2021年6月17日承德M_L3.6地震重新定位及震源機(jī)制解研究

王嘉琦 張玉林 楊東輝 袁國旭

[摘要] ?2021年6月17日河北省承德市雙橋區(qū)發(fā)生M_L3.6地震。基于河北區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)資料，采用雙差定位算法重新定位該地震序列，獲得了精確震中分布。利用小震擬合法計算得到該次地震對應(yīng)斷層面參數(shù)為：走向63.76°，傾角70.52°。采用CAP方法反演獲得了主震的最佳單位震源參數(shù)、矩張量解和雙力偶解。其中，最佳斷層面解為：走向63.4°，傾角52.8°。根據(jù)斷層中心解計算，確定最終發(fā)震斷層面參數(shù)為走向63.59°，傾角61.66°，與該區(qū)域的雙塔山—雙峰寺斷裂吻合。考慮區(qū)域構(gòu)造特征，推測本次地震可能由主張應(yīng)力在該斷裂上擠壓而誘發(fā)，屬于一個典型的正斷層活動。本次研究為確定承德地震的發(fā)震構(gòu)造及該地區(qū)的應(yīng)力場狀態(tài)提供了重要依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 承德ML3.6地震; 震源機(jī)制; 雙差定位; 發(fā)震構(gòu)造

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-110

0 ?引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2021年6月17日08時07分53秒，河北省承德市雙橋區(qū)（41.10°N，117.91°E）發(fā)生了M_L3.6地震。該次地震震源較淺，深度僅有6 km，是承德有史以來規(guī)模最大的有感地震。此后2個月內(nèi)，承德及周邊區(qū)域共發(fā)生M_L≥1.0有感地震75次，其中M_L0.0～0.9地震57次，M_L1.0～1.9地震13次，M_L2.0～2.9地震4次，M_L3.0～3.9地震1次，最大日發(fā)震頻次達(dá)16次，地震活躍性明顯增強(qiáng)。從地震分布看，本次地震序列集中在（41.0°N～41.1°N，117.8°E～118.0°E）范圍內(nèi)，這些地震主要集中在雙橋區(qū)北部的一個近東西向的狹長型區(qū)域，形成了一個明顯的線性分布特征。該區(qū)域位于華北克拉通北緣，地殼運動以構(gòu)造下降為主，形成了承德盆地等一系列槽狀洼地。承德地區(qū)主要發(fā)育11條活動斷裂，這些斷裂大部分呈東西向和北東向展布，切割了承德盆地北緣，均為古地質(zhì)時期活動斷裂，第四紀(jì)無明顯活動跡象^[1]（圖1）。

考慮到該區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在低速層對傳統(tǒng)定位方法的影響，為準(zhǔn)確獲得此次M_L3.6地震的震源參數(shù)，擬采用CAP反演和精確定位相結(jié)合方法進(jìn)行研究。首先利用雙差定位算法重新定位序列微震，獲得準(zhǔn)確的震中分布；然后基于區(qū)域臺站寬頻帶記錄，采用CAP方法反演主震的震源機(jī)制解和震源參數(shù)；最后綜合分析所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造背景，初步探討本次地震序列的成因及區(qū)域積累的應(yīng)力狀態(tài)。

本文利用河北區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)提供的地震資料，首先采用雙差定位方法對承德M_L3.6地震及其余震序列進(jìn)行重定位，得到更精確的震源位置和深度；采用萬永革等^[2-3]提出的利用小震擬合斷層面參數(shù)的方法，求解斷層面參數(shù)，給出全局最優(yōu)斷層面參數(shù)及其誤差。利用CAP波形反演方法求取主震的震源機(jī)制解和矩張量解；然后通過對比計算斷層面參數(shù)及震源機(jī)制解確定中心解。最后結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料和歷史地震資料，分析承德M_L3.6地震的發(fā)震構(gòu)造和成因機(jī)理，為認(rèn)識承德市及周邊地區(qū)的地震活動特征和構(gòu)造意義等提供幫助，為承德及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測預(yù)報和震害防御工作提供依據(jù)。

1 ?地震精定位及斷層面參數(shù)反演

1.1 ?雙差定位

雙差定位法是一種高精度的相對定位方法，由Waldhauser和Ellsworth^[4-5]在20世紀(jì)90年代提出，基本原理是選取空間鄰近的2次地震事件，在同一觀測站的觀測到時作雙差去除觀測誤差，可有效消除速度模型誤差和觀測誤差的影響，顯著提高定位精度^[6-8]。雙差定位實現(xiàn)了震源參數(shù)的高精度確定，是當(dāng)今地震學(xué)研究中一種常用而高效的精確定位技術(shù)^[9-13]。

