1989—1999大同地震序列的隐伏断层研究：库仑应力分析和余震JHD重定位

冯永革， 王海洋, 陈永顺， 黄清华

北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理研究所， 北京　100871



1989
—1999大同地震序列的隐伏断层研究：库仑应力分析和余震JHD重定位

冯永革， 王海洋, 陈永顺*， 黄清华

北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理研究所， 北京100871

摘要1989年到1999年，大同—阳高地区发生了一系列MS≥5的中强地震.本文基于前人对1989年三次MS≥5地震的震源机制反演的结果，通过建立不同断层模型，利用库仑应力方法，计算前震对于主震，以及前震和主震对于余震的库仑应力触发关系，提出了一种可能的破裂模型，即1989年前震沿北西西方向发生左旋破裂，之后主震和余震沿北北东方向发生右旋破裂.根据这种破裂模式计算得出，前震发生后，主震震源处的库仑应力增加了约2×105 Pa，余震震源处的库仑应力出现下降；主震发生后，余震处的库仑应力出现回升，最后余震处的库仑应力几乎没有变化.基于大同地震台网的近场观测数据，用JHD(Joint Hypocentral determination)定位方法，对1999年11月1日MS=5.6地震后一个月的余震进行重定位，得到一条走向118°，倾角85°的左旋走滑断层，余震的深度分布在5 km至20 km范围内，显示该断层是隐伏断层.另外提出对主震震中位置约10 km的修正.本文对1989年三次MS≥5地震序列和1999年MS=5.6地震余震空间分布的研究揭示该地区存在两条活跃的共轭隐伏走滑断层(1989年主震的北北东方向和1999年地震的北西西方向)，并且推断已知的大王村断裂和团堡断裂是地下这两条共轭的隐伏走滑断层构造/地震活动在地表的响应.

关键词大同地震； 库仑应力； 地震触发； JHD定位方法

1引言

大同—阳高地震序列发生在山西、河北、内蒙古交界地区，处于首都北京西北附近几十公里处，是1976年唐山7.8级大震后，华北地区最活跃的地震事件之一.1989年至今，大同—阳高地区已经发生了5次MS震级大于5级的地震(表1)，其中包括1989年10月18日发生的三次MS震级大于等于5.5的前震、主震和余震序列.2010年4月4日，大同—阳高地区再次发生了MS震级为4.6级的地震.这些地震都没有造成地表的破裂，可能都是源自隐伏断层.由震源机制解研究获得的破裂方向和在震源附近仅有的2条地质断裂(大王村断裂和团堡断裂)的走向也存在明显的差别.因此，对大同—阳高地震序列的详细研究对于研究这一地区地震活动性和断层特点，尤其是隐伏断层蕴育地震这一科学难题具有重要的科学意义，也有利于该区域未来的防震减灾工作.

表1　大同地震序列的地震参数(来自中国地震台网)

大同—阳高地区(图1)处于大同盆地南缘，六棱山以北.大同盆地位于山西断裂带的北端，盆地总体走向为北东-北东东，结构复杂，由多处隆起和凹陷组成.北东走向的口泉断裂、北东东走向的六棱山断裂、恒山北缘断裂是盆地内的3条主要活动断裂，它们控制着盆地的形成、发育以及新构造格局和地震活动(仇转和刘巍，2005b).

对于大同—阳高地震序列，许多学者从活动构造、余震分布、等烈度线、震源机制等方面研究了该地震的发震构造及震源特征.韦宝珠等(1992)根据Pnl及SH波记录进行了波形拟合，分析了1989年地震的震源机制结果；刁桂苓等(1993)通过对小震和余震进行统计分析，得出大同震群具有体破裂的结论；徐建德(1992)根据1989年余震震中分布、震源机制解、等震线长轴方向及地表地质现象等，对几次地震的破裂方向进行了讨论；刘瑞丰等(1995)使用震中距为3°～90°的CSDN台网的P波长周期数据，用时间域内线形反演的方法，得到了大同地震序列的震源机制与断层面解；王鸣和王培德(1992)、王鸣等(1994)通过对余震震中分布的分析，分别研究了1989年和1991年的地震的断层面；朱艾斓等(1999)研究了1989年和1991年大同—阳高两次地震的震源断层的三维特征；苏宗正和程新原(1992)经过地质考察发现大王村断裂和团堡断裂很可能就是发震断层，并且对几次地震的破裂方向进行了判断.

