2020年7月12日河北唐山MS5.1地震發(fā)震構(gòu)造及唐山斷裂帶三維模型

王亞玲，蔡玲玲，李冬圣，王莉嬋，趙英萍，王曉山

（河北省地震局，石家莊 050021）

0 引言

強震發(fā)生后或者震群活動時，在震中附近或小區(qū)域范圍內(nèi)往往會有大量余震發(fā)生，其中震級較小的地震震相往往會淹沒在背景噪聲中難以識別，成為遺漏地震。地震目錄是區(qū)域地震活動性研究、地震危險性分析的重要數(shù)據(jù)資料[1]，其完整準確性直接影響區(qū)域地震活動、地震危險性的分析，并對后續(xù)科學研究的可信性和科學性產(chǎn)生影響[2-3]，尤其對發(fā)震構(gòu)造及震后趨勢分析等研究帶來直接影響。已有學者應用匹配濾波技術(shù)對中強地震余震序列完整性和余震分布特征[4-7]等方面進行研究，譚毅培等分別對2013 年3 月涿鹿微震群、2013 年8 月蔚縣震群進行遺漏地震檢測分析其發(fā)震構(gòu)造[8-9]；單連君等基于匹配濾波技術(shù)分析河北懷來ML3.4震群余震序列[10]；王寧等將遺漏震相檢測技術(shù)應用在2016年9 月唐山震群中[11]。本文使用匹配濾波技術(shù)識別唐山MS5.1地震的遺漏地震進行其發(fā)震構(gòu)造的確定。

唐山斷裂帶處于近EW向陰山-燕山南緣活動構(gòu)造帶和NNE向冀魯斷塊拗陷相匯的地方[12]。1976 年唐山7.8 級地震后，沿唐山斷裂帶余震十分活躍，并有大量關(guān)于該地震的發(fā)震構(gòu)造、余震序列研究成果產(chǎn)出。韋士忠等通過計算選頻譜，研究了唐山地震余震序列中1979 年5 月17 日5.1級地震事件，發(fā)現(xiàn)震源等效半徑較小，應力降較高[13]，地震序列的頻譜規(guī)律為認識孕育較大地震的過程提供信息線索；吳培稚等采用不相等間距的統(tǒng)計方法，研究唐山的余震序列展布[14]，從中得到一些預報的指標；萬永革等通過唐山地震序列的應力變化研究，表明唐山地震序列中的前面大震會對后續(xù)小震的發(fā)生起到了調(diào)制作用[15]；仲秋等通過研究1976年唐山7.8級大地震的余震序列，得到相應的余震序列持續(xù)時間公式[16]，研究學者對唐山地震余震序列的研究領(lǐng)域及方法是多方面的，并且得到相應的數(shù)據(jù)指標，為認識主震與余震之間的相互關(guān)系，及對地震危險性估計有一定的意義；另外楊雅瓊等基于255 個震源機制解對唐山地震序列的發(fā)震斷層進行分段[17]。而余震展布特征不僅與斷層走向有關(guān)，也可能與斷層深部的幾何展布有關(guān)，因此研究余震幾何分布和構(gòu)造特征具有重要的科學意義。

本文基于2020 年7 月12 日6 時38 分唐山MS5.1地震，對7 月12—16 日的連續(xù)波形通過匹配濾波技術(shù)進行遺漏地震檢測，估計遺漏地震的震級，完善地震序列目錄；并對相似波形地震進行震相校正提高定位精度，結(jié)合震源機制解推測發(fā)震構(gòu)造；再利用 SKUA-GOCAD 軟件給出發(fā)震構(gòu)造的初步三維模型，通過二維分析與三維模型相結(jié)合達到分析此次地震構(gòu)造活動特征的目的，為進一步研究該地震及鄰區(qū)地震活動性提供基礎數(shù)據(jù)支持。

1 構(gòu)造背景

唐山地區(qū)構(gòu)造復雜如圖1，受寧河-昌黎斷裂（F6）、榛子鎮(zhèn)斷裂（F5）、灤縣-樂亭斷裂（F1）和薊運河斷裂（F7）的切割，唐山地區(qū)形成了一個 NE 向的菱形地塊[18]。其中央是一條NE向的由陡河斷裂（F2）、巍山-長山南坡斷裂（F3）和唐山-古冶斷裂（F4）組成的唐山斷裂帶，總體走向NE-NNE，傾向NW、SE，傾角70°～80°，為逆走滑斷層，長約59 km。斷裂詳情見表1。

