內蒙古中西部地區小震震源機制解分析＊

劉 芳 王曉山 楊雅瓊

(1)內蒙古自治區地震局,呼和浩特 010010 2)河北省地震局,石家莊 050021)

內蒙古中西部地區小震震源機制解分析＊

劉 芳1)王曉山2)楊雅瓊2)

(1)內蒙古自治區地震局,呼和浩特 010010 2)河北省地震局,石家莊 050021)

利用 P、S最大振幅比數據反演中小震震源機制方法,選取 2001—2008年發生在內蒙古中西部的中小地震的數字波形數據,反演得到 130個地震震源機制。研究結果表明,震源機制存在NWW-SEE向和NE-S W向的兩組節面,受近NEE-S WW方位的壓應力和NNW-SSE方位的張應力作用,NWW-SEE向的破裂面產生右旋走向滑動, NNW-SSE向的破裂面產生左旋走向滑動。系統聚類分析顯示,內蒙古中西部中小地震以直立節面、走滑型震源機制解為主。通過對杭錦旗、托克托兩次 4級以上地震震源機制與背景場對比,認為均不是“前兆地震”。通過對震源機制的一致性參數分析,內蒙古中西部震源機制一致性參數出現低值區,對地震預測具有一定的指示意義。

內蒙古中西部;振幅比;震源機制解;波形數據;地震預測

1 引言

震源機制解是研究地震破裂和應力場的基本工具,隨著觀測技術的提高和震源機制求解方法的發展,已積累了大量資料。李欽祖[1]曾提出用 4個臺站記錄初動振幅比求小地震震源機制的思想,同時又分析了河北地區的震源機制結果,討論了區域應力場的一致性。許忠淮等[2]利用北京周圍地區地震臺站的地震 P波初動資料,分區研究了綜合斷層面解得到的區域應力場的方向。刁桂苓[3]利用 P波初動數據,以多臺數據同時求綜合斷層面解方法,更清晰地描述了唐山地震前區域應力場的變化過程。通過一系列研究工作,積累了比較豐富的數據,提供了必要的方法,給出了較好的結果,其應用已推廣到華北地區乃至全國。

陳颙[4]根據海城前震序列的研究,提出用震源機制的一致性作為判別前震的新參數。刁桂苓等[3,5]給出 1976年河北唐山 7.8級地震前,震區附近小震 P波初動資料得到的綜合斷層面解矛盾符號占全部符號的比例降低的圖像;1982年又給出北京延慶 1965年 5.4級地震前類似的現象。目前已經得到大同 1991年 5.8級地震、1999年 5.6級地震和張北 1999年 5.6級地震的前兆圖像,以及伽師序列、千島群島地區和秘魯震源機制一致性參數在震前出現低值的結論[6-9]。

為了研究大量的震源機制解之間的親疏程度,許多專家以系統聚類的方法對此問題給予了很好的解決。刁桂苓等[10]給出了 1975年海城地震序列震源機制解的聚類分析結果。

內蒙古自治區地域遼闊,地形狹長,橫跨我國西北、華北、東北地區,地質構造復雜,地震活動較為強烈[11-13]。內蒙古中西部地區 (39°18′～42°12′N; 105°42′～113°54′E)主要的活動斷裂帶包括狼山山前斷裂、色爾騰山山前斷裂、烏拉山北緣斷裂、烏拉山山前斷裂、大青山山前斷裂等。公元前 7年發生河套大地震,公元 849年包頭西發生 7級左右地震。同時內蒙古中西部地區又位于陰山帶中段,由于其特殊的構造條件,使其成為陰山帶應力變化的敏感窗口。尤其是 1970年以來地震活動異常活躍,先后發生了 1976年和林格爾 6.3級、1976年巴音木仁6.2級、1979年五原 6.0級、1981年豐鎮 5.8級、1996年包頭西 6.4級等一系列中強地震。

本文將在李欽祖、梁尚鴻等[14]提出的利用 P、S最大振幅比數據反演中小地震震源機制的基礎上,采用刁桂苓研制的 P波初動和 P、S振幅比聯合反演震源機制程序 (APAS程序)、系統聚類分析及震源機制一致性程序[6],研究內蒙古中西部中小地震震源機制及其主要應力場特征。

