河北臨城地震序列揭示的一條隱伏斷層

章陽 萬永革 陳婷 紀春玲 王時 牛淑瑜

1)河北省地震局，石家莊 050021 2)防災科技學院，河北三河 065201 3)河北省地震動力學重點實驗室，河北三河 065201

0 引言

2017年9月4日河北臨城(37.50°N，114.35°E)發生ML4.4地震，震源深度6km。震中位于太行山山前斷裂中段，為山西斷陷與華北斷陷過渡帶，屬構造較不穩定地帶。震中位于近NS向的元氏斷裂、NWW向的隆堯斷裂和NE向的晉縣斷裂交匯處附近，周圍構造背景復雜，發育NS向、NWW向、NNE向和NE向等多組構造(圖1)。此次地震處于邢臺地震余震區的NW分支，震中位于邢臺老震區的邊緣，4級以上地震平靜時間長，前人對這一區域的活動斷裂構造研究較少。活動斷層的幾何形態是地震危險性評估的一個重要參數，活動斷層幾何參數的獲得有利于研究本區域的地震活動危險性。

圖 1 臨城ML4.4地震地質構造背景、Ⅳ度烈度范圍及余震分布AA′為齊家莊-東雙井斷裂

確定活動斷層的幾何形態主要有挖探槽法(張培震等，2003；冉勇康等，2018)和地震反射探測法(劉保金等，2012；李燕等，2017；徐增波等，2019)。挖探槽法獲得深部斷層和淺部破裂可能存在較大差異，地震反射探測法在地球物理資料反演時可能存在多解性問題。近年來地震學發展了一種由余震震源位置的空間分布精確勾畫斷層面形狀和位置的方法。王鳴等(1992)利用小震數據求得1989年大同陽高地震斷層面，但其計算結果依賴初始模型，并非全局最優解，且未給出斷層走向和傾角的誤差以及斷層面滑動角的估算。萬永革等(2008)基于模擬退火算法全局搜索初始解，采用高斯牛頓法局部搜索求得最優解的方法，利用小震位置確定主震斷層面的走向和傾角。該方法不依賴于初始解，不僅可以全局搜索最優解，而且可以估計斷層走向和傾角的誤差，其穩定性和準確性均較高，已經被學者廣泛應用于地震發震斷層面參數的確定(楊超群等，2013；Wang et al，2014；盛書中等，2014；潘睿等，2015；胡曉輝等，2019)。確定發震斷層面的走向和傾角后，為了判定該斷層的滑動性質，需要根據區域構造應力場參數求解斷層面的滑動角。為此則需要搜集該地震序列周圍的震源機制，求解區域地殼應力張量。萬永革等(2015、2016)基于斷層滑動方向與剪切應力方向一致準則，提出根據震源機制資料求解區域應力場方向和相對大小的網格搜索法，并給出反演結果在一定置信度下的置信區間。該方法采用全局網格搜索應力場的最優解，避免局部極值產生，可以準確反演應力張量參數，獲得較為精確的主應力方向。

本文首先采用臨城地震序列精定位數據擬合斷層面的形狀，根據該地震周圍的歷史地震震源機制求解地殼應力張量，將地殼應力張量投影到擬合的斷層面上，得到該斷層的滑動角，并與前人得到的該地震的震源機制進行比較，確認發震斷裂的滑動性質，研究結果可為該地區的地質構造和地震孕育環境研究提供一定基礎。

1 隱伏斷層發現與確認

根據河北數字地震臺網觀測報告獲取河北臨城地震序列的震相數據和初始震源參數，選取2017年9月4日03時至9月30日24時共199個地震，利用hypoDD方法對地震序列重定位，選取地震到臺站的距離小于200km，地震對間的距離小于20km，采用共軛梯度法進行阻尼最小二乘(LSQR)求解，最終得到191個地震重定位事件，其中0～0.9級地震161個，1.0～1.9級地震23個，2.0～2.9級地震6個，4.0～4.9級地震1個。重定位后平均均方根殘差由0.57s降為0.079s。地震自西向東破裂，絕大多數余震均發生在主震東側，震中地質構造背景、烈度范圍、測震臺站分布及精定位余震分布見圖1。

