濮陽小震集中區地震重定位及發震構造分析

邱 勇,曹云濤,劉巧霞,段永紅,徐志萍,賈宇鵬,張 丹

(1.中國地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450002;2.河南省濮陽市地震局,河南 濮陽 457000)

0 引言

冀魯豫交界地區是華北地區中強地震活動較為集中的區域之一,歷史上曾發生過1830年河北磁縣7.5級地震,1937年山東菏澤7.0級等多次7級以上強震。其中,在河南濮陽、山東鄄城交界區,自1997年以來,中小地震活動頻繁,形成了“濮陽小震集中區”。在濮陽小震區活動范圍內,歷史上曾發生1502年濮城6.5 級地震,震中烈度達Ⅷ度,給濮陽市造成了嚴重的破壞[1]。自2000年以來,濮陽小震集中區(圖1)發生過8次以上ML≥4中等強度地震,曾經歷了兩次小震活動的增強過程,且目前小震活動仍比較活躍[2]。圖1給出了濮陽及鄰區2000年以來ML≥2.0現代地震及有文獻記載的ML≥5.0的歷史地震分布。由圖1可看出,小震活動主要集中分布在以河南濮陽市范縣濮城鎮為中心,半徑約為25 km的區域范圍內。但受定位資料限制,重新定位前的地震在震中分布特征上成“團簇”狀,在沿斷裂帶走向和垂直于斷裂帶走向上地震分布尺度范圍是可比的,而未呈現出沿某個斷裂比如聊—蘭斷裂帶的線性分布特征(圖2)。該震群跨越聊城—蘭考斷裂(以下簡稱聊—蘭斷裂)、長垣斷裂帶以及東濮凹陷內規模最大的Ⅱ級斷裂——黃河斷裂分布。地震分布和斷裂帶展布形態上這種非規律性對應關系將嚴重限制對該部分地震發震斷層的科學判定。

藍色方框為濮陽震區范圍;a.1502年濮城6.5級地震;b.1937年菏澤7.0級地震.F1:安陽南斷裂;F2:長垣斷裂;F3:黃河斷裂;F4:聊城—蘭考斷裂;F5:固城—梁莊斷裂;F6:邢臺—邯鄲斷裂;F7:滄東斷裂;F8:高唐口—堂邑斷裂;F9:磁縣—大名斷裂;F10:湯西斷裂;F11:湯東斷裂;F12:鄆城斷裂;F13:菏澤斷裂;F14:新鄉—商丘斷裂.(注:下文中所出現中斷裂編號均統一采用此圖中給出的編號)圖1 研究區域內主要斷裂分布、歷史地震分布、2000年以來ML≥2.0現代地震分布及周邊臺站分布Fig.1 Distribution of main faults,historical earthquakes,surrounding stations,and modern earthquakes with ML≥2.0 since 2000 in the study area

圖2 待定位地震事件及主要斷裂分布圖Fig.2 Distribution of main faults and the earthquakes to be relocated

小地震精確定位是獲得研究區地震空間分布特征與震源區深部發震構造特征的有效途徑[3-6],其研究成果可以為目標區活動斷層探測提供可靠的地震學依據。但受觀測數據質量限制,常規地震觀測報告給出的震源位置尤其是震源深度的準確度和精度不夠,從而影響發震構造的準確判定。2008年之后,隨著大量數字化臺網的建設和觀測技術的提高,地震定位的精準性可得到有效提高。同時將地震精定位結果與基于深地震反射折射技術獲得的地下斷裂構造的空間展布形態相結合,將會有效提高發震斷層判定的準確度和可靠性。

綜合數字臺網之后近十年的地震震相觀測報告數據及3級以上地震事件的原始波形數據,首先利用Hypo2000地震定位法對研究區內一級以上287次地震事件進行絕對定位,獲得較為準確的絕對震源位置參數。同時,對濮陽城鎮附近的小震叢,我們將Hypo2000地震定位法獲得的絕對震源位置參數作為初始位置,利用雙差地震定位法HypoDD對該震叢進行了相對定位,獲得更為準確的相對位置。在此基礎上,結合深反射斷裂解釋結果,對濮陽小震區的發震構造進行了重新判斷,從而對該震群的成因判斷提供了地震學依據。

