2021年灤州MS4.3地震和2015年昌黎MS4.2地震震源參數及構造意義研究

2022-11-30 09:49:32董一兵王熠熙

大地測量與地球動力學 2022年12期

李赫董一兵王熠熙

1 天津市地震局，天津市友誼路19號，300201 2 河北經貿大學信息技術學院，石家莊市學府路47號，050061 3中國科學院精密測量科學與技術創新研究院大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢市徐東大街340號，430077

近年來，唐山地區接連發生MS≥4.0地震，地震活動呈增強趨勢。2021-04-16唐山灤州發生MS4.3地震，其震中距離2015年昌黎MS4.2地震和1976年灤州MS7.1地震分別為9 km和10 km(圖1(a))，灤州MS4.3地震對唐山地區未來地震危險性是否具有指示意義，3次地震之間是否存在成因關聯，都是亟需厘清的科學問題。地震學研究表明，唐山地區地震活動可能與殼內高、低速層相間分布的包體現象有一定關系，即低速層比較軟弱，難以積累應變能，當地殼受力時容易發生蠕變，將應力傳遞給上部地殼，并在其內部形成應力集中，從而引發地震[1-3]。唐山東部及鄰區(灤州-昌黎)沉積蓋層厚度約為3～4 km[4]，且該區臺網密度較低，對震源深度結果的準確性有一定影響，而準確的震源深度是探討地震成因的先決條件。

目前，關于灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及灤州MS7.1地震的發震構造及成因聯系的認識較少。本文基于京津冀地區地震臺網的觀測資料，首先采用CAP方法[5-6]反演灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機制及矩心深度，然后利用近震深度震相[7]獲得準確的震源深度結果，最后采用雙差定位法[8]確定灤州MS4.3地震序列及昌黎MS4.2地震序列的震源分布，并結合該區地質構造資料及灤州MS7.1地震震源參數結果，深入分析發震構造及成因關聯，為認識唐山東部地區的地震活動及構造意義等提供幫助。

1 地震震源機制解

灤州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震發生于唐山東部地區(圖1(b))，該區地殼速度結構較為復雜，不僅具有較厚的沉積層，而且還有顯著的低速層等[4,9-13]。因此，本文將充分考慮已有研究成果[4,9-13]，并參考Crust1.0地殼模型，構建研究區速度模型(圖2)。

圖1 京津冀地震臺站和灤州MS7.1地震、灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及昌黎MS3.3地震震中位置及斷裂分布Fig.1 Distribution map of Beijing-Tianjin-Hebei stations and epicenters of Luanzhou MS7.1 earthquake,Luanzhou MS4.3 earthquake and Changli MS4.2 earthquake,Changli MS3.3 earthquake along with the faluts around

圖2 灤州-昌黎震源區地殼速度模型Fig.2 Crustal velocity model of the Luanzhou-Changli source area

基于圖2地殼速度模型，選取京津冀地區地震臺網中位于灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震震中距350 km范圍內信噪比高且分布較均勻的臺站寬頻帶波形資料，選用CAP方法計算地震震源機制解及矩心深度。CAP方法受觀測資料數量及臺站分布等影響較小[5-6]，有利于獲得可靠的震源機制解結果。另外，體波和面波的相對強度及體波部分中包含的深度震相信息可很好地測定地震震源深度[5-6]，為發震構造的確定及孕震機理的分析等提供重要依據。反演計算時濾波頻段分別設定為0.05～0.15 Hz(體波)和0.05～0.1 Hz(面波)。

圖3(a)～5(a)分別展示了灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機制解和最優擬合深度時部分臺站理論波形與觀測波形的擬合情況，其中灤州MS4.3地震12個臺站體波與面波共有51個震相，相關系數大于80%的占86.3%，昌黎MS4.2地震12個臺站體波與面波共有45個震相，相關系數大于80%的占91.1%，昌黎MS3.3地震10個臺站體波與面波共有44個震相，相關系數大于80%的占81.8%，滿足震源機制解可靠性條件[14]。由表1可知，3次地震同為走滑型地震，P軸方位角分別為257°、57°和54°，表現為近NWW-SEE向，與渤海灣盆地區域構造應力場較為吻合[1,15]。

