劉　靜，董建輝，陳　婷，張環(huán)曦，張　蕾

(1.河北省地震局石家莊中心臺(tái)，石家莊　050021；2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，武漢　430074；3.河北省地震局，石家莊　050021)

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河北及鄰區(qū)震源機(jī)制與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

劉靜1，董建輝2，陳婷3，張環(huán)曦1，張蕾1

(1.河北省地震局石家莊中心臺(tái)，石家莊050021；2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，武漢430074；3.河北省地震局，石家莊050021)

采用CAP方法反演2008年1月至2013年11月河北及鄰區(qū)ML3.5以上地震的震源機(jī)制，結(jié)果顯示：震源錯(cuò)動(dòng)類型以走滑斷層類型為主，兼有一定數(shù)量的正斷層；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主壓應(yīng)力軸方向NEE，與之前的研究結(jié)果一致，但呈現(xiàn)出暫時(shí)的正斷層兼走滑的應(yīng)力狀態(tài)，具有繼承性和差異性特征，推測(cè)可能與中等地震易受局部構(gòu)造活動(dòng)影響以及巨大地震改變了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用方式有關(guān)。

河北及鄰區(qū)；CAP方法；震源機(jī)制解；應(yīng)力場(chǎng)

0　引言

Reid在研究1906年美國(guó)舊金山大地震時(shí)，提出關(guān)于淺源構(gòu)造地震的直接成因的彈性回跳理論[1]，并被之后地震的現(xiàn)場(chǎng)考察、地震前后的地形變測(cè)量和地震波的觀測(cè)研究等結(jié)果確認(rèn)。天然構(gòu)造地震是地下巖層經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的彈性應(yīng)變積累，在某一點(diǎn)累積的形變超過(guò)了巖石所能夠承受的極限時(shí)突然錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果。震源機(jī)制的研究是在地震斷層論確立之后開(kāi)始的，震源機(jī)制就是地震時(shí)震源內(nèi)部的物理狀態(tài)和力學(xué)條件如何發(fā)生變化及其表現(xiàn)形式。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是地震孕育發(fā)生的力學(xué)背景，而震源機(jī)制解是研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)資料。頻繁發(fā)生的中小地震攜帶了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)信息，對(duì)于描繪區(qū)域構(gòu)造和控制區(qū)域應(yīng)力方向起著約束作用，為我們研究活動(dòng)構(gòu)造和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)提供參考依據(jù)。

河北地區(qū)地震記錄資料極為豐富，是我國(guó)開(kāi)展以震源機(jī)制推斷應(yīng)力場(chǎng)研究最早的地區(qū)。李欽祖等[2]最早利用單臺(tái)小震初動(dòng)極性資料確定紅山和沙城臺(tái)附近的應(yīng)力場(chǎng)。許忠淮等[3]利用北京周圍地區(qū)的地震P波初動(dòng)資料，分區(qū)研究了綜合斷層面解得到的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向。李欽祖[4]根據(jù)華北地區(qū)的斷層面解、地震時(shí)的地面裂縫、強(qiáng)震的等震線長(zhǎng)軸方向、某些大地震地區(qū)的大地測(cè)量結(jié)果，分析認(rèn)為華北存在一個(gè)一致性相當(dāng)好的應(yīng)力場(chǎng)。之前的方法充分利用了不能單獨(dú)確定震源機(jī)制解的中小地震的P波初動(dòng)數(shù)據(jù)推斷應(yīng)力方向，隨著數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)，臺(tái)網(wǎng)的密度和布局不斷優(yōu)化，對(duì)求取中小地震的震源機(jī)制解提供了高質(zhì)量的波形資料。孫貴成等[5]基于HASH方法反演了山西帶中北部的ML2.0以上地震的震源機(jī)制解，并與Cut and Paste(CAP)方法反演的震源機(jī)制解進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性；李冬圣等[6]使用多種方法反演了2014年9月6日河北涿鹿的震源機(jī)制解；劉澤民等[7]開(kāi)發(fā)了交互式FOCMEC方法的震源機(jī)制解反演程序，并應(yīng)用在2012年5月28日河北唐山4.8級(jí)地震[8]的震源機(jī)制解反演中；劉芳等[9]分析了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)中小地震震源機(jī)制及應(yīng)力場(chǎng)的主要特征。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)河北及鄰區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，本文采用 Zhao等[10]提出、Zhu等[11]發(fā)展的 CAP 反演方法，系統(tǒng)反演了河北及鄰區(qū)2008—2013年期間發(fā)生的ML3.5以上地震的震源機(jī)制解。利用獲得的中等地震震源機(jī)制以更高的分辨率研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)、空變化圖像，為未來(lái)地震活動(dòng)分析研究提供具有參考價(jià)值的資料。

