2020-07-12河北唐山MS5.1地震震源參數(shù)及發(fā)震構(gòu)造分析

周 依 王 想 孫麗娜

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號(hào)，050021

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，北京時(shí)間2020-07-12 06:38河北省唐山市古冶區(qū)發(fā)生MS5.1地震，震源深度13 km，震中與1976年唐山MS7.8地震相距約28 km，唐山及周邊地區(qū)震感明顯。本次地震發(fā)生在唐山老震區(qū)范圍內(nèi)，是1991年唐山MS5.1地震后該區(qū)發(fā)生的最大地震事件，與區(qū)域地震序列強(qiáng)度衰減趨勢(shì)相比，本次地震震級(jí)明顯偏高，表明老震區(qū)中等地震活動(dòng)出現(xiàn)活躍態(tài)勢(shì)，開(kāi)展地震的發(fā)震構(gòu)造分析有助于了解唐山老震區(qū)的地震活動(dòng)特征。本文利用河北區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)提供的地震資料，采用CAP波形反演方法求取主震震源機(jī)制解，同時(shí)利用近震sPL深度震相波形擬合方法，得到精確的主震震源深度，進(jìn)而探討唐山MS5.1地震的發(fā)震構(gòu)造。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

唐山老震區(qū)位于陰山-燕山褶皺帶與冀魯斷塊拗陷的交匯處，被NE向的寧河-昌黎斷裂、豐臺(tái)-野雞坨斷裂及NW向的薊運(yùn)河斷裂、灤縣-樂(lè)亭斷裂圍限，中間發(fā)育唐山斷裂帶(圖1)。研究區(qū)基底為下古生界變質(zhì)巖系，蓋層為古生界沉積巖系，地表發(fā)育第四系松散層[1-2]。地震活動(dòng)圖像顯示，唐山老震區(qū)的主要地震構(gòu)造為唐山斷裂帶、薊運(yùn)河斷裂、灤縣-樂(lè)亭斷裂和盧龍斷裂[3]。2000年以來(lái)的小震精定位結(jié)果顯示，在唐山斷裂帶北側(cè)，沿徐家樓斷裂出現(xiàn)了NNE向密集的小震活動(dòng)，被認(rèn)為是由徐家樓斷裂的深部活動(dòng)引起，且推測(cè)該斷裂可能為近年來(lái)該區(qū)多次MS4.0以上中等強(qiáng)度地震的發(fā)震斷層[4]。張素欣等[5]根據(jù)1996年以來(lái)唐山老震區(qū)ML4.0以上地震的空間分布推測(cè)，在唐山斷裂帶北段存在NW向斷裂活動(dòng)，可能為未來(lái)中等強(qiáng)度以上地震的發(fā)震場(chǎng)所。本次唐山MS5.1地震發(fā)生在豐臺(tái)-野雞坨斷裂、唐山斷裂帶和徐家樓斷裂的圍空區(qū)域，該區(qū)域可能存在未探明的隱伏斷裂，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖1 唐山MS5.1地震區(qū)域構(gòu)造背景Fig.1 Regional tectonic settings of the Tangshan MS5.1 earthquake

2 主震震源參數(shù)測(cè)定

2.1 CAP波形反演方法測(cè)定震源機(jī)制

本文采用CAP波形反演方法[6]，利用近震波形數(shù)據(jù)計(jì)算唐山MS5.1地震的震源機(jī)制解?；诠俚萚7]對(duì)唐山地區(qū)進(jìn)行速度結(jié)構(gòu)分析時(shí)使用的一維速度模型(表1)，選取震中距250 km范圍內(nèi)有較好方位角覆蓋的12個(gè)寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)站數(shù)據(jù)。首先將去除儀器響應(yīng)的三分量地震波形旋轉(zhuǎn)至大圓路徑，得到徑向、切向和垂向的位移記錄；然后將實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)截?cái)酁镻nl波和S波2個(gè)部分，并分別在0.05～0.17 Hz和0.05～0.1 Hz頻率范圍對(duì)其進(jìn)行帶通濾波；最后計(jì)算各臺(tái)站的格林函數(shù)，以5°的網(wǎng)格步長(zhǎng)搜索不同震源深度的最佳雙力偶解。通過(guò)不同深度下的擬合誤差分布(圖2)可以看出，擬合深度在14 km處的誤差最小，該深度即為反演得到的矩心深度。對(duì)比最佳擬合深度14 km處的理論地震波形和實(shí)際觀測(cè)波形(圖3)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)80%分量的擬合相關(guān)系數(shù)大于80%，其中接近70%分量的擬合相關(guān)系數(shù)大于90%，表明擬合程度較高。此次地震的最佳雙力偶震源機(jī)制解的節(jié)面Ⅰ走向143°、傾角83°、滑動(dòng)角-14°，節(jié)面Ⅱ走向235°、傾角76°、滑動(dòng)角-173°。為檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文同時(shí)采用P波初動(dòng)方法計(jì)算震源機(jī)制解，得到節(jié)面Ⅰ走向245°、傾角79°、滑動(dòng)角-158°，節(jié)面Ⅱ走向151°、傾角69°、滑動(dòng)角-11°。P波初動(dòng)方法與CAP波形反演方法計(jì)算得到的震源機(jī)制解參數(shù)大致相同，表明結(jié)果較為可靠。

