理。在測定時，可以用S 波，也可以用Lg 波，但鑒于Brune（1970）震源模型是由S 波導(dǎo)出的，將其推廣至Lg 波來測定稍復(fù)雜些，因此，盡可能使用S 波記錄測定相關(guān)參數(shù)，S 波取值從起始到S 波最大值至S 波衰減。

根據(jù)Brune（1970）模型，有下述關(guān)系式

其中，M0為地震矩；ρ 為介質(zhì)密度；r 為震源的等效圓位錯半徑；vS為S 波速度；Ω0為零頻幅值；R 為震源輻射圖像因子，由于沒有每次地震的斷層面解，所以取波的平均值，即S，另，由于參與計算的臺站位于不同方位，計算結(jié)果為多臺平均，這可有效消除S 波輻射圖形影響；f0為拐角頻率；Δσ為應(yīng)力降。

圖1 河北數(shù)字化地震臺網(wǎng)臺站分布三角形為臺站Fig.1 Spatial distribution of the Hebei digital seismic network stations

2 資料

為保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對原始數(shù)據(jù)進行篩選，根據(jù)河北數(shù)字化地震遙測臺網(wǎng)（圖1）的地震記錄，選取張—渤地震帶（39.50°—42.05°N，113°—120°E）地區(qū)2008—2018 年ML≥2.0 臺站觀測報告地震目錄、震相數(shù)據(jù)，得到1 220 條目錄，震中分布如圖2 所示。其中，2.0 ≤ML≤2.9地震1 084 個，占88.85%，3.0 ≤ML≤3.9地震122 個，占10%，ML≥4.0 地震14 個，占1.15%。最大震級地震是2012 年5 月28 日唐山ML5.1 地震。

圖2 張—渤地震帶地區(qū)1 220 個ML≥2.0 地震分布Fig.2 Dstribution of 1 220 ML≥2.0 earthquakes in the Zhangbo seismic belt

3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用S 波數(shù)據(jù)進行分析，對每個記錄進行波譜資料處理，用于張—渤地震帶地區(qū)地震應(yīng)力降時空分布特征研究。

3.1 張—渤地震帶地區(qū)地震應(yīng)力降基本特征

張—渤地震帶地區(qū)2008—2018 年ML≥2.0 地震的應(yīng)力降Δσ 為0.10—7.40 MPa，其中，Δσ ≤1.00 MPa 的地震有306 個，占60%；1.00 MPa ＜Δσ ≤5.00 MPa 的地震有190 個，占37.25%；5.00 MPa ＜Δσ ≤10.00 MPa 的地震有14 個，占2.75%。

張渤地震帶地區(qū)ML≥2.0 地震應(yīng)力降優(yōu)勢分布為Δσ ＜1.00 MPa，平均值為0.60 MPa。通常認為，應(yīng)力降Δσ ＜1.00 MPa 時為低應(yīng)力降，其中，2013 年12 月2 日河北蔚縣ML2.8地震的應(yīng)力降最小，為0.01 MPa；2012 年6 月8 日天津?qū)氎鍹L4.4 地震的應(yīng)力降最大，為7.40 MPa。

3.2 應(yīng)力降隨時間的變化

將張—渤地震帶地區(qū)地震應(yīng)力降計算結(jié)果繪制時間序列圖（圖3）。從圖3 可見，中小震應(yīng)力降隨時間而發(fā)生變化。地質(zhì)構(gòu)造的不同只可能引起應(yīng)力降在空間上的變化，不大可能引起應(yīng)力降隨時間的變化。因此，我們認為應(yīng)力降隨時間的變化很可能反應(yīng)了應(yīng)力狀態(tài)隨時間的變化。這種應(yīng)力降變化由應(yīng)力積累加速引起的介質(zhì)物理、化學(xué)性質(zhì)改變所引起。

圖3 張—渤地震帶地區(qū)地震應(yīng)力降時間序列Fig.3 Time-series curve of stress drop in the Zhangbo seismic belt

張—渤地震帶地區(qū)中小地震活動和應(yīng)力降變化具有分段活動性（表1）。由表1 可見，活動斷裂幾何結(jié)構(gòu)和活動性發(fā)生變化，表明張—渤斷裂帶對中小地震活動的控制作用較強。

表1 2009—2018 年地震平均應(yīng)力降Table1 Average stress drop values of earthquakes in 2009—2018

3.3 應(yīng)力降隨震級的變化

圖4 為應(yīng)力降隨震級的變化。由圖4 可見，當(dāng)震級一定時，應(yīng)力降的變化范圍較大，最低值和最高值可相差5—15 倍，顯然這不是誤差影響的結(jié)果。由此看來，張—渤地震帶地區(qū)相同震級地震的應(yīng)力降確實明顯不同。我們認為這可能是由于應(yīng)力降與震源區(qū)的介質(zhì)環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。張—渤地震帶地區(qū)范圍較大，各地的地殼地質(zhì)構(gòu)造，活動斷層的強弱、分布和走向，介質(zhì)Q 值都有所不同，因此，應(yīng)力積累速度和應(yīng)力大小也會不同。在不同介質(zhì)環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的相同震級地震的應(yīng)力降可能會明顯不同。