本文采用HypoDD程序?qū)Τ械?em>M_L3.6地震序列進(jìn)行雙差定位計算，選用京津冀測震臺網(wǎng)震相觀測報告，其中包括在震中附近架設(shè)的2個臨時流動測震臺的震相數(shù)據(jù)。為保證計算結(jié)果的可靠性，我們收集整理了全部75次地震的震相觀測報告，并對震相數(shù)據(jù)進(jìn)行了挑選，剔除震相到時有明顯錯誤或誤差較大的震相數(shù)據(jù)，共挑選出46次地震。利用挑選的震相數(shù)據(jù)進(jìn)行雙差定位計算：首先，設(shè)置定位參數(shù)，最小連接數(shù)為4，最小觀測數(shù)為2，最大震源間距小于10 km，最大震中距小于200 km，利用Hypoinverse程序獲得地震序列的初始絕對位置信息；其次，計算相距小于10 km的地震對的P波和S波走時差，同時設(shè)置P波權(quán)重大于S波，設(shè)置P波權(quán)重為1.0，S波權(quán)重為0.5；最后，采用3輪LSQR迭代計算獲得地震對的最佳相對位置信息。地震定位對速度模型選擇具有較強(qiáng)的依賴性。本文在初始定位的基礎(chǔ)上，調(diào)用Velest程序，利用地震序列中臺站記錄數(shù)較多、分布較好的地震事件，反演出本地區(qū)的精確1-D速度模型（圖2）。該速度模型具有明顯的地殼低速層特征，能夠較好地反映燕山地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)，為雙差精定位提供依賴。

1.2 ?定位結(jié)果

通過雙差定位計算，獲得了精確的承德M_L3.6地震序列分布信息，較為準(zhǔn)確地確定了該地震序列中46次地震事件的位置，提升了地震定位的精度（圖3）。主震的震中坐標(biāo)位于（41.089°N，117.901°E），其震源深度約為3.76 km。在經(jīng)過重新定位后，地震震中被確定在小營—張營斷裂F₂的南側(cè)以及雙塔山—雙峰寺斷裂F₃的北側(cè)。小營—張營斷裂起始于北部的小營地區(qū)，向東經(jīng)過雙峰寺北部，最終到達(dá)張營南部，全長約25 km，東段呈現(xiàn)近東西向展布，西段則以北東向布展為主，斷層傾向南，傾角在40°～50°之間，整個斷裂發(fā)育于太古界變質(zhì)巖體系中。雙塔山—雙峰寺斷裂在承德盆地的北緣形成，從紅石砬村西北開始，經(jīng)過灤河鎮(zhèn)、紅塔山、雙峰寺東部，終止于趙文溝村北，全長約5 km，呈北東向展布，斷層傾向南東，傾角在60°～70°之間。雙峰寺以東的部分?jǐn)嗔言谔沤缱冑|(zhì)巖體系中發(fā)育，雙峰寺以西的部分則在分割太古界變質(zhì)巖和侏羅紀(jì)火山沉積巖中。由圖3b所示，震源主要集中在這兩個斷裂之間的區(qū)域，其空間分布較為緊密，且呈現(xiàn)明顯的沿NE向的條帶狀特征，長約4 km，寬約2 km。

1.3 ?斷層面參數(shù)反演及分析

根據(jù)重新定位結(jié)果，采用萬永革等^[2]提出的利用小震擬合斷層面參數(shù)的方法，使用擬合斷層面的程序Fit_Fault，計算得出全局最優(yōu)斷層面參數(shù)及其誤差，即將承德地震序列進(jìn)行擬合。反演結(jié)果如表1、圖4所示，斷層走向63.76°（標(biāo)準(zhǔn)差1.21°）、傾角70.52°（標(biāo)準(zhǔn)差1.39°）、傾向SE、斷裂長度12 km、斷層深度2～7 km；其中主震的震源深度相對較淺。綜上初步推斷，承德地震的發(fā)震斷層可能由小營—張營斷裂和雙塔山—雙峰寺斷裂之間的一條淺層高角度次生斷裂構(gòu)成，然而，由于地震事件數(shù)量相對較少，因此對發(fā)震斷層形態(tài)的刻畫可能存在一定的偏差。為了獲取更精確的結(jié)果，我們需要結(jié)合震源機(jī)制解的節(jié)面參數(shù)對斷層性質(zhì)進(jìn)行更深入的研究和描述。