該地震序列后續發生近200次余震，精定位余震分布在一個近EW向的條帶上，且Ⅳ度烈度形態也表現為EW長軸橢圓(河北省地震局，2018)，見圖1。距離震中最近的斷裂有元氏斷裂、晉縣斷裂和隆堯斷裂。元氏斷裂的總體走向為近NS向，傾向東，傾角約35°～40°，以正斷傾滑性質為主(吳鵬等，2017)，晉縣斷裂總體走向N40°E，傾向NW，傾角30°～40°，以正斷活動性質為主(徐杰等，2000)，而此次地震的震源機制為略帶正斷分量的走滑型地震(王莉嬋等，2018；王寧等，2019)，這2條斷裂均與此次地震序列的性質不符。隆堯斷裂總體走向為NWW向，傾向南，傾角60°以上，與本次地震序列的余震延伸方向較為吻合，但隆堯斷裂的位置距離震中較遠，且活動性質以正斷為主。因此，推測此次地震的發震斷層為一條前人未發現的近EW走向的隱伏斷層(根據其經過的地點本文稱之為齊家莊-東雙井斷裂)。

2 斷層面走向和傾角的確定

利用地震序列精定位數據擬合齊家莊-東雙井斷裂的走向和傾角，結果如圖2 所示。其中，圖2(a)為地震在水平面的分布及擬合出的斷層面，斷層面上的2個端點為A、A′；圖2(b)為地震在齊家莊-東雙井斷層上的展布；圖2(c)為沿斷層走向地震在斷層面兩側的分布情況，可以看出地震均勻分布在斷層面兩側，且地震震源深度優勢分布于2～8km；圖2(d)為斷層兩側地震距斷層距離的頻度分布，可以看出，地震優勢分布于主震斷層面1km范圍內。最終計算得到此次地震發震斷層的走向為92.21°，標準差0.27°，傾角為84.77°，標準差0.50°，平均反演后殘差為0.19km。

圖 2 臨城ML4.4地震序列分布情況(a)水平面；(b)斷層面；(c)垂直于斷層的橫斷面；(d)地震到斷層面距離

3 斷層面滑動角的確定

前文已論述，估計斷層的滑動角需要求解該地區的應力場，為此搜集震中周邊歷史地震的震源機制解(李欽祖等，1982；汪素云等，1991；許忠淮等，1994；徐錫偉等，2000；張宏志等，2007；李守勇等，2016；高彬等，2016；王曉山等，2017)。對于歷史比較久遠的地震，由于沒有數字地震波記錄，利用震源機制的P軸和T軸的走向和傾伏角求得斷層的走向、傾角和滑動角(萬永革，2016)。表1 列出ML≥3.5地震的震源機制解，具體分布如圖3 所示，其中1個為正斷型，5個為正走滑型，2個為逆走滑型，其余均為走滑型地震。

表 1臨城ML4.4地震附近ML≥3.5地震的震源機制解

圖 3 研究區域歷史地震的震源機制解黑線為研究區域的斷層；震源機制類型為，NS：正走滑型，SS：走滑型，NF：正斷型，TS：逆走滑型

根據搜集的震源機制解，利用Wan等(2016)提出的網格搜索法反演區域應力場參數，求解得到最優應力狀態的壓軸走向238.02°，傾伏角52.90°，95%置信度置信范圍分別為219.00°～247.98°和40.93°～74.71°；張軸走向331.19°，傾伏角2.40°，95%置信度置信范圍分別為328.19°～337.19°和-19.60°～14.40°；中間軸走向63°，傾伏角37°，95%置信度置信范圍分別為60.00°～69.00°和40.93°～74.71°，應力形因子R為0.4。具體結果如圖4 所示，與Wan(2010)反演的應力場結果基本相符。由于元氏斷裂西側歷史地震少，缺少震源機制解資料，因此求解距離震中最近的應力場用于計算斷層滑動性質。

