臨汾地區(qū)重復微震的識別及其斷裂帶深部滑動速率估算

董春麗 李樂 李冬梅 王卓君 梁永燁

1)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025

2)山西省地震局，太原 030021

3)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

0 引言

鄂爾多斯塊體位于汶川地震震源破裂方向的正前端，汶川地震NE向快速錯動對鄂爾多斯塊體產(chǎn)生了一定的應力加載作用，對其西南緣和南緣渭河斷陷帶內(nèi)的地震活動起到了觸發(fā)作用，地震活動率提高顯著(朱艾斕等，2010)。山西斷陷帶自2009年3月至2010年6月相繼發(fā)生了5次4級以上地震，其中山西南部地區(qū)發(fā)生2次，震中分別位于河津-萬榮和洪洞(分屬峨嵋臺地北緣斷裂和洪洞-蘇堡斷裂)。山西斷陷帶處于應力變化的增加區(qū)，應力變化范圍0～0.012MPa，汶川地震產(chǎn)生的應力變化對該地震帶的作用將是持久的，有可能引起大震的提前發(fā)生(朱艾斕等，2010)。不同時段GPS、斷層形變等觀測資料研究表明，汶川地震對汾渭斷裂帶的影響相對明顯(張希等，2011)； 屬于該帶主體部分的山西斷陷帶速度場發(fā)生明顯變化(張淑亮等，2017)，在震后統(tǒng)一向NE向呈現(xiàn)有規(guī)律的右旋運動解體，總體張性變形增強，中南部主要體現(xiàn)出右旋背景顯著增強，拉張運動明顯，屬于應變積累地區(qū)(楊國華等，2009)； 劉峽等(2010)認為山西帶受統(tǒng)一大致水平的主張、主壓應力場的作用，但在其南部存在差異。該區(qū)構(gòu)造應力場的形成主要為周邊構(gòu)造塊體相對運動和相互作用的結(jié)果。

山西斷陷帶總體呈NNE走向，在兩側(cè)塊體相互作用下，東側(cè)相對西側(cè)位移速度矢量在北段為SSW向，顯示右旋走滑，中、南段為NWW向，與斷陷帶走向近于垂直，顯示斷陷帶為擠壓活動。總體位移方向為N294°W，速率為 1.10mm/a(郭良遷等，2011)，這一結(jié)果與張培震等(2003)利用GPS計算得到的山西斷陷帶的結(jié)果(右旋走滑速率1～2mm/a、近EW向的拉張約 1mm/a)接近。張希等(2011)利用1999—2009年汾渭斷裂帶GPS觀測資料研究得出，2007—2009年山西斷裂帶南段兩盤差異明顯增強，相比走滑分量改變明顯，汶川M8.0地震的影響總體為正，近10年來最長時間尺度右旋、拉張差異均明顯(至少2～3mm/a)，與構(gòu)造背景一致，總體反映應變積累特性。上述均為淺表(近淺表)觀測結(jié)果，能否反映地下深部的活動速率，有待進一步明確。

重復地震是指發(fā)生在同一斷層位置上的一組特殊地震，這些地震通常震級相近，且發(fā)震間隔幾乎相同，并常被解釋為獨立的凹凸體在周圍無震蠕滑介質(zhì)作用下應力聚集所發(fā)生的重復破裂(Nadeau et al，1995；Beeler et al，2001)。該凹凸體在孕震期間一般處于閉鎖狀態(tài)，這些被無震蠕滑介質(zhì)環(huán)繞的小的孤立凹凸體較易發(fā)生破裂并形成重復地震。依此假設(shè)，可由重復地震的同震滑動來估算深部的滑動速率(Nadeau et al，1999；Rau et al，2007)，由此提供了一種直接探測孕震深處斷層變形的途徑。