1　方法及資料

如何準(zhǔn)確可靠地獲得中小地震震源機(jī)制解一直是地震學(xué)家努力的目標(biāo)。中小地震震源機(jī)制解是震源物理、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、地震危險(xiǎn)性分析等研究中的重要資料，而震源機(jī)制解反演中所使用的速度模型、P波初動(dòng)極性數(shù)量、臺(tái)站布局等因素制約了反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

目前比較流行的P波初動(dòng)法、P波和S波振幅比方法和波形反演方法各有利弊，在使用的時(shí)候要具體情況具體分析，發(fā)揮出每種方法的最大效能。P波初動(dòng)極性在節(jié)面附近很難判斷，需要方位角和震中距分布均勻的臺(tái)站，且無(wú)法得到震源深度和矩震級(jí)；而波形反演方法則可以克服這些缺點(diǎn)，得到更加精確可靠的震源機(jī)制解。

本文采用CAP方法進(jìn)行震源機(jī)制解的反演。Zhao等[10]通過(guò)分割波形記錄為Pnl和Snl部分，分別賦予不同的權(quán)重，利用格點(diǎn)搜索的方法進(jìn)行地震震源機(jī)制的反演，Zhu等[11]進(jìn)一步改進(jìn)了該方法，通過(guò)去除歸一化振幅并使用距離比例系數(shù)使得反演結(jié)果更加穩(wěn)定。CAP方法將寬頻帶近震波形記錄分為體波和面波部分，分別計(jì)算合成波形與記錄波形的的誤差函數(shù)，在相關(guān)參數(shù)空間進(jìn)行搜索，得到最小誤差的最優(yōu)解。將地震震源簡(jiǎn)化為雙力偶點(diǎn)源，自由表面的理論地震圖可以用3種基本斷層對(duì)應(yīng)的格林函數(shù)加權(quán)線性組合來(lái)表示，3種基本斷層模型分別為：垂直走滑斷層，垂直傾滑斷層，以及45°傾滑斷層。根據(jù)彈性波理論得其產(chǎn)生的理論地震位移為：

其中，G為格林函數(shù)，A為輻射系數(shù)，θ為臺(tái)站方位角，φ,δ,λ分別為震源機(jī)制解的3個(gè)參量：走向，傾角，滑移角，M0為地震矩[11]。

基于河北數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的河北及鄰區(qū)2008—2013年期間發(fā)生的ML3.5以上地震(圖1)波形，采用頻率-波數(shù)方法(FK)計(jì)算格林函數(shù)[12]，在參數(shù)空間中定義合成波形與實(shí)際波形間的誤差函數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格搜索得到最佳機(jī)制解、深度以及矩震級(jí)。首先，將原始波形數(shù)據(jù)去除儀器響應(yīng)，再旋轉(zhuǎn)至大圓弧路徑三分量，利用FK程序計(jì)算格林函數(shù)，分別反演垂直向和徑向的Pnl波與三分量的面波，通過(guò)波形互相關(guān)獲取時(shí)移來(lái)對(duì)齊波形。在反演過(guò)程中，將Pnl波與面波各自帶通濾波，Pnl波帶通范圍為0.02～0.15 Hz，面波則為0.02～0.1 Hz，這樣可以盡量減少背景噪聲對(duì)波形的干擾，亦能壓制地下小尺度結(jié)構(gòu)散射所造成的影響。

注：三角形表示臺(tái)站，實(shí)心圓表示震中圖1　反演過(guò)程所用臺(tái)站和震中分布圖

計(jì)算格林函數(shù)的速度結(jié)構(gòu)均取自Crust1.0模型[13](表1)。CAP方法的一大優(yōu)勢(shì)是反演結(jié)果對(duì)速度模型的依賴性相對(duì)較小，對(duì)臺(tái)站處地殼速度結(jié)構(gòu)的精確性要求不高，故在臺(tái)站處也選用震源處地殼結(jié)構(gòu)。

