2021年灤州MS4.3地震和2015年昌黎MS4.2地震震源參數(shù)及構(gòu)造意義研究

李 赫 董一兵 王熠熙

1 天津市地震局，天津市友誼路19號(hào)，300201 2 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，石家莊市學(xué)府路47號(hào)，050061 3中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號(hào)，430077

近年來，唐山地區(qū)接連發(fā)生MS≥4.0地震，地震活動(dòng)呈增強(qiáng)趨勢(shì)。2021-04-16唐山灤州發(fā)生MS4.3地震，其震中距離2015年昌黎MS4.2地震和1976年灤州MS7.1地震分別為9 km和10 km(圖1(a))，灤州MS4.3地震對(duì)唐山地區(qū)未來地震危險(xiǎn)性是否具有指示意義，3次地震之間是否存在成因關(guān)聯(lián)，都是亟需厘清的科學(xué)問題。地震學(xué)研究表明，唐山地區(qū)地震活動(dòng)可能與殼內(nèi)高、低速層相間分布的包體現(xiàn)象有一定關(guān)系，即低速層比較軟弱，難以積累應(yīng)變能，當(dāng)?shù)貧な芰r(shí)容易發(fā)生蠕變，將應(yīng)力傳遞給上部地殼，并在其內(nèi)部形成應(yīng)力集中，從而引發(fā)地震[1-3]。唐山東部及鄰區(qū)(灤州-昌黎)沉積蓋層厚度約為3～4 km[4]，且該區(qū)臺(tái)網(wǎng)密度較低，對(duì)震源深度結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定影響，而準(zhǔn)確的震源深度是探討地震成因的先決條件。

目前，關(guān)于灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及灤州MS7.1地震的發(fā)震構(gòu)造及成因聯(lián)系的認(rèn)識(shí)較少。本文基于京津冀地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)資料，首先采用CAP方法[5-6]反演灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機(jī)制及矩心深度，然后利用近震深度震相[7]獲得準(zhǔn)確的震源深度結(jié)果，最后采用雙差定位法[8]確定灤州MS4.3地震序列及昌黎MS4.2地震序列的震源分布，并結(jié)合該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造資料及灤州MS7.1地震震源參數(shù)結(jié)果，深入分析發(fā)震構(gòu)造及成因關(guān)聯(lián)，為認(rèn)識(shí)唐山東部地區(qū)的地震活動(dòng)及構(gòu)造意義等提供幫助。

1 地震震源機(jī)制解

灤州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震發(fā)生于唐山東部地區(qū)(圖1(b))，該區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不僅具有較厚的沉積層，而且還有顯著的低速層等[4,9-13]。因此，本文將充分考慮已有研究成果[4,9-13]，并參考Crust1.0地殼模型，構(gòu)建研究區(qū)速度模型(圖2)。

圖1 京津冀地震臺(tái)站和灤州MS7.1地震、灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及昌黎MS3.3地震震中位置及斷裂分布Fig.1 Distribution map of Beijing-Tianjin-Hebei stations and epicenters of Luanzhou MS7.1 earthquake,Luanzhou MS4.3 earthquake and Changli MS4.2 earthquake,Changli MS3.3 earthquake along with the faluts around

圖2 灤州-昌黎震源區(qū)地殼速度模型Fig.2 Crustal velocity model of the Luanzhou-Changli source area

基于圖2地殼速度模型，選取京津冀地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)中位于灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震震中距350 km范圍內(nèi)信噪比高且分布較均勻的臺(tái)站寬頻帶波形資料，選用CAP方法計(jì)算地震震源機(jī)制解及矩心深度。CAP方法受觀測(cè)資料數(shù)量及臺(tái)站分布等影響較小[5-6]，有利于獲得可靠的震源機(jī)制解結(jié)果。另外，體波和面波的相對(duì)強(qiáng)度及體波部分中包含的深度震相信息可很好地測(cè)定地震震源深度[5-6]，為發(fā)震構(gòu)造的確定及孕震機(jī)理的分析等提供重要依據(jù)。反演計(jì)算時(shí)濾波頻段分別設(shè)定為0.05～0.15 Hz(體波)和0.05～0.1 Hz(面波)。