图1　山西大同—阳高地区地形图图中蓝色边框区域为本文计算库仑应力变化的区域，黑色粗线表示该区域已知断裂带，红色五星为几次地震的震中，黄色三角形为大同地震遥测台网的子台站.Fig.1　Datong-Yanggao area of Shanxi Coulomb stress calculations are performed within the area bounded by the dash blue rectangular. Black lines indicate the local faults. Red stars are the 5 earthquakes with MS≥5.5. Yellow triangles denote a sub array of Datong Earthquake Array.

对于大同—阳高地震序列的震源机制解，前人的研究结果比较相似，断层节面与华北构造剪切应力方向一致(许忠淮等，1983).但是，由于大同—阳高地震序列的发震断层在地表没有明显出露，所以对于1989年三次中强地震的断层破裂方向，不同学者给出的解释不同.韦宝珠等(1992)和朱艾斓等(1999)认为1989年三次MS≥5.5的地震均发生在同一断层，走向是北北东方向；苏宗正和程新原(1992)经过地质调查认为，1989年前震和余震沿北西西方向，主震沿北北东方向；徐建德(1992)认为1989年前震破裂方向为近东西向，主震和余震破裂方向为北北东方向；王焱等(2002)结合地震宏观烈度资料认为前震、主震走向北北东，余震走向北北西向.

由于1989年的三次MS≥5的地震发震时间相差仅为几个小时，本文从其相互之间的静态弹性应力触发关系角度分析，结合震区的地质和区域应力场状况，合理建立这三次地震事件的断层模型，分析震后库仑应力变化，进而讨论大同—阳高地震序列中三次地震破裂断层的参数.

1999年主震震中位置相对1989和1991年的4次地震震中有约10 km的向东偏移.王焱等(2002)通过大同遥测地震台网的观测数据分析了1999年地震的发震断层，并推测此断层可能是新破裂.但是其地震定位精度较低，且未考虑到主震震源位置与其余震的相对位置关系.本文通过对地震后一个月的余震进行高精度重定位，以对1999年主震震源断层进行约束，同时比较其与1989年和1991年几次地震的震源机制解和震中相对位置，提出1999年主震可能和1989年前震是发生在同一个北西西走向的隐伏断层，其震中位置可能存在向西北方向5～10 km的修正.

2研究方法

本文采用的静态库仑应力方法基于库仑—纳维破裂准则计算地震产生的库仑应力变化、地表位移等，有

(1)

其中τβ是破裂面上的剪应力，S为岩石的剪切强度，σβ是正应力(膨胀为正)，p为孔隙压，μ为摩擦系数.当某个面上的剪切应力达到或大于岩石的剪切强度和摩擦阻抗的差时，该面就容易发生脆性破裂.通常所说的库仑应力标志着一个面趋于破裂的程度.因此通过计算库仑应力变化Δσf就可以分析一个面趋于破裂的可能性大小(King et al., 1994)，其中

(2)

地震应力触发是指由于地震的发生造成临近区域库仑应力变化，从而影响了整个区域内断层的活动性.具体来说，是指前面地震产生的应力变化张量投影到后续地震的断层面和滑动方向上，再考虑到正应力孔隙压力和摩擦系数的影响，得到库仑破裂应力变化.若库仑破裂应力变化方向与后续地震断层滑动方向一致，即库仑应力变化为正，前面地震产生的应力变化促使断层破裂，则地震可能被触发，地震危险增大；反之，负库仑破裂应力变化抑制断层的破裂，发生地震的可能性降低，此区域称为“应力影区”(万永革等，2002).静态库伦应力触发机制在国内外短期地震丛事件的应用十分广泛(Stein et al., 1994; 岳汉等，2008；张竹琪等，2008).对于大同—阳高震群，1989年的三次MS≥5级地震，发震事件间隔只有数小时，十分适于静态弹性库伦应力触发的研究.对于1991年的地震，由于相隔时间较长，适于用黏弹性模型下的库伦应力触发机制研究(Freed and Lin, 1998)，不在本文讨论范围.