表1　震源地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)分層模型

2　震源機(jī)制解分析

采用CAP方法反演，獲得了2008年1月—2013年11月河北及鄰區(qū)ML≥3.5地震震源機(jī)制解34例(圖2和表2)。根據(jù)Zoback[14]研究全球應(yīng)力場(chǎng)時(shí)的震源機(jī)制解類型劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所研究區(qū)域地震進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，走滑斷層(SS)錯(cuò)動(dòng)類型的地震23個(gè)，占67.6%；正斷層(NF)為主的錯(cuò)動(dòng)類型地震9個(gè)，占26.5%；逆斷層(TF)類型2個(gè)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，河北及鄰區(qū)的震源錯(cuò)動(dòng)類型以走滑為主，兼一定數(shù)量的正斷層。正斷層類型地震主要集中在晉冀蒙盆嶺構(gòu)造區(qū)，位于山西斷陷帶右旋走滑在東北端的尾端拉張區(qū)；走滑類型的地震主要分布在唐山老震區(qū)，少數(shù)地震為正斷兼走滑型，唐山地震序列早期的應(yīng)力場(chǎng)為松弛平衡態(tài)[15]，系統(tǒng)聚類顯示震源機(jī)制解類型多、取向分散[16]；現(xiàn)今中小地震具有繼承性活動(dòng)的特征，受統(tǒng)一的華北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的制約[17]。濮陽(yáng)地區(qū)的震源機(jī)制解表現(xiàn)出與華北地區(qū)反向的NW向P軸方位，與孫晴和李守勇[18]給出的濮陽(yáng)地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)方向存在差異。

表2　2008年1月-2013年11月河北及鄰區(qū)ML3.5以上地震震源機(jī)制解

圖2　2008年1月-2013年11月河北及鄰區(qū)ML3.5級(jí)以上地震震源機(jī)制解(綠色：走滑型，藍(lán)色：逆沖型，紅色：正斷型)

為檢驗(yàn)CAP反演結(jié)果的可靠性，選取發(fā)生在邢臺(tái)老震區(qū)的2010年4月30日河北寧晉ML3.9地震，采用P波初動(dòng)方法計(jì)算的結(jié)果與CAP方法的結(jié)果(圖3)進(jìn)行對(duì)比(表3)?？梢钥闯?，2種方法反演的震源機(jī)制解參數(shù)基本一致，震源錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)一致(圖4)。分析認(rèn)為震源機(jī)制解參數(shù)的差異可能與反演過(guò)程中所使用的臺(tái)站分布有關(guān)，P波初動(dòng)方法使用了均勻分布在震源周圍的短周期、寬頻帶的臺(tái)站記錄，而CAP方法只能使用寬頻帶的臺(tái)站波形，從而造成臺(tái)站分布的空隙。

注：LIC 臨城臺(tái)；ZAH 贊皇臺(tái)；XTT 邢臺(tái)臺(tái)；YON 永年臺(tái)；XIY 昔陽(yáng)臺(tái)；WAT 武安臺(tái)；CXT 磁縣臺(tái)；WAX 完縣臺(tái)；SXT 涉縣臺(tái)圖3　2010年4月30日河北寧晉ML3.9地震CAP方法結(jié)果

日期時(shí)間來(lái)源節(jié)面Ⅰ/(°)走向傾角滑動(dòng)角節(jié)面Ⅱ/(°)走向傾角滑動(dòng)角P軸/(°)方位傾角T軸/(°)方位傾角B軸/(°)方位傾角斷層類型2010-04-3002:36:31CAP9180-1318377-1694716137223474SSP波初動(dòng)95823487172503319816182SS

a CAP反演結(jié)果b P波初動(dòng)方法結(jié)果圖4　2010年4月30日河北寧晉ML3.9地震震源機(jī)制解對(duì)比

3　應(yīng)力場(chǎng)特征

使用ZMAP軟件包中的Michael方法[19]反演河北及鄰區(qū)整體的應(yīng)力場(chǎng)，得到3個(gè)應(yīng)力主軸的方向(圖5)。河北及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最大主壓應(yīng)力方向?yàn)?5.2°，最小主應(yīng)力方向?yàn)?36.7°，最大主壓應(yīng)力軸的傾伏角為49°，相對(duì)應(yīng)力大小為0.31。圖5中給出了3個(gè)應(yīng)力主軸方向的95%置信區(qū)間。魏光興等[20]對(duì)華北地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的研究表明，河北及鄰區(qū)處于以NEE向水平壓應(yīng)力和NWW向水平張應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，地震應(yīng)力場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)方向，主壓應(yīng)力軸為70°～80°，主張應(yīng)力軸為340°～350°；Wan[21]使用FMSI方法基于中國(guó)地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)和Global Centroid Moment Tensor (GCMT) database提供的部分震源機(jī)制解反演了中國(guó)大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，其中河北及鄰區(qū)的最大主應(yīng)力軸方位為63°～90°，最小主應(yīng)力軸方位為331°～14°。本文結(jié)果與上述結(jié)果基本一致。

