河北贊皇小震群震源斷層分析

李冬圣 蔡玲玲 李小軍 常 亮楊 銳 李雪英 賈 炯

（中國石家莊 050021河北省地震局）

河北贊皇小震群震源斷層分析

李冬圣 蔡玲玲 李小軍 常 亮楊 銳 李雪英 賈 炯

（中國石家莊 050021河北省地震局）

基于河北數字地震臺網和流動臺站的觀測數據，利用HYPODD方法對2013年5月20日河北贊皇小震群進行重新定位，定位結果顯示，地震呈NE向展布，震群震源深度集中在4—8km，采用模擬退火算法和高斯—牛頓算法相結合的有效算法進行斷層參數反演計算，計算結果與震源機制解斷層面結果一致性較好，均為右旋走滑類型。

贊皇震群；重新定位；震源機制；斷層面解

0 引言

根據河北省遙測地震臺網監測，2013年5月20日河北贊皇發生小震群活動，持續至7月3日，共記錄地震事件220次，其中單臺記錄地震49次，最大震級ML3.2，ML2.0以上地震9次。歷史地震資料表明，贊皇縣從未發生類似震群活動及中強以上地震。 近年來，隨著“首都圈示范工程項目”和“‘十五’網絡化”項目的建設，河北省地震監測能力不斷提高，記錄到大量小震，且越來越精確的震相拾取使得小震定位精度越來越高。基于小震空間分布對地質構造及地球物理相關問題的研究引起越來越多地球科學家關注（楊智嫻等，2003；朱艾斕等，2005），萬永革等（2008）首先提出利用小震分布和區域應力場確定大震斷層面參數的方法，用于分析唐山地震序列，該方法不僅能在全局搜索最優解，而且可以估計參數誤差，在求得大震斷層面后還可以根據區域構造應力場參數估計斷層面滑動角。曾憲偉等（2013）利用該方法研究臨潭—宕昌斷層面參數，李守勇等（2011）用以確定磁縣1830年7.5級強震斷層面參數。本文試圖通過對贊皇震群的重新定位、斷層面擬合和震源機制解的分析，研究2013年贊皇震群的構造背景。

1 研究方法

1.1 雙差定位方法

雙差定位法（HYPODD）在相對定位方法中應用較廣，通過對一定空間范圍內地震事件兩兩組對，根據組對事件之間震相到時差得到事件對的相對空間分布，在一定程度上消除了地殼速度結構橫向不均勻帶來的定位誤差，進而在計算中消除路徑異常（Waldhauser，Ellsworth，2000；楊智嫻等，2003）。雙差法基本方程為

其中，Δtik和Δtjk分別對應地震i 和j 到臺站k 的到時（走時）殘差，Xi和Xj是兩個震源位置矢量，Sk是兩個震源連線中點到臺站k地震射線的慢度矢量，εik和εjk為地震在臺站的到時拾取誤差。

1.2 斷層面擬合方法

采用模擬退火全局搜索和高斯牛頓局部搜索相結合方法（萬永革等，2008），利用贊皇震群重新定位結果，求解斷層面走向、傾角、位置及誤差估計，應用華北地殼應力場參數，計算斷層面滑動角大小。

1.3 振幅比計算震源機制解

梁尚鴻等（1984）提出一種測定小震震源參數的方法，利用區域地震臺網垂直向位移記錄中Pg波和Sg波最大振幅比值，由計算層狀介質中點源位錯的Pg、Sg綜合地震圖測定小震震源參數。利用P波和SV波或SH的振幅比，是利用其輻射花樣比值求解震源機制參數。振幅比的輻射花樣隨空間方位的變化比單種波的輻射花樣強烈，力偶平面內振幅比的輻射花樣呈8瓣分布。由此，只要有正確的直達波觀測振幅比，且觀測值歸算到震源球面位置正確，振幅比觀測對震源機制參數有較強的約束能力。

使用區域地震臺網垂直向地震AP和AS振幅資料計算震源機制軟件，配置臺站位置文件WDSTA、速度結構文件WDHV；讀取事件波形初動和振幅值寫入WDF文件，進行正演和反演計算，根據正演和反演輸出的結果文件，采用GMT繪圖選擇最佳解。

2 資料處理與分析

2.1 河北省遙測地震臺網觀測資料分析

2013年5月20日河北省遙測地震臺網監測到贊皇地區發生小震群事件，當日記錄地震事件11次，5月24至26日平均每天監測小震達20次以上，截至7月3日共記錄地震220次，單日記錄事件最多達24次，最大震級為6月3日ML3.2（圖1）。參與贊皇地震定位臺站主要有河北贊皇臺（HEZAH）、河北元氏臺（HEYUS）、河北臨城臺（HELIC），外圍地震臺山西昔陽臺（SXXIY）。為了進一步跟蹤震情，河北省地震監測網絡中心在贊皇縣以西架設兩套流動臺（L1301，L1303）。由此，地震監測臺站均勻分布在贊皇四周，形成較好的地震監測條件，ML0地震至少可被3—4個臺站記錄。