31989年三次地震的断层模型

3.1模型参数

3.1.1地质参数及区域应力

大同盆地是新生代火山和玄武岩活动的区域，因此计算时岩石的剪切模量采用玄武岩的剪切模量.玄武岩的剪切模量μ一般在19.976～32.973 GPa之间变化，本文中近似取μ为22 GPa.岩石泊松比一般为0.10～0.35，这里取最接近地球介质的0.25.对于摩擦系数，根据前人的经验，摩擦系数取值为0.4比较适宜，但小幅的变化对于结果并没有决定性的影响.

山西地堑系所处的区域构造应力场具有北西—南东向拉张，北东—南西向挤压的特点.本文在计算中采用的是许忠淮等(1983)给出的结果：大同—阳高地震序列位于P轴NE55°，T轴NW35°(近水平)的呼和浩特区.

3.1.2断层参数

仇转和刘巍(2005a)根据地震后的余震分布长轴方向判断，前震、主震、余震的破裂面长度分别是8、10、8 km.王鸣和王培德(1992)通过对1989年三次地震后的余震进行定位，认为1989年主震后应力释放比较彻底的区域面积约为60 km2.再考虑到三次地震均以高角度断层走滑为主，破裂面宽度分别设定为5、6 km和5 km.王鸣和王培德(1992)对1989年余震定位的结果还显示，余震在竖直方向主要分布在3～13 km的范围内.因此，根据中国地震台网地震目录给出的地震定位深度结果，假设1989年主震震源位于断层的底部，前震和余震震源位于断层中央，破裂方式均假设为双向破裂.

对比各个文献中给出的震源机制，本文计算时采用刘瑞丰等(1995)得到震源机制解.刘瑞丰给出的几次地震的震源机制解，与Harvard CMT给出的结果基本一致，只有在1989年前震节面1的滑动角上二者相差30°.但是许多学者指出(王鸣和王培德，1992；韦宝珠等，1992；朱艾斓等，1999)，大同—阳高地震序列的震源断层为高角度走滑形式，因此，这里采用刘瑞丰等(1995)文中的结果也是合理的.

地震矩张量有简单的计算公式：

(3)

其中，μ为剪切模量，S为断层面面积，L为断层面平均位错.在已知μ，M0，S的情况下，可以估算L.根据公式(3)，结合表2给出的地震矩张量以及前文估计的断层面参数，可以估算出1989年3次地震的断层面平均位错(见表3).

表2　1989年大同—阳高地震序列的震源机制解

表3　1989年3次地震的震源断层参数

前人研究一致认为，1989年主震的震源断层走向为北北东方向(苏宗正和程新原，1992；王鸣和王培德，1992；韦宝珠等，1992；朱艾斓等，1999；王焱等，2002).但是对于前震和余震的震源断层走向，如前文所述，仍存在很多争议.本文分别建立模型，讨论前震和余震的震源断层参数.

3.21989年前震断层参数

分别采用表2中1989年前震的两个节面为断层面参数，建立模型，采用Coulomb 3.0软件包(Toda et al., 2005)，计算前震发生后对周围应力场的影响，主要是静态库仑应力变化.

由图2、3比较可知，若前震震源断层采用节面1的参数，则主震震源位于库仑应力增加区，且震源处的库仑应力增大约2×105Pa；若前震震源断层采用节面2的参数，则主震震源位于库仑应力降低区，且震源处的库仑应力降低约0.6×105Pa.考虑到前震和主震先后发生，相隔时间约2 h，前震的发生应该更有可能触发主震而不是抑制主震.因此，1989年前震的走向更有可能是北西西方向，也即前震首先发生左旋走滑，之后主震发生右旋走滑，二者构成共轭破裂，前震的发生很可能触发了主震的发生.