2 ?震源參數(shù)和震源機(jī)制分析

2.1 ?CAP方法震源機(jī)制反演

本文利用CAP方法獲得地震的震源機(jī)制解。CAP是一種在地震波形反演中被廣泛運用的技術(shù)^[14-16]。主要原理是地震波在進(jìn)入近場區(qū)域后，其波形將會發(fā)生顯著變化；通過模擬地震波的傳播過程，并迭代尋找最佳震源模型，CAP法可以使理論計算的波形與實際觀測的波形之間達(dá)到最佳匹配，從而精確地推算出地震的震源參數(shù)^[17-23]。

選擇位于震中距50～300 km范圍內(nèi)的10個寬頻帶測震臺，該臺網(wǎng)覆蓋范圍廣闊，有助于提高震源機(jī)制解的可靠性。首先，去除儀器響應(yīng)對三分量地震波形的影響，并將其旋轉(zhuǎn)至大圓路徑，從而得到徑向、切向和垂向的位移記錄。將實際觀測數(shù)據(jù)截取為Pnl波和S波兩個部分，并對所有測震臺的觀測數(shù)據(jù)使用4階巴特沃斯帶通濾波器分別在0.05～0.17 Hz和0.05～0.1 Hz頻率范圍進(jìn)行帶通濾波處理，以消除由于速度結(jié)構(gòu)橫向變化帶來的影響。完成濾波計算后，計算各測震臺的格林函數(shù)，并以5°的網(wǎng)格步長對不同震源深度的最佳雙力偶解進(jìn)行搜索。在反演過程中，采用了華北地區(qū)的平均地殼速度模型（表2）。在誤差最小時對應(yīng)的震源深度即為本次地震的震中深度。通過反演，獲得了本次地震的最佳單位觀測震源時函數(shù)時域波形，計算其與觀測波形的相關(guān)系數(shù)以評估擬合效果，如果大于80%，則表示本次反演結(jié)果比較可靠。選擇擬合殘差最小的震源機(jī)制解作為此次地震的最佳震源機(jī)制解。圖5是震源深度3.5 km附近時的位移譜擬合結(jié)果和CAP反演得到的震源機(jī)制解。圖6顯示了不同深度的震源機(jī)制解和波形擬合殘差。從圖中可以看出，當(dāng)震源深度為3.6 km時，觀測波形與理論波形的擬合殘差達(dá)到最小，反演結(jié)果較為可信。最佳震源機(jī)制解的結(jié)果為：節(jié)面Ⅰ的走向是214°，傾角是41°，滑動角是?113°；節(jié)面Ⅱ的走向是63.4°，傾角是52.8°，滑動角是?71.2°；矩震級M_W3.5，矩心深度3.6 km，最大主壓應(yīng)力P軸方位角28.4°，最大主張應(yīng)力T軸方位角140.1°（表3）。

2.2 ?斷層滑動角參數(shù)的確定及分析

在計算斷層面滑動角參數(shù)時，需要使用研究區(qū)P軸與T軸的方位角與傾伏角。本文在計算時使用上述CAP震源機(jī)制解的計算結(jié)果。其中，R值是由Wan^[24]利用震源機(jī)制反演構(gòu)造應(yīng)力場得到的，其數(shù)值為0.45。在假定P軸與T軸方位角及其傾伏角的誤差分別為5°和10°的情況下，根據(jù)前文擬合的斷層面參數(shù)，采用表3所示的震源機(jī)制解求解斷層面滑動角（表1）。從滑動角計算結(jié)果來看，斷裂活動具有明顯的正斷性質(zhì)。此外，與震源機(jī)制結(jié)果相比（表3），本文擬合的斷層面走向、傾角與滑動角也與節(jié)面Ⅱ結(jié)果比較吻合。

