基于震源机制解分析邢台地震的发震构造

章 阳, 万永革, 赵志远, 陈 婷

(1. 河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站, 河北 邢台 054000;2. 河北省地震局, 河北 石家庄 050021; 3. 防灾科技学院, 河北 三河 065201;4. 河北省地震动力学重点实验室, 河北 三河 065201)

0 引言

邢台老震区构造背景复杂,发育NNE向、NE向、NWW向和近EW向等多组断裂。1966年邢台大地震后,众多学者对其发震构造展开大量研究。最初推测邢台地震主震震源是NE向的右旋断层,与束鹿断陷内的断裂相对应,但实际观察中未发现这一大型走滑断层。陈运泰等[1]根据地形变观测资料认为邢台地震的震源过程是一个复合断层模式,而非简单的单一断层模式;徐杰等[2]根据石油地质勘探资料和人工地震剖面研究认为邢台7.2级地震的发震断裂不是单一形式的新河断裂或其下方的高角度断裂,而是二者的组合,高角度断裂是发震断裂的主要部分;赵成斌等[3]根据深地震反射资料认为邢台地震的可能发震断裂是震源下方的超壳深高倾角走滑断裂;徐锡伟等[4]分析认为邢台地震群是在最新构造应力场作用下,受北西向断层或横向阻碍体作用形成“新生断层”的产物;邵志刚等[5]依据同震观测位移及数值模拟分析认为,邢台地震群发震断层浅层为倾向SE的NE向牛家桥断层和永福庄断层,而深部主断层为倾向NW的NE向断层;王椿镛等[6-7]研究认为邢台地震发震构造为中下地壳的深部断裂。综合前人研究成果发现邢台地震发震构造是深部断裂,而不是新河断裂。

为了定量研究该活动断层的性质,需求取该断层的几何参数。前人提出多种精确测定活动断层几何参数的方法,并取得丰富研究成果。对于出露地表的断层,可以通过实地踏勘测量出露断层面的几何形状[8]。对于未出露地表的隐伏断层,确定断层几何形状主要有挖探槽法[9-10]和地震反射探测法[11-13]。近年来地震学发展了一种利用余震震源位置的空间分布精确勾画断层面形状和位置的方法[14],被学者广泛应用于地震发震断层面参数的确定[15-19],该方法虽然优点明显,但是要求余震的丛集展布,如果余震未出现丛集,则该方法不适用,而且这种方法对震源定位精度要求较高。万永革[20]提出一种独立于地质、大地测量数据和小震定位结果的确定活动断层几何形状的方法,对发生在断层上的中小地震震源机制节面进行聚类分析,获取断层面走向和倾角,并给出其置信区间。同时将该方法应用到漾濞地震序列中,推测该地震序列的发震断层,与其他学者研究结果基本保持一致,进而验证该方法的有效性。

本文通过收集1966年邢台地震至今的震源机制解资料,对震源机制的节面进行聚类分析,推测丛集地震序列发震断层的几何形状。与前人研究结果比较,进而求取发震断层面的平均解。结合区域地壳应力张量,估计该断层的滑动方向及其误差。最后通过计算区域应力场在断层面上的相对剪应力和相对正应力分析该地区的地震活动危险性。

1 震源机制节面聚类

1.1 数据

依据前人研究成果[21-25],收集整理出邢台老震区128个地震的震源机制解(表1),地震序列基本沿着NNE向新河断裂展布。邢台及周边区域地质构造背景及震源机制解具体分布见图1。

图1 邢台地震序列地质构造背景及震源机制解分布Fig.1 Geological structure background and distribution of focal mechanism solutions of Xingtai earthquake sequence

表1 邢台地震序列震源机制解Table 1 Focal mechanism solutions of Xingtai earthquake sequence

将收集的128个地震震源机制解按照震源机制水平应变花面应变[26]分类,结果显示,正断型地震(N)有16个,占总体数量的12.5%;正走滑型地震(NS)有10个,占总体数量的7.81%;走滑型地震(SS)有90个,占总体数量的70.31%;逆走滑型地震(RS)有8个,占总体数量的6.25%;逆断型地震(R)有4个,占总体数量的3.13%[图2(a)]。将地震序列震源机制解进行总体分析,得到邢台老震区地震序列的总体震源机制[图2(a)中‘Δ’处]节面1的走向、倾角和滑动角分别为190.34°,86.88°和-179.96°,节面2的走向、倾角和滑动角分别为100.34°,89.96°和-3.12°,属于走滑型地震,具体见图2(b)。