图2　1989年前震引起的静态库伦应力变化.1989年前震断层采用节面1的参数：走向104.8°，倾角86.7°，滑动角-9.6°.图中红色线条表示断层，绿线表示若断层延伸至地表，假想的断层地表出露，白色五星表示震源位置.1989主震震源处的库仑应力增加了大约2×105 PaFig.2　Coulomb stress change induced by the 1989 foreshock. Parameters of the focal plan 1 of the 1989 foreshock are: strike 104.8°, dip 86.7°, rake -9.6°. Red lines are the buried faults. Green lines indicate the projections of the faults along the dip direction to the surface. White stars denote the source locations. The Coulomb stress increases by about 2 ×105 Pa at the 1989 main shock location

图3　1989年前震引起的静态库伦应力变化. 1989年前震断层采用节面2的参数：走向195.3°，倾角80.4°，滑动角-176.7°.1989年主震震源处的库仑应力降低了约0.6×105 PaFig.3　Coulomb stress change induced by the 1989 foreshock. Parameters of the focal plan 2 of the 1989 foreshock are: strike 195.3°, dip 80.4°, rake -176.7°. The Coulomb stress decreases by about 0.6 ×105 Pa at the 1989 main shock location

3.31989年余震断层参数

分别采用表2中的1989年余震的两个节面为断层面参数，建立模型，计算前震和主震对周围应力场的影响，主要是静态库仑应力变化.计算中，1989年前震的断层参数选取节面1，即前述确定的断层节面.

比较图4、5可知，若余震震源断层为表2中的节面1，则余震震源处的库仑应力将下降2×105Pa左右，也即余震震源处的破裂会受到抑制；若余震震源断层为节面2，则余震处的库仑应力变化为0.余震在主震后1 h发生，这么短的时间内，余震更有可能被触发而不是被抑制.虽然采用节面2的参数计算出的结果并没有显示余震处的库仑应力有显著的增加，但相比于节面1，节面2更可能是断层面.因此，首先发生的左旋走滑的前震，降低了余震震源处的库仑应力，接着发生的右旋走滑的主震又增加了余震震源处的库仑应力，最后发生了右旋走滑的余震.

图5　1989前震和主震引起的静态库伦应力变化.1989年余震断层采用节面2的参数：走向196.3°，倾角82.6°，滑动角-176.2°. 余震震源处， 也即7 km处的库仑应力变化几乎为0， 但是余震断层的绝大部分均位于库仑应力显著增加区Fig.5　Coulomb stress change induced by the 1989 foreshock and main shock. Parameters of the focal plan 1 of the 1989 aftershock are: strike 196.3°, dip 82.6°, rake -176.2°. The Coulomb stress stays unchanged at the 1989 aftershock location, but most of the aftershock fault is located at the area where the Coulomb stress increase significantly

综上，通过建立断层模型，计算静态库仑应力变化，从应力触发的角度推断出1989年前震断层的走向为北西西方向，1989年余震的震源断层走向为北北东方向.在区域应力的作用下，大同—阳高的地震断层呈现共轭断层的特点.

41999年地震后一个月余震的重定位

采用大同地震遥测台网地震目录11月的地震数据，对1999年11月1日主震后一个月的约200次震级大于1.0的小震进行精确重定位.

4.1数据及参数选取

大同震区位于大同地震遥测台网之内(图1)，本文所用的六个子台分布在长100 km、宽50 km的范围中，台站间距30 km左右，各个台站的震中距在20～70 km之间(王焱等，2002).大同—阳高地震序列分布在几十公里的范围内.结合以上因素，采用JHD(Joint Hypocentral Determination，震源联合定位法)(Pujol, 2000)对1999年大同地震的余震进行重定位.大同地震遥测台网的子台位置参数见表4.P波速度模型采用王鸣和王培德(1992)对1989年大同地震的余震进行定位时的模型，见表5.

表4　大同地震遥测台网的子台位置参数

表5　定位时采用的P波速度结构

4.2重定位结果

经过JHD重定位，得到1999年大同地震后一个月的余震定位结果，其中定出243次震级大于1.0的余震参数，平均走时残差为0.2 s，最大走时残差0.3 s.余震平面分布见图6.经过最小二乘拟合，得到的断层面走向为117.95°，断层倾角为85°(图7).与这一断层面相对应的Harvard CMT给出的1999年主震震源机制为走向122 °，倾角72°，滑动角-7°，二者十分接近.