研究人員相繼在板塊邊界帶和板內(nèi)發(fā)現(xiàn)重復地震，如日本東北部俯沖帶(Igarashi et al，2003)、中國臺灣的弧-陸碰撞帶(Rau et al，2007)。Schaff等(2004)通過分析遠震波形資料，指出中國境內(nèi)發(fā)生的地震約有10%為重復地震。Li等(2007)通過分析區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)的波形，得出唐山斷裂帶周緣的地震有多達約53%的相似地震。Li等(2009)獲得了近10年來多次發(fā)生強震的麗江-寧蒗斷裂帶約23km深處的 5mm/a滑動速率，所估算的滑動速率與所在處的GPS和地質(zhì)結(jié)果較為相符。本研究通過分析山西數(shù)字地震臺網(wǎng)波形資料來辨識臨汾地區(qū)可能存在的重復微震，進而估算斷裂帶深部滑動速率。

1 臨汾地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地震活動性背景

山西斷陷帶地處鄂爾多斯塊體東緣和華北平原西緣。臨汾地區(qū)位于山西斷陷盆地南段，盆地東側(cè)為太行山，西側(cè)為呂梁山，盆地東西端寬度約20km。臨汾盆地是山西“汾河地塹”新生代晚期斷陷盆地之一，位于汾渭斷陷帶中段，北以靈石隆起與太原盆地相隔，南緣以峨嵋臺地與運城盆地為鄰，東西各以深大活動斷裂為界，夾持于霍山-浮山隆起帶與呂梁山隆起帶之間，總體為NNE走向的南寬北窄的楔形斷陷盆地(趙文星，1988； 李俠，1995)。盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造復雜，發(fā)育了近EW、NE和NW向斷裂，這些構(gòu)造互相交匯切割，大致出現(xiàn)了東西分條、南北分塊的構(gòu)造格局。NNE走向斷裂沿盆地邊緣發(fā)育，控制著盆地的整體輪廓，有羅云山裂斷、霍山斷裂、浮山斷裂和盆地內(nèi)的赤峪斷裂(大陽斷裂)等； 另一組斷裂為NWW走向，縱貫盆地中部，為隱伏斷裂，局部地區(qū)有出露，活動時代新，錯斷了NE走向的斷裂。

臨汾地區(qū)是山西地殼運動最劇烈的地區(qū)，活動斷裂發(fā)育，地震活動頻繁。地震主要集中在盆地內(nèi)部復雜的橫向斷裂控制之間，尤其多發(fā)于蘇堡斷裂兩側(cè)和襄汾隆起的西南端。沿NNE向的羅云山斷裂兩側(cè)有微震活動。本文研究范圍向南延伸到雙泉-臨猗斷裂。雙泉-臨猗斷裂兩側(cè)的運城段和峨嵋臺地北緣斷裂河津-萬榮段為2個地震集中點。這一現(xiàn)象與蘇怡之等(1993)及王健等(2004)研究臨汾盆地得出空間分布上的不均勻、時序分布上的階段性、平面分布上的叢集性一致。這一點在對歷史M6.0以上地震和近20年ML4.0以上地震的震中分布情況研究中也得以證實。顯然該區(qū)地震活動繼承了歷史活動特點，表明地震活動與活動構(gòu)造是密切相關(guān)的。

2 重復地震識別

2.1 地震數(shù)據(jù)

本研究收集了2001年1月至2010年12月山西數(shù)字地震臺網(wǎng)的觀測報告和事件波形資料，其中發(fā)生在臨汾地區(qū)(即研究區(qū)域：35.0°～37.0°N、110.2°～112.5°E)的1890次地震中，有1700次地震的數(shù)字波形資料可用，震級范圍為ML0～5.1。

