河北及邻区震源机制与构造应力场

刘　静，董建辉，陈　婷，张环曦，张　蕾

(1.河北省地震局石家庄中心台，石家庄　050021；2.长江三峡勘测研究院有限公司，武汉　430074；3.河北省地震局，石家庄　050021)



河北及邻区震源机制与构造应力场

刘静1，董建辉2，陈婷3，张环曦1，张蕾1

(1.河北省地震局石家庄中心台，石家庄050021；2.长江三峡勘测研究院有限公司，武汉430074；3.河北省地震局，石家庄050021)

采用CAP方法反演2008年1月至2013年11月河北及邻区ML3.5以上地震的震源机制，结果显示：震源错动类型以走滑断层类型为主，兼有一定数量的正断层；构造应力场最大主压应力轴方向NEE，与之前的研究结果一致，但呈现出暂时的正断层兼走滑的应力状态，具有继承性和差异性特征，推测可能与中等地震易受局部构造活动影响以及巨大地震改变了区域构造应力作用方式有关。

河北及邻区；CAP方法；震源机制解；应力场

0　引言

Reid在研究1906年美国旧金山大地震时，提出关于浅源构造地震的直接成因的弹性回跳理论[1]，并被之后地震的现场考察、地震前后的地形变测量和地震波的观测研究等结果确认。天然构造地震是地下岩层经过一段时间的弹性应变积累，在某一点累积的形变超过了岩石所能够承受的极限时突然错动的结果。震源机制的研究是在地震断层论确立之后开始的，震源机制就是地震时震源内部的物理状态和力学条件如何发生变化及其表现形式。构造应力场是地震孕育发生的力学背景，而震源机制解是研究构造应力场的基础资料。频繁发生的中小地震携带了区域构造应力场的力学信息，对于描绘区域构造和控制区域应力方向起着约束作用，为我们研究活动构造和构造应力场提供参考依据。

河北地区地震记录资料极为丰富，是我国开展以震源机制推断应力场研究最早的地区。李钦祖等[2]最早利用单台小震初动极性资料确定红山和沙城台附近的应力场。许忠淮等[3]利用北京周围地区的地震P波初动资料，分区研究了综合断层面解得到的区域应力场方向。李钦祖[4]根据华北地区的断层面解、地震时的地面裂缝、强震的等震线长轴方向、某些大地震地区的大地测量结果，分析认为华北存在一个一致性相当好的应力场。之前的方法充分利用了不能单独确定震源机制解的中小地震的P波初动数据推断应力方向，随着数字地震台网的建设，台网的密度和布局不断优化，对求取中小地震的震源机制解提供了高质量的波形资料。孙贵成等[5]基于HASH方法反演了山西带中北部的ML2.0以上地震的震源机制解，并与Cut and Paste(CAP)方法反演的震源机制解进行了对比，验证了结果的可靠性；李冬圣等[6]使用多种方法反演了2014年9月6日河北涿鹿的震源机制解；刘泽民等[7]开发了交互式FOCMEC方法的震源机制解反演程序，并应用在2012年5月28日河北唐山4.8级地震[8]的震源机制解反演中；刘芳等[9]分析了内蒙古中西部地区中小地震震源机制及应力场的主要特征。

为了进一步认识河北及邻区的构造应力场，本文采用 Zhao等[10]提出、Zhu等[11]发展的 CAP 反演方法，系统反演了河北及邻区2008—2013年期间发生的ML3.5以上地震的震源机制解。利用获得的中等地震震源机制以更高的分辨率研究构造应力场的时、空变化图像，为未来地震活动分析研究提供具有参考价值的资料。

1　方法及资料

如何准确可靠地获得中小地震震源机制解一直是地震学家努力的目标。中小地震震源机制解是震源物理、构造应力场、地震危险性分析等研究中的重要资料，而震源机制解反演中所使用的速度模型、P波初动极性数量、台站布局等因素制约了反演结果的稳定性和可靠性。

目前比较流行的P波初动法、P波和S波振幅比方法和波形反演方法各有利弊，在使用的时候要具体情况具体分析，发挥出每种方法的最大效能。P波初动极性在节面附近很难判断，需要方位角和震中距分布均匀的台站，且无法得到震源深度和矩震级；而波形反演方法则可以克服这些缺点，得到更加精确可靠的震源机制解。