圖3(a)～5(a)分別展示了灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機(jī)制解和最優(yōu)擬合深度時(shí)部分臺(tái)站理論波形與觀測(cè)波形的擬合情況，其中灤州MS4.3地震12個(gè)臺(tái)站體波與面波共有51個(gè)震相，相關(guān)系數(shù)大于80%的占86.3%，昌黎MS4.2地震12個(gè)臺(tái)站體波與面波共有45個(gè)震相，相關(guān)系數(shù)大于80%的占91.1%，昌黎MS3.3地震10個(gè)臺(tái)站體波與面波共有44個(gè)震相，相關(guān)系數(shù)大于80%的占81.8%，滿足震源機(jī)制解可靠性條件[14]。由表1可知，3次地震同為走滑型地震，P軸方位角分別為257°、57°和54°，表現(xiàn)為近NWW-SEE向，與渤海灣盆地區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)較為吻合[1,15]。

波形左側(cè)數(shù)據(jù)依次為臺(tái)站名、震中距(單位km)及方位角(單位(°))，波形下方的數(shù)字表示理論波形相對(duì)于實(shí)際波形的移動(dòng)時(shí)間(單位s)及二者的相關(guān)系數(shù)圖4 昌黎MS4.2地震震源機(jī)制解Fig.4 Focal mechanism solutions of the Changli MS4.2 earthquake

波形左側(cè)數(shù)據(jù)依次為臺(tái)站名、震中距(單位km)及方位角(單位(°))，波形下方的數(shù)字表示理論波形相對(duì)于實(shí)際波形的移動(dòng)時(shí)間(單位s)及二者的相關(guān)系數(shù)圖5 昌黎MS3.3地震震源機(jī)制解Fig.5 Focal mechanism solutions of the Changli MS3.3 earthquake

為進(jìn)一步確認(rèn)震源機(jī)制解及矩心深度結(jié)果的準(zhǔn)確性，基于不同的速度模型[16]，采用CAP方法對(duì)灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震重新開展反演計(jì)算，結(jié)果基本一致(表1)，表明該結(jié)果較為準(zhǔn)確，3次地震的最優(yōu)擬合深度分別為8 km、11 km和10 km。

2 地震震源深度

準(zhǔn)確的地震震源深度是確定發(fā)震構(gòu)造及成因的關(guān)鍵震源參數(shù)[18]，為此本文采用近震深度震相測(cè)定灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源深度。通過對(duì)上述地震波形資料開展分析發(fā)現(xiàn)，在距灤州MS4.3地震震中32 km 的昌黎臺(tái)(CLI)和61 km的遷西臺(tái)(QIX)徑向分量上有較清晰的sPL近震深度震相(圖6)，在距昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震震中42 km的陡河臺(tái)(DOH)徑向分量上有較清晰的sPL近震深度震相(圖7)。本文首先基于F-K方法[19]計(jì)算上述臺(tái)站的理論地震波形，然后將其與觀測(cè)波形資料進(jìn)行對(duì)比。如圖6～7所示，在8 km 及10.5 km深度處觀測(cè)波形sPL深度震相與其理論地震波形擬合較好，與CAP方法反演3次地震獲得的最優(yōu)擬合深度較吻合。

黑色波形為合成地震波形，紅色波形為實(shí)測(cè)波形，積分至位移，采用1 Hz低通濾波圖6 采用sPL深度震相測(cè)定灤州MS4.3地震震源深度Fig.6 Resolving focal depth for Luanzhou MS4.3 earthquake with sPL wave