1 方法與數據

1.1 地震精定位方法

上個世紀初德國地球物理學家Geiger提出一種單地震事件絕對定位方法[7]。其原理是將含震源時空參數分非線性方程做一階泰勒展開,將非線性走時方程線性化,并通過最小二乘法求解參數方程來獲取震源參數。而HYPOINVERSE算法是在Geiger基礎之上發展起來的一種單事件絕對定位方法。1981年Klein對線性定位算法做了一些修改,使它適應于135 km之內的進場定位問題,其基本原理是首先計算近場特定模型下的走時表,通過走時反演確定地震的震中位置和深度[8]。Hypo2000定位法最大的優點是可以根據研究區特定的地質和地球物理結構,分區分層設計定位所用的速度模型,因而可針對地下結構較為復雜的情況,在待定位事件震中附近區域設置多達十層的梯度層結構的模型,可有效減小定位速度結構所引起的定位誤差,尤其適用于近場地震定位。

雙差地震定位算法由Waldhauser 和Ellsworth(2000)[9]提出,它是一種比絕對定位方法精度高的相對定位方法,它適用于比主事件法空間跨度大的地震事件群體。在該方法中,使用兩個地震的走時差的觀測值與理論計算值的殘差(“雙差”)確定其相對位置。雙差定位方法可以對較大空間范圍內發生的地震同時進行重新定位,它不需要設地震主事件,所有地震事件是相對于地震事件叢集的質心位置來定位,不依賴于地震事件的初始位置,避免了主事件定位方法的限制條件。

1.2 定位數據資料和速度模型

本文定位所使用的數據取自中國地震臺網中心提供的濮陽震區(35.05°～36.45°N,東經114.1°～115.85°E),2008年10月—2018年6月近十年的地震震相觀測報告以及3級以上地震的事件波形數據[10]。根據中國地震臺網中心提供的地震目錄統計,在此期間研究區內共發生1.0級以上地震287次,4.0～4.9級地震3次,3.0～3.9級地震16次,震級最大的事件為2015年1月18日11:01:23.9發生的ML4.2級地震。定位使用的地震臺站共36個。圖2給出的是待定位的地震事件分布和主要斷裂帶。

為了保證待定位地震事件到時數據的可靠性,在定位前對于每一個地震均用和達曲線法對定位所用震相Pg和Sg到時逐事件進行核查,剔除個別讀取有誤或誤差較大的地震臺站,圖3給出的是2015年1月18日11時01分23秒發生在濮陽市范縣ML4.2地震Pg、Sg震相到時的和達曲線。另外,為了校驗震相報告到時讀取的可靠性,我們同樣選取了2015年1月18日范縣ML4.2地震,從數據備份中心下載到其波形數據,采用SAC2000地震波形分析軟件,人工拾取該地震事件的直達波Pg和Sg的震相到時(如圖4),并與震相觀測報告中所給到時進行比較,其差異為0.042 2～0.473 7 s。經過震相到時核查、不同臺站震相到時一致性檢驗以及觀測臺網對定位地震方位覆蓋分析等步驟,本研究最終挑出選震相到時數據可靠、臺站記錄數大于等于4且臺站與地震事件有較好覆蓋關系的ML1.0以上地震事件243個,用于精定位研究。

圖3 和達曲線檢測各個觀測臺站震相拾取到時差示例圖(2015-01-08河南省濮陽市范縣4.2級地震)Fig.3 Arrival time difference of seismic phase picking by each station using Wadachi method (2015-01-08 Fanxian earthquake of MS4.2 in Puyang City,Henan Province)

圖4 2015年1月18日11時01分23秒發生在河南省濮陽市范縣4.2級地震Pg和Sg拾取圖Fig.4 Pick-up pf Pg and Sg phases for the Fanxian MS4.2 earthquake occurred at 11:01:23,January 18,2015

在地震定位中,除了震相識別和震相到時的讀取精度以及臺網的布局外,地震震源區的地殼速度模型也是影響定位精度的關鍵因素,因此地殼速度模型的選取至關重要。本文研究參考中國地震局地球物理勘探中心于1991年布設在菏澤到長治的主動源寬角反射/折射探測剖面探測結果[11]給出了定位所用的地殼速度模型(表1,表2)。

2 定位結果分析

2.1 Hypo2000絕對定位結果

依據表1和表2給定的地殼速度模型,對于整個研究區的地震采用Hypo2000地震定位方法,對挑選出的243個地震事件進行重新定位。重定位后,震源位置的水平和垂直平均誤差分別為0.785 km和 3.412 km,平均走時殘差為0.411 s。圖5～7分別給出了Hypo2000重新定位前后的余震震中分布以及平行和垂直聊—蘭斷裂走向的剖面A-A’和B-B’震源深度分布特征。

表1 定位用水平層狀地殼速度模型Table 1 Velocity model used in relocation

表2 定位用水平層狀地殼速度模型(35.8°～36.45°N,114.1°～114.5°E)Table 2 Velocity model used in relocation (35.8°-36.45°N,114.1°-114.5°E)

