基于地震活动性和震源机制解研究渭河-运城盆地主要断裂带的特征及应力场分布

余占洋 沈旭章* 梁 浩 郑文俊 刘旭宙

1)中山大学地球科学与工程学院，广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，广州 510275

2)南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，珠海 519082

3)甘肃省地震局，兰州 730000

0 引言

本文利用近年来积累的大量震相报告资料，使用双差定位法对渭河-运城盆地的地震事件进行精定位； 然后根据P波初动资料，使用格点尝试法反演该区域内部ML≥2地震的震源机制解； 并以反演的震源机制解结果为基础，应用MSATSI方法反演研究区域内的应力场。通过截取不同的垂直断层剖面，结合该地区已有的活动断裂、构造变形等研究结果，分析区域内部的断层结构、区域应力场特征及地震发生的动力机制，探讨区域现今构造变形的模式，进而为渭河-运城盆地防震减灾工作提供坚实基础和重要参考。

图 1 渭河-运城盆地主要断裂分布图(图中断裂根据国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组(1988)修改)Fig. 1 Distribution of main faults in Weihe-Yuncheng Basin(The fault in the figure was modified according to the Research Group of Active Fault System around Ordos，1988，issued by China Earthquake Administration).不同颜色的圆表示2009年1月1日—2018年6月1日该区域ML≥3的不同震级和深度的地震事件。F1秦岭北缘断裂； F2渭河断裂； F3口镇-关山断裂； F4华山山前断裂； F5韩城断裂； F6双泉-临猗断裂； F7中条山山前断裂； F8罗云山山前断裂； F9霍山山前断裂； F10太谷断裂； F11交城断裂

1 数据和方法

1.1 观测资料

本研究选取了中国地震台网中心“全国地震编目系统”记录的2009年1月1日—2018年6月1日在渭河-运城盆地(图 1)发生的14381个地震事件的数据进行重定位。在进行重定位前，需要对震相数据进行筛选，剔除震源参数及走时信息记录不完整、震相记录少于4个和记录的台站数量少于2个的地震事件，从而确保重定位的精确性。经筛选，剩余地震事件11856个，共计443074个震相数据，其中P波到时数据103874条，S波到时数据339200条。

1.2 地震精定位方法

本研究使用双差定位法对区域内的地震事件进行重定位。双差定位法是一种相对地震定位方法，是在主事件地震定位法的基础上发展起来的，将地震丛集中的地震事件两两组对，根据走时差的观测值与理论值的残差(即双差)确定震源参数(Waldhauseretal.，2000)。双差定位法的一项基本要求是地震事件对之间的距离远小于事件到台站间的距离和波传播路径上速度不均匀体的线性尺度，这样才能使2个地震到同一个台站的走时差只由这2个地震事件之间的相对位置和地震波的波速决定，能够有效减小由于对地壳结构了解不够精细而引起的误差，使重定位的结果更加准确(朱艾斓等，2005； 陈九辉等，2009； 盛书中等，2016)。

图 2 各区域的地壳速度模型Fig. 2 Crustal velocity model for each region.

重定位反演的基本方程为

WGm=Wd

(1)

式中，W为对每个方程进行加权的对角矩阵，G为包含偏导数的M×4N阶(M为双差的观测数，N为地震数)矩阵，m是长度为4N的矢量，含有待定的震源参数变化(其形式为[Δx，Δy，Δz，ΔT]T)，d是包含双差的数据矢量(Waldhauseretal.，2000)。

1.3 震源机制解反演方法

本次研究使用格点尝试法反演震源机制解。Aki(1966)提出采用大量小地震的P波初动资料推测应力场方向的综合震源机制解法。在此基础上，许忠淮等(1983)进一步提出了格点尝试法。其原理为： 按震源的双力偶点源模式，由震源坐标架在地平坐标架中的3个角度(Az，ih，R)来确定震源机制解。格点尝试法以一定步长(如5°×5°×5°等)改变Az、ih和R的角度，观察哪组(Az，ih，R)所对应的2个理论正交节面的矛盾符号比最小。

定义矛盾符号比ψ=矛盾符号数/符号总数，介于极小值ψmin和ψmin+5%之间所有可能的P、B、T轴的分布范围称为离散区，对离散区内所有可能的解求平均，计算得出的平均解即为地震事件的震源机制解结果。