表1 一維速度模型

圖2 唐山MS5.1地震震源機(jī)制反演誤差隨深度的變化Fig.2 Variation of fitting error with depth during the focal mechanism inversion for the TangshanMS5.1 earthquake

紅線為理論地震波形，黑線為實(shí)際觀測(cè)波形；波形左側(cè)上方為臺(tái)站名，下方數(shù)字表示震中距(單位km)和相對(duì)偏移時(shí)間(單位s)；波形下方的兩行數(shù)字為理論地震波形相對(duì)實(shí)際觀測(cè)波形的位移時(shí)間(單位s)及相關(guān)系數(shù)(單位%)圖3 唐山MS5.1地震震源機(jī)制解Fig.3 Focal mechanism solution of the Tangshan MS5.1 earthquake

從震源機(jī)制解結(jié)果來(lái)看，節(jié)面Ⅰ走向NW，呈左旋走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，節(jié)面Ⅱ走向NE，為右旋走滑，2個(gè)節(jié)面均表現(xiàn)為高傾角，表明唐山MS5.1地震發(fā)生在具有高傾角并以走滑為主的斷層上。

2.2 sPL深度震相方法測(cè)定震源深度

sPL深度震相對(duì)震源深度變化較為敏感，因此利用其求取震源深度可顯著提高結(jié)果精度[8]。當(dāng)從震源出發(fā)的SV波入射到自由表面下方時(shí)，有一部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換為P波；而當(dāng)其臨界入射時(shí)，轉(zhuǎn)換P波將沿地表傳播。崇加軍等[9]將該波列及其經(jīng)過(guò)多次反射折射形成的波列定義為sPL震相，該震相的徑向分量及垂向分量的振幅較強(qiáng)，切向分量振幅很弱，且與直達(dá)P波(Pg)的到時(shí)差和震源深度呈線性關(guān)系[10]。因此，若將不同深度下理論地震波的Pg震相和sPL震相的到時(shí)差與實(shí)際觀測(cè)波形進(jìn)行對(duì)比，挑選出到時(shí)差吻合程度最高時(shí)的深度，該深度即為擬合的震源深度。

在唐山MS5.1地震記錄中，QIX臺(tái)和CLI臺(tái)能夠清晰地觀測(cè)到sPL深度震相，因此本文基于由表1一維速度模型及CAP波形反演方法計(jì)算得到的震源機(jī)制解結(jié)果，采用頻率-波數(shù)(F-K)法模擬了這2個(gè)臺(tái)站在不同深度下的理論地震波形，經(jīng)過(guò)1 Hz低通濾波后，比較理論地震波形與實(shí)際觀測(cè)波形的Pg震相和sPL震相到時(shí)差的擬合情況，以此確定震源深度。從圖4可以看出，2個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到的sPL震相清晰，處于直達(dá)P波和S波之間，其能量主要集中在徑向和垂向分量，切向分量振幅不明顯。在徑向和垂向分量的理論地震波形(圖4(a)、4(b)、4(d)及4(e))中，sPL震相和Pg震相之間的到時(shí)差與震源深度呈較好的線性關(guān)系，表現(xiàn)出sPL震相對(duì)震源深度變化敏感的特征。同時(shí)，當(dāng)震源深度為14 km時(shí)，在徑向和垂向分量的理論地震波形中，Pg震相和sPL震相之間的到時(shí)差與實(shí)際觀測(cè)波形的到時(shí)差基本一致，由此判斷唐山MS5.1地震的震源深度約為14 km。該結(jié)果與利用CAP波形反演方法得到的震源深度結(jié)果基本一致。