2 研究方法

梁尚鴻等[14]提出利用區域地震臺網 P、S垂直分量振幅比數據測定小震震源機制。林紀曾等[15]進行了人工數據檢驗,并且對臺站偏于一側時的數據處理能力及誤差進行了估計。結果表明,該方法具有精度高、需用的記錄數據量少等優點,不僅在正常情況下能夠得到很好的結果,而且在十分不利的數據條件下也可以給出令人滿意的結果。胡新亮等人[16]的對比分析也進一步證實了利用數字地震記錄的 P、S振幅比數據測定小震震源機制解的可靠性。因此,我們可以克服由于實際觀測臺網的局限所造成的測定小震震源機制的困難,取代以往僅利用 P波初動符號作粗略估計的方法,有效地利用小震數據,為進一步研究應力場提供豐富的小震震源機制解參數。

在計算過程中,考慮層狀介質中一點源位錯模型,由計算綜合地震圖得到 P、S各自最大振幅,通過其最大振幅比值與觀測數據擬合的方式來確定震源機制。應用理論地震圖方法,進行由觀測記錄波形測定震源機制的研究工作。

我們在使用振幅比方法的過程中,依據區內的速度結構確定分層速度模型,全部采用數字化地震波形記錄,規定選用臺站地震記錄震中距Δ≤150 km,臺站數目要求在 5個臺站以上,以保證機制解的穩定性。一般取 P和 S到時之后前幾個周期的最大振幅最大雙振幅A,且要求 0.5 mm＜A＜限幅,精度 0.2 mm。同時避免了 Pn、P11、Sn、S11波這幾種震相及一些轉換波震相混入、誤讀。

3 數據選取

選取 2001—2008年發生在內蒙古中西部的中小地震,利用呼和浩特數字臺網 (呼和浩特、集寧、百靈廟、烏蘭花、清水河、東勝、西山咀、烏海)8個臺站的數字波形數據。為了保證所采集的地震記錄振幅不太小,又不限幅,取用ML=2.7～4.5。最終挑選出記錄清晰的 130次地震事件記錄進行分析研究(圖 1)。本文采用刁桂苓研制的 APAS程序,反演得到內蒙古中西部地區 130次中小地震震源機制。這 130次地震基本覆蓋了內蒙古中西部地區,而時間分布也基本連續,反映了內蒙古中西部地區的地震活動特征。

圖 1 2001—2008年內蒙古中西部 130次ML≥2.7地震及臺站分布Fig.1 Distribution of 130ML≥2.7 earthquakes and stations in central and western Inner Mongolia from 2001 to 2008

4 震源機制參數及結果分析

由于得到的震源機制解數目較多,無法逐一分析比較。以下對節面、壓應力 P軸進行分析。

4.1 節面

1)節面走向分布。圖 2(a)顯示,每 30°角域幾乎都有節面存在,表明中小地震破裂面取向較為離散,在NWW-SEE和NE-S W向存在節面的優勢。

2)節面傾角的分布。圖 2(b)顯示,接近直立的60°～90°的節面所占的比例較大 (約 60%),說明隨著滑動角的增加逆沖型斷層多于正斷層。

3)節面滑動角的分布。取 0°～30°、-30°～0°和 150°～180°、-150°～-180°為走向滑動;60°～120°、-60°～-120°為傾向滑動;其余為斜向滑動。圖2(c)顯示,約70%的節面為走滑,25%的為斜滑, 5%的為傾滑。其中傾滑型的數據雖然少,但確實獨立存在。

圖 2 節面走向、傾角、滑動角分布Fig.2 Distribution of strike,dip and slip angle of node plane

4.2 P軸、T軸方位分布

1)P軸方位的分布。由圖 3(a)分析得出,P軸優勢方向為N45°E。

2)T軸方位分布。由圖 3(b)分析得出,T軸優勢方向為 E45°S,而其余 T軸則散布在 120°角域,但數目不多。

通過對內蒙古中西部地區震源機制各參數的空間分布研究,給出這樣一幅圖像：在NWW-SEE向或NE-S W向的兩個節面,受近NEE-S W方位的壓應力和NNW-SE方位的張應力作用,NWW-EE向的節面產生右旋走向滑動,NNW-SE向的節面產生左旋走向滑動。

圖3 P軸、T軸方位分布Fig.3 Distribution of P-axis,T-axis orientation

5 系統聚類分析

要將大量震源機制解以各自的空間取向劃分出不同的類,并研究它們之間的親疏程序,可由模式識別中系統聚類的方法加以解決[10]。

前面我們通過震源機制解的各個參數空間取向分析,得到了優勢取向參數的空間分布圖像。為了更好地比較各個震源機制解之間的異同,判別它們的性質,本文采用系統聚類方法,對 130個解進行分析。以最大距離法,把 130個震源機制解劃分成 6類。圖 4給出這 6類震源機制解 P軸和 T軸的投影,據此得到的平均 P、T軸及導出的節面也一并繪于圖4中。