本文采用CAP方法进行震源机制解的反演。Zhao等[10]通过分割波形记录为Pnl和Snl部分，分别赋予不同的权重，利用格点搜索的方法进行地震震源机制的反演，Zhu等[11]进一步改进了该方法，通过去除归一化振幅并使用距离比例系数使得反演结果更加稳定。CAP方法将宽频带近震波形记录分为体波和面波部分，分别计算合成波形与记录波形的的误差函数，在相关参数空间进行搜索，得到最小误差的最优解。将地震震源简化为双力偶点源，自由表面的理论地震图可以用3种基本断层对应的格林函数加权线性组合来表示，3种基本断层模型分别为：垂直走滑断层，垂直倾滑断层，以及45°倾滑断层。根据弹性波理论得其产生的理论地震位移为：

其中，G为格林函数，A为辐射系数，θ为台站方位角，φ,δ,λ分别为震源机制解的3个参量：走向，倾角，滑移角，M0为地震矩[11]。

基于河北数字地震台网记录的河北及邻区2008—2013年期间发生的ML3.5以上地震(图1)波形，采用频率-波数方法(FK)计算格林函数[12]，在参数空间中定义合成波形与实际波形间的误差函数，并进行网格搜索得到最佳机制解、深度以及矩震级。首先，将原始波形数据去除仪器响应，再旋转至大圆弧路径三分量，利用FK程序计算格林函数，分别反演垂直向和径向的Pnl波与三分量的面波，通过波形互相关获取时移来对齐波形。在反演过程中，将Pnl波与面波各自带通滤波，Pnl波带通范围为0.02～0.15 Hz，面波则为0.02～0.1 Hz，这样可以尽量减少背景噪声对波形的干扰，亦能压制地下小尺度结构散射所造成的影响。

注：三角形表示台站，实心圆表示震中图1　反演过程所用台站和震中分布图

计算格林函数的速度结构均取自Crust1.0模型[13](表1)。CAP方法的一大优势是反演结果对速度模型的依赖性相对较小，对台站处地壳速度结构的精确性要求不高，故在台站处也选用震源处地壳结构。

表1　震源地区地壳结构分层模型

2　震源机制解分析

采用CAP方法反演，获得了2008年1月—2013年11月河北及邻区ML≥3.5地震震源机制解34例(图2和表2)。根据Zoback[14]研究全球应力场时的震源机制解类型划分标准对所研究区域地震进行分类统计，走滑断层(SS)错动类型的地震23个，占67.6%；正断层(NF)为主的错动类型地震9个，占26.5%；逆断层(TF)类型2个。从统计结果可以看出，河北及邻区的震源错动类型以走滑为主，兼一定数量的正断层。正断层类型地震主要集中在晋冀蒙盆岭构造区，位于山西断陷带右旋走滑在东北端的尾端拉张区；走滑类型的地震主要分布在唐山老震区，少数地震为正断兼走滑型，唐山地震序列早期的应力场为松弛平衡态[15]，系统聚类显示震源机制解类型多、取向分散[16]；现今中小地震具有继承性活动的特征，受统一的华北构造应力场的制约[17]。濮阳地区的震源机制解表现出与华北地区反向的NW向P轴方位，与孙晴和李守勇[18]给出的濮阳地区的应力场方向存在差异。

表2　2008年1月-2013年11月河北及邻区ML3.5以上地震震源机制解

图2　2008年1月-2013年11月河北及邻区ML3.5级以上地震震源机制解(绿色：走滑型，蓝色：逆冲型，红色：正断型)

为检验CAP反演结果的可靠性，选取发生在邢台老震区的2010年4月30日河北宁晋ML3.9地震，采用P波初动方法计算的结果与CAP方法的结果(图3)进行对比(表3)。可以看出，2种方法反演的震源机制解参数基本一致，震源错动性质一致(图4)。分析认为震源机制解参数的差异可能与反演过程中所使用的台站分布有关，P波初动方法使用了均匀分布在震源周围的短周期、宽频带的台站记录，而CAP方法只能使用宽频带的台站波形，从而造成台站分布的空隙。

注：LIC 临城台；ZAH 赞皇台；XTT 邢台台；YON 永年台；XIY 昔阳台；WAT 武安台；CXT 磁县台；WAX 完县台；SXT 涉县台图3　2010年4月30日河北宁晋ML3.9地震CAP方法结果