以河北省遙測臺網產出地震目錄繪圖顯示，贊皇地震呈EW向分布，大部分地震分布在贊皇臺以西，只有零星幾個地震分布在贊皇臺以東位置，見圖2（a）。觀測報告顯示，贊皇臺以東地震震級偏小，且發震時間在架設流動臺站前，參與定位臺站少、張角大，尤其使用hypo 2000和單純形法分別進行定位，定位結果不穩定。

圖2 精定位前后震中分布（a）精定位前震中分布；（b）精定位后震中分布Fig.2 Earthquake distribution before and after the accurate location

2.2 贊皇震群重新定位

使用HYPODD方法（Waldhauser et al，2000）對贊皇震群進行重新定位。截至7月3日，贊皇震群共觀測到220次地震，剔除單臺記錄的49次事件，選取171次地震參與重新定位。震相數據包含8 085個P波到時、8 635個S波到時，重新定位前對震相數據進行檢查，修訂定位結果不穩定的地震參數，最終平均每次地震具有8個震相數據。

重新定位使用的分層速度模型參考邢臺震源區地殼上地幔速度結構（祝治平等，1995），模型分6層（表1），波速比設定為1.72。原始定位采用單純型法，無水平和垂直誤差，擬合殘差平均值0.15 s。精定位得到147個震源位置參數，均方根殘差平均值為0.05 s，震源位置南北向平均誤差0.10km，東西向平均誤差0.08km，深度誤差平均 0.15km。

表1 贊皇地區地殼速度模型Table 1 Velocity model of the crust in ZAH area

贊皇震群精定位前，地震分布呈EW向，且主要集中在兩個區域內，精定位后最大震級ML3.2的地震發生在震群中間部位，地震分布比較集中，呈NE向展布，震群震源深度平均為5.8km，依照圖2（b）對小震群序列按NW和NE方向進行剖面劃分，并將地震震源深度投影到AA′和BB′兩個剖面，見圖3，深度剖面顯示，震群在震源深度變化上具有一定規律。圖3（a）為地震條帶沿線AA′的震源擴展剖面，可見贊皇小震群總體震源深度較淺，集中分布在4—8km范圍內；地震條帶總長約4km，無明顯空間幾何特征。圖3（b）為地震條帶沿直線BB′的震源擴展剖面，震源深度沿BB′剖面總體傾角較陡，可見震源分布隨距斷裂遠近存在從淺到深的分布，勾畫震源深度剖面包絡線，可以得到傾角約70°的斷面。

圖3 重新定位后震中分布剖面（a）AA′ 剖面；（b）BB′ 剖面Fig.3 Earthquake epicenters after relocation and profle of focal depth

2.3 斷層面求解

采用贊皇震群重新定位數據反演斷層參數，結果顯示，斷層走向NE，傾向NE［圖4（a），圖4（b）］，傾角較大［圖4（c）］，小震距斷層面在0.5km以內精度較高［圖4（d）］，根據萬永革等（2007）提出的將模擬退火算法和高斯—牛頓算法相結合的有效算法，避免對初始解的依賴得到全局最優解，求得斷層走向、傾角、到坐標原點距離及斷層面4個頂點位置（表2），并給出相應標準差。由贊皇震群反演確定斷層近乎直立，北偏東41°［圖2（b）］。應用萬永革等（2007）提出的應力軸方位較傾角準確、R值相對難以確定的準則，假定P、T軸方位誤差5°，相對應力大小誤差0.1°，依據大華北構造應力場參數（Wan Y G，2010）和地震斷層面幾何參數及標準差，推算滑動角為-155.907 5°，認為斷層為右旋走滑斷層，標準差為6.617 4°。

圖4 贊皇地震斷層重新定位小震分布（a）水平面；（b）斷層面；（c）垂直于斷層面的橫斷面投影；（d）小震距斷層面距離的分布Fig.4 Distribution of precisely located small earthquakes near the ZAH fault

表2 運用贊皇震群精定位小震資料求得的地震斷層面走向、傾角和位置Table 2 Fault plane parameters determined precisely local earthquake for segments in ZAH earthquake