图6　1999年主震后的余震经过JHD重定位的结果.黑色五星为中国地震台网地震目录给出的1999年主震位置.余震断层的走向与震源机制解中左旋走滑的节面十分接近.白色五星为1989年至1991年4次MS≥5.5的地震震源位置.A′A: 推断的1999年发震断层.BB′: 推断的1989年发震断层Fig.6　Relocated aftershocks using JHD after the 1999 main shock. Black star denotes the main shock location provided by CENC. The strike of the fault agrees well with the focal mechanism. White stars are the 4 MS≥5.5 earthquakes from 1989 to 1991. A′A: Inferred fault of 1999 main shock. BB′: Inferred fault of 1989 main shock

图7　(a)1999年余震定位后投影到1999断层A′A走向上的结果，实五星为1999年震源；(b)1999年余震定位后投影到1989年主震断层BB′走向上的结果，直线的倾角为85°Fig.7　(a)Aftershocks projected on the strike direction of the 1999 main shock, A′A.Solid star is the main shock location provided by CENC；(b)Aftershocks projected on the strike direction of the 1989 main shock, BB′. The dip of the least-square fitting line is 85°

从图7a中可以看出，余震分布长约11 km，深度范围为6～17 km，但是主震的位置距余震定出的断层位置约5 km左右.图7a中虚线表示若把震源位置沿断层走向向西移动10 km，则震源就落在余震定出的断层面上虚五星的位置.图7b中显示断层为高角度近乎直立断层.

据此，1999年主震的震源断层应该是走向北西西向，倾角85°的左旋走滑断层.其中，断层面长约10 km，宽约11 km.考虑到地震震级为MS=5.6，假设断层的平均位错为0.3 m.则根据公式(3)，可粗略估算出1999年主震的矩张量约为6× 1017N·m.而Harvard CMT给出的1999年主震的矩张量为2.3×1017N·m，与理论结果数量级相符.因此文中的断层面比较合理，可以认为是1999年的发震断层.图6和图7a中显示，1999年主震震源位置偏离余震断层约5km.考虑到地震定位的误差，主震震源真实位置沿断层走向向西北移动5～10 km比较合理.

李春来和王培德(2005)对1999年11月7日到18日的30多次余震进行精定位后，得到的余震分布范围处于本文的定位结果范围内，但是，由于数量较少并且余震位置相对离散，李春来等认为1999年主震产生的应力场的变化使主震断层周围的断层也发生了小震活动.而本文中的结果显示，余震绝大多是分布在一个断层上，由此判断，主震震后周围断层的活动性并没有得到显著的提高.

5结论和讨论

通过建立1989年大同—阳高地震序列(3个地震事件)的断层模型，对比前震不同节面对主震断层面上库仑应力变化的影响，以及前震和主震对于余震不同节面上的库仑应力变化的影响，提出1989年前震断层的走向为北西西方向，主震和余震的走向为北北东方向.通过对1999年地震后一个月余震的高精度重定位，发现了一个走向北西西、近乎直立的左旋走滑隐伏断层，推断是1999年主震的发震断层.同时比较其与1989年几次地震的震源机制解和震中相对位置，提出1999年主震可能和1989年前震都发生在这条北西西走向的隐伏断层，1999年主震震中位置可能存在向西北方向5～10 km的修正.

1989年到1999年，大同地震序列的5个地震事件的震源断层呈现共轭方向，一条是北北东方向，另一条是北西西方向.如前文所述，大同地区的主应力方向为P轴NE55°，T轴NW35°(近水平).北北东和北西西两个方向正是区域应力的最大剪应力方向.部分文章指出，虽然大同震区南端毗邻的六棱山山前断裂在晚更新世—全新世强烈活动，表现为张性倾滑活动，但是这与大同—阳高地震序列的震源断层机制有明显差异.大同盆地处于的山西断陷带至今仍处于发展演化阶段，特别是盆地边缘以盆地的沉降和山体的隆升为主要活动特征.但是，大同—阳高震区的地震序列只有很少的倾滑分量，主要是北北东和北西西的走滑运动.由此可见，大同地区近期的几次断层活动主要受区域应力的控制.

