河北易县ML3.8、3.3地震同震形变响应及其震源机制①

2011-01-27冯向东张素欣王晓山李均良

地震工程学报 2011年4期

马栋，冯向东，张素欣，王晓山，李均良，王想

（1.河北省地震局，河北石家庄 050021；2.河北省地震局易县地震台，河北易县 074211）

0 引言

2010年7月30日22时21分、22时42分，在河北省易县相继发生了ML3.8、3.3地震，震中分别为：115.35°E、39.42°N 和115.35°E，39.41°N（重新定位结果）。两次地震距易县地震台仅7km，易县台的形变测项有明显同震响应，周边的赤城台、怀来台、天津蓟县台也有不同程度的同震形变响应。连续两次3级地震对200km范围内的形变观测造成同震响应，这在中小地震的同震响应方面属于特殊地震事件。本文对同震形变响应的性质、幅度及其产生原因进行分析，研究形变测项的同震响应能力；结合地震波形资料，计算震源机制解，并通过震源球面投影、震中地震地质构造，分析有同震响应的台站、无同震响应的台站与断层错动的联系。

这两次3级以上地震虽然属于中小地震，但由于其发生的地理位置特殊，属于首都圈重点监视地区，震中周围易县伸缩仪、张家口伸缩仪、阳原水平摆倾斜仪等存在变化。因此充分分析这两次地震的震源机制、同震形变响应，对于判断该区震情的后续发展具有意义。

1 震中周围地震活动概况

易县地震发生在涞水断裂附近，震中50km范围历史上共记录5级以上地震3次，即1138年8月22日河北易县5.5级地震、1658年2月3日河北涞水6.0级地震和1923年9月14日河北新城5.5级地震，最近1次ML3.0以上地震是1993年1月6日河北涞源的ML3.1地震。1057－1970年震中100km范围内历史地震：5.0～5.9级地震10次，6.0～6.9级地震4次，7.0级地震1次；1970－2010年震中100km范围内地震情况：3.0～3.9级地震41次，4.0～4.9级地震5次，5.0～5.9级地震1次（图1）。2008年1月－2010年7月，易县台记录到易县地区0级以上地震共计11次，其中ML0～0.9地震4次，ML1.0～1.9地震4次，ML2.0～2.9地震1次，ML3.0～3.9地震2次。

图1 易县周边震中分布图（1057－2010）Fig.1 Distribution of earthquake epicenters in Yixian and around region（1057－2010）.

2 同震形变响应与地震波形资料对比分析

2.1 同震形变响应情况

震中附近电磁和流体的测项较少，只有部分形变测项对这两次地震有较好的同震响应（图2）。本文收集了河北省、天津市、北京市、山西省的定点形变资料，其中北京市的形变测项对易县地震无同震响应，主要原因是对于中小地震垂直摆倾斜仪的同震形变响应较为明显，而北京市的定点形变测项中垂直摆倾斜仪的测项较少；山西省的形变测项如代县、太原距震中200～300km，对易县地震均无同震形变响应，其中只有临汾台有垂直摆倾斜仪测项（距震中498km），由于距离较远，也未能记录到同震形变响应；天津市蓟县台距震中201km，蓟县垂直摆倾斜仪NS向对易县地震有同震响应。

河北省的同震形变响应测项共计12项，分别为易县四分量应变仪第2、3、4分量、易县垂直摆倾斜仪EW、NS向、易县水管倾斜仪EW向、赤城垂直摆倾斜仪EW、NS向、怀来垂直摆倾斜仪EW、NE、NS向、怀来水管倾斜仪NS向。同震响应项数占全省形变测项的16%，主要集中在距震中较近的易县台、赤城台、怀来台，其他台站测项无明显的同震响应。同震形变响应测项主要集中在垂直摆倾斜仪（7项），其次是四分量应变仪（3个分量），另外还有水管倾斜仪（2项）；而伸缩仪、体应变仪、水平摆倾斜仪均无明显的同震响应。按照仪器类别分析，有同震响应的同类测项占全省该类测项的百分比为：垂直摆倾斜仪39%、四分量应变仪75%、水管倾斜仪13%。图3为易县垂直摆倾斜仪分钟值曲线，有较大幅度的同震阶变。