1.4 应力场反演方法

本研究使用MSATSI程序包进行应力场反演。Michael(1984，1987)提出了自助线性应力反演(LSIB)方法，这是一种较为常用的利用震源机制解进行应力场反演的方法。Hardebeck等(2006)进一步发展了LSIB方法，并引入阻尼最小二乘法，得到了区域尺度的应力张量阻尼反演方法(SATSI)。此后，Martinez-Garzon等(2014)改进了SATSI算法，提出了MSATSI算法。

在应力场反演中，首先将研究区域划分成1°×1°的网格。为使相邻网格的应力张量差异最小化，我们使用阻尼最小二乘法，该方法可有效减小人为划分网格而产生的应力场的异常偏转，能更好地凸显整体应力偏转特征(崔华伟等，2019)。根据MSATSI软件包提供的方法设置了一系列阻尼系数，得到了数据拟合残差与应力场反演模型长度的折中曲线，如图 3 所示。折中曲线的拐点即为最佳阻尼系数，本研究的最优阻尼系数e=1.2。反演时每个网格中至少有2个震源机制解参与反演。反演应力场参数的置信水平默认范围为68%～95%，本研究将置信水平设置为95%。重采样次数的默认范围是1000～5000次(Martinez-Garzonetal.，2014)，本次研究对所有数据进行2000次抽样以确定应力场参数的不确定度。

图 3 数据拟合残差与应力场反演模型长度的折中曲线Fig. 3 Trade-off curve between model length and data fitting misfit in the stress field inversion model.蓝色十字为最优阻尼系数，空心圆圈表示反演中采用的阻尼参数所得出的结果

2 研究结果

2.1 地震事件重定位结果

依照前文设置的参数及地壳速度模型，应用双差定位法对研究区域内11856个地震事件进行了重定位。图 4 显示了定位前后的地震事件以及定位过程中使用的52个台站的分布情况。图4a 为定位前地震事件分布图，图4b 为定位后地震事件分布图。结果显示，定位后地震事件分布的离散程度降低，多数地震集中分布在太谷断裂(F10)、交城断裂(F11)、霍山山前断裂(F9)和罗云山山前断裂(F8)等断裂带附近； 另外，山西地堑带内部及周边地震活动频繁，但震级普遍较小。

重定位后，所有地震的走时均方根残差由0.618s降为0.255s。对比重定位前、后的震源深度直方图(图 5)可以发现，重定位前震源深度集中分布在5～10km，重定位后震源深度的分布发生了明显改变，地震集中分布在10～25km范围内，总体上集中分布在20km以内，小部分地震发生在25～35km深度处。从图 4 中可以看出，盆地内部的震源深度相对较浅，以5～15km为主，向盆地两端震源深度有加深的趋势，最深约达30km，这与前人的研究结果也较为一致(蔡妍等，2014)。

图 4 研究区域内重定位前(a)、后(b)地震事件的分布以及定位所用台站的分布图Fig. 4 The distribution of seismic events and stations before(a)and after(b)relocation in the research area.

图 5 研究区域内重定位前(a)、后(b)地震事件的震源深度直方图Fig. 5 Distribution of focal depth before(a)and(b)after relocation.

2.2 震源机制结果

本研究使用许忠淮等(1983)提出的利用P波初动资料反演震源机制解的格点尝试法，使用从中国地震台网中心获取的震相报告的P波初动资料，计算了渭河-运城盆地内346个ML≥2地震的震源机制解。

根据Zoback(1992)给出的世界应力图划分准则(表1)将震源机制解划分正断型(NF)、正走滑型(NS)、逆冲型(TF)、逆走滑型(TS)、走滑型(SS)、过渡型(U)等6种类型的震源机制解。结果表明： 走滑断层类型地震有69个，占19.9%； 正断层及正走滑断层类型有145个，占41.9%； 逆断层和逆走滑断层类型有36个，占10.4%； 过渡型有96个，占27.8%。

表 1 震源机制解的类型划分表Table1 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism

图 6 研究区域内的震源机制解分布图Fig. 6 The distribution of focal mechanism solutions.