左右兩幅子圖分別為重新定位前后地震震中分布圖.A-A’,B-B’分別為近似垂直聊—蘭斷裂帶,沿聊—蘭斷裂帶走向;C-C'為菏澤—長治主動源折射/反射剖面探測位置[11].圖中綠色小方塊表示的上述四個剖面與各斷裂帶的交點位置,旁邊諸如A1形式的標注表示的是各剖面與斷裂的交點編號,編號命名規則為:以A1為例,A表示剖面名稱,1表示斷裂編號,A1表示的為剖面A-A’與斷裂帶F1的交點圖5 研究區小震震中分布及震源深度剖面位置圖Fig.5 Epicenter distribution and focal depth profile location of small earthquakes in the study area

[(a)和(b)中的地震事件是一一對應。A4為剖面A-A’與聊蘭斷裂的交點;A2為剖面A-A’與長垣斷裂的交點.注:深度剖面投影時,均采用剖面±10 km范圍內的地震]圖6 垂直斷裂走向的剖面A-A’震源深度Fig.6 Focal depth profile A-A' perpendicular to fault strike

B3和B4分別表示黃河斷裂帶和聊—蘭斷裂在深度剖面B-B’上的位置圖7 小震集中區沿斷裂走向剖面B-B’的震源深度剖面Fig.7 Focal depth profile B-B’ along the fault strike in small earthquake concentrating area

2.2 濮城小震集中區雙差定位及結果

由圖5可知,在濮城鎮附近約20 km范圍內形成了一個小震震叢。為進一步確定該震叢內地震事件的相對位置關系,我們將2.1中hypo2000絕對定位給出的震源參數位置作為初始位置,利用相對定位法HypoDD對圖5中藍框范圍(114.9°～115.55°E,35.5°～35.95°N)內2008年12月—2018年6月共計153個地震進行雙差定位。經過雙差定位后,最終得到了140次地震的定位結果,占參與定位地震總數的92%。重新定位后走時殘差約為0.19 s,東西向平均誤差0.2 km,南北向平均誤差0.3 km,深度方向平均誤差0.5 km。定位前后余震震中分布對比以及垂直于斷裂帶走向的震源深度剖面圖分別如圖6和圖7所示。

2.3 重新定位后地震空間分布特征

通過利用Hypo2000定位法獲得的定位前后震中分布圖(圖5)可見,在整個研究區范圍內,地震主要集中分布在三個區域,最大的一個地震震叢分布在濮城鎮周邊,地震叢分布范圍大約為20 km。重新定位后,該震叢震中位置分布更加集中。其次,在菏澤斷裂附近亦分布有少部分地震,但震中并未沿菏澤斷裂分布,而是分布在菏澤斷裂和聊—蘭斷裂交匯的三角區域內。第三個震叢分布在工作區的西北角即安陽市西北區域,震中主要沿NWW走向的磁縣—大名斷裂帶分布,分布尺度范圍約30 km。

對于近似垂直于蘭—聊斷裂帶走向的剖面A-A’,Hypo2000絕對定位前后(圖6)的震源深度分布特征則呈現出明顯的差異。對于濮城鎮小震震叢,定位前深度分布范圍為5～15 km,且橫向上分布較為分散,在剖面上的分布范圍為60 km,而在深度方向并未出現從淺至深的條帶性分布特征,出現這種狀況的原因有可能是在地震臺網進行定位時,由于受臺站分布客觀限制,臺站方位覆蓋不全且缺乏近臺約束而導致反演無法計算出深度參數時,此時定位分析系統會根據當地的走時表給出一個經驗深度(10 km)。重新定位后的震源深度分布范圍為2～25 km且地震在深度方向上呈非常明顯的條帶性分布,該條帶性分布有效地刻畫出發震斷層傾向北西,上陡下緩的幾何形態。另外,在A-A’剖面的西北端即邢臺-邯鄲斷裂與磁縣—大名斷裂交匯區附近存在另外一個震叢,該震叢在震中分布圖上(圖5)沿著磁縣—大名斷裂分布。重新定位后的地震在深度方向上并未表現出明顯的從淺至深的線性分布特征。對于近似平行于地震叢分布方向的深度剖面B-B’(圖7),絕對定位前后地震分布特征差異明顯,與A-A’剖面類似,定位前震源深度橫向分布范圍大,橫向條帶明顯,不能刻畫斷裂帶從淺至深的展布形態,而重新定位后,地震在聊—蘭斷裂帶下方呈現出從淺至深的條帶性分布特征。