2.3 ?斷層中心解確定

首先，將上述震源機(jī)制解的結(jié)果（表3）的2個節(jié)面參數(shù)分別與余震擬合的斷層面參數(shù)（表1）作為初始解，采用Fault_Center軟件進(jìn)行迭代求解，該軟件通過迭代方法最小化與斷層面參數(shù)的空間旋轉(zhuǎn)角之和，從而輸出每個節(jié)面的中心解及其法向軸的標(biāo)準(zhǔn)差，對兩個潛在節(jié)面進(jìn)行中心解誤差的評估^[25-26]。其次，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的大小，選取標(biāo)準(zhǔn)差最小的中心解，即為最后所確定的中心解。計算結(jié)果（表4、圖7）顯示，節(jié)面Ⅱ的法向軸標(biāo)準(zhǔn)差僅為8.86°，相對于節(jié)面Ⅰ的53.29°，其結(jié)果具有更低的不確定性。進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn)，節(jié)面Ⅱ的走向和傾角誤差范圍較小，綜上說明，節(jié)面Ⅱ更可能是承德地震的實際活動面。采用節(jié)面Ⅱ作為初始解得到的中心解，所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，將此中心解（走向63.59°，傾角61.66°）作為最終結(jié)果。

3 ?發(fā)震構(gòu)造討論

承德M_L3.6地震位于小營—張營斷裂和雙塔山—雙峰寺斷裂之間，小營—張營斷裂走向NEE向，傾向SE，傾角在60°～70°之間。雙塔山—雙峰寺斷裂走向NE向，傾向南，傾角在60°～70°之間。根據(jù)雙差定位計算結(jié)果，承德地震序列位于小營—張營斷裂和雙塔山—雙峰寺斷裂之間，呈NE向條帶狀分布，余震斷層參數(shù)反演結(jié)果為走向63.76°和傾角70.52°，傾向基本一致，同為SE，該帶狀走向與雙塔山—雙峰寺斷裂走向基本一致，即此次承德地震的發(fā)震斷裂應(yīng)為雙塔山—雙峰寺斷裂。此外，根據(jù)震源機(jī)制解給出的2個可能斷層面的參數(shù)解中，節(jié)面Ⅰ（走向：214.0°，傾向：41.0°，滑動角：?113.0°）與節(jié)面Ⅱ（走向：63.4°，傾向：52.8°，滑動角：?71.2°）的斷層中心解顯示，該地震可能發(fā)生在一個走向為63.59°，傾向為61.66°的斷層面上，與雙塔山—雙峰寺斷裂更為接近，應(yīng)為一個傾向西南的正斷層。Wan^[24]研究表明承德地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力σ₁走向87°、傾角14°，主張應(yīng)力σ₃走向354°、傾角13°，推測雙塔山—雙峰寺斷層以右旋走滑錯動為主，與本文震源機(jī)制解計算得到的發(fā)震斷裂為正斷層的雙塔山—雙峰寺斷層有所出入。筆者認(rèn)為是由于雙塔山—雙峰寺全長50 km左右，本文僅計算了承德M_L3.6地震序列的震源機(jī)制解，斷層?xùn)|西兩側(cè)地震資料不充分，無法進(jìn)行反演，且斷裂歷史活動資料不齊全無法從構(gòu)造角度充分分析雙塔山—雙峰寺斷層，因此在雙塔山—雙峰寺斷層類型上與前人研究有所出入。綜上所述，基于應(yīng)力場和震源機(jī)制解，這次地震很可能是一次正斷層地震。它可能是由于主張應(yīng)力在雙塔山—雙峰寺斷裂上產(chǎn)生的擠壓引發(fā)的。這種張應(yīng)力導(dǎo)致巖層沿著斷層面下滑，在該區(qū)域應(yīng)力場形成了正斷層是可能的。這是一個基于數(shù)據(jù)的初步分析，實際情況可能更復(fù)雜。

結(jié)合上述結(jié)論，雖然雙塔山—雙峰寺斷裂的地質(zhì)活動性較差，但從震源機(jī)制解、精定位結(jié)果和斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面考慮，可以初步判斷，本次地震的發(fā)震構(gòu)造可能為雙塔山—雙峰寺斷裂。然而，由于震源深度較淺，不能排除地震可能由更表層的構(gòu)造誘發(fā)的可能性，例如水庫誘發(fā)地震。未來需要收集更多的數(shù)據(jù)和深入的研究來進(jìn)一步確認(rèn)這個假設(shè)。

4 ?結(jié)論與討論

本文基于2021年6月17日承德M_L3.6地震序列的地震波形和震相走時數(shù)據(jù)，利用雙差定位方法獲得了承德地震序列的精定位結(jié)果，通過小震擬合法計算得到該次地震對應(yīng)斷層面參數(shù)，并利用 CAP 方法反演了承德M_L3.6 地震的震源機(jī)制解，利用斷層中心解計算，確定最終發(fā)震斷層面參數(shù)。結(jié)合上述理論計算與地質(zhì)資料對承德地震的發(fā)震構(gòu)造和序列發(fā)生、發(fā)展過程進(jìn)行了初步分析和討論：