分量应变仪的同震响应持续时间为2分钟，垂直摆倾斜仪的同震响应持续时间为2～10分钟，水管倾斜仪的同震响应持续时间为2～3分钟。由于这两次地震震级较小，能量释放引起的地震动较弱，因此同震响应持续时间较短。与远震大震所表现的同震形变波［1－2］不同，易县地震的同震形变响应主要表现为突跳和阶跃，其中分量应变仪表现为突跳，垂直摆倾斜仪和水管倾斜仪主要表现为阶跃（表1）。

表1 易县ML3.8、3.3地震同震形变响应统计表

图2 易县地震震中附近形变台站分布图Fig.2 Distribution of the deformation observatory stations in the study area.

图3 2010年7月30－31日易县垂直摆倾斜仪分钟值曲线图Fig.3 Minute value curves of vertical pendulum from July 30to July 31，2010，in Yixian station.

无同震形变响应的测项，主要有以下三方面的因素：一是受仪器灵敏度的限制，未能对微小地震动做出响应；二是震中距较大；三是部分测项在短时间内受到了气压等因素的干扰，同震响应湮没在噪声中，难以对其分析识别。

虽然易县四分量应变仪、垂直摆倾斜仪较其他台站同类测项的同震响应幅度偏大，但表1中的同震响应幅度与震中距并无较好的线性统计关系，甚至出现相反的情况。这是由于近震面波持续时间短，同震形变波一般难以记录到准确的最大幅度值［2－5］。远场大震以弹性形变为主，同震形变响应表现为形变波，震后恢复到震前的状态和水平；近场中小地震主要以塑性形变为主，引起的同震形变响应表现为同震阶跃，之后形成台阶，未能完全恢复至震前水平。

2.2 同震形变响应与地震波形资料对比分析

两次地震有两次对应同震响应的测项有：易县四分量应变仪的第3分量、赤城垂直摆倾斜仪EW、NS向、怀来垂直摆倾斜仪EW向；其余测项主要是对易县ML3.8地震有同震响应，而对易县ML3.3地震无同震响应。主要因素有两个：其一是易县ML3.8地震同震响应之后，两次地震间隔时间短，仪器处于调整阶段，未能对之后的易县ML3.3地震产生同震响应；其二是受仪器灵敏度、震源深度、震级大小等的影响。

同震阶变是仪器记录到的地震期间地球应变场的一种准静态调整，地震发生时，孕震体释放能量，震源区应变场的调整是应力应变的传递，震源区外不能直接记录到震源区的应变调整，只能记录到通过地震动使得各地应力场的调整［6－9］。易县地震震级小，距震中7km的易县台垂直摆倾斜仪有大幅的同震阶变，这是记录到的震源区应变调整；而赤城台和怀来台距震中超过100km、蓟县台超过200 km，这两个台记录到的同震响应不属于震源区的应力调整，是地震动使周边应力场产生的调整，进而记录到的同震阶变。

有同震形变响应的4个台站中，易县、赤城、怀来、蓟县的震相分析、S波与P波到时差及其同震形变响应特征见表2。易县台使用的是CTS－1地震计，频带50Hz－120s；赤城台使用的是BBVS－60地震计，频带50Hz－60s；怀来台使用的是FBS－3地震计，频带20Hz－20s；上述地震计的采样率为50～100Hz。易县垂直摆倾斜仪等形变测项为分钟值采样，采样率为1／60Hz。形变数据比地震数据的采样率低几千倍，中小地震持续时间短，同震形变响应表现为台阶和突跳，未能反映出很好的形变波形，因此不能对同震形变响应做震相识别。