圖1 唐山地區(qū)構(gòu)造及MS5.1地震序列分布圖

表1 研究區(qū)域周邊斷裂參數(shù)表[19～24]

2 方法

2.1 模板地震選取

使用模版匹配濾波技術(shù)（matched filter technique，MFT）進行遺漏地震檢測，可實現(xiàn)在低信噪比情況

下提取地震信息。依據(jù)震相報告到時數(shù)據(jù)，挑選余震序列中震級較大的、信噪比好的地震事件，以S波到時為中心，從連續(xù)波形數(shù)據(jù)中截取S波到時前2 s至后2 s波形，篩選波形三分量信噪比的平均值大于3的地震事件作為模板。本文選取7 月12—16 日ML1.0以上震中距最近3 個臺站震相清楚的余震（表2）為模板，臺站選擇遵循標準：①寬頻帶地震計的臺站，該類型臺站記錄波形質(zhì)量較好；②震中距較近的臺站，信噪比較高。因此，選取了DOH、LUX、QIX 3 個臺站參與互相關(guān)計算。

表2 模板地震選取

每個地震模板均對7 月12—16 日的連續(xù)波形進行掃描，計算互相關(guān)系數(shù)，將每個模板三分向數(shù)據(jù)的互相關(guān)結(jié)果進行組合，通過計算序列的絕對離差中位數(shù)（MAD）檢測遺漏地震，其表達式為：

式中：Xi代表第i個互相關(guān)系數(shù)序列；為其平均值。本次運算中MAD的倍數(shù)閾值是9[5]。為了減少地震序列因僅有一兩個臺站距離震中較近而造成檢測結(jié)果失誤，還需設置單臺互相關(guān)系數(shù)閾值，默認值為0.75[10]。

以Eq712064434地震模板的灤縣臺（LUX）掃描連續(xù)波形為例（圖2），圖中為掃描7 月12 日連續(xù)波形結(jié)果，掃描模板所在的連續(xù)波形互相關(guān)系數(shù)為1。連續(xù)波形通過閾值檢測得到的結(jié)果為遺漏地震文件，對照原地震目錄，序列未記錄的事件作為疑似地震事件，最后拾取遺漏地震事件S波形的最大振幅，并利用其與模板地震的振幅比來估計遺漏事件震級。

圖2 Eq712064434 模板灤縣臺的互相關(guān)掃描序列

2.2 震相校正

區(qū)域測震臺網(wǎng)震相報告給出的震相到時存在一定的人工誤差[10]，這種誤差對于地震序列時空演化的精細分析有較大的影響，因此本文利用少數(shù)幾個震級較大的地震事件，通過波形互相關(guān)的方法對波形相似的地震事件進行震相校正，有效地減少誤差，提高定位精度。

分別采用風速為0.2，0.6，1.0m/s3種不同風速，在物料薄層厚度為5cm、熱風溫度為50℃下進行高水分小麥的干燥，探討物料含水率變化及風速對干燥速度的影響。

以Eq712070225模板的灤縣臺（LUX）為例（圖3），對相似波形地震事件進行震相校正。本程序得到的到時信息與臺網(wǎng)人工讀取震相無關(guān)，在一定程度上消除了地震事件在人工定位時產(chǎn)生的相對誤差，從而提高了定位結(jié)果的精度。

圖3 灤縣臺（LUX）震相標定過程示意圖

3 遺漏地震事件檢測及發(fā)震構(gòu)造分析

3.1 遺漏地震發(fā)震時刻和震級

基于每個地震模板所識別出的地震事件的發(fā)震時刻，綜合所有模板檢測出來的地震事件，對比目錄結(jié)果便可以找出遺漏地震。由于河北測震臺網(wǎng)工作方式的改革提升，現(xiàn)采取截取實時波形的方式查看地震余震序列，一般肉眼可識別的地震已實時快報，并編寫目錄。針對此次地震來說余震序列并不發(fā)育，因此利用遺漏檢測技術(shù)掃描7 月12—16日連續(xù)波形共檢測到的地震事件共8 個，遺漏地震震級、發(fā)震時刻、經(jīng)緯度如表3所示。其中：ML0.0～0.5地震共有7 個，ML1.4的1 個。ML0.0～0.5地震編目條目由36增至42 條，表明ML0.0～0.5之間的地震目錄的完善性得到明顯的提升。雖然大部分檢測出的遺漏地震較小，但是對分析此次MS5.1地震震中展布的幾何特征具有一定意義，也為構(gòu)建三維構(gòu)造模型提供更為完善的數(shù)據(jù)支持。