图2 邢台地震序列的震源机制分类及总体特征Fig.2 Classification and overall characteristics of focal mechanisms of Xingtai earthquake sequence

1.2 震源机制节面聚类方法

震源机制节面聚类方法是一种独立于地质资料、大地测量数据和小震定位结果的空间聚类方法。相比较挖探槽法,该方法不存在深部断裂和浅部断裂的差异;相比较地震反射探测法,该方法无需耗费大量人力物力,且不存在地球物理资料反演的多解性问题;相比较余震震源位置确定断层面几何参数方法,该方法不依赖余震的丛集展布,且对地震定位精度要求不高。万永革[20]将震源机制节面聚类方法应用于2021年云南漾濞地震序列中,得到了与该地震序列的地震分布走向大体一致的两个分支断裂带,验证了该种方法的有效性,同时给出结果的置信区间。随着数字地震台网的不断加密,更多中小地震震源机制资料的获取可以进一步丰富该方法的扩展应用。

根据震源机制两个节面的法向矢量,求解多个震源机制法向之间的夹角,对多个震源机制的多个节面按照其法向夹角作为距离进行聚类分析,聚类完成后求得与活动断层走向较为一致的类,其中心就包含活动断层面的几何参数,通过计算节面与类中心夹角的标准差,估计活动断层几何参数的标准差。具体计算方法参考万永革[20]一文,对震源机制的节面进行聚类分析,提取断层几何信息,得到断层面的走向和倾角,并给出其置信区间。

1.3 活动断层几何参数的确定

采用节面聚类方法对收集到的地震序列震源机制(128个震源机制,256个节面)进行聚类,可以得到两簇聚类中心。第一簇节面数为20,其中心节面法向的走向为105.90°,倾伏角为13.97°,标准差为11.12°,其中心节面的断层面走向为195.90°,置信区间为190.91°～200.89°,倾角为76.03°,置信区间为71.16°～80.91°;第二簇节面数为35,其断层面法向的走向为200.42°,倾伏角为3.13°,标准差为18.81°,其中心节面的断层面走向为 290.42°,置信区间为 283.29°～297.55°,倾角为86.87°,置信区间为77.61°～87.13°;第一类和第二类的类中心节面的夹角为86.38°,接近垂直。噪声节面数据个数为73个,并且在全空间分布,较为随机。具体结果见图3。震源机制节面聚类方法得到两个聚类面,断层面1走向195.90°,倾角76.03°,断层面2走向 290.42°,倾角86.87°,结合震中附近地质构造特征,判断断层面1为发震破裂面,断层面2为破裂辅助面。震源机制节面聚类方法独立于地质资料、大地测量数据和小震定位结果,并且计算结果与实际地质构造相符,与前人关于邢台地震发震构造的研究结果也保持一致,进而显示出该方法的有效性和优越性。

注:震源机制节面采用绿色弧线表示,聚类中心节面采用红色弧线表示。黑点表示震源机制节面的极点位置,红点表示聚类中心的极点位置。聚类中心极点周围的蓝绿色椭圆为聚类中心的误差范围图3 邢台地震序列震源机制聚类结果Fig.3 Clustering results of focal mechanisms of Xingtai earthquake sequence

2 邢台地震断层面平均解

将邢台地震序列震源机制总体特征、震源机制节面聚类结果、前人通过不同资料和方法得到邢台地震断层面结果以及7.2级地震断层面解进行比较(表2)。发现断层面走向有一定的差异性,但整体显示出较好的一致性,倾角基本一致。为综合分析邢台地震的发震构造,根据表2的12组断层面结果计算断层面平均解,具体结果见图4。最终得到邢台地震断层面走向为32.45°,误差范围357.15°～67.76°,倾角为79.44°,误差范围66.33°～87.45°。该断层为NNE走向的高倾角型断层。断层面平均解与震源机制节面聚类结果有一定的差异,造成差异的可能原因是地震震源机制解数据的不确定性,会导致聚类结果的不稳定,早期的地震序列由于观测资料和研究方法的局限,震源机制解结果的精度有待商榷,而且大地震破裂后会导致周边应力场发生较大的变化,使得震源机制辅助面有较大差异。

注:黑色虚线为表2断层面解,红色实线为断层面平均解。红色五角星为断层面平均解的中心点图4 邢台地震发震断层面平均解Fig.4 Average solution of the fault plane of Xingtai earthquake

表2 邢台地震的断层面几何参数Table 2 Geometric parameters of the fault plane for Xingtai earthquake