从地震波形分析，易县、赤城、怀来、蓟县的地震波持续时间为1～3分钟，而同震形变响应测项中有13项持续时间在2～3分钟（表1），这与地震计记录到的地震波形持续时间一致；有4项持续时间为6～10分钟（表1），其曲线形态为“同震阶跃－持续－部分恢复”，持续和恢复阶段主要是受地震波的作用，形变仪器的加载和卸载作用造成的。如不考虑持续和恢复阶段，同震阶跃的时间为1～3分钟，这与地震计记录到的地震波持续时间一致。

表2 易县ML3.8、3.3地震震相分析、同震形变响应特征

3 易县 ML3.8、3.3地震重新定位结果

使用hyp2000程序，对易县 ML3.8、3.3地震进行重新定位，参与定位的21个台站基本将震中包围，定位结果见表3。结果显示易县ML3.8地震速报目录与重新定位目录的偏差较大，经、纬度定位偏差分别为0.04°、0.03°，速报目录震中与重新定位震中的偏差主要是由参与定位台站的数量、数据质量以及定位的算法、速度模型的选取等有关。

表3 2010年7月30日易县ML3.8、3.3地震重新定位与速报目录对比

4 震源机制解及其同震形变响应台站震源球面投影分析

4.1 震源机制解

采用点源位错模型，层状介质速度结构，通过计算理论地震图，与观测的地震垂直向记录的直达P、S波最大振幅拟合，反演震源机制的方法［10］。该方法适用于区域地震台网，而且台少震小的情况。只要具有4个以上台站完整的垂直向记录波形，利用振幅比拟合就可以反演得到震源机制［11］。由区域地震台网垂直向地震Ap和As振幅资料计算中小地震的震源机制，参考台站Pg初动选择最佳结果。

利用河北省数字地震台网记录的区域波形资料，选用震中周围10个台站。震中位置分别采用河北台网eqt目录和重新定位结果，用垂直向地震Ap和As振幅资料，计算2010年7月30日河北易县ML3.8、3.3地震的震源机制解参数，得出不同的解算结果（表4、图4）。

表4 2010年7月30日易县ML3.8、3.3地震震源机制解参数

图4 易县ML3.8、3.3地震震源机制解Fig.4 Focal mechanism solutions of Yixian ML3.8、ML3.3earthquakes.

重新定位结果两次地震位置更为靠近，计算所得的震源机制基本一致。易县ML3.8地震震源断层初步判定为NEE向，断层面参数为走向69°、倾角38°、滑动角－129°，断层表现为正断兼右旋走滑。易县ML3.3地震震源断层初步断定为NEE向，断层面参数为走向74°、倾角38°、滑动角－142°，断层表现为正断兼右旋走滑。两次地震震源机制类型基本一致。1970年以来震中100km范围内ML5.0以上地震只有2006年7月4日文安ML5.5地震（据全国地震小震目录）。文安地震震源机制为：P轴方位NEE、T轴方位NNW，接近水平。NNE向的节面属于直立（倾角87°）；NWW向的节面倾斜（倾角43°）。震源断层面的滑动角－133°，为正断层兼走滑断层类型［12］。易县地震与文安地震都为正断层兼走滑断层类型，震源机制解近似。张红艳等将张渤带分为六个研究区，其中易县地震震中位于张渤带中南段，易县地震的P轴方位为SWW、T轴方位为NNE，与张渤带中南段的平均构造应力场趋于一致［13－14］。

4.2 同震形变响应台站震源球面投影分析

震中350km内的主要形变台站共计24个（包括河北省12个、山西省5个、天津市1个、北京市6个），震中距为0～100km的台站3个，101～200 km的台站8个，201～300km的台站9个，301～350km的台站4个。计算出震中至形变台站的方位角、离源角，并根据重新定位结果计算出的震源机制解，对上述形变台站做震源球面投影（图5）。投影结果表明有同震响应和无同震响应的形变台站主要集中在压缩区域，由于易县地震震级偏小，引起同震响应的台站相对较少，并且有同震响应的台站也主要集中在垂直摆倾斜仪测项，其中易县垂直摆倾斜仪的同震响应为W倾、S倾（图3），与断层错动造成的地倾斜方向基本一致（图5）。