山西北部地區中小地震重定位結果分析

劉林飛，梁向軍，黃金剛，宋美琴

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030021)

地震定位是指根據地震臺站觀測的震相到時數據,確定地震的基本參數(發震時刻、震源位置和震級)，地震定位結果是開展地震活動性研究的重要基礎信息。隨著數字化觀測技術的不斷發展和地震臺網密度的提高，科學家在地球內部結構與地震震源的研究也不斷加深，對地震定位精度的要求也越來越高。常規的絕對地震定位方法由于受到一維速度結構的約束已經滿足不了研究學者的需求，各種定位誤差的存在直接影響到研究結果的可靠性(楊智嫻等，2003；李樂等，2007)。因此Waldhauser等人(2000)提出了一種比絕對定位方法精度高、適用于比主事件法跨度大的地震事件群體的相對定位方法——雙差定位法。該方法在我國絕大多數地區已經得到廣泛的應用(胡新亮等，2002；于湘偉等，2010；楊智嫻等，2003；朱艾斕等，2005，靳玉科等，2008；宋美琴等，2012；呂堅等，2007)，尤其是在一些強震序列(如汶川、九寨溝地震序列)的研究中，雙差定位的研究成果(黃媛等，2008；房立華等，2018)為研究該區域的發震構造提供了更加準確的參考依據。

山西北部地區是歷史上強震的多發區，有史料記載以來，該地區共計發生7級以上地震4次，最大為512年山西原平的7級地震，其余3次分別是1038年定襄7級地震、1626年山西靈丘7級和1683年山西原平7級地震；6級以上地震1次，即1989年大同陽高6.1級，5級以上地震3次，即1991年忻州5.1級、1991年大同陽高5.8級和1999年5.6級大同陽高地震。大同陽高震區到目前為止仍有小震持續發生，胡新亮等(2002)認為這些中小地震的活動屬于主震震源斷層及其兩側巖體的繼承性活動。近年來的研究成果顯示，可以由現今小地震的群體活動特征來描述歷史大地震震源斷層的規模、產狀和埋深(刁桂苓等，1999)；利用地震稀疏段尋找凹凸體三維位置和閉鎖段，并根據閉鎖體積估算未來地震強度(M7專項工作組，2012)。這些研究的前提都需要對中小地震的震源位置進行精確定位。因此，本研究將用雙差定位法(Waldhauser R，2000；楊智嫻等，2003；朱艾斕等，2005)對山西北部地區的中小地震進行重新定位，得到更加準確的震源參數，進一步探討山西北部地區地震活動空間分布特征及其與構造活動的關系。

1 資料選取及方法

1.1 資料的選取

收集整理山西省臺網中心2010年1月至2019年12月ML≥1.0地震的觀測報告，篩選出北緯38°～41°，東經110°～115°研究區內2649條波形記錄完整、定位殘差較小的地震。選用表1中的速度模型，先采用hypo2000定位程序(Klein F W，2014)對篩選出的中、小地震進行絕對定位，獲得初始定位結果，再利用雙差定位方法(Waldhauser R,2000)進行相對定位，計算出這些地震的準確震源位置。

表1 定位所用速度結構

1.2 速度模型的選取

目前臺網日常定位方法所用的速度模型是單一的一維速度模型；山西地區屬于盆山組合區域，中間為斷陷盆地，兩側為基巖隆起區，地殼結構存在橫向不均性，單一的一維速度模型極大地影響了地震的定位精度。為了獲得更加可靠的震源位置，通過綜合分析山西北部地區地殼速度結構的多個研究成果(魏文博等，2007；張學民等，2003、2004；于利民等，1995；徐揚等，1997)，并考慮到山西北部地區的中、小震多發生在盆地地區，最終選取了大同地區的山自皂臺的多層S波速度結構作為初始速度模型(張學民等，2003)。

2 地震定位結果分析

2.1 定位結果

為了使研究資料更加可靠，本研究對所選觀測報告的震相到時數據全部進行核對，將重新定位地震震相到時數據的平均誤差控制在0.1 s以內。在重新定位過程中，選取地震觀測臺站≥3個、觀測到時數≥4條、且震源間距≤10 km的地震進行兩兩組合，最終計算出2501個地震的重新定位結果，其余148次地震是由于在反演迭代過程中重新加權時與其它地震完全失去聯系被程序剔除掉了。重新定位結果顯示，震源位置定位誤差在EW向為0.491 km，NS向為0.469 km，UD向為0.807 km，定位均方差為0.242 s。