黑色波形為合成地震波形，紅色波形為實(shí)測(cè)波形，積分至位移，采用1 Hz低通濾波圖7 采用sPL深度震相測(cè)定昌黎MS4.2地震和昌黎MS3.3地震震源深度Fig.7 Resolving focal depth for Changli MS4.2 earthquake and Changli MS3.3 with sPL wave

3 地震序列重定位

灤州MS4.3地震序列及昌黎MS4.2地震序列的活動(dòng)特征存在一定差異，其中灤州地震序列余震活動(dòng)較為豐富，而昌黎地震序列余震與前震活動(dòng)均較少。根據(jù)中國(guó)地震正式目錄，截至2021-05-01 06:00記錄到的灤州MS4.3地震序列中ML≥1.0地震18次，其中ML1.0～1.9地震14次，ML2.0～2.9地震3次，ML≥4.0地震1次；截至2015-10-08 15:00記錄到的昌黎MS4.2地震序列中ML≥1.0地震13次，其中前震5次，余震7次，ML1.0～1.9地震7次，ML2.0～2.9地震4次，ML3.0～3.9地震1次，ML≥4.0地震1次，最大余震為ML3.9。

基于震中距200 km范圍內(nèi)臺(tái)站記錄到的震相信息和圖2地殼速度模型，采用雙差定位法中奇異值分解法對(duì)地震序列進(jìn)行重定位，得到震源位置分布。灤州MS4.3及昌黎MS4.2地震序列定位結(jié)果誤差分別為NS向72.5 m和70.2 m，EW向62.3 m和68.5 m，UD向88.3 m和87.7 m；灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震中位置分別為39.756 3°N、118.723 4°E，39.736 0°N、118.798 0°E和39.735 5°N、118.797 9°E，震源初始破裂深度分別為8.5 km、11.0 km和10.8 km，與其他方法測(cè)定的結(jié)果基本一致。如圖8所示，2次地震序列的震源分布總體呈NNE向展布，長(zhǎng)軸BB＇分別約為1.4 km和0.6 km，短軸AA＇分別約為0.5 km和0.3 km，震源深度分布范圍為7.6～8.5 km和10.1～11.0 km，余震及前震均位于主震之上，表明2次地震均是由深部向淺部破裂。2次地震序列的短軸剖面顯示，發(fā)震斷層面傾向近垂直，傾角陡立。綜上可知，灤州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震的發(fā)震構(gòu)造特征較為一致，均具有走向NNE、傾向近垂直、傾角陡立的特點(diǎn)，與表1中節(jié)面Ⅰ產(chǎn)狀基本吻合。

表1 基于不同速度模型反演得到地震震源機(jī)制解及矩心深度、灤州MS7.1地震震源機(jī)制解和震源深度

圖8 灤州MS4.3和昌黎MS4.2地震序列重定位結(jié)果Fig.8 Relocated results of Luanzhou MS4.3 and Changli MS4.2 earthquake sequences

4 發(fā)震構(gòu)造分析

綜合灤州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震的震源機(jī)制解、震源深度及重定位結(jié)果，推測(cè)其發(fā)震斷層同為走向NNE、傾角近垂直的走滑斷裂。灤州地震和昌黎地震的震中區(qū)域存在幾條先存斷裂，即灤縣-樂亭斷裂西北段、盧龍斷裂、寧河-昌黎斷裂、豐臺(tái)-野雞坨斷裂、巍山-長(zhǎng)山南坡斷裂、唐山-古冶斷裂和陡河斷裂(圖1(b))。灤縣-樂亭斷裂西北段為走向NNE、傾向NE、傾角約42°的逆斷層，盧龍斷裂為走向NNE、傾向NW、傾角約60°～75°的正斷層，寧河-昌黎斷裂為走向NEE、傾向SE、傾角70°～80°的正斷層，豐臺(tái)-野雞坨斷裂為走向NE、傾向NW、傾角60°～80°的正斷層，巍山-長(zhǎng)山南坡斷裂為走向NE、傾向NW的高傾角逆斷層，唐山-古冶斷裂為走向NE、傾向NW、傾角70°～80°的逆斷層，陡河斷裂為走向NE、傾向SE的高傾角逆斷層[1,3,17,20-21]。通過對(duì)比發(fā)震斷層面參數(shù)與斷裂產(chǎn)狀發(fā)現(xiàn)，這些斷層并不是灤州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震的發(fā)震斷裂。已有研究成果表明，灤州MS7.1地震的主要破裂方向?yàn)镹NE向，結(jié)合其震源機(jī)制解結(jié)果認(rèn)為，節(jié)面Ⅰ為發(fā)震斷層面(表1)，即走向NNE、高傾角的走滑斷裂[17]。比較該地震發(fā)震斷層面參數(shù)與上述斷裂產(chǎn)狀認(rèn)為，兩者并不相符，由此推測(cè)，這3次地震的發(fā)震構(gòu)造并不是上地殼的先存斷裂，可能與震源區(qū)深部構(gòu)造背景密切相關(guān)。