日期时间来源节面Ⅰ/(°)走向倾角滑动角节面Ⅱ/(°)走向倾角滑动角P轴/(°)方位倾角T轴/(°)方位倾角B轴/(°)方位倾角断层类型2010-04-3002:36:31CAP9180-1318377-1694716137223474SSP波初动95823487172503319816182SS

a CAP反演结果b P波初动方法结果图4　2010年4月30日河北宁晋ML3.9地震震源机制解对比

3　应力场特征

使用ZMAP软件包中的Michael方法[19]反演河北及邻区整体的应力场，得到3个应力主轴的方向(图5)。河北及邻区构造应力场的最大主压应力方向为75.2°，最小主应力方向为336.7°，最大主压应力轴的倾伏角为49°，相对应力大小为0.31。图5中给出了3个应力主轴方向的95%置信区间。魏光兴等[20]对华北地区应力场的研究表明，河北及邻区处于以NEE向水平压应力和NWW向水平张应力为主的现代构造应力场中，地震应力场的优势方向，主压应力轴为70°～80°，主张应力轴为340°～350°；Wan[21]使用FMSI方法基于中国地壳应力数据库和Global Centroid Moment Tensor (GCMT) database提供的部分震源机制解反演了中国大陆现代构造应力场，其中河北及邻区的最大主应力轴方位为63°～90°，最小主应力轴方位为331°～14°。本文结果与上述结果基本一致。

图5　河北及邻区主应力轴及其置信区间的下半球等面积投影

4　结论与讨论

现今河北及邻区中等地震的震源错动方式为走滑类型为主，兼有少量的正断层类型，这与该区存在的左旋走滑的张家口—渤海地震构造带和右旋走滑的山西地震构造带有密切关系， 在两带交汇处的晋冀蒙盆岭构造区多数地震为正断兼走滑类型。本文所选取的中等地震，震源体积较小，易受局部构造活动影响，携带了较为丰富的局部构造活动信息，这在构造应力场反演结果有所体现，强震所表现出来的华北地区构造应力场为NEE向的水平主压应力[4，20]，而本文反演得到的河北及邻区的应力场优势方向为NEE(75.2°)，最大主压应力轴的倾伏角为49°，应力场状态表现出正断层性质，这与张宏志等[17]、黄骥超等[22]对本地区的研究成果类似；孙贵成等[5]研究山西带北段的震源机制解特征时也发现正断层性质的地震较多的现象，这可能与大量使用中小地震的震源机制解反演应力场有关，中小地震的发生既受大区域应力场的制约，又体现局部构造运动的性质，具有一定的随机性。

通过分析河北及邻区近期的构造应力场，发现具有继承性和差异性等特征。本文所研究的震源机制解均发生在汶川地震和日本大地震之后，山西断陷带上的地震震源错动类型可能与汶川地震后鄂尔多斯块体周缘的应力变化有关[23]，日本宫城MW9.0地震造成我国东北和华北地区产生毫米至厘米级的同震水平位移，导致东北和华北地区一系列NNE走向的断裂产生了不同程度的张性应变[24]。巨大地震可能改变了区域构造应力作用方式，使河北及邻区构造应力场呈现暂态的正断层兼走滑分量的状态。由于受到地震发生的复杂性和国内外目前地震研究水平的制约，上述认识仍需积累更长时间、更加丰富的地质构造、大地测量以及其它研究成果的进一步检验和完善。

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Focal Mechanism and Tectonic Stress Field in Hebei and Its AdjacentArea

LIU Jing1, DONG Jian-hui2, CHEN Ting1, ZHANG Huan-xi3, ZHANG Lei4

(1. Shijiazhuang Central Seismic station, Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021, China;2.Three Gorges Geotechnical Consultants CO.,LTD (Wuhan), Wuhan 430074, China;3. Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021, China)

Using the CAP method,we calculated the focal mechanism solutions of theML≥3.5 earthquakesoccurred from January 2008 to November 2013 in Hebei province and its adjacent area. Most of the focal mechanisms are of strike-slip fault type except for a certain number of normal faults. The maximum principal compressive stress axis of the tectonic stress field is in the NEE direction which is consistent with previous research results, but the tectonic stress field shows a transient normal fault and strike-slip stress state and has the characteristics of inheritance and difference. These characterizes may be related to the aspects that moderate earthquake is easily affected by the regional tectonic activities and the changing of regional tectonic stress field caused by great earthquake.

Hebei province and its adjacent area; CAP method; focal mechanism solution; the stress field

2016-03-05

河北省地震局青年基金项目(DZ20140709027)

刘静(1986—)，女，河北邯郸人，助理工程师，主要从事地震监测工作．E-mail：436016924@qq.com

P315.3

A

1003-1375(2016)03-0042-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.008

刘静，董建辉，陈婷，等．河北及邻区震源机制与构造应力场[J]．华北地震科学，2016，34(3):42-47.