表3 遺漏地震發(fā)震時刻和震級

3.2 精定位結(jié)果及發(fā)震構(gòu)造分析

精確定位后的主震及其余震序列空間展布和震源機制解，對于確定發(fā)震構(gòu)造、判定未來地震趨勢具有重要意義[25-26]。利用CAP[27]方法反演主震的震源機制解，該方法是將近震觀測波形分解成Pnl和面波，分別進行擬合，對3 個斷層面參數(shù)的各自取值區(qū)間進行格點的取值，將得到的理論地震圖與實際觀測波形進行擬合，波形擬合最好的一組參數(shù)即為求得的震源斷層面解。反演本次唐山MS5.1地震的震源機制解采用的速度模型表4，計算結(jié)果如圖4b。共選取10 個臺站參與，其中體波和面波各部分波形擬合互相關(guān)系數(shù)大于80%的占70%（圖5a），顯示此次計算結(jié)果擬合較好，結(jié)果可靠，深度擬合殘差顯示（圖5b），擬合深度為14 km時殘差最小，此深度即為最佳震源深度。

圖5 唐山MS5.1地震參與計算臺站的波形擬合結(jié)果及深度擬合殘差分布圖

本文對余震序列采用雙差定位方法[28]進行精定位，速度模型采用的是郭蕾等[29]使用的一維P波速度模型（表4）。為了便于對比精定位前后的震中分布趨勢，刪除陡河臺、灤縣臺單臺定位目錄，圖4a給出了精定位前地震目錄（包括遺漏地震）的91（含主震）個地震事件的震中分布圖。對經(jīng)過波形互相關(guān)震相校正的地震事件進行重新定位，精定位結(jié)果包含84 個地震事件。對未能標定3 個以上臺站震相到時的地震事件，其震中的位置可以定在與其互相系數(shù)最大的模板地震震中處，最終震中分布顯示如圖4b。由圖中精定位結(jié)果可知，唐山余震序列分布趨勢更為明顯，主要集中在唐山-古冶斷裂的東北部；震中NE向的優(yōu)勢展布也更為明顯，與主震震源機制解的節(jié)面Ⅰ走向基本一致（表5）。推測節(jié)面Ⅰ為本次唐山MS5.1地震的發(fā)震斷層面，該地震是發(fā)生在走向NE、傾向NW、高傾角的右旋兼走滑斷層上，與唐山-古冶斷裂（F4）的走向、傾向、傾角基本吻合，由此推測唐山-古冶斷裂可能為其發(fā)震斷裂。

表4 唐山地區(qū)速度模型

圖4 序列精定位前后震中分布及震源機制解結(jié)果圖

表5 MS5.1主震震源機制解結(jié)果

3.3 基于GOCAD發(fā)震斷層初步三維模型

3.3.1 余震序列三維空間展布模型

由上文可知，唐山MS5.1地震發(fā)生后截止至2020 年7 月16 日，河北區(qū)域測震臺網(wǎng)記錄可定位余震82 條，經(jīng)過遺漏檢測之后增至90 條。結(jié)合圖4b所呈現(xiàn)的斷層地表幾何特征與余震展布關(guān)系，對余震空間分布的最大優(yōu)勢分布進行分析和預處理[30-31]，基于GOCAD軟件初步建立斷層在三維空間的地表展布模型，實現(xiàn)地震三維空間展布（圖6）。

圖6 清晰展示了余震序列在二維地表展布、三維空間分布特征，更加直觀地顯示余震空間上的優(yōu)勢展布方向。

3.3.2 三維斷層幾何模型

建立震區(qū)的三維構(gòu)造模型，需要的數(shù)據(jù)資料包括以下幾個方面：斷層地表展露的幾何特征、斷層走向、傾角、傾向以及地下延展情況的詳細描述、相關(guān)地震震中展布及震源機制解約束條件等。本文根據(jù)已有的斷裂資料（圖1），初步建立研究震區(qū)灤縣-樂亭斷裂（F1）、陡河斷裂（F2）、巍山-長山南坡斷裂（F3）、唐山-古冶斷裂（F4）以及榛子鎮(zhèn)斷裂（F5）、寧河-昌黎斷裂（F6）6條斷裂的三維模型（圖6）。

