河北赞皇小震群震源断层分析

李冬圣 蔡玲玲 李小军 常 亮杨 锐 李雪英 贾 炯

（中国石家庄 050021河北省地震局）

河北赞皇小震群震源断层分析

李冬圣 蔡玲玲 李小军 常 亮杨 锐 李雪英 贾 炯

（中国石家庄 050021河北省地震局）

基于河北数字地震台网和流动台站的观测数据，利用HYPODD方法对2013年5月20日河北赞皇小震群进行重新定位，定位结果显示，地震呈NE向展布，震群震源深度集中在4—8km，采用模拟退火算法和高斯—牛顿算法相结合的有效算法进行断层参数反演计算，计算结果与震源机制解断层面结果一致性较好，均为右旋走滑类型。

赞皇震群；重新定位；震源机制；断层面解

0 引言

根据河北省遥测地震台网监测，2013年5月20日河北赞皇发生小震群活动，持续至7月3日，共记录地震事件220次，其中单台记录地震49次，最大震级ML3.2，ML2.0以上地震9次。历史地震资料表明，赞皇县从未发生类似震群活动及中强以上地震。 近年来，随着“首都圈示范工程项目”和“‘十五’网络化”项目的建设，河北省地震监测能力不断提高，记录到大量小震，且越来越精确的震相拾取使得小震定位精度越来越高。基于小震空间分布对地质构造及地球物理相关问题的研究引起越来越多地球科学家关注（杨智娴等，2003；朱艾斓等，2005），万永革等（2008）首先提出利用小震分布和区域应力场确定大震断层面参数的方法，用于分析唐山地震序列，该方法不仅能在全局搜索最优解，而且可以估计参数误差，在求得大震断层面后还可以根据区域构造应力场参数估计断层面滑动角。曾宪伟等（2013）利用该方法研究临潭—宕昌断层面参数，李守勇等（2011）用以确定磁县1830年7.5级强震断层面参数。本文试图通过对赞皇震群的重新定位、断层面拟合和震源机制解的分析，研究2013年赞皇震群的构造背景。

1 研究方法

1.1 双差定位方法

双差定位法（HYPODD）在相对定位方法中应用较广，通过对一定空间范围内地震事件两两组对，根据组对事件之间震相到时差得到事件对的相对空间分布，在一定程度上消除了地壳速度结构横向不均匀带来的定位误差，进而在计算中消除路径异常（Waldhauser，Ellsworth，2000；杨智娴等，2003）。双差法基本方程为

其中，Δtik和Δtjk分别对应地震i 和j 到台站k 的到时（走时）残差，Xi和Xj是两个震源位置矢量，Sk是两个震源连线中点到台站k地震射线的慢度矢量，εik和εjk为地震在台站的到时拾取误差。

1.2 断层面拟合方法

采用模拟退火全局搜索和高斯牛顿局部搜索相结合方法（万永革等，2008），利用赞皇震群重新定位结果，求解断层面走向、倾角、位置及误差估计，应用华北地壳应力场参数，计算断层面滑动角大小。

1.3 振幅比计算震源机制解

梁尚鸿等（1984）提出一种测定小震震源参数的方法，利用区域地震台网垂直向位移记录中Pg波和Sg波最大振幅比值，由计算层状介质中点源位错的Pg、Sg综合地震图测定小震震源参数。利用P波和SV波或SH的振幅比，是利用其辐射花样比值求解震源机制参数。振幅比的辐射花样随空间方位的变化比单种波的辐射花样强烈，力偶平面内振幅比的辐射花样呈8瓣分布。由此，只要有正确的直达波观测振幅比，且观测值归算到震源球面位置正确，振幅比观测对震源机制参数有较强的约束能力。

使用区域地震台网垂直向地震AP和AS振幅资料计算震源机制软件，配置台站位置文件WDSTA、速度结构文件WDHV；读取事件波形初动和振幅值写入WDF文件，进行正演和反演计算，根据正演和反演输出的结果文件，采用GMT绘图选择最佳解。