另外,濮城鎮小震叢相對定位前后(圖8)可知,進行相對定位后,該震叢明顯分成兩個地震群,絕大多數地震是沿著聊城—蘭考斷裂分布,且地震叢在東-西向亦有10 km范圍的分布,而并非完全成線型分布;另外有少部分地震遠離聊—蘭斷裂帶,沿著黃河斷裂東側分布。在垂直于斷裂帶走向的剖面A-A’(圖9),不僅表現出類似于絕對定位后深度方向條帶型分布特征,同時也表現出更為精細的分布特征,即顯示出兩個分開的地震叢,絕大多數地震分布在聊—蘭斷裂帶下方,亦有一小部分地震則偏離聊—蘭斷裂,朝剖面西北發展,沿著黃河斷裂分布。

A-A’為近似垂于聊城—蘭考斷裂的深度剖面位置圖8 濮城小震集中區雙差定位前后震中分布圖Fig.8 Epicenter distribution before and after double difference location in small earthquake concentrating area of Puyang

2.4 濮城地區地震發震構造及成因分析

根據上述地震分布特征可知,濮城震小震震中主要沿著聊城—蘭考斷裂帶呈北西—南東向集中分布,在震源深度剖面上集中分布在聊城—蘭考斷裂下方且從淺至深呈明顯線性趨勢特征分布。因此本文將結合聊城—蘭考斷裂帶地質特征、地質空間分布特征以及該地區淺層地震勘探和深反射探測結果對濮城震小震集中區的發震構造進行了如下分析和推斷。

研究區內地震活動性最強的斷裂為聊城—蘭考斷裂。該斷裂是華北盆地與魯西隆起的分界斷裂,南起蘭考,向北經范縣、聊城至韓屯轉向北東,全長約360 km。斷裂走向20～30°,傾向北西西,斷面上部視傾角約70°～80°,下部分約為50°,為一上陡下緩的鏟形滑脫正斷層[12]。該斷裂具有明顯的分段特征,由北向南劃分成三段:禹城—韓屯段(北段)、聊城—范縣(中段)和濮城—蘭考段(南段)。北段、中段斷裂結構上較為簡單,為直線延伸的單一斷裂。第四紀以來,斷活動強度明顯減弱,晚更新世以來在局部地段有較弱活動,全新世以來不活動。濮城—蘭考段(南段)活動時代最新,根據向宏發等人(2000)研究,斷裂向上斷錯了晚更世地層,并控制影響到全新世地層的分布,為晚更新世—全新世早期活動斷裂。據中原油田、中國地震局地球物理勘探中心對該斷裂的地震勘探結果表明,聊城—蘭考斷裂的全新世活動段位于濮城—蘭考段。1937年斷裂附近還發生過菏澤7級地震,是一條晚更新世至全新世早期活動的斷層[13]。本文研究范圍內的小震主要集中分布在濮城—蘭考段以濮城為中心,北東—南西方向13 km范圍內。

A4該剖面與聊—蘭斷裂的交點.F4-1、F4-2、F4-3分別為聊—蘭斷裂帶自西向東不同的分支斷裂.地震投影范圍為剖面兩側各5 km圖9 濮城小震集中區雙差定位前后A-A’剖面震源深度剖面圖Fig.9 Focal depth section for profile A-A’ before and after double difference location

根據本文給出的絕對定位結果(圖5～7),在震源深度剖面上地震集中分布在蘭—聊斷裂下方。根據地震在深度剖面上分布的線性趨勢可看出,蘭—聊斷層傾斜北西、上陡下緩的幾何展布形態(圖6紅色虛線所示)。本文給出的雙差定位后的地震亦明顯地分成了兩部分,絕大部分地震是沿著聊—蘭斷裂分布,另外少數地震分布于黃河斷裂帶東側。沿聊—蘭斷裂分布的這部分地震由沿著三個分支斷裂F4-1、F4-2和F4-3分布,且沿著F4-1分布的這部分地震,震源深度相對較淺,而沿著F4-3分布的這部分地震震源深度相對較深,這一特征與淺層地震勘探得到的蘭—聊斷裂在斷層埋深上呈現出西淺東深的特征是一致的[14]。另外,根據深地震反射剖面的解釋結果,聊—蘭斷裂在淺部(約10 km之上)由兩條分支斷裂斷裂FP4-1、FP4-2組成,這兩個斷裂深度為約10 km的地方匯合,呈“Y字型”向深部延伸,終止于約17 km處。本文根據重新定位后地震震源深度分布線性趨勢特征,對發震斷層的幾何形態做了相應推斷,如圖9中紅色虛線所示。本文所推斷出的斷層基本幾何形態上和深反射剖面解釋結果是基本一致的。但是,根據重新定位后的地震分布線性特征所推斷的斷裂帶在分支數量、斷層埋深、斷層傾角等細節上和深反射結果存在一定的差異(圖9)。此處根據余震震中和震源深度剖面分布特征以及與深地震反射剖面對比結果,推斷目標區即濮城鎮周邊20 km范圍的小震的發震構造主要以蘭—聊斷裂為主,并且發震構造又可細分為三個分支斷裂。西部由很少一部分地震構成的地震分支的發震斷層可能與黃河斷裂有關。而菏澤附近的小地震叢發震斷層為東西走向的菏澤斷裂帶,工作區西北角北西西走向的磁縣—大名斷裂帶則控制了沿著該斷裂帶分布的這部分地震的發生。此外,我們將小震重定位后的結果沿菏澤—長治人工地震剖面C-C’剖面進行投影(圖11),投影后可以看到地震主要發生在東明凹陷靠近魯西隆起的邊界處的一個低速區域,并且斷裂向下延伸到中上地殼,可能錯斷中上地殼,并且圖上顯示聊—蘭斷裂為東濮凹陷與魯西隆起邊界,東西兩側差異巨大是該地區成為地震孕育的有利場所。