波形左側數據依次為臺站名、震中距(單位km)及方位角(單位(°))，波形下方的數字表示理論波形相對于實際波形的移動時間(單位s)及二者的相關系數圖4 昌黎MS4.2地震震源機制解Fig.4 Focal mechanism solutions of the Changli MS4.2 earthquake

波形左側數據依次為臺站名、震中距(單位km)及方位角(單位(°))，波形下方的數字表示理論波形相對于實際波形的移動時間(單位s)及二者的相關系數圖5 昌黎MS3.3地震震源機制解Fig.5 Focal mechanism solutions of the Changli MS3.3 earthquake

為進一步確認震源機制解及矩心深度結果的準確性，基于不同的速度模型[16]，采用CAP方法對灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震重新開展反演計算，結果基本一致(表1)，表明該結果較為準確，3次地震的最優擬合深度分別為8 km、11 km和10 km。

2 地震震源深度

準確的地震震源深度是確定發震構造及成因的關鍵震源參數[18]，為此本文采用近震深度震相測定灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源深度。通過對上述地震波形資料開展分析發現，在距灤州MS4.3地震震中32 km 的昌黎臺(CLI)和61 km的遷西臺(QIX)徑向分量上有較清晰的sPL近震深度震相(圖6)，在距昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震震中42 km的陡河臺(DOH)徑向分量上有較清晰的sPL近震深度震相(圖7)。本文首先基于F-K方法[19]計算上述臺站的理論地震波形，然后將其與觀測波形資料進行對比。如圖6～7所示，在8 km 及10.5 km深度處觀測波形sPL深度震相與其理論地震波形擬合較好，與CAP方法反演3次地震獲得的最優擬合深度較吻合。

黑色波形為合成地震波形，紅色波形為實測波形，積分至位移，采用1 Hz低通濾波圖6 采用sPL深度震相測定灤州MS4.3地震震源深度Fig.6 Resolving focal depth for Luanzhou MS4.3 earthquake with sPL wave

黑色波形為合成地震波形，紅色波形為實測波形，積分至位移，采用1 Hz低通濾波圖7 采用sPL深度震相測定昌黎MS4.2地震和昌黎MS3.3地震震源深度Fig.7 Resolving focal depth for Changli MS4.2 earthquake and Changli MS3.3 with sPL wave

3 地震序列重定位

灤州MS4.3地震序列及昌黎MS4.2地震序列的活動特征存在一定差異，其中灤州地震序列余震活動較為豐富，而昌黎地震序列余震與前震活動均較少。根據中國地震正式目錄，截至2021-05-01 06:00記錄到的灤州MS4.3地震序列中ML≥1.0地震18次，其中ML1.0～1.9地震14次，ML2.0～2.9地震3次，ML≥4.0地震1次；截至2015-10-08 15:00記錄到的昌黎MS4.2地震序列中ML≥1.0地震13次，其中前震5次，余震7次，ML1.0～1.9地震7次，ML2.0～2.9地震4次，ML3.0～3.9地震1次，ML≥4.0地震1次，最大余震為ML3.9。

基于震中距200 km范圍內臺站記錄到的震相信息和圖2地殼速度模型，采用雙差定位法中奇異值分解法對地震序列進行重定位，得到震源位置分布。灤州MS4.3及昌黎MS4.2地震序列定位結果誤差分別為NS向72.5 m和70.2 m，EW向62.3 m和68.5 m，UD向88.3 m和87.7 m；灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震中位置分別為39.756 3°N、118.723 4°E，39.736 0°N、118.798 0°E和39.735 5°N、118.797 9°E，震源初始破裂深度分別為8.5 km、11.0 km和10.8 km，與其他方法測定的結果基本一致。如圖8所示，2次地震序列的震源分布總體呈NNE向展布，長軸BB＇分別約為1.4 km和0.6 km，短軸AA＇分別約為0.5 km和0.3 km，震源深度分布范圍為7.6～8.5 km和10.1～11.0 km，余震及前震均位于主震之上，表明2次地震均是由深部向淺部破裂。2次地震序列的短軸剖面顯示，發震斷層面傾向近垂直，傾角陡立。綜上可知，灤州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震的發震構造特征較為一致，均具有走向NNE、傾向近垂直、傾角陡立的特點，與表1中節面Ⅰ產狀基本吻合。