研究區(qū)內(nèi)臺站的具體情況為：自2001年數(shù)字化改造至2003年12月期間3個臺站，分別為臨汾臺(LIF)FBS-3型地震儀+16位數(shù)據(jù)采集器、陽城臺(YAC)JCV-100型地震儀+16位數(shù)據(jù)采集器、夏縣臺(XAX)DS-2A型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器； 2004年1月1日至2008年5月19日新增2個臺站，分別為隰縣臺(XIX)FBS-3型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器、安澤臺(ANZ)FBS-3型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器。以上5個臺站采樣率均為50Hz，2008年5月20日“十五”數(shù)字化改造完成，所有臺站采樣率全部為100Hz。2007年9月臨汾地區(qū)再增2個臺站，分別為霍州臺(HZH)CMG型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器、侯馬臺(HMA)CMG型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器； 2010年新增萬榮臺(WAR)和垣曲臺(YUQ)2個臺站，均為BBVS-120型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器。臺站具體分布詳見圖1。

圖1 臨汾地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和數(shù)字化臺站分布

2.2 相似地震挑選

首先對原始波形資料進行1～10Hz的帶通濾波預處理。為了進行走時差估算，對每秒50點或100點采樣率濾波后的資料進行內(nèi)插，來獲取高采樣率的波形。具體采用在頻域補零的方法進行內(nèi)插，內(nèi)插后采樣間隔為0.3125ms，即為相對到時的誤差估計精度。

將至少有一個臺站記錄到波形、且滿足相關(guān)系數(shù)CC>0.8的一組地震定義為相似地震。通過波形互相關(guān)分析挑選波形具有較高相似性的地震。進行互相關(guān)計算，選取的波形時間窗為P波之前1s至S波后5s。經(jīng)過全波段的互相關(guān)分析，確定了1684對波形相關(guān)系數(shù)大于0.8的地震對，并進一步識別了74組相似地震(圖2)，這些相似地震包括49組由2個地震構(gòu)成相似地震對和25組由2個以上地震構(gòu)成的多重相似對。74組相似地震共包括303次地震，震級范圍為ML0～4.1。圖3 給出了隰縣臺(XIX)記錄一組相似地震的波形示意圖。

圖2 臨汾地區(qū)相似地震分布

圖3 一組相似地震在隰縣臺的歸一化波形示例

2.3 重復地震辨識

除了重復地震，震群和緊接發(fā)生的余震的波形也具有高度相似性(Waldhauser et al，1999；Li et al，2007)。重復地震和相似余震的本質(zhì)區(qū)別在于其發(fā)生的空間位置。相似地震很可能同時包括重復地震和非重復發(fā)生的相似余震或震群，從而導致每組相似地震中地震的復發(fā)間隔的明顯變化。因此，為了在相似地震序列中進一步識別重復地震，精確定位每一序列中地震的相對位置十分必要(Rubin et al，1999；Cheng et al，2007；Li et al，2007)。

一般而言，微震的破裂尺度約為數(shù)十米，因此相似序列中的每個地震位置的重新定位需要達到很高的精度，這就要求具備合理的臺站布局和高精度的P波、S波的相對到時拾取(達到毫秒量級)。

針對臺站分布稀疏的客觀情況，Li等(2011)提出了基于子采樣條件下S—P相對到時差約束地震相對位置、確保震源位置一致性的方法，并成功應用于龍門山斷裂北川段、小江斷裂帶以及鮮水河斷裂帶南段的重復微震研究(Li et al，2011； 李樂等，2012)。本文同樣使用此方法來辨識臨汾地區(qū)的重復微震。

如圖4 所示，假設(shè)2個地震事件到臺站的距離分別為R和R′，地震震源之間的距離為Δx，其與P波、S波相對到時差ΔtS—P之間的定量關(guān)系可表述為

圖4 矢量和三角法則關(guān)系示意

(1)

式中，γ表示P波與S波的波速比， 假定P波速度vP=6.0km/s、γ=1.7，可以得出

Δx≥8.6ΔtS—P

(2)

假設(shè)地震1和地震2的破裂半徑分別為r和r′。當2個地震間的相對距離小于破裂尺度(即Δxr+r′或ΔtS—P>(r+r′)/8.6，則認為該地震偏離了地震序列，不屬于重復地震序列。