3 邢台地震断层面滑动性质

为判断断层的滑动性质,我们结合区域构造应力场参数求解该断层的滑动角。首先根据收集的震源机制解反演区域构造应力场[33-34],按照应力张量在断层面上的剪应力方向与断层滑动方向最为一致准则,联合采用擦痕数据和定性断层滑动数据,读取搜索空间间隔和置信度,采用网格搜索法求解应力场,并给出反演参数的一定置信度下的置信区间。求解得到最优应力状态的压轴走向60.04°,倾伏角24.49°,95%置信度置信范围分别为59.32°～65.04°和16.99°～28.21°;张轴走向153.80°,倾伏角8.21°,95%置信度置信范围分别为153.30°～158.80°和4.21°～16.21°;中间轴走向261.00°,倾伏角64.00°,95%置信度置信范围分别为260.50°～266.00°和60.00°～72.00°,应力形因子R为0.2,主压应力轴方向为NEE向,主张应力轴方向为NWW向。将地壳应力张量投影到断层面上,最终求得断层面的滑动角为-153.96°,标准差为4.55°。该断层为走向NNE、倾向NWW的高倾角走滑型断层,这与收集的邢台老震区地震序列的总体震源机制一致。本研究得到的这条走滑型断层可以为该地区的地质构造和地震孕育环境分析提供更丰富的资料。

4 讨论

前人利用深地震反射剖面揭示邢台老震区地壳内存在一个从高到低角度的铲状断裂,上地壳到中、下地壳存在一个沿NWW-SEE方向伸展的滑脱面。同时根据反射界面的连续性和倾向,推断存在一条高倾角的走滑性质的超壳断裂,认为这可能是邢台地震的发震断层。本文结合多种数据综合分析,最后确定邢台地震的发震构造为走向NNE、倾向NWW方向的高倾角走滑型断层。把浅层的正断性质的新河断裂作为发震断层是不合适的,这也进一步论证前人研究结果。

为进一步分析该断层的地震活动危险性,我们按照万永革[35]提出的震源机制与应力体系关系模拟方法计算该应力张量下的各种形状的断层面上的相对剪应力和相对正应力分布(图5)。将震源机制节面的剪应力和正应力用最大剪应力归一化即得到相对剪应力和相对正应力,图5(a)为相对剪应力分布,最大剪应力在走向100°、倾角70°和走向200°、倾角70°的断层面上,最小剪应力在走向150°、倾角70°和走向350°、倾角30°的断层面上。图5(b)为相对正应力分布,最大正应力在走向60°,倾角90°和走向240°,倾角80°的断层面上,最小正应力在走向150°、倾角70°和走向330°、倾角90°的断层面上。区域地壳应力场在该断层面上的相对剪应力为0.83,相对正应力为0.59,该断层不是最大剪应力的断层面形状。虽然这条断层与反演的现今应力场的最大释放应力方向不一致,但是剪应力强度仍然比较大,该断层在地震能量积累和释放过程中仍起到必不可少的作用。后续这条断层还将会是该区域的一条主要发震断层,对于研判区域地震活动危险性具有一定的指示意义。

注:NS为正走滑型,SS为走滑型,N为正断型,RS为逆走滑型,R为逆断型图5 区域应力场在各种形状断层面上的相对剪应力和相对正应力Fig.5 Relative shear stress and relative normal stress of the regional stress field on various shapes of fault plane

5 结论

本文根据独立于地震波资料、大地测量资料和地质资料等之外的确定活动断层几何形状的震源机制节面聚类方法,收集邢台及周边区域的震源机制解资料,确定活动断层的走向和倾角,并给出其标准差。与前人研究结果对比,综合求取发震断层面的平均解,结合区域地壳应力张量,估计该断层的滑动方向及其误差,进而分析该区域的地震活动危险性。主要获得以下结论:

(1) 邢台地震发震断层的走向32.45°,倾角79.44°,滑动角-153.96°,标准差为4.55°。该断层为走向NNE、倾向NWW的高倾角走滑型断层,而非正断性质的新河断裂。该断层几何形状的确定对于后续该区域的地震孕育环境及地震发震构造具有很好的参考价值。

(2) 计算区域地壳应力场在断层面上产生的相对剪应力为0.83,相对正应力为0.59。该断层不是最大剪应力的断层面形状,但应力场在这条断层上的剪应力强度仍较大,该断层在地震能量积累和释放过程中仍起到必不可少的作用。后续这条断层还将会是该区域的一条主要发震断层,对于研判区域地震活动危险性具有一定的指示意义。