2 资料处理与分析

2.1 河北省遥测地震台网观测资料分析

2013年5月20日河北省遥测地震台网监测到赞皇地区发生小震群事件，当日记录地震事件11次，5月24至26日平均每天监测小震达20次以上，截至7月3日共记录地震220次，单日记录事件最多达24次，最大震级为6月3日ML3.2（图1）。参与赞皇地震定位台站主要有河北赞皇台（HEZAH）、河北元氏台（HEYUS）、河北临城台（HELIC），外围地震台山西昔阳台（SXXIY）。为了进一步跟踪震情，河北省地震监测网络中心在赞皇县以西架设两套流动台（L1301，L1303）。由此，地震监测台站均匀分布在赞皇四周，形成较好的地震监测条件，ML0地震至少可被3—4个台站记录。

以河北省遥测台网产出地震目录绘图显示，赞皇地震呈EW向分布，大部分地震分布在赞皇台以西，只有零星几个地震分布在赞皇台以东位置，见图2（a）。观测报告显示，赞皇台以东地震震级偏小，且发震时间在架设流动台站前，参与定位台站少、张角大，尤其使用hypo 2000和单纯形法分别进行定位，定位结果不稳定。

图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 赞皇震群重新定位

使用HYPODD方法（Waldhauser et al，2000）对赞皇震群进行重新定位。截至7月3日，赞皇震群共观测到220次地震，剔除单台记录的49次事件，选取171次地震参与重新定位。震相数据包含8 085个P波到时、8 635个S波到时，重新定位前对震相数据进行检查，修订定位结果不稳定的地震参数，最终平均每次地震具有8个震相数据。

重新定位使用的分层速度模型参考邢台震源区地壳上地幔速度结构（祝治平等，1995），模型分6层（表1），波速比设定为1.72。原始定位采用单纯型法，无水平和垂直误差，拟合残差平均值0.15 s。精定位得到147个震源位置参数，均方根残差平均值为0.05 s，震源位置南北向平均误差0.10km，东西向平均误差0.08km，深度误差平均 0.15km。

表1 赞皇地区地壳速度模型Table 1 Velocity model of the crust in ZAH area

赞皇震群精定位前，地震分布呈EW向，且主要集中在两个区域内，精定位后最大震级ML3.2的地震发生在震群中间部位，地震分布比较集中，呈NE向展布，震群震源深度平均为5.8km，依照图2（b）对小震群序列按NW和NE方向进行剖面划分，并将地震震源深度投影到AA′和BB′两个剖面，见图3，深度剖面显示，震群在震源深度变化上具有一定规律。图3（a）为地震条带沿线AA′的震源扩展剖面，可见赞皇小震群总体震源深度较浅，集中分布在4—8km范围内；地震条带总长约4km，无明显空间几何特征。图3（b）为地震条带沿直线BB′的震源扩展剖面，震源深度沿BB′剖面总体倾角较陡，可见震源分布随距断裂远近存在从浅到深的分布，勾画震源深度剖面包络线，可以得到倾角约70°的断面。

图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 断层面求解

采用赞皇震群重新定位数据反演断层参数，结果显示，断层走向NE，倾向NE［图4（a），图4（b）］，倾角较大［图4（c）］，小震距断层面在0.5km以内精度较高［图4（d）］，根据万永革等（2007）提出的将模拟退火算法和高斯—牛顿算法相结合的有效算法，避免对初始解的依赖得到全局最优解，求得断层走向、倾角、到坐标原点距离及断层面4个顶点位置（表2），并给出相应标准差。由赞皇震群反演确定断层近乎直立，北偏东41°［图2（b）］。应用万永革等（2007）提出的应力轴方位较倾角准确、R值相对难以确定的准则，假定P、T轴方位误差5°，相对应力大小误差0.1°，依据大华北构造应力场参数（Wan Y G，2010）和地震断层面几何参数及标准差，推算滑动角为-155.907 5°，认为断层为右旋走滑断层，标准差为6.617 4°。

图4 赞皇地震断层重新定位小震分布（a）水平面；（b）断层面；（c）垂直于断层面的横断面投影；（d）小震距断层面距离的分布Fig.4 Distribution of precisely located small earthquakes near the ZAH fault