采用計算ΔtS—P的方法，識別出了研究區(qū)的2組重復微震，共計6次地震，震級分布在ML0.4～1.8。

2.4 地震精確定位

山西數(shù)字地震臺網(wǎng)觀測報告給出的震源位置是依據(jù)常規(guī)P波和S波到時確定的，采用的定位方法為蓋格法、單純型法或hypo2000程序和雙層地殼組成的一維速度模型，其定位誤差達數(shù)千米甚至數(shù)十千米，因此有必要重新定位重復地震，以便進一步分析。為了提高地震定位的精度，首先參考深地震測深(DSS)結(jié)果(祝治平等，1999)構(gòu)建了一維的水平8層速度模型，并采用hypo2000來重新確定初始地震位置； 然后再采用雙差定位方法(Waldhauser et al，2000)來獲取精確的地震相對位置。雙差定位法以地震對到同一臺站的觀測和計算走時差的殘差最小，即通過地震間走時差的最佳擬合，尤其是波形互相關(guān)計算獲得的高精度走時差，來確定多個地震的相對位置，而不是分別確定單個地震的位置。

選取1.1s波形時間窗(初至P波前0.1s至其后1.0s)進行互相關(guān)計算獲取走時差。為了正確選取時間窗，人工拾取了高信噪比波形的P波初至到時，并以更精確的結(jié)果校核，替代觀測報告中的P波和S波的到時資料。

此外，整理了山西地震臺網(wǎng)1980年1月至2000年12月記載的臨汾盆地及其周緣的模擬地震。在整合改進后的數(shù)字和模擬地震觀測報告(共4136次地震)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合模擬時段與數(shù)字記錄時段數(shù)據(jù)，通過波形互相關(guān)分析，識別出互相關(guān)系數(shù)CC>0.7的相似地震，再進行雙差地震定位，確定了2971次地震的震源位置，并將精定位后的震源位置整合到地震觀測目錄中，用于b值的計算。

3 深部滑動速率估算

采用Abercrombie(1996)給出的地震矩-震級關(guān)系，進行近震震級ML和地震矩M0之間的換算，即

lg(M0)=9.8+ML

(3)

基于圓盤破裂斷層模型，采用Kanamori等(1975)提出的關(guān)系式來估算地震的破裂半徑r

(4)

其中，Δσ為應力降。

考慮到應力降對滑動速率的計算結(jié)果存在一定影響，選取研究區(qū)內(nèi)2009—2010年高信噪比的波形資料，計算出ML1.2～4.8范圍內(nèi)的50次地震的應力降為0.2～6.3MPa，年平均值為2MPa左右。因此，在計算破裂半徑r時，應力降Δσ的值取為2MPa。

依據(jù)地震矩的定義，可以通過地震矩M0和破裂尺度r來計算同震滑動量d

d=M0/μπr2

(5)

其中， 剪切模量μ取3×1010N/m2。

通過對每組重復地震序列累積滑動量的線性擬合來獲取年滑動速率。由2組重復地震估算出位于臨汾盆地西緣的羅云山山前斷裂帶和盆地內(nèi)部的蘇堡斷裂在孕震深度15～17km處的滑動速率為1.9～2.8mm/a，見圖5。該結(jié)果與張希等(2011)利用近10年汾渭斷裂帶GPS速度場觀測資料研究得到的山西斷陷帶南段結(jié)果(2～3mm/a)基本相符。