（1）雙差定位結(jié)果顯示，本次地震序列形成一個明顯的NE向分布，位于小營—張營斷裂和雙塔山—雙峰寺斷裂之間，與雙塔山—雙峰寺斷裂的走向一致。結(jié)合精確定位結(jié)果，本次地震序列與該斷裂存在顯著的空間關(guān)聯(lián)性，提示雙塔山—雙峰寺斷裂為潛在的地震源。利用Fit_Fault軟件和精定位的地震序列地震數(shù)據(jù)，擬合出該次地震序列對應(yīng)的斷層面參數(shù)：走向63.76°，傾角70.52°，呈現(xiàn)出高角度斷層的特征。擬合結(jié)果表明，該次地震序列位于一個長約12 km、寬約2 km的近東西向狹長帶內(nèi)，震源深度集中在2～7 km范圍。該條帶狀分布與區(qū)域內(nèi)的雙塔山—雙峰寺斷裂走向一致，說明本次地震發(fā)生在該斷裂上或其附近區(qū)域。

（2）基于區(qū)域臺站的寬頻帶記錄，采用CAP法反演獲得了主震的最佳單位震源時函數(shù)、矩張量解和雙力偶解。其中，最佳斷層面解為：走向63.4°，傾角52.8°，屬于一個傾向西南的正斷層。為確認(rèn)最優(yōu)解，計算了兩個可能斷層面的斷層中心解，結(jié)果表明走向63.59°，傾角61.66°的解標(biāo)準(zhǔn)差最小，與雙塔山—雙峰寺斷裂構(gòu)造參數(shù)吻合。這進(jìn)一步驗證了CAP法反演結(jié)果，確定了本次地震的發(fā)震斷層為該斷裂。

（3）本次地震發(fā)生在承德盆地北緣，位于燕山褶皺帶與華北地臺的交匯處，受構(gòu)造運動和地應(yīng)力場共同影響。根據(jù)區(qū)域應(yīng)力場分析，本次地震可能是由主張應(yīng)力σ₃在雙塔山—雙峰寺斷裂上產(chǎn)生的擠壓而誘發(fā)。盡管雙塔山—雙峰寺斷裂的活動性較差，但從多方面證據(jù)看，本次地震的發(fā)震構(gòu)造可能由該斷裂造成，不排除也可能與該區(qū)域的其他淺層構(gòu)造有關(guān)。

（4）確定了承德地震的精確震源分布、發(fā)震斷層參數(shù)和震源機(jī)制解，為該地區(qū)的地震活動及地質(zhì)構(gòu)造研究提供了重要依據(jù)。但由于研究所用數(shù)據(jù)有限，結(jié)果還存在一定的不確定性，需要進(jìn)一步收集資料進(jìn)行驗證。今后需要系統(tǒng)收集該區(qū)域的地質(zhì)、地球物理和地震資料，建立精細(xì)的地震危險性模型，以提高對未來強(qiáng)震的預(yù)測能力。

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Analysis on relocation and focal mechanism of the Chengde M_L3.6 earthquake on June 17， 2021

Wang Jiaqi^*， Zhang Yulin， Yang Donghui， Yuan Guoxu

Chengde Earthquake Monitoring Center Station of Hebei Earthquake Agency， Hebei Chengde 067000， China

[Abstract] ?On June 17， 2021， anM_L3.6 earthquake occurred in Shuangqiao District， Chengde City， Hebei Province. Based on the data of Hebei regional digital seismic network， the double-difference location algorithm was used to reposition the earthquake sequence and a precise epicenter distribution was obtained. The fault plane parameters of this earthquake were computed using the small event fitting method as follows， strike 63.76° and dip 70.52°. The main shocks optimal unit source time function， moment tensor solution， and double couple solution are obtained by CAP method. Among them， the best fault plane solution is strike 63.4° and dip 52.8°. Based on the fault center solution calculations， the final fault plane parameters were determined to be strike 63.59° and dip 61.66°， which aligns with the regions Shuangtashan-Shuangfengsi fault. Considering regional tectonic characteristics， it is postulated that this earthquake may have been induced by the principal stress squeezing on the fault， representing a typical normal fault activity. This study provides crucial evidence for identifying the seismogenic structure of the Chengde earthquake and the stress field status in the area.

[Keywords] ChengdeML3.6 earthquake; focal mechanism; double-difference location; seismogenic structure