2.4 地震序列震源機制解

在獲得精確的震源位置后，采用精定位所用速度結構和垂直向直達P、S波最大振幅比及初動計算震源機制解的方法（梁尚鴻等，1984），對贊皇震群ML＞ 2.0地震進行震源機制解研究。為了保證單個震源機制解的穩定性，參與計算的臺站數目要求不少于6個，且在震中周圍均勻分布，震中距控制在120km之內，避免出現Pn和Pg混淆現象；2013年5月20日至7月3日發生ML＞ 2.0地震9次，使用位于震中四象限范圍內數字記錄垂直分量P波初動、P波和S波最大振幅比法，反演震源機制解。5月26日22點53分ML2.1地震由于雙震重疊無法識別P波初動，其余8個震源機制類型基本一致，均為右旋走滑（圖5）。

圖5 贊皇震群震源機制解Fig.5 Focal mechanism solutions of ZAH earthquake swarm

由圖5可見，參與計算震源機制的臺站空間分布較好，P波初動符號（向上或向下）呈很好的四象限分布，且觀測點沿地震射線在震源球下半球的投影點及初動符號對2個節面的空間位置限制嚴格。因此，認為該震源機制解比較可靠。根據余震分布［圖2（b）］確定NE向節面為斷層面，角度約40°。贊皇臺、臨城臺、昔陽臺和井陘臺及后架設的兩套流動臺站（L1301，L1303），均記錄到震群中ML＞ 1.0地震，且地震的P波初動符號高度一致，贊皇臺為“-”，臨城臺為“+”，L1301為“-”，L1301為“+”。

圖6是震源機制解參數統計，Strike為節面走向，主要集中于NE45°和NW45°；dip是節面傾角，集中在75°，和震源斷層擬合結果一致性較好；slip是節面滑動角，接近0°或180°，反映出震源斷層多為走滑類型，與斷層擬合結果的走滑性質基本一致。震源機制應力軸P、T軸傾角Pdip和Tdip均較小，接近水平方向，反映了斷層的在水平主壓應力作用下的走滑錯動狀況，Paz是最大壓應力主軸的方位，NEE方向優勢分布明顯，Taz是最小壓應力主軸的方位，NNW方向優勢分布明顯和華北地區區域應力場方向基本一致。

圖6 震源機制解參數統計Fig.6 Parameters of focal mechanism solutions

3 結論

（1）對贊皇震群進行重新定位，結果顯示：地震分布比較集中，且呈NE向展布，主要集中在寬4km、深4—8km的空間范圍內；采用模擬退火全局搜索和高斯—牛頓局部搜素相結合的方法，估算斷層面走向NE41.28°±2.80°、傾角76.97°±1.02°，基于華北地殼應力場參數，反演斷層面滑動角為-155.9075°±6.6174°。

（2）計算震群中8個ML2.0以上地震的震源機制解，斷層面優勢走向為NE45°和NW45°。傾角約75°，P、T軸接近水平方向，和華北區域應力場基本一致。

（3）小震精確定位結果模擬斷層面與震源機制解斷層面結果一致性較好，表明此次小震群活動在區域應力場作用下可能形成一系列性質接近的微小斷裂。

小震群活動往往發生在多震地區及有大斷層穿過的地震活動帶上，贊皇震群區屬于弱震區，周邊30km內歷史上未發生過5級以上地震（楊銳等，2014），小震活動弱，且震源區附近無較大斷層，在此背景下，2013年贊皇震群活動顯得更加突出，發生機理較為特殊。因附近無明顯斷裂穿過，而此次震群的最大震級僅為ML3.2，即使形成斷層，尺度也較小，如何研究和描述需開展進一步工作。小震斷層擬合與震源斷層面解相互印證的研究思路需要更多震例檢驗，在此希望對相關地震研究提供新思路和方法。

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Analysis of the focal tomography for Zanhuang small earthquake swarm in Hebei Province

Li Dongsheng，Cai Lingling，Li Xiaojun，Chang Liang，Yang Rui，Li Xueying and Jia Jiong
（Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

Based on the data from Hebei Digital Seismic Network stations and mobile stations，we relocated the earthquakes of Zanhuang small earthquake swarm which occurred on May 20th，2013 through HYPODD methods.The results show that the distribution of those earthquakes is along NE and the source depths are mainly between 4km to 8km.The result from the method combined simulated annealing algorithm and Gauss - Newton algorithm shows that the focal tomography is strike 41°，dip 77°，rake -156°.The focal mechanism for eight earthquakes with magnitude higher than ML2.0 in this earthquake swarm through inversion all show strike NE and NW tendency nodal plane which are consistent with the focal plane with dextral strike-slip fault type.

Zanhuang earthquake swarm，HYPODD relocation，focal mechanism，fault plane solution

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.004

李冬圣（1982—），女，工程師，主要從事地震監測及分析工作。E-mail：Lds981112@163.com

2014年測震臺網青年骨干項目（20140302）及河北省重點地區殼幔結構及地震監測預報關鍵技術研究（132754071）聯合資助

本文收到日期：2015-01-08