圖5 由重復地震估算的研究區(qū)斷層滑動速率分布

4 地震活動性參數(shù)b值與重復地震的關(guān)系

Gutenberg等(1944)揭示出加利福尼亞地區(qū)的地震大小分布遵循冪律關(guān)系，該冪律的斜率(即b值)通常用作描述大、小地震發(fā)生的相對比例； Scholz(1968)實驗研究發(fā)現(xiàn)b值與差應力的反比關(guān)系； 而 Schorlemmer 等(2005)從實際觀測數(shù)據(jù)確認了上述反比關(guān)系。本文通過計算臨汾地區(qū)斷裂帶及其周緣的b值分布，研究b值與重復地震的空間關(guān)聯(lián)性。

b值計算所使用的資料為山西地震臺網(wǎng)1980年1月至2010年12月記載的臨汾盆地及其周緣的4136次地震。通過雙差法對小震進行精定位分析，確定了2971次地震的震源位置，并將定位后的地震震源位置整合到地震觀測目錄中，用于b值的計算。將研究區(qū)劃分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格單元，對于每個網(wǎng)格單元統(tǒng)計20km范圍內(nèi)發(fā)生的地震，并觀察分析每個單元在研究時段的震級-頻度關(guān)系，逐一確定每個單元的最小完整震級，最終利用最小二乘法進行b值計算。

臨汾地區(qū)斷裂帶的b值掃描圖像如圖6 所示，研究區(qū)b值分布存在明顯差異，高b值區(qū)出現(xiàn)在NNE向的霍山山前斷裂，該區(qū)曾是1303年洪洞8級大震的主破裂區(qū)。易桂喜等(2007)研究指出，該區(qū)域經(jīng)過大震后，現(xiàn)今斷層強度相對較弱，仍然處于恢復階段，應力水平較低。低b值區(qū)位于臨汾盆地南緣NEE向峨嵋臺地北緣斷裂、雙泉-臨猗斷裂、中條山山前斷裂北段，另外太原盆地西南緣汾陽段也顯示出低b值，該結(jié)果與王輝等(2011)利用 1970—2009 年的小震資料獲得的結(jié)果基本一致。2010年1月24日運城河津M4.8地震發(fā)生在距峨嵋臺地北緣斷裂2.7km處，其后2016年3月12日運城鹽湖M4.4地震發(fā)生在中條山山前斷裂，與上述得出的低b值區(qū)的結(jié)論吻合。值得注意的是2組重復地震均發(fā)生在高b值區(qū)，高b值區(qū)說明該區(qū)易于發(fā)生小地震，斷層強度相對較弱，這一特征印證了重復地震傾向于發(fā)生在斷裂帶上孕育強震的大凹凸體邊緣的觀測事實。

圖6 由重復地震估算的滑動速率與b值分布對比

5 討論與結(jié)論

本文基于山西數(shù)字臺網(wǎng)2001—2010年記錄的地震資料，對臨汾盆地小震重新定位及波形分析，得到如下結(jié)論：

(1)通過波形互相關(guān)法，分析了區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的波形資料，在山西臨汾地區(qū)識別出CC>0.8的74組相似地震，包含49組相似地震對和25組多重相似地震對。

(2)針對研究區(qū)臺站分布稀疏的客觀情況，采用子采樣條件下S—P相對到時差約束地震相對位置的方法，來確保震源位置的一致性。在重新確定了每組多重相似對的地震相對位置后，識別出了研究區(qū)的2組重復地震，震級分布于ML0.4～1.8，共計6次地震。

(3)識別出的2組重復微震位于研究區(qū)歷史大震主要斷層的周緣，屬于區(qū)域內(nèi)高b值區(qū)，表明該區(qū)域經(jīng)過大震后，現(xiàn)今斷層強度相對較弱，仍然處于恢復階段，應力水平較低。

(4)對每組重復地震序列累積滑動量進行線性擬合，獲取年滑動速率。由2組重復地震估算出位于臨汾盆地西緣的羅云山山前斷裂帶和盆地內(nèi)部的蘇堡斷裂在孕震深度15～17km處的滑動速率為1.8～2.9mm/a，該結(jié)果與GPS資料得到結(jié)果基本相符。

本研究僅在山西地區(qū)進行了初步嘗試，隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，可對研究區(qū)未來震情的發(fā)展起到跟蹤作用，為地震預報提供判定依據(jù)。同時，研究結(jié)果對于理解研究區(qū)斷層活動性及分析地震危險性具有一定意義。