圖4 區域應力場參數(a)及空間三維輻射花樣(b)(a)中綠色斷層面為95%置信度應力場的最大剪應力節面；大紅色箭頭為壓軸方向，大藍色箭頭為張軸方向，對應顏色的封閉曲線表示其不確定性范圍； 小紅色箭頭為理論滑動方向，小藍色箭頭為觀測滑動方向；R為應力型因子；(b)中紅色為膨脹區域，藍色為壓縮區域

根據前文求得的齊家莊-東雙井斷層的走向、傾角及其標準差，結合利用震源機制解資料反演得到的區域應力場參數，最終求得斷層面的滑動角為-12.21°，標準差為8.0242°。

4 討論

本文采用地震位置擬合斷層面，并根據周圍應力場數據得到斷層的滑動性質，這些結果應為地震的震源機制所驗證。為此搜集前人求得的該地震主震震源機制解，采用震源機制最小空間旋轉角的方法(萬永革，2019)，求得本文所得到的斷層滑動所代表的震源機制與前人求得的震源機制的最小三維空間旋轉角(表2)。結果表明，本文結果與王寧等(2019)結果的最小空間旋轉角相差最小，為15.56°，與王莉嬋等(2018)的結果相差最大，達29.88°。由此表明本文結果相對較準確。由于不同研究給出的震源機制結果具有一定的離散度(萬永革等，2001)，以各個震源機制結果作為初始解計算震源機制中心解(萬永革，2019)及最小三維空間旋轉角(表2)，發現本文結果與該地震的震源機制中心解相差最小，最小空間旋轉角為9.35°，進一步表明本文結果代表了齊家莊-東雙井斷裂的幾何形狀和滑動性質。

表 2不同研究得到臨城ML4.4地震震源機制解及其最小空間旋轉角

圖 5 區域應力場在各種形狀斷層面上的相對剪應力(a)和相對正應力(b)震源機制為圖4 所表達的應力場在對應走向和傾角下產生的；震源機制類型為，NS：正走滑型，SS：走滑型，NF：正斷型，TS：逆走滑型，U：不確定型，TF：逆斷型

對于本研究揭示的齊家莊-東雙井隱伏斷裂，由于地球物理資料有限，這里僅揭示其斷層的走向、傾角和滑動性質等信息，對于該斷裂的長度、延伸方向、年代及其與周圍隆堯斷裂、元氏斷裂的相互作用關系等信息，還需要通過其他地質觀測手段，如挖探槽、測年等地質手段進行補充。

5 結論

本研究通過地震精定位數據發現一條新的隱伏斷裂，將其命名為齊家莊-東雙井斷裂。利用小震擬合斷層面確定該斷裂的走向和傾角，通過搜集震中附近歷史地震震源機制解，并利用網格搜索法反演得到區域應力場參數，進而求得齊家莊-東雙井斷裂的滑動角及其誤差。結合周邊地質構造背景，分析了此次地震的發震構造及斷層性質。獲得的主要結論如下：

(1)利用臨城地震序列精定位資料和區域構造應力場計算得到臨城ML4.4地震所在的齊家莊-東雙井斷裂的走向為92.21°，傾角為84.77°，滑動角為 -12.21°，滑動角標準差為8.0242°。該斷裂為高傾角、傾向南的走滑型斷裂，深度延伸約10km。關于該斷裂的延伸長度、斷裂年代以及其與元氏斷裂和隆堯斷裂等的關系還需要其他地質調查進一步確定。

(2)計算區域應力場在齊家莊-東雙井斷裂上產生的相對剪應力和正應力分別為0.650和0.691。本次地震并非發生在最大剪應力節面上，也就是說該斷層并非在現今應力場下產生的，而是歷史地質作用過程中形成的一條薄弱帶，在現今應力場作用下薄弱帶破裂而發生了本次地震。

致謝：本文資料來源于河北省地震局，審稿專家提供了建設性修改意見，繪圖采用GMT軟件(Wessel et al，1998)和MATLAB軟件，特此致謝。