表2 运用赞皇震群精定位小震资料求得的地震断层面走向、倾角和位置Table 2 Fault plane parameters determined precisely local earthquake for segments in ZAH earthquake

2.4 地震序列震源机制解

在获得精确的震源位置后，采用精定位所用速度结构和垂直向直达P、S波最大振幅比及初动计算震源机制解的方法（梁尚鸿等，1984），对赞皇震群ML＞ 2.0地震进行震源机制解研究。为了保证单个震源机制解的稳定性，参与计算的台站数目要求不少于6个，且在震中周围均匀分布，震中距控制在120km之内，避免出现Pn和Pg混淆现象；2013年5月20日至7月3日发生ML＞ 2.0地震9次，使用位于震中四象限范围内数字记录垂直分量P波初动、P波和S波最大振幅比法，反演震源机制解。5月26日22点53分ML2.1地震由于双震重叠无法识别P波初动，其余8个震源机制类型基本一致，均为右旋走滑（图5）。

图5 赞皇震群震源机制解Fig.5 Focal mechanism solutions of ZAH earthquake swarm

由图5可见，参与计算震源机制的台站空间分布较好，P波初动符号（向上或向下）呈很好的四象限分布，且观测点沿地震射线在震源球下半球的投影点及初动符号对2个节面的空间位置限制严格。因此，认为该震源机制解比较可靠。根据余震分布［图2（b）］确定NE向节面为断层面，角度约40°。赞皇台、临城台、昔阳台和井陉台及后架设的两套流动台站（L1301，L1303），均记录到震群中ML＞ 1.0地震，且地震的P波初动符号高度一致，赞皇台为“-”，临城台为“+”，L1301为“-”，L1301为“+”。

图6是震源机制解参数统计，Strike为节面走向，主要集中于NE45°和NW45°；dip是节面倾角，集中在75°，和震源断层拟合结果一致性较好；slip是节面滑动角，接近0°或180°，反映出震源断层多为走滑类型，与断层拟合结果的走滑性质基本一致。震源机制应力轴P、T轴倾角Pdip和Tdip均较小，接近水平方向，反映了断层的在水平主压应力作用下的走滑错动状况，Paz是最大压应力主轴的方位，NEE方向优势分布明显，Taz是最小压应力主轴的方位，NNW方向优势分布明显和华北地区区域应力场方向基本一致。

图6 震源机制解参数统计Fig.6 Parameters of focal mechanism solutions

3 结论

（1）对赞皇震群进行重新定位，结果显示：地震分布比较集中，且呈NE向展布，主要集中在宽4km、深4—8km的空间范围内；采用模拟退火全局搜索和高斯—牛顿局部搜素相结合的方法，估算断层面走向NE41.28°±2.80°、倾角76.97°±1.02°，基于华北地壳应力场参数，反演断层面滑动角为-155.9075°±6.6174°。

（2）计算震群中8个ML2.0以上地震的震源机制解，断层面优势走向为NE45°和NW45°。倾角约75°，P、T轴接近水平方向，和华北区域应力场基本一致。

（3）小震精确定位结果模拟断层面与震源机制解断层面结果一致性较好，表明此次小震群活动在区域应力场作用下可能形成一系列性质接近的微小断裂。

小震群活动往往发生在多震地区及有大断层穿过的地震活动带上，赞皇震群区属于弱震区，周边30km内历史上未发生过5级以上地震（杨锐等，2014），小震活动弱，且震源区附近无较大断层，在此背景下，2013年赞皇震群活动显得更加突出，发生机理较为特殊。因附近无明显断裂穿过，而此次震群的最大震级仅为ML3.2，即使形成断层，尺度也较小，如何研究和描述需开展进一步工作。小震断层拟合与震源断层面解相互印证的研究思路需要更多震例检验，在此希望对相关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，工程师，主要从事地震监测及分析工作。E-mail：Lds981112@163.com

2014年测震台网青年骨干项目（20140302）及河北省重点地区壳幔结构及地震监测预报关键技术研究（132754071）联合资助

本文收到日期：2015-01-08