基于已知的斷裂數(shù)據(jù)資料，在圖6的基礎上通過GOCAD軟件的“make suface”功能造面成圖（圖7）。

圖6 發(fā)震區(qū)域斷層及余震三維空間展布

由圖7所示：唐山-古冶斷裂（F4）、陡河斷裂（F2）、巍山-長山南坡斷裂（F3）的空間走向較為準確地表達在三維空間上，實現(xiàn)對發(fā)震斷裂的三維模擬與刻畫。結(jié)合地震震源機制解結(jié)果及余震序列分布推測節(jié)面Ⅰ為同震斷裂面，唐山-古冶斷裂（F4）與節(jié)面Ⅰ的走向、傾角基本一致，結(jié)合地震的震中位置推測此次地震可能發(fā)生在唐山-古冶斷裂（F4）上。在此基礎上結(jié)合圖7模擬的三維空間展示，可以看出余震空間展布趨勢與唐山-古冶斷裂（F4）NE至NEE走向延展具有一致性。據(jù)此，可以更直觀、更有力地推測唐山-古冶斷裂（F4）即為河北唐山MS5.1地震的發(fā)震斷裂。

圖7 研究區(qū)主要斷裂帶的三維幾何模型

4 討論與結(jié)論

本文通過匹配濾波技術(shù)，對2020 年7 月12—16 日唐山MS5.1 地震震中附近臺站記錄的連續(xù)波形進行遺漏地震檢測、震相校正來完善地震序列目錄，依據(jù)序列精定位、主震震源機制解分析發(fā)震構(gòu)造，并基于GOCAD軟件初步給出了發(fā)震區(qū)斷層的三維構(gòu)造模型。

1）運用匹配濾波技術(shù)對余震進行遺漏檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)了遺漏的地震事件，因此測震臺網(wǎng)人員可以通過此方法拾取震相，提高地震目錄的完整性。

2）通過波形互相關(guān)方法對震相校正，不僅可以估計遺漏地震的震級，還可以利用少數(shù)幾個震級較大的地震事件對于波形相似的地震進行震相校正，有效地減少人工拾取震相誤差，大大提高定位精度。

3）精定位后的余震序列空間分布趨勢更為明顯，地震序列主要分布在唐山斷裂帶中NE向唐山-古冶斷裂附近，序列優(yōu)勢分布方向為NE向，分析節(jié)面Ⅰ為同震斷層面，與唐山-古冶斷裂東北段走向、傾向、傾角大體一致，初步推測MS5.1地震發(fā)震構(gòu)造為唐山-古冶斷裂。

4）基于GOCAD軟件，結(jié)合已知的地質(zhì)背景、震源機制解等資料，初步建立發(fā)震區(qū)的三維構(gòu)造模型；在結(jié)論3的基礎上，進行三維空間模擬更為直觀展示了余震序列的空間分布特征；結(jié)合唐山-古冶斷裂空間延展分布趨勢，展現(xiàn)出一致性。作為輔助工具為此次地震的發(fā)震構(gòu)造判定提供更為直觀的論據(jù)支撐，為驗證發(fā)震構(gòu)造推斷提供一種可視化的有效途徑。

基于GOCAD建立的三維構(gòu)造模型為判斷發(fā)震機理、震源斷層的空間描述提供了一條可借鑒的有效途徑。此外，由于唐山MS5.1地震余震序列不發(fā)育，樣本數(shù)據(jù)量較小，無法有效、合理地建立三維斷層面模型，這也表明初始的三維構(gòu)造模型具有一定的局限性。未來成熟的三維模型，需要大量數(shù)據(jù)樣本，不斷提高各類數(shù)據(jù)質(zhì)量，逐漸增加各種成熟的地震活動解譯資料及探測資料，發(fā)展構(gòu)造定量解析方法等多元數(shù)據(jù)條件約束的基礎上進行豐富完善。