研究結(jié)果表明，唐山地區(qū)的地震活動(dòng)與該區(qū)復(fù)雜的地殼結(jié)構(gòu)有關(guān)，莫霍面的局部隆起及殼內(nèi)高、低速體交錯(cuò)的包體現(xiàn)象是地震發(fā)生的重要基礎(chǔ)[1-3]。灤州MS7.1地震、灤州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震的震源深度分別為10 km、8 km和10.5 km，灤州MS7.1地震震中附近約12～19 km深度范圍內(nèi)存在低速層，即該地震發(fā)生于低速層頂部偏剛性的一側(cè)[12-13]，推測(cè)灤州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震可能也發(fā)生于該位置。

5 結(jié) 語(yǔ)

為分析2021年灤州MS4.3地震及2015年昌黎MS4.2地震的發(fā)震構(gòu)造及其與1976年灤州MS7.1地震的成因關(guān)聯(lián)，基于京津冀地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料，利用CAP方法反演灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機(jī)制及矩心深度，然后采用近震深度震相獲得更為準(zhǔn)確的震源深度，并結(jié)合雙差定位法獲得地震序列震源分布結(jié)果。通過將震源參數(shù)結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料及灤州MS7.1地震的震源參數(shù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得如下認(rèn)識(shí)：

1)灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機(jī)制解分別為：節(jié)面Ⅰ(走向/傾角/滑動(dòng)角)211°/85°/168°、189°/68°/161°、190°/61°/170°，節(jié)面Ⅱ(走向/傾角/滑動(dòng)角)302°/78°/5°、286°/72°/23°、285°/81°/29°，結(jié)合近震深度震相sPL測(cè)定3次地震的震源深度分別為8 km、10.5 km及10.5 km。

2)灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震中位置分別為39.756 3°N、118.723 4°E，39.736 0°N、118.798 0°E和39.735 5°N、118.797 9°E，震源初始破裂深度分別為8.5 km、11.0 km和10.8 km，地震序列的震源分布主要呈NNE向，震源深度分布范圍為7.6～8.5 km和10.1～11.0 km，余震及前震均位于主震之上，表明地震均是由深部向淺部破裂。地震序列短軸剖面顯示，發(fā)震斷層面傾角近垂直，基于震源機(jī)制解及地震序列重定位結(jié)果推測(cè)，灤州MS4.3及昌黎MS4.2地震的發(fā)震斷層同為走向NNE、傾角近垂直的走滑斷裂，與節(jié)面Ⅰ參數(shù)較為吻合。

3)基于灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及灤州MS7.1地震的震源參數(shù)結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等資料分析認(rèn)為，3次地震的發(fā)震構(gòu)造不是地殼淺部的先存斷裂，而可能與震源區(qū)地殼內(nèi)的低速層有關(guān)。從深度上看，3次地震發(fā)生于低速層頂部偏剛性的一側(cè)，而殼內(nèi)包體現(xiàn)象是孕育這些地震的共同基礎(chǔ)。