从图 6 中可以看出，渭河-运城盆地内的正断型和走滑型地震事件分布广泛，占全部地震事件的60%以上，且大多集中在太谷断裂(F10)、交城断裂(F11)、霍山山前断裂(F9)和罗云山山前断裂(F8)附近，表明渭河-运城盆地的控盆断裂及内部断裂的运动方式以拉张运动为主，兼有一定的剪切运动。

图 7 利用不同方法得到的震源机制解Fig. 7 Focal mechanism solutions obtained by different methods.a 格点尝试法的结果； b Hash方法的结果

表 2 利用不同方法得到的震源机制解Table2 Focal mechanism solutions of earthquakes obtained by different methods

图 8 利用不同方法得到的震源机制解Fig. 8 Focal mechanism solutions obtained by different methods.a—c为本文结果，分别对应高陵地震、河津地震、原平地震； d—f为前人的研究结果，分别对应高陵地震、河津地震、原平地震

表 3 通过不同方法得到的MS>4.0地震的震源机制解Table3 Focal mechanism solutions of earthquakes above MS4.0 obtained by different methods

2.3 应力场反演结果

图 9 研究区的应力场反演结果Fig. 9 Results of stress field inversion in the research area.绘出了每个网格点的最大水平应力方向，红色表示正断层作用体系，绿色表示走滑断层体系，网格的颜色表示R值的大小，颜色越深则R值越大

3 讨论

渭河-运城盆地的地震重定位结果显示，地震活动多沿着现今地表断裂的走向发生，其震源深度的空间分布指示断裂在盆地深部的几何结构和空间位置。为厘定断裂在盆地深部的展布特征，本研究以20km宽的廊带为约束，分别对A、B、C区域做与现今断裂交切的深度剖面进行分析，共做8条剖面。

图 10 A区域的剖面位置及地震事件剖面图Fig. 10 Sectional location map and seismic event profiles of region A.a 剖面分布图； b—d AA′、BB′和CC′剖面

A区域(渭河断陷带)内发育有秦岭北缘断裂(F1)、渭河断裂(F2)和口镇-关山断裂(F3)3条主要断裂，在此区域截取了AA′、BB′和CC′ 3条跨越秦岭山系、渭河地堑和鄂尔多斯高原且与主要断裂交切的NNE向剖面，如图 10 所示。剖面图中显示了MS≥3.5地震的震源机制解，其他区域剖面中所显示的也是MS≥3.5地震的震源机制解，下文不再说明。AA′剖面跨越秦岭北缘断裂(F1)西段和渭河断裂(F2)。F1西段全长110km，走向近EW—NWW，断裂带宽数米至数十米不等，地表露头和探槽揭露为高角度N倾的正断层(王明秋，2011； 白相东，2018)； F2全长50km，西段走向近EW，东段走向NEE，沿断裂走向发育明显的断层陡坎，钻孔揭露为高角度正断层(田勤虎等，2014)。在深部，重定位地震事件多在F1左盘附近，呈线性延伸至地下10km处，断裂倾角近直立，与地表露头所示的断面产状一致。地表露头揭露F2产状近直立，但因地震数据较少，其在盆地深部产状仍不明确，推测F2为与F1近平行的N倾断裂。BB′剖面穿过秦岭北缘断裂(F1)东段、渭河断裂和口镇-关山断裂。F1东段整体走向近EW，全长51km，地表露头显示断裂下盘为花岗岩，上盘为黄土，与黄土接触的断面上发育擦痕，指示F1东段为具走滑性质的左旋正断层； F2的性质变化不大； F3整体走向近EW，总长约100km，倾向S，倾角为40°～70°，断裂沿线发育的阶地位错、黄土陡坎与地裂缝等活动标志多集中分布于断裂西段(米丰收等，1993)。深部的地震事件基本分布在深度10km以内，同时可以发现口镇-关山断裂向深部延伸倾角变缓且具有一定的走滑性质。CC′剖面跨过渭河断裂(F2)和口镇-关山断裂(F3)，震源机制解揭示渭河断裂的断层性质为正断兼走滑。总体而言，渭河地堑剖面的地震活动性相对较弱，区域内部的断层以正断为主，兼有一定走滑性质。

图 11 B区域的剖面位置及地震事件剖面图Fig. 11 Sectional location map and seismic event profiles of region B.a 剖面分布图； b、c DD′和EE′剖面

