華北地區中部地震精定位與構造應力場研究1

胡幸平 崔效鋒

（中國地震局地殼應力研究所，北京 100085）

引言

本文的研究區域為北緯 36°—39.5°，東經 114°—117.5°，位于華北地區中部的平原區。區內構造復雜，發育了一定規模的活動斷層，主要有北北東－北東和北西向兩組，其中又以北北東－北東向為主。區內小震活動比較豐富，其中，邢臺至衡水之間的新河斷裂地震活動相當頻繁，在1966年曾發生過6.8級和7.2級的大地震。地震定位是地震活動性以及活動構造等方面研究的重要基礎資料，構造應力場是地震孕育發生的力學背景，是地震動力學的重要研究內容。對研究區開展地震定位和構造應力場研究，對于認識區內地震活動、斷層構造以及地震孕育發生力學環境具有十分重要的研究意義。

速度結構和震相到時的拾取精度是影響地震震源位置精度的重要因素。雙差法（Double Difference Algorithm）（Waldhauser等，2000）是一種適用于大范圍地震的同時相對定位方法，能夠有效減小速度模型引起的定位誤差。另外，采用波形互相關技術讀取相對到時可以有效地減小人工拾取震相到時的誤差。當兩個地震震源位置相近且震源機制解相似時，同一臺站記錄到的波形也相似，利用波形的相似性可以獲得精確的震相到時差，從而提高雙差定位結果的精度。因此，波形互相關技術也被越來越多的學者應用到雙差法地震定位的研究中（Schaff等，2004；2005；Hauksson等，2005；Shearer等，2005；Cai等，2011）。震源機制解分析是研究構造應力場，尤其是地殼深部應力狀態的重要手段。在求解震源機制解的各種方法中，利用P波初動極性數據的格點嘗試法（許忠淮等，1983；俞春泉等，2009）是比較成熟和可靠的方法，得到了很多學者的應用（許忠淮等，1989；胡幸平等，2008；崔效鋒等，2011）。

對于本文研究的華北地區中部，很多學者采用雙差法開展過小震精定位研究（于湘偉等，2010；張廣偉等，2011），也有一些學者利用震源機制資料分析了區內的構造應力場（許忠淮等，1983；崔效鋒等，2001；周翠英等，2001；李瑞莎等，2008），取得了豐富的研究成果。然而，在以往的定位中很多都沒有考慮利用波形互相關獲取到時差來提高定位精度；在前人的構造應力場研究中，與小震精定位相結合的比較少；而這二者的結合，可以提高利用震源機制資料研究構造應力場的可靠性。為此，本文利用波形互相關獲取震相到時差，采用雙差定位法，對研究區內小震進行精確重定位，并結合精定位結果利用區內地震資料，對華北地區中部的構造應力環境進行分析。

1 小震精定位

1.1 地震資料及定位參數

本文搜集了2008年1月至2012年12月河北測震臺網記錄截取的地震事件波形，并根據河北地震局提供的地震目錄，選取了研究區內741次地震事件的波形文件。圖1展示了所選取的地震初始震中分布以及所用的臺站位置。首先對這些地震事件波形的P波及S波到時進行人工讀取，挑選出可靠的到時數據，初步讀取P波及S波到時數據共計18764條。然后，依據人工讀取的到時數據，利用編寫的互相關到時計算程序，計算了地震事件對之間的精確到時差。重定位所采用的一維速度模型是Lei等（2008）綜合前人的研究成果給出的。

雙差定位法程序提供了兩種求解方法：奇異值分解法（SVD）以及共軛梯度法（LSQR）。奇異值分解法（SVD）能夠有效地反映出求解結果的誤差以及結果的可靠性，對于地震數目較少的（大約為 100）小規模地震系統求解運算，具有一定的優勢；然而如果需要求解的地震系統較大，即地震數據較多，奇異值分解法（SVD）的效率就比較低，應當采用共軛梯度法（LSQR）。本文對地震數目超過 100的地震簇采用共軛梯度法（LSQR）進行計算，而對于其余地震簇，采用奇異值分解法（SVD），并在求解運算中，根據程序運行反饋的信息，調整求解參數，保證求解結果的可靠性。

1.2 地震重定位結果

本文結合讀取的震相到時數據和互相關到時差數據，采用Lei等（2008）給出的一維速度模型，利用雙差定位法，對研究區內地震進行精確重定位，得到了468個地震事件的精確重定位結果（圖2）。其中，地震數目最多（254個）的地震簇，采用共軛梯度法（LSQR）求解，得到重定位結果239個，平均均方根殘差約為0.12s，最大均方根殘差約為0.40s，其余數量較少的地震簇，采用奇異值分解法（SVD）求解，其均方根殘差普遍更小，有些地震簇的殘差在1ms的量級。此外，互相關到時差數據的走時殘差明顯比震相到時數據的走時殘差小。