從表 1、圖 4中可看出,第 1類包含地震共 58個,占總數的 44.6%,代表了內蒙古中西部中小地震震源機制解的主要特征。分析表明,平均 P軸走向為NEE向,平均 T軸走向為NNW向,呈水平狀態;且節面較陡,本文稱 1類直立節面、走滑型震源機制解為主類。它的平均解與李欽祖[17]、許忠淮[18]分別給出的華北構造應力場的方向完全一致。

圖 4 震源機制系統聚類后各類 P、T軸平均解投影Fig.4 Focal mechanisms for various types P,T axis projection of the average solution after systemic clustering

表 1 系統聚類得到的 6類震源機制解平均解的空間取向Tab.1 Spatial orientation of average solution of six classes focalmechan is m solution by system ic clustering

6 震源機制的一致性參數分析

構造應力場由 3個相互正交的應力主軸σ1、σ2、σ3表示,震源機制的取向由 3個相互正交的應力軸 P、B、T表示。那么定義震源機制和構造應力場的一致性參數(圖 5):

其中:α=∠σ1P,β=∠σ2B,γ=∠σ3T。

將所計算的中小地震源機制解結果確定參數σ1az、σ1ih、σ2az、σ2ih、σ3az、σ3ih,然后在三維空間計算各個震源機制一致性參數 a。一致性參數的最大值為 270°,最小值為 0°。

圖 5 應力場 3個主軸和震源機制 3個應力軸夾角示意Fig.5 Sketch of three principal axes of stress field and three stress axes of focalmechanism

我們由前面的震源機制解計算結果在三維空間計算各個震源機制的一致性參數 a,采用Mapinfo軟件中的專題制作功能,以 0.1°為間隔,用平均值 TI N方法進行插值,得到了內蒙古中西部震源機制參數空間分布圖 (圖 6)。圖中深色表示高值,淺色表示低值。

由圖 6中可看到,研究區域中出現一個明顯的低值區：臨河-烏海一帶,其他低值區區域很小,可能由單個地震引起,屬于隨機事件,是不穩定結果,不能確定為低值異常區。基于刁桂苓對大同 1991年5.8級地震、1999年 5.6級地震和張北 1999年 5.6級地震的前兆圖像,以及伽師序列、千島群島地區和秘魯地震震源機制一致性參數震前低值的結論,本文認為,內蒙古中西部臨河-烏海一帶震源機制一致性參數出現低值,對地震預測預報具有一定的指示意義。

圖 6 震源機制一致性參數空間分布Fig.6 Space distribution of consistency parameters of focal mechanism

7 P軸轉向與仰角分析

孫加林[19]研究了華北、東北地區幾次強震或中強地震,特別是對 1976年 4月 6日內蒙古和林格爾6.3級、1979年 8月 25日內蒙古五原 6.0級地震前中小地震震源機制的研究表明,強震前某些中小地震的主壓應力軸方向出現明顯的近 90°的轉向,有的仰角亦明明顯增大,由此認為 P軸轉向 (所謂 P軸轉向,是強震孕育到一定時期,在震源區或其附近發生的中小地震才具有的特征;所謂“轉向”,是相對區域應力場而言,相對未來強震而言)有可能是“前兆地震”的判據之一。本文依據孫加林[19]的研究成果,以 1976年 4月 6日內蒙古和林格爾 6.3級、1979年8月 25日內蒙古五原 6.0級地震作為背景場,對研究區內發生的 2001年 6月 5日杭錦旗4.6及 2003年 6月 10日托克托 4.2級地震震源機制進行了對比分析,判定其是否為“前兆地震”。

表 2 兩組 4級以上的地震震源機制解參數對比Tab.2 Comparison between focalmechan is m parameters of two groupsMs≥4 earthquakes

從表 2可以看出,2003年 6月 10日托克托 4.2級地震相對于 1976年 4月 6日和林格爾 6.3級地震背景場來講,主壓應力軸方向未出現 90°轉向,仰角未增大。2001年 6月 5日杭錦旗 4.6級地震相對于 1979年 8月 25日五原 6.0級地震背景場來說,雖然仰角增大,但主壓應力軸方向未出現 90°轉向。分析認為,2001年 6月 5日杭錦旗 4.6級和2003年 6月 10日托克托 4.2級地震均不是“前兆地震”。

8 結論

1)通過對內蒙古中西部地區震源機制各參數的空間分布研究,表明存在NWW-SEE向或NE-S W兩個優勢方向的節面,受近NEE-SS W方位的壓應力和NNW-SSE方位的張應力作用,NWW-SEE向的節面產生右旋走向滑動,NNW-SSE向的節面產生左旋走向滑動。