2.2 地震震中分布特征

從重新定位前、后的地震震中分布來看，重新定位前地震的震中空間分布比較離散(圖1a)，盆地和兩側隆起區均屬于中、小地震頻發區域；重新定位后的地震震中空間分布更加集中(圖1b)，地震震中主要分布在大同和忻定盆地，在兩側隆起區地震分布較少，且絕大多數中、小地震沿斷層走向成條帶狀分布，與斷層的展布方向有較好的一致性，可以清晰地展現出地震活動與活動斷層的關系。

圖1 定位前、后的震中分布圖中F1表示口泉斷裂，F2表示恒山北麓斷裂，F3表示系舟山山前斷裂

2.3 地震震源深度分布特征

圖2a、b為重新定位前、后地震震源深度分布的直方圖。重新定位前的震源深度值主要分布在0～25 km(圖2a)；0～5 km地震數目為489次； 6～10 km地震數目為1146次，占地震總數的43%；11～20 km地震數目為466次；其余深度范圍的地震事件數達400次，占地震總數的16%。重新定位后的地震震源深度值主要集中在1～25 km，0～5 km范圍內的地震數目由原來的489次減少到236次，6～10 km范圍內的地震數目由定位前的 1 146次變為778次，11～15 km范圍內的地震由原來的466次變增加到653次，地震優勢震源深度范圍為6～25 km，刻畫了斷層的深部展布情況。

圖2 重新定位前、后地震震源深度對比

3 強震區中、小地震空間分布

山西北部地區包括大同盆地和忻定盆地。大同盆地由馬營、懷仁、陽高、六棱和陽高五個凹陷組成，忻定盆地由代縣、原平和定襄三個凹陷組成。山西大同盆地位于山西北部地區，屬于比較年輕的斷陷盆地，盆地內沉積層厚度比山西中、南部地區的要薄，盆地內曾發生過靈丘1626年7級地震，火山活動在更新世紀也依舊存在(Xu X W，1993)，且在地震剖面上顯示出低速帶的特征(鄧起東等，1973)，這些均表明該盆地內現今地質構造活動仍舊比較活躍。大同盆地的周邊存在大同—天鎮斷裂、團堡斷裂和六棱山斷裂，20世紀發生在山西大同至陽高一帶的3次強震(1989年6.1級、1991年5.8級和1999年的5.6級地震)均位于這三條斷裂的交匯部位。忻定盆地北接大同盆地，南連太原盆地，盆地邊緣受活動正斷層控制，第四系構造活動具有不均一性、間歇性、突發性及周期性等特點。由于新構造運動的差異性，使忻定盆地分割成大小不同、活動差異的塊體，在塊體邊緣是新構造運動發育和活動的地段，也是地震活動的高發地段(李建榮，2013)。山西地震帶有史料記載以來發生的5次7級以上強震有3次發生在山西北部地區，分別為忻定盆地內的512年原平7級地震、1038年定襄7級地震和1683年原平7級地震(圖3)。且已有的研究結果表明，山西地區內幾乎所有的破壞性地震均發生于盆地尤其大型盆地內，而極少發生在斷陷帶的隆起區，這是由于斷陷帶內斷陷盆地新構造強烈動力所致(蘇宗正，1980)。選取512年、1038年、1683年和1626年4次大地震等震線所包圍的區域，截取沿等震線長軸和短軸的剖面，從深度剖面上了解其地震深部剖面特征。

圖3 忻定盆地歷史M≥7.0地震等震線圖及剖面位置圖

圖4 512年、1038年、1626年和1683年四次大地震的深度剖面

山西北部地區近期沒發生中強地震，僅2009年在原平發生過1次4.2級地震，估計與上述3次歷史地震強度大、分布密度高，介質破裂比較徹底，后期微破裂不發育所致(宋美琴等，2012)。忻定盆地至大同盆地南端的多參數組合結果也說明忻定盆地處于偏低應力背景下，以中小震活動為特征，近期復發強震的可能性不大(梁向軍等，2019)。

4 結論與認識

利用雙差定位方法對山西北部地區2010年1月至2019年12月的2649次地震進行重新定位，通過重新定位結果分析，得到以下結論：震源位置定位誤差EW向為0.491 km，NS向為0.469 km，UD向為0.807 km，定位均方差為0.242 s。重新定位后的地震震中分布相對定位前的更加集中，絕大多數地震成條帶狀分布，與斷層的空間展布有較高的一致性，能清晰地展現地震活動與活動斷層的關系。重新定位前，地震震源深度分布在0～40 km之間，重新定位后，地震震源優勢深度分布在6～25 km，可以看出山西北部地區的中、小地震主要發生在上地殼內；山西大同盆地中、小地震的活動性相對較高，應該引起重視。