苏宗正和程新原(1992)指出，通过电法勘探和钻探发现大同震区存在北东方向的大王村断裂和北西方向的团堡断裂(图6)，二者在南部的基岩隆起区出露，在北部隐伏.根据断层破裂方向和震源机制，部分学者认为(苏宗正和新原，1992;朱艾斓等，1999)，大王村断裂可能与1989年主震和1991年主震相对应.而根据本文库伦应力计算结果，1989前震的破裂方向沿北西西向，同时，1999年的主震断层亦沿北西西向，这两次地震似乎应与北西走向的团堡断裂相关.但是根据野外地质调查，大王村断裂为压性断层，团堡断裂也主要是正断层活动；而大同—阳高地震序列主要是走滑为主的高角度断层活动，且大同—阳高地震序列的破裂方向与大王村断裂、团堡断裂的走向存在明显差别.因此，我们推断，大同—阳高地震序列的震源均发生在5 km以下的一对共轭隐伏断层，而大王村断裂和团堡断裂很可能是这对隐伏断层的构造/地震活动在地表浅层的响应.

致谢感谢山西省地震局大同地震台王焱提供的1999年地震余震数据，感谢两名匿名审稿人的建设性意见.

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附中文参考文献

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(本文编辑胡素芳)

基金项目中国地震科学台阵探测-南北地震带北段(201308011)，国家高技术研究发展计划(863)(2009AA093401-05)和国家自然科学基金委(41030857；91128210)联合资助.

作者简介冯永革，男，1966年生，工程师，主要从事地球物理野外观测及地震学研究.E-mail：fengyg@pku.edu.cn *通讯作者陈永顺，男，1956年生，教授，主要从事地震大地构造学研究.E-mail：johnyc@pku.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160215 中图分类号P315,P541

收稿日期2015-02-09，2015-11-30收修定稿

Blind-faults of Datong earthquake sequence: JHD and Coulomb stress analyses

FENG Yong-Ge， WANG Hai-Yang， CHEN Yong-Shun*, HUANG Qing-Hua

InstituteofTheoreticalandAppliedGeophysics,SchoolofEarthandSpaceScience,PekingUniversity,Beijing100871,China

AbstractA series of MS≥5 earthquakes struck Datong area from 1989 to 1999. In this study we calculated the Coulomb stress triggering relationship between the foreshock and main shock, and between the foreshock, main shock and the aftershock to test several faulting models from previous studies. We propose one viable faulting model for the three events of 1989 which should be very useful for studying the seismic hazard in this region. Based on the focal mechanisms of the 1989′s 3 earthquakes (foreshock, main shock, aftershock) from previous studies, several faulting models from previous studies were constructed for testing here. We then calculated the Coulomb stress triggering relationship between the foreshock and main shock, and between the foreshock, main shock and the aftershock, and the results had led to a viable faulting model for the three events of 1989 as the following. The 1989 foreshock fault stroke left-laterally along the NWW direction. Several hours later, the main shock and the aftershock struck right-laterally along the NNE direction. After the foreshock, the Coulomb stress in the main shock area increased about 2×105 Pa, while the Coulomb stress in the aftershock area underwent a fall. After the main shock, however, the Coulomb stress in the aftershock area increased.

With the access to the data from the Datong earthquake array, one month′s aftershocks after the 1999-11-1MS=5.6 earthquake were relocated using JHD (Joint hypocentral determination) method. The distribution of these relocated aftershocks reveals a buried left-lateral fault with the strike of 118° and the dip of 85°. The location of the main event (MS=5.6) should be adjusted according to the fault location. The results in this study have suggested that two buried conjugate strike-slip faults control the faulting system of the Datong-Yanggao area, consisting of the NNE fault, corresponding to the main shock in 1989, and the NWW fault, corresponding to the main shock in 1999. We further propose that the shallow NE Dawangcun fault and NW Tuanbao fault are the manifestations of the two buried conjugate faults at the shallow crust.

KeywordsDatong earthquakes； Coulomb stress； Earthquake triggering； JHD

冯永革， 王海洋, 陈永顺等. 2016. 1989—1999大同地震序列的隐伏断层研究：库仑应力分析和余震JHD重定位.地球物理学报，59(2):568-577,doi:10.6038/cjg20160215.

Feng Y G, Wang H Y, Chen Y S, et al. 2016. Blind-faults of Datong earthquake sequence: JHD and Coulomb stress analyses.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(2):568-577,doi:10.6038/cjg20160215.