2)通過系統聚類方法分析,內蒙古中西部中小地震以直立節面、走滑型震源機制解為主類,構成內蒙古中西部震源機制的主體,而且與前人資料推斷的華北構造應力場的方向一致。

3)通過對 2001年 6月 5日杭錦旗 4.6級、2003年 6月 10日托克托 4.2級兩次地震震源機制解與背景場的對比分析,認為 2001—2008年間發生在內蒙古中西部這兩次 4級以上地震均不是“前兆地震”。

4)從震源機制一致性參數結果可看出,臨河-烏海一帶的低值區對地震預測預報工作具有一定的指示意義。

1 李欽祖,王澤皋,賈云年.由單臺小地震資料所得兩個區域的應力場[J].地球物理學報,1973,16(1)：49-61.

2 許忠淮,劉玉芬,張郢珍.京、津、唐、張地區地震應力場的方向特征[J].地震學報,1979,1(2)：121-132.

3 刁桂苓,于新昌.唐山地震前后京、津、唐、張地區的綜合斷層面解[J].西北地震學報,1980,2(3)：39-47.

4 陳颙.用震源機制一致性作為描述地震活動性的新參數[J].地球物理學報,1978,19(2)：142-159.

5 刁桂苓,于新昌.海坨山地震前綜合斷層面解矛盾比的變化[J].地震,1982,(5)：16-17.

6 刁桂苓,等.大同晚期強余震前震源機制解的一致性特征[J].內陸地震,2004,18(3)：202-206.

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9 王俊國,刁桂苓.千島島弧大震前哈佛大學矩心矩張量(CMT)解一致性的預測意義 [J].地震學報,2005,27 (2)：178-183.

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12 高立新,鄭斯華,丁風和.內蒙古中西部地區震源參數和場地響應反演[J].西北地震學報,2005,27(2)：109-114.

13 高立新,鄭斯華.內蒙古中西部地區中小地震震源參數反演和相互關系探討[J].地震研究,2004,27(4)：296 -300.

14 梁尚鴻,等.利用區域地震臺網 P,S振幅比資料測定小震震源參數[J].地球物理學報,1984,27(3)：247-257.

15 林紀曾,等.粵東閩南沿海小震震源參數的測定研究[J].地震學報,1991,13(4)：420-429.

16 胡新亮,等.利用數字地震記錄的 P,S振幅比數據測定小震震源機制解的可靠性分析 [J].地震地質,2004,2 (26)：347-354.

17 李欽祖,等.華北地區的震源機制與地殼應力場[J].地震學報.1982,4(1)：55-61.

18 許忠淮,等.由多個小地震推斷的華北地區構造應力場的方向[J].地震學報,1983,5(3)：268-279.

19 孫加林,李煒,閻海濱.P軸轉向是“前兆地震”的一個可能判據[J].地震科學研究,1983(1)：1-13.

FOCAL M ECHANISM ANALYSIS OF SMALL EARTHQUAKE IN CENTRAL AND W ESTERN INNERMONGOL IA

Liu Fang1),Wang Xiaoshan2)and Yang Yaqiong2)

Using the method of the maximum amplitude ratio between P and S to inverse the focalmechanisms of s mall and medium earthquakes,and by using the digitalwavefor m data of the s mall and medium earthquake occurred in the central and western InnerMongolia from 2001 to 2008,130 focalmechanis mswere obtained.The results show that there are t wo groups of nodal plane in NWW-SEE and NE-S W.From the effect of the compressive stress in NEE-S WW direction and the tensile stress inNNW-SSE direction,theNWW-SEE break side results in the right sliding,theNNW-SSE one in the left sliding.Systemic clustering analysis shows that small andmedium earthquakes in the central and western InnerMongolia were mostlywith the section of vertical surface and strike-slip focalmechanis m solution.By contrasting the focal mechanis m of Hangjinqi and TuoketuoMs4 earthquakes with the background field,it is found that both of them are not precursor earthquakes.Through the analysis of consistency focalmechanism of parameters,there is a low value area of focalmechanis m parameters in the central and western InnerMongolia,itmay have a certain significance to earthquake prediction.

central and western Inner Mongolia;amplitude ratio;focal mechanism;wavefor m data;earthquake prediction

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0007-05

2009-12-25

國家“十一五”科技支撐計劃重點項目(2006BAC01B02-01-01)

劉芳,女,1963年生,高級工程師,主要從事地震監測、數字地震資料應用及地震編目.E-mail：lfnm88@163.com

P315.63

A

(1)Earthquake Adm inistration of InnerM ongolia Autonom ous Region,Hohhot 010010 2)Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021)