圖2展示了重定位前后地震事件震中的平面分布，可以看出，相對于分布寬泛的初始定位，重定位之后的結果總體上更為集中，線性分布更好。邢臺市至衡水市存在一條明顯的地震密集條帶，與新河斷裂（鄧起東，2007）展布相一致，因此可以推斷這些地震應為新河斷裂控制發生的地震。除此之外，其余地震分布較多的區域還有研究區的西南角和東北角。

圖1 地震初始震中及附近臺站分布圖Fig. 1 Initial epicenters (black dot) and seismic stations (blue triangle)

圖2 初始定位與重定位結果Fig. 2 Initial epicenters and relocation epicenters (red dot)

另外，從深度分布（圖 3）上看，重定位使震源位置得到了一定程度的改善。重定位后地震多分布在5—15km深度范圍內，深度在8—10km的地震數目較多，而且分布形態更接近于正態分布，結果更為合理。

如上文所述，研究區最密集的地震條帶對應著新河斷裂，為了進一步分析該地震帶，本文通過AA’和BB’兩個剖面對該地震條帶進行了剖面投影，兩個剖面的位置見圖2（b）。從兩個剖面上的投影（圖 4）可以看出，該地震條帶內的地震震源主要分布于 5—15km 深度范圍內；地震線性集中度較高，地震帶分布寬度在10km以內。

圖3 重定位前后深度分布比例圖Fig. 3 Depth distribution of initial location(a) and after relocation (b)

圖4 AA’及BB’剖面投影圖及推斷斷層構造Fig. 4 Profile projection of AA’ and BB’

如果認為該地震條帶受新河斷裂控制，則可以根據精定位后地震分布推測新河斷裂的空間取向：從平面分布（圖2b）可以得出，新河斷裂整體沿北東—南西向，走向為北偏東35°；由圖 2（b）和圖 4中跨斷層剖面投影（BB’向）可以看出，地震存在上寬下窄的楔形分布特征，存在傾向東南和傾向西北的兩個線性條帶，這可能對應著兩條高角度斷層組成的地塹（Wang等，1997），其中，傾向東南線性條帶的地震更多、線性特征更明顯些，可能對應著該處的主要斷層構造。另外，大部分地震分布在很窄的條帶內（5km左右），而深度跨度為15km，因此，斷層的傾角很大，在70°以上。

2 震源機制解及構造應力場分析

本文在人工讀取震相到時的同時，還逐一判讀了P波初動極性，再根據雙差定位的結果，剔除到時殘差較大的P波數據，最終篩選出射線參數較好、走時殘差較小的高質量P波初動極性數據2205條。

同時還采用改進的格點嘗試法（俞春泉等，2009），依據篩選出的2205條P波初動極性數據，對研究區的單個地震震源機制解和綜合斷層面解進行了求解。在具體計算過程中，無論是求解單個地震的震源機制解，還是求解綜合斷層面解，均對所有可能解的三維參數空間以步長5°×5°×5°進行掃描，選取加權矛盾比ψ介于極小值ψmin和ψmin+5%之間的解作為可選解（解的離散區），然后通過聚類分析和解的穩定性檢驗，確定最終單個地震震源機制解和綜合斷層面解。

2.1 單個地震震源機制解

研究區內重定位得到的468個地震中，僅有6個地震事件P波初動極性資料充足，可以通過聚類分析和穩定性檢驗得出穩定可靠的震源機制解（圖5，表1）。

從圖5及表1可以看出，能夠計算出可靠震源機制解的5個地震中，有3個分布在新河斷裂附近，震級分別為3.9、3.7、2.3級，震源機制均為走滑型，其P軸為北東東—南西西向，T軸為北北西—南南東向；2個位于保定市以北，震級分別為3.9、3.3級，二者發震時間比較接近，震源機制十分相似，可以視為1次雙震事件，其震源機制解為正斷型，P軸為北東東—南西西向，B軸為北西西—南東東向，T軸為北北東—南南西向；1個位于邯鄲市以西，震級為2.8級，震源機制解為P軸近東西向、B軸北東東—南西西向、T軸北北西—南南東向的正走滑型。

圖5 單個地震震源機制解Fig. 5 Focal mechanism solution of single earthquake

表1 單個地震震源機制解Table 1 Focal mechanism solution of single earthquake

2.2 綜合斷層面解

由于研究區內大部分地震震級較小，P波初動極性數據不足以計算可靠的單個地震震源機制解，而這些地震的震源信息對于全面認識研究區內地震機制和構造應力場也具有重要的意義。這是因為，單個地震震源機制解的P、B、T軸反映的是地震前后震源區應力狀態的變化，不是震源區實際構造應力的主方向，而小震綜合斷層面解是依據大量的小震觀測資料給出的多個地震平均節面解，其P、B、T軸可以看成多個小震的平均結果，可以用來推斷構造應力主方向。為此，本文采用兩種方式，計算了研究區的綜合斷層面解。