黑線為理論地震波形，紅線為實(shí)際觀測(cè)波形圖4 sPL震相確定唐山MS5.1地震震源深度Fig.4 Focal depth determination for Tangshan MS5.1 earthquake with sPL wave

3 發(fā)震構(gòu)造討論

除震源機(jī)制外，地震序列的空間分布特征也是確定地震發(fā)震構(gòu)造的重要依據(jù)[11]。唐山MS5.1地震發(fā)生后，截至2020-07-27共記錄到ML0.0以上余震107次，利用雙差定位方法[12]對(duì)余震序列進(jìn)行重定位(圖5)，發(fā)現(xiàn)唐山MS5.1地震序列分布較為集中，優(yōu)勢(shì)展布方向?yàn)镹E向。參考地震烈度等震線分布(圖1)發(fā)現(xiàn)，唐山MS5.1地震等震線呈近橢圓分布，長(zhǎng)軸為NE向，與震源機(jī)制解節(jié)面Ⅱ的走向大致相符。因此判定該地震的發(fā)震斷層面為節(jié)面Ⅱ，發(fā)震斷層可能為走向NE、傾向NW的陡傾走滑斷裂。

圖5 唐山MS5.1地震序列重定位震中分布Fig.5 Relocated epicenters of the Tangshan MS5.1 earthquake sequence

重定位后發(fā)現(xiàn)，唐山MS5.1地震震中位于唐山斷裂帶北段東側(cè)和徐家樓斷裂西側(cè)，北側(cè)為豐臺(tái)-野雞坨斷裂東段。唐山斷裂帶總體走向NE，徐家樓斷裂走向近NS，豐臺(tái)-野雞坨斷裂東段沿NE向逐漸彎折呈近EW向，唐山斷裂帶和豐臺(tái)-野雞坨斷裂走向均與節(jié)面Ⅱ相符。研究顯示，唐山斷裂帶為褶皺斷裂帶[13]，其北段斷裂主要包括陡河斷裂、巍山-長(zhǎng)山南坡斷裂和唐山-古冶斷裂等，其中陡河斷裂為傾向SE的逆斷層，巍山-長(zhǎng)山南坡斷裂向NW陡傾并具有逆沖性質(zhì)，唐山-古冶斷裂為傾向NW的正斷層[14]，而豐臺(tái)-野雞坨斷裂東段傾向SE[1]。比對(duì)發(fā)現(xiàn)，唐山-古冶斷裂的產(chǎn)狀與唐山MS5.1地震的發(fā)震斷層參數(shù)較為吻合。根據(jù)唐山地區(qū)深地震反射剖面可知，唐山-古冶斷裂向W陡傾并延伸至18～20 km的上、下地殼分界面附近[15]，CAP波形反演和sPL深度震相方法確定的唐山MS5.1地震的震源深度為14 km，可能位于唐山-古冶斷裂的中下段。此外，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和小震活動(dòng)分析結(jié)果可知，1976年唐山地震以來(lái)，陡河斷裂和巍山-長(zhǎng)山南坡斷裂不活動(dòng)或活動(dòng)幅度較小，區(qū)域地震主要沿唐山-古冶斷裂分布[16]。由此判斷，本次唐山MS5.1地震的發(fā)震斷層可能為唐山-古冶斷裂。

4 結(jié) 語(yǔ)

為研究唐山MS5.1地震的發(fā)震構(gòu)造，本文利用河北區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)提供的地震資料，采用CAP波形反演和sPL深度震相方法得到了唐山MS5.1地震的震源參數(shù)。結(jié)果表明，唐山MS5.1地震的發(fā)震斷層走向?yàn)?35°，傾角為76°，滑動(dòng)角為-173°，震源深度為14 km。綜合地震序列分布特征、地震烈度等震線分布、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、深地震反射剖面及區(qū)域地震活動(dòng)特征等資料，判斷此次地震的發(fā)震斷層為唐山-古冶斷裂。

致謝：朱露培教授提供CAP和F-K程序及Waldhauser提供雙差定位程序，文中圖件使用GMT軟件繪制，一并表示感謝。