圖4 應(yīng)力降隨震級的變化Fig.4 Variation of stress drop with the earthquake magnitude

中小地震應(yīng)力降與地震震級有關(guān)，但由于應(yīng)力降水平與區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，所以盡管有些地震震級相同，但其應(yīng)力降卻可能各不相同。張—渤地震帶地區(qū)2.0≤ML≤2.9 地震應(yīng)力降平均值為0.72 MPa，3.0 ≤ML≤3.9地震為1.54 MPa，ML≥4.0 地震為4.00 MPa。從應(yīng)力降平均值來看，其數(shù)值與震級間存在正相關(guān)，即隨震級的增加應(yīng)力降增大。但是具體到每一個地震，應(yīng)力降與震級間則呈現(xiàn)多重標(biāo)度關(guān)系，即在不同的震級范圍內(nèi)，分別呈現(xiàn)正相關(guān)和無關(guān)的現(xiàn)象。

3.4 應(yīng)力降空間分布特征

張—渤地震帶地區(qū)地震應(yīng)力降空間分布如圖5 所示。圖5 很明顯呈現(xiàn)出4 個小區(qū)。Ⅰ區(qū)為京西北—晉冀蒙3 省交界區(qū)（39.5°—42.0°N，112°—116°E），此區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次6 級以上地震，近年小震活動較頻繁，此區(qū)一級活斷層多，且NE、EW 向斷層交匯，介質(zhì)Q 值為300—400，非均勻性較強，該區(qū)有211 次地震，占總數(shù)的35.34%，應(yīng)力降變化范圍0.11 MPa ＜Δσ ≤4.60 MPa，平均值為0.85 MPa。Ⅱ區(qū)為北京東北地區(qū)（40°—42°N，116°—119°E），此區(qū)歷史上沒有發(fā)生過大地震，近年有些小震發(fā)生，此區(qū)斷層均活動不顯著，且走向一致為EW 向，介質(zhì)Q 值稍高，約為450—550，該區(qū)有75 次地震，占總數(shù)的12.56%，應(yīng)力降變化范圍0.07 MPa ＜Δσ ≤5.92 MPa，平均值為1.33 MPa。Ⅲ區(qū)為北京附近地區(qū)（39.5°—41.0°N，115.0°—117.5°E），這是一個與Ⅰ、Ⅱ區(qū)有部分重疊的地區(qū)，是為加強監(jiān)視北京附近震情而劃出來的。此區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次大地震，近年小震較多，此區(qū)一級活斷層較多，且交錯分布，介質(zhì)Q 值稍低，約為350—450，在通州至寶坻一帶有1 個低Q 值區(qū)，該區(qū)有172 次地震，占總數(shù)的28.81%，應(yīng)力降變化范圍0.42 MPa ＜Δσ ≤7.40 MPa，平均值為1.05 MPa。Ⅳ區(qū)為唐山地區(qū)（39.5°—40.5°N，117.5°—120.0°E），自1976 年唐山大地震后，余震一直較頻繁，此區(qū)恰位于唐山斷裂帶上，介質(zhì)Q 值稍低，約為300—400，該區(qū)有262 次地震，占總數(shù)的43.89%，應(yīng)力降變化范圍0.08 MPa ＜Δσ ≤6.87 MPa，平均值為1.36 MPa。綜上所述，以上各區(qū)在斷層分布、走向、Q 值高低和地震分布等方面各具特色。

圖5 張—渤地震帶地區(qū)地震應(yīng)力降空間分布Fig.5 Spatial distribution of stress drop in the Zhangjiakou-Bohai seismic belt

3.5 應(yīng)力降震源深度分布特征

震源位置的精度主要受臺網(wǎng)布局、震相判定、地震波到時讀數(shù)精度和地殼速度結(jié)構(gòu)模型等的影響（Pavlis，1986）。本文通過計算重新得到張—渤地震帶地區(qū)ML≥2.0 地震的定位結(jié)果，結(jié)果表明：重新定位前，沒有得到深度的地震有1.1%，震源深度主要分布在0—31.0 km；重新定位后，未得到深度 的地震僅有0.6%，震源深度主要分布在0—24.3 km，平均值為7.8 km，且大多數(shù)地震（約為94.8%）發(fā)生在1.0—15.0 km 的上地殼內(nèi)（圖6）。

圖6 應(yīng)力降隨震源深度的變化Fig.6 Variation of stress drop with depth

4 結(jié)論與討論

（1）張渤地震帶地區(qū) ML≥2.0 中小地震應(yīng)力降隨時間的變化可能與介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的變化有關(guān)，即應(yīng)力降可能與應(yīng)力有關(guān)。

（2）張—渤地震帶地區(qū)地震應(yīng)力降隨震級的增加而出現(xiàn)的不用尺度的變化，反映出該地區(qū)可能存在具有一定特征的破裂尺度，這使得臨界震級兩側(cè)地震的應(yīng)力降隨震級的增加而出現(xiàn)不同尺度的變化。2.0 ≤ML≤2.9 地震應(yīng)力降平均值為0.72 MPa，3.0≤ML≤3.9 地震為1.54 MPa，ML≥4.0 地震為4.00 MPa。

（3）張—渤地震帶地區(qū)中小地震應(yīng)力降的空間分布與地殼的地質(zhì)構(gòu)造，活斷層的強弱、分布、走向，介質(zhì)非均勻性密切相關(guān)，這說明應(yīng)力降與震源區(qū)的介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)；該區(qū)域應(yīng)力降優(yōu)勢分布為0.70—3.00 MPa，約占52%。

（4）張—渤地震帶地區(qū)中小地震大多發(fā)生在0—15.0 km 的上地殼內(nèi)，應(yīng)力降高值（7.40 MPa）地震震源位于上地殼中深度為16.0 km 處。