（1）整體綜合斷層面解

首先，采用改進的格點嘗試法（俞春泉等，2009），對讀取的研究區2205條質量可靠的P波初動極性數據進行了計算，求取了研究區整體綜合斷層面解，計算結果見表2及圖6。

表2 整體綜合斷層面解Table 2 Compositive fault plane solution using all data in the region

從研究區內整體綜合斷層面解可以看出，研究區整體的構造應力場為最大主應力軸北東東—南西西向（71°），最小主應力軸北北西—南南東向（341°）的走滑型應力狀態。該結果矛盾比達到0.33，相對較大，因此，應該對區內地震進行分組，分別計算綜合斷層面解。

（2）按重定位分簇計算綜合斷層面解

在地震定位時，定位程序根據地震之間的距離，對地震進行了分簇。根據該分簇結果，求解了6個分簇的綜合斷層面解（圖7，表3）。

由圖7和表3可以看出，6個分簇的綜合斷層面解的P軸基本上都在北東東—南西西向，除了保定以北的地震簇（序號 5）之外，其它分簇的綜合斷層面解差別都比較小，并且與區內整體綜合斷層面解（圖6，表2）較為一致，這進一步表明研究區為最大主應力軸北東東—南西西向，最小主應力軸北北西—南南東向的走滑型應力狀態。保定以北的綜合解（序號5）與其它地區以及整體綜合斷層面解差別較大，有可能是由于該處地震數量較少，綜合斷層面解更多地反映的是個別地震的震源機制特征，不能很好地反映區域構造應力場特征。

表3 分簇綜合斷層面解Table 3 Compositive fault plane solution of each cluster according to relocation result

圖6 整體綜合斷層面解Fig. 6 Compositive fault plane solution using all data in the region

圖7 重定位分簇綜合斷層面解Fig. 7 Compositive fault plane solution of each cluster according to relocation result

2.3 研究區內已有應力資料分析

“中國大陸地殼應力環境基礎數據庫”集成了遍布中國大陸及周邊地區的六大類應力數據，包括震源機制解、斷層滑動應力數據、原地應力測量結果等（謝富仁等，2007）。結合對研究區及周邊已有應力資料的綜合分析，能夠更全面地研究該地區的構造應力環境。

通過查詢，發現研究區內共有應力數據93條（圖8），其中斷層滑動數據2條，水壓致裂數據5條，應力解除數據18條，鉆孔崩落數據34條，以及震源機制數據34條。本文對這些應力數據的水平最大主應力方向進行了統計，統計結果（圖 9）顯示，各類應力數據給出的水平最大主應力方向一致性較好，為北東東—南西西向，優勢方位為70°—80°。新河斷裂附近應力數據比較密集，以震源機制解數據為主，各類應力數據顯示的構造應力場水平最大主應力方位基本都沿著北東東—南西西向，一致性比整個區域好。

圖8 研究區及周邊各類應力數據Fig. 8 Previous stress data in central North China and adjacent areas

圖9 研究區應力數據水平最大主應力方位統計圖Fig. 9 Statistical graph of azimuth of maximum principle stress of previous stress data in central North China and adjacent areas

3 結論

（1）采用雙差法對華北地區中部2008年1月至2012年12月期間發生的741次地震進行了重定位，獲得了468個地震的精確重定位結果。相比于初始結果，精定位結果在平面分布上更為集中，線性分布更好；在深度上，多分布于5—15km范圍內，更接近于正態分布，結果更為合理。邢臺至衡水之間，存在明顯的地震集中分布帶，對應著新河斷裂。根據重定位地震分布，推斷新河斷裂整體走向約為北偏東35°，傾角很高。

（2）結合地震精定位結果，利用P波初動極性，采用改進的格點嘗試法，計算了研究區內單個地震震源機制解，并采用兩種方式計算了研究區小震綜合斷層面解。結果顯示，除保定以北的單個地震震源機制解和小震綜合斷層面解外，研究區的單個地震震源機制解和小震綜合斷層面解均比較一致，表明研究區構造應力場為最大主應力軸北東東—南西西向，最小主應力軸北北西—南南東向的走滑型應力狀態。這與“中國大陸地殼應力環境基礎數據庫”中已有的歷史應力數據分析得出的認識相一致，說明華北地區中部現今構造應力場保持穩定。本文的研究結果與以往學者對華北地區構造應力場的認識（許忠淮等，1983；崔效鋒等，2001；李瑞莎等，2008）也是一致的。

致謝：在收集地震目錄和地震數字波形文件過程中，河北省地震局的張從珍和張子廣高級工程師提供了大量幫助，在此表示衷心感謝！

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