B区域内发育有华山山前断裂(F4)、韩城断裂(F5)、双泉-临猗断裂(F6)、中条山山前断裂(F7)和罗云山山前断裂(F8)5条主要断裂，在此区域截取了DD′和EE′ 2条剖面，如图 11 所示。DD′剖面穿过双泉-临猗断裂、中条山山前断裂和韩城断裂，其中，中条山山前断裂和韩城断裂是围限侯马-运城盆地的主要断裂，双泉-临猗断裂则是侯马-运城盆地内部峨嵋台地隆起的南缘断裂。在地表，中条山山前断裂位于运城盆地与中条山之间，全长约130km，走向NEE—NE，断面倾向NNW—NW，倾角为60°～80°，为高角度正断层(司苏沛等，2014； 郭春杉等，2019)； 韩城断裂整体走向NE，长约120km，为高角度正断层(扈桂让等，2017)； 双泉-临猗断裂走向NE，断面总体S倾但出露不全，断裂下盘为黄土台地，上盘为运城盆地冲积平原，高差明显，指示断层为正断层。在深部，地震事件主要沿中条山山前断裂和韩城断裂分布，中条山山前断裂向盆地的分支断裂亦有揭露，与错断中条山山前洪积扇陡坎的断裂有较好的对应(田建梅等，2013)。中条山山前断裂和韩城断裂均显示出高角度的正断性质，与地表产状对应，而双泉-临猗断裂地震事件较少，活动性较弱。EE′剖面主要跨越罗云山山前断裂北端。罗云山山前断裂是临汾盆地西侧的控盆断裂，全长145km，总体走向NNE，其南段折向NWW后与韩城断裂相连，为高角度正断层(孙昌斌等，2011)。罗云山山前断裂的地震事件主要分布在深度10～20km之间，震源深度较大，大致勾勒出高角度的断裂面，与地表产状相对应。与A区域相比，B区域的地震活动性明显增强。

C区域(山西地堑系南部)内发育了霍山山前断裂(F9)、太谷断裂(F10)和交城断裂(F11)3条主要断裂，在此区域截取了FF′、GG′和HH′ 3条剖面，如图 12 所示。断裂调查显示，霍山山前断裂为临汾盆地东北侧的边界断裂，总体走向NNE，运动性质以正断为主，兼具右旋走滑性质(毕丽思等，2017)； 交城断裂是晋中盆地西界的控盆断裂，走向NE，长约125km，为SE倾正断层，倾角为50°～70°(孙昌斌等，2012)； 太谷断裂是晋中盆地东边界的控盆断裂，走向与交城断裂大致平行，全长约100km，为NW倾正断层。FF′剖面穿过霍山山前断裂南端，地震活动性更强，震源深度分布广，有少量地震事件的震源深度已超过30km，断裂带呈现出高角度正断层的特点，与地表产状相匹配。GG′剖面穿过太谷断裂和交城断裂，可以看出地震事件基本分布在2条断裂之间，指示盆地内部的地震活动较为频繁。HH′剖面跨越太谷断裂和交城断裂的北端，地震事件的震源深度主要集中在10～30km之间，且2条断裂的倾角很大，接近直立。与A、B区域相比，C区域的地震活动性最强。

图 12 C区域的剖面位置及地震事件剖面图Fig. 12 Sectional location map and seismic event profiles of region C.a 剖面分布图； b—d FF′、GG′、HH′剖面

4 结论

本研究选取了近年来渭河-运城盆地的震相报告资料，采用双差定位法对地震位置进行重定位，得到了8106个地震事件的重定位结果； 利用格点尝试法得到了346个MS≥2地震的震源机制解，并基于震源机制解结果通过应力张量阻尼反演方法使用MSATSI软件包反演获得该区域的应力场，得出了以下主要结论：

(1)渭河-运城盆地的地震事件重定位之后相较于定位前的分布更集中，大部分地震在断裂带附近密集分布； 根据截取的剖面可知，研究区域内大部分断裂的倾角较高，有的接近直立状态，如太谷断裂和交城断裂等。

(2)研究区域内的震源机制解类型以走滑型和正断型为主，断裂带的构造运动性质以走滑和正断为主。

致谢审稿专家对本文提出了中肯建议； 国家地震科学数据共享中心提供了地震震相报告； 德国地球科学研究中心(GFZ)提供了反演程序MSATSI； Waldhauser共享了双差定位程序； 万永革老师提供了计算不同震源机制的最小空间旋转角的程序； 文中图件使用GMT(Wesseletal.，2019)绘制。在此一并表示感谢！