2020, Vol. 40
2. 河北省地震局石家庄中心地震台，石家庄市槐中路262号，050021
河北唐山是我国历史震害最为严重的区域之一, 曾于1976-07-28发生7. 8级强震, 造成巨大的生命财产损失。近几年, 唐山附近的地震活动以4级以下小震为主。2016-09-10唐山开平区发生M4.1地震(图 1), 为近年来比较显著的一次地震, 震中距唐山7. 8级地震震中仅数千米。关于此次地震的发震断层及其与唐山大地震的成因联系, 都为重要的科学问题。首都圈地区台站密度较高, 可为开展发震断层研究提供良好的观测基础。本文将利用首都圈地震台网的观测记录, 首先对主震进行重新定位; 然后利用全波形反演方法获取主震的震源机制解, 并结合近震深度震相, 确定矩心深度; 再使用相对定位法获取余震的震中位置和震源深度, 通过余震的空间展布推测破裂方向, 辅助确定发震断层面; 最后对比分析地震破裂方向性特征、发震断层面与震源区附近断裂的性质, 确定地震的发震断层。
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图 1 2016年唐山M4.1地震震中与地震台站分布 Fig. 1 Distribution of seismic stations and epicenter of Tangshan M4.1 earthquake in 2016 |
唐山地区地壳浅层断裂构造发育，按切割深度由浅到深可分为盖层断裂、基底断裂、地壳深断裂。基底断裂是发育于结晶基底与沉积盖层中的断裂，有蓟运河断裂、宁河-昌黎断裂、滦县-乐亭断裂和丰台-野鸡坨断裂，这4条断裂分割围限形成唐山菱形块体[1]。盖层断裂是发育于沉积盖层中的断裂，主要有唐山断裂带。唐山断裂带为一系列与褶皱相伴生的北东向断裂组成的复杂构造带，主要由近平行分布的唐山-古冶、巍山-长山南坡、陡河等断裂组成[2](表 1)。唐山断裂带正下方还发育一条错断中-下地壳界面和壳幔过渡带的地壳深断裂，该断裂倾角高陡，略倾南东，具有逆走滑性质。
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表 1 唐山断裂带主要断层 Tab. 1 Main faults of Tangshan fault zone |
参考Crust1.0及已有研究结果，构建唐山震源区地壳一维速度模型(表 2、图 2)。在该模型中，Vp主要参考研究区DSS探测结果[3-4]，Vs主要参考Crust1.0。基于该模型，利用Hypo2000对主震进行重新定位，得到新的震中位置为：118.348°E、39.704°N，震源深度约为6 km。选取250 km震中距范围内8个宽频带台站波形，采用CAP波形反演方法[5-6]反演双力偶震源机制解和矩心深度，反演结果为：节面Ⅰ走向122°、倾角60°、滑动角-42°；节面Ⅱ走向236°、倾角54°、滑动角-142°，表现为带正断分量的走滑型地震，矩震级约为MW4.3。对比理论波形与观测波形(图 3，波形下方数字表示理论波形相对于实际波形的移动时间(s)和两者的相关系数(%)，左侧大写字母表示台站名，下方数字为震中距(km)和相对偏移时间(s))可知，在40个震相中，36个震相的相关系数大于0.7，占90%；18个震相的相关系数大于0.9，占45%，说明波形拟合效果较好。从反演残差与深度的关系(图 4)可以看出，当震源深度约为6 km时，反演残差最小，但精确的震源深度还需对近震深度震相进行分析。
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表 2 唐山地区地壳速度模型 Tab. 2 Crustal velocity model of Tangshan area |
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图 2 唐山震源区速度结构图 Fig. 2 Velocity structure of Tangshan earthquake source area |
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图 3 唐山地震主震震源机制及理论波形(红色)与观测波形(黑色)对比 Fig. 3 Focal mechanism of mainshock of Tangshan earthquake and comparison between theoretical waveforms and observed waveforms |
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图 4 唐山地震主震震源机制解反演残差与深度关系 Fig. 4 Relationship between inversion residual of the focal mechanism solution and depth of mainshock of Tangshan earthquake |
近震深度震相sPL可为震源深度提供良好约束[7]。通过对主震的近震记录分析发现，在QIX、SJT和TLK台的径向记录上均可观察到sPL震相(图 5)。已有研究表明，sPL震相在平坦基岩地区的近震观测记录中比较常见，能量主要集中在径向分量上，其与直达P波的到时差对深度变化敏感，可用来较好地约束震源深度[8-9]。本文使用频率-波数法[10]计算不同深度的理论地震图，然后与观测波形图进行对比，确定与sPL震相拟合较好的深度。通过波形对比可以看出，在约6 km深度上，sPL震相拟合较好，说明此次地震的震源深度约为6 km，与CAP方法、Hypo2000方法计算的深度基本一致。
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图 5 利用sPL震相测定唐山主震震源深度 Fig. 5 Focal depth of mainshock of Tangshan earthquake determinated by sPL seismic phase |
研究表明，地震序列的展布方向能够反映地震破裂方向性，从而为发震断层的判断提供依据[11]。唐山M4.1地震序列余震丰富，截至2016-10-31共记录到M1.0以上余震33次。基于唐山地区的地壳速度模型，利用双差法对地震序列进行重新定位[12]，获得主震与余震的震中及震源深度分布(图 6)，定位结果误差为：北南向90.2 m、东西向81.6 m、垂直向130.5 m。从图 6可以看出，在水平方向上，与地震初始分布相比，重定位后的震中分布更加集中，地震序列近似呈北东向展布；从震源深度分布来看，地震集中分布在2~7 km深度范围内；在BB'剖面上(走向角236°)，震源分布形成一个近于直立、略倾北西的带状区域，表明发震断层面的倾角较陡。地震序列的空间展布揭示发震断裂具有走向北东、倾角较陡的特征，与双力偶震源机制解中节面Ⅱ的性质较为一致，说明节面Ⅱ应为发震断层面。
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图 6 唐山M4.1地震主震与余震的震中及震源深度分布 Fig. 6 Distribution of epicenter and focal depth of Tangshan M4.1 earthquake sequence |
发震断层面的判断结果表明，唐山M4.1地震的发震断裂应为上地壳中一条倾向北西、倾角较陡的右旋走滑断裂。为确定发震断层，本文将发震断层面参数与震源区附近断裂的性质进行对比。从表 1可以看出，唐山断裂带主要由5条断裂组成，其中唐山-丰南断裂走向北东、倾向北西、倾角50~60°，为沉积盖层内发育的正断走滑断层，与发震断层面的性质、地震分布特征均比较吻合，而其他断层的性质则与之不符，表明2016年唐山M4.1地震的发震构造应为唐山-丰南断裂。
4 结语本文对2016-09-10唐山M4.1地震的发震构造展开研究，基于首都圈地震台网的近震波形，采用基于波形和到时的方法确定主震的震源机制解和矩心深度。结果表明，主震的最佳双力偶震源机制解为：节面Ⅰ走向122°、倾角60°、滑动角-42°；节面Ⅱ走向236°、倾角54°、滑动角-142°；矩震级约为MW4.3。结合近震深度震相sPL确定主震的震源深度约为6 km。利用双差法对地震序列进行重新定位，获得主震与余震的震中及震源深度分布，根据地震系列的空间分布特点确定节面Ⅱ为发震断层面，本次地震为具有正断分量的右旋走滑型地震。综合地震破裂方向性特征、发震断层面与震源区附近断裂的性质进行对比分析认为，此次地震的发震断层应为唐山断裂带中唐山-丰南断裂。
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