圖10 沿菏澤—長治人工剖面的震源深度分布特征與速度結構Fig.10 Distribution characteristics and velocity structure of focal depth along Heze-Changzhi artificial profile

此外,濮城鎮小震集中區亦為油田分布區域,已有研究結果表明,濮城油田及其附近區域地震活動與油田開采注水活動密切相關[15-16],注水活動會引起該地區已有斷層面上的應力及空隙壓力變化,進而引起斷層錯動,誘發地震[15]。本文基于小震重定位結果的發震構造分析,結合前人已開展的研究工作給出的小震活動與油田開采中的注水活動,認為濮城地區較大震級地震主要受聊—蘭斷裂帶控制,同時亦受油田開采活動密集相關。

3 結論

利用固定臺網2008年10月—2018年6月的震相報告及3級以上地震波形記錄,采用菏澤—長治人工地震剖面地殼速度模型,對2008年10月—2018年6月期間,發生在研究區范圍內的(35.05°～36.45° N,114.10°～115.85° E)震級(0～5級)范圍內的243個地震進行絕對定位。同時針對研究區內濮城鎮小震叢,以絕對定位結果作為初始約束,進行相對定位,并結合穿過研究區范圍的深地震反射剖面探測結果對研究區地震的發震構造進行分析,得出以下主要結論:

(1) 研究區內243次1級以上地震事件Hypo2000重定位后,震源位置的水平和垂直方向平均誤差分別為0.784 km和3.412 km,平均走時殘差為 0.411 s。震源深度分布范圍約為2～25 km,平均震源深度為11.8 km。對濮城鎮附近的153個地震進行雙差相對定位后,東西向平均誤差0.2 km,南北向平均誤差0.3 km,深度方向平均誤差0.5 km,重新定位后走時殘差約為0.19 s。

(2) 在研究區范圍內,地震主要分布在三個區域,最大的一個地震震叢分布在濮城鎮周邊為20 km區域范圍內;另外兩個地震叢分布在菏澤斷裂北部和安陽西北部的磁縣—大名斷裂帶分布。重新定位后,地震震中和震源深度分布的條帶性更加明顯,尤其是地震在深度方向呈現出自上而下的線性分布趨勢,有效地刻畫出了斷層展布的幾何形態。

(3) 重定位后濮城鎮小震震叢在震中分布上明顯呈兩個大的分支,主支地震群沿聊—蘭斷裂分布,分支地震則沿黃河斷裂東側分布;震源深度分布不僅表現出上述兩個分支特征,同時還顯示出沿蘭-聊斷裂分布的主支由可分為3個子地震分支,東支地震的震源深度明顯要淺于西邊兩支,并且在地下13 km處匯聚且向下延伸至20 km處。上述地震空間分布特征與深地震反射剖面上顯示出斷裂帶展布形態以及淺層地震勘探測定的斷點深度一致性較好。結合深地震反射剖面解釋結果及淺層地震勘探結果,推斷濮城鎮小震震叢的發震構造主要以蘭—聊斷裂為主,西部少數地震分支的發震斷層應該是黃河斷裂帶,同時小震活動與油田開采注水活動密切相關。

致謝:本文所用圖件由GMT(GMT;http://gmt.soest.hawaii.edu/)繪制。中國地震局地球物理研究所“國家數字測震臺網數據備份中心”為本研究提供地震波形數據。中國地震局數字臺網中心,河南省地震局,山東省地震局在數據資料給予了大力支持,在此表示感謝。