圖5　河北及鄰區(qū)主應(yīng)力軸及其置信區(qū)間的下半球等面積投影

4　結(jié)論與討論

現(xiàn)今河北及鄰區(qū)中等地震的震源錯(cuò)動(dòng)方式為走滑類型為主，兼有少量的正斷層類型，這與該區(qū)存在的左旋走滑的張家口—渤海地震構(gòu)造帶和右旋走滑的山西地震構(gòu)造帶有密切關(guān)系， 在兩帶交匯處的晉冀蒙盆嶺構(gòu)造區(qū)多數(shù)地震為正斷兼走滑類型。本文所選取的中等地震，震源體積較小，易受局部構(gòu)造活動(dòng)影響，攜帶了較為豐富的局部構(gòu)造活動(dòng)信息，這在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果有所體現(xiàn)，強(qiáng)震所表現(xiàn)出來(lái)的華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為NEE向的水平主壓應(yīng)力[4，20]，而本文反演得到的河北及鄰區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹EE(75.2°)，最大主壓應(yīng)力軸的傾伏角為49°，應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)表現(xiàn)出正斷層性質(zhì)，這與張宏志等[17]、黃驥超等[22]對(duì)本地區(qū)的研究成果類似；孫貴成等[5]研究山西帶北段的震源機(jī)制解特征時(shí)也發(fā)現(xiàn)正斷層性質(zhì)的地震較多的現(xiàn)象，這可能與大量使用中小地震的震源機(jī)制解反演應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)，中小地震的發(fā)生既受大區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的制約，又體現(xiàn)局部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，具有一定的隨機(jī)性。

通過(guò)分析河北及鄰區(qū)近期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)具有繼承性和差異性等特征。本文所研究的震源機(jī)制解均發(fā)生在汶川地震和日本大地震之后，山西斷陷帶上的地震震源錯(cuò)動(dòng)類型可能與汶川地震后鄂爾多斯塊體周緣的應(yīng)力變化有關(guān)[23]，日本宮城MW9.0地震造成我國(guó)東北和華北地區(qū)產(chǎn)生毫米至厘米級(jí)的同震水平位移，導(dǎo)致東北和華北地區(qū)一系列NNE走向的斷裂產(chǎn)生了不同程度的張性應(yīng)變[24]。巨大地震可能改變了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用方式，使河北及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)暫態(tài)的正斷層兼走滑分量的狀態(tài)。由于受到地震發(fā)生的復(fù)雜性和國(guó)內(nèi)外目前地震研究水平的制約，上述認(rèn)識(shí)仍需積累更長(zhǎng)時(shí)間、更加豐富的地質(zhì)構(gòu)造、大地測(cè)量以及其它研究成果的進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善。

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Focal Mechanism and Tectonic Stress Field in Hebei and Its AdjacentArea

LIU Jing1, DONG Jian-hui2, CHEN Ting1, ZHANG Huan-xi3, ZHANG Lei4

(1. Shijiazhuang Central Seismic station, Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021, China;2.Three Gorges Geotechnical Consultants CO.,LTD (Wuhan), Wuhan 430074, China;3. Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021, China)

Using the CAP method,we calculated the focal mechanism solutions of theML≥3.5 earthquakesoccurred from January 2008 to November 2013 in Hebei province and its adjacent area. Most of the focal mechanisms are of strike-slip fault type except for a certain number of normal faults. The maximum principal compressive stress axis of the tectonic stress field is in the NEE direction which is consistent with previous research results, but the tectonic stress field shows a transient normal fault and strike-slip stress state and has the characteristics of inheritance and difference. These characterizes may be related to the aspects that moderate earthquake is easily affected by the regional tectonic activities and the changing of regional tectonic stress field caused by great earthquake.

Hebei province and its adjacent area; CAP method; focal mechanism solution; the stress field

2016-03-05

河北省地震局青年基金項(xiàng)目(DZ20140709027)

劉靜(1986—)，女，河北邯鄲人，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)工作．E-mail：436016924@qq.com

P315.3

A

1003-1375(2016)03-0042-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.008

劉靜，董建輝，陳婷，等．河北及鄰區(qū)震源機(jī)制與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(3):42-47.