表1 基于不同速度模型反演得到地震震源機制解及矩心深度、灤州MS7.1地震震源機制解和震源深度

圖8 灤州MS4.3和昌黎MS4.2地震序列重定位結果Fig.8 Relocated results of Luanzhou MS4.3 and Changli MS4.2 earthquake sequences

4 發震構造分析

綜合灤州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震的震源機制解、震源深度及重定位結果，推測其發震斷層同為走向NNE、傾角近垂直的走滑斷裂。灤州地震和昌黎地震的震中區域存在幾條先存斷裂，即灤縣-樂亭斷裂西北段、盧龍斷裂、寧河-昌黎斷裂、豐臺-野雞坨斷裂、巍山-長山南坡斷裂、唐山-古冶斷裂和陡河斷裂(圖1(b))。灤縣-樂亭斷裂西北段為走向NNE、傾向NE、傾角約42°的逆斷層，盧龍斷裂為走向NNE、傾向NW、傾角約60°～75°的正斷層，寧河-昌黎斷裂為走向NEE、傾向SE、傾角70°～80°的正斷層，豐臺-野雞坨斷裂為走向NE、傾向NW、傾角60°～80°的正斷層，巍山-長山南坡斷裂為走向NE、傾向NW的高傾角逆斷層，唐山-古冶斷裂為走向NE、傾向NW、傾角70°～80°的逆斷層，陡河斷裂為走向NE、傾向SE的高傾角逆斷層[1,3,17,20-21]。通過對比發震斷層面參數與斷裂產狀發現，這些斷層并不是灤州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震的發震斷裂。已有研究成果表明，灤州MS7.1地震的主要破裂方向為NNE向，結合其震源機制解結果認為，節面Ⅰ為發震斷層面(表1)，即走向NNE、高傾角的走滑斷裂[17]。比較該地震發震斷層面參數與上述斷裂產狀認為，兩者并不相符，由此推測，這3次地震的發震構造并不是上地殼的先存斷裂，可能與震源區深部構造背景密切相關。

研究結果表明，唐山地區的地震活動與該區復雜的地殼結構有關，莫霍面的局部隆起及殼內高、低速體交錯的包體現象是地震發生的重要基礎[1-3]。灤州MS7.1地震、灤州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震的震源深度分別為10 km、8 km和10.5 km，灤州MS7.1地震震中附近約12～19 km深度范圍內存在低速層，即該地震發生于低速層頂部偏剛性的一側[12-13]，推測灤州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震可能也發生于該位置。

5 結語

為分析2021年灤州MS4.3地震及2015年昌黎MS4.2地震的發震構造及其與1976年灤州MS7.1地震的成因關聯，基于京津冀地區地震臺網觀測資料，利用CAP方法反演灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機制及矩心深度，然后采用近震深度震相獲得更為準確的震源深度，并結合雙差定位法獲得地震序列震源分布結果。通過將震源參數結果與區域地質構造資料及灤州MS7.1地震的震源參數結果進行對比分析，獲得如下認識：

1)灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源機制解分別為：節面Ⅰ(走向/傾角/滑動角)211°/85°/168°、189°/68°/161°、190°/61°/170°，節面Ⅱ(走向/傾角/滑動角)302°/78°/5°、286°/72°/23°、285°/81°/29°，結合近震深度震相sPL測定3次地震的震源深度分別為8 km、10.5 km及10.5 km。

2)灤州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震中位置分別為39.756 3°N、118.723 4°E，39.736 0°N、118.798 0°E和39.735 5°N、118.797 9°E，震源初始破裂深度分別為8.5 km、11.0 km和10.8 km，地震序列的震源分布主要呈NNE向，震源深度分布范圍為7.6～8.5 km和10.1～11.0 km，余震及前震均位于主震之上，表明地震均是由深部向淺部破裂。地震序列短軸剖面顯示，發震斷層面傾角近垂直，基于震源機制解及地震序列重定位結果推測，灤州MS4.3及昌黎MS4.2地震的發震斷層同為走向NNE、傾角近垂直的走滑斷裂，與節面Ⅰ參數較為吻合。