2. 河北经贸大学, 石家庄 050061;
3. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 大地测量与地球动力学国家重点实验室, 武汉 430077
2. Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang 050061, China;
3. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China
大陆浅源地震的发震构造通常是活动断裂,称为发震断裂(徐杰等,2012).发震断裂既可以是突发摩擦黏滑的先存断裂,也可以是完整岩层突然破裂形成的新生断裂,在一些构造活动强烈的新生代裂陷盆地,如渤海湾盆地,先存断裂与新生断裂具有复杂的构造叠加关系,给发震断裂的判定造成较大困难.目前,确定发震断裂主要有野外地质调查、大地测量观测及反演、地震学观测及反演等三类方法(何骁慧等,2019).对于地表破裂型地震或极浅源地震,野外地质调查或大地测量观测能够提供对发震断裂的直观约束.而对于中小地震,在未造成地表破裂、又缺少可靠大地测量观测资料的情形下,可通过反演矩张量解并结合地震破裂方向性参数确定发震断层面(秦刘冰,2014).在台站密集地区,精确测定的余震分布能够反映震源破裂方向,为发震断层面的确定提供约束(Shearer, 1997;周仕勇和许忠淮等,1999;房立华等,2013).
渤海湾盆地是一个新生代裂陷盆地,该盆地处于华北克拉通东部地块(图 1a),是克拉通破坏最为显著的中心(李三忠等,2010),同时该区板内地震活跃、历史震害严重,为活化克拉通块体内部地震动力学研究提供了绝佳场所.渤海湾盆地断裂构造十分发育,从数量和作用上看,正断裂和走滑断裂是两种最主要的构造.在盆地发育早期,在上地壳形成了大量北北东至北东东走向的铲状、平面状正断裂,与其控制的断陷盆地一起组成了伸展构造系统,为先存断裂;盆地发育后期(中新世晚期—第四纪新构造阶段),在中下地壳形成了由北东向右旋走滑断裂和北西向左旋走滑断裂组成的共轭剪切破裂系统,相对于先存断裂既有继承性又有新生性(向宏发等, 2000).两套系统在空间上彼此发生利用和改造,形成复杂的构造叠加关系,成为该区现代地震活动共同的构造基础(徐杰等,2000).
区域构造应力场研究成果,揭示了渤海湾盆地现代地壳构造运动及地震孕育发生的动力学背景.对震源机制解节面性质的统计结果显示,节面主要分北东和北西走向两组,倾角陡立,一般在80°左右;北东走向断层面以右旋走滑为主,北西向断层面以左旋走滑为主,兼具正断或逆冲分量(魏光兴等,1982;汪素云和许忠淮,1983).前已述及,先存断裂多是缓倾角的正断裂,与节面性质明显不符,应当与这些地震没有直接关系;而新构造阶段发育的共轭走滑破裂,具有倾角高陡的特点,与节面性质吻合,可能成为发震构造.对震源机制解P轴、T轴仰角的统计结果显示,绝大多数P轴和T轴接近水平(仰角在0°~30°),显示出以水平挤压为主的构造应力场特征(汪素云等,1985;谢福仁等,2011).在这种构造应力场中,上地壳的正断裂大多难以单独继续活动.渤海湾盆地的新构造变动和发震断裂的运动学特征共同表明,该区地壳现今处于发育陡倾角走滑断裂的挤压剪切构造变形应力环境(徐杰等,2012).
近几年,渤海湾盆地地震活动以4级以下的小震为主.2018年2月12日,在距离北京不足100 km的河北永清发生M4.3地震,引起京津冀多地明显震感,是该区近年来较显著的一次地震.震中距离2006年7月4日河北文安M5.1地震仅70 km,距离1679年三河—平谷M8.0地震震中约100 km,三次地震震中在平面上呈北东向展布(图 1b),它们是否具有一定的成因联系?是一个具有重要科学意义的问题.关于三河—平谷M8.0地震的发震构造,已开展了大量的研究工作,并获得了一些重要的认识,包括:该地震震中位于大厂回族自治县夏垫镇潘各庄村,地震时形成长约18 km的地表破裂带,总体走向北东,显示右旋走滑正断性质,表明其发震构造不是上地壳的伸展构造系统,而是中下地壳的高倾角走滑断裂(徐杰等,2012).对于文安M5.1地震,有多家机构测定了震源机制解,结果显示为一略带正断分量的右旋走滑地震(刁桂玲等,2006;黄建平等,2009),而对于其发震构造,目前仍不能给出较为确切的认识.
对于永清M4.3地震的发震构造,目前仍未见诸报道.针对这一需求,我们拟开展相关研究.考虑到此次地震并未造成地表破裂,且同震形变很小,使得野外地质调查和大地测量观测方法难以奏效.而首都圈地区台站密度较高,为地震学方法的应用提供了良好的观测基础,这为我们提供了一种工作思路:通过测定震源机制解和破裂方向性参数,为确定发震断裂提供约束.本文将基于首都圈地震台网的观测记录,首先采用全波形反演方法获得永清M4.3地震的震源机制解,并结合结晶基底转换波,确定其矩心深度;然后使用相对定位法获得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;在此基础上,通过将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,确定永清M4.3地震、文安M5.1地震的发震构造;最后,通过将震源深度分布、震源区地质剖面及地壳屈服应力包络进行对比,分析活化克拉通块体地壳的流变性质.
1 区域构造背景永清M4.3地震震中位于渤海湾盆地冀中坳陷的廊固凹陷内,处于北东向的三河—涞水—灵寿断裂带与北西向的张家口—蓬莱断裂带的交会部位(徐杰等,1998),地质构造十分复杂.渤海湾盆地内交错分布一系列北北东-北东、北西-近东西向活动断裂,将盆地分割为坳陷和隆起等次级构造单元,使该盆地展现出多坳多隆等复式盆-岭构造面貌(常健等,2016).冀中坳陷位于渤海湾盆地中部,内部发育了大厂、廊固、徐水等12个凹陷.廊固凹陷是一个北东走向的半地堑式断陷盆地,它东临武清凹陷,西依大兴凸起,东南部与牛驼镇凸起毗邻(李德生,1980;桂宝玲等,2011).廊固凹陷油气资源丰富,近几十年来开展了大量地质调查和地球物理勘探工作,揭示了该区的地壳流变结构以及断裂构造特征,结果显示:廊固凹陷地壳厚约33 km,具有分层结构特征:上地壳厚约10 km,变形以脆性破裂和摩擦黏滑为主;中地壳厚约15 km,为脆韧性转换带;下地壳厚约8 km,为韧性剪切区(陈国光等,2003;徐杰等,2012).深地震发射/折射探测结果显示,廊固凹陷断裂构造十分发育,在上地壳存在一系列北东-北东东走向的铲状或面状正断裂,包括:夏垫断裂、宝坻断裂、牛驼镇凸起东缘断裂、河西务断裂等(表 1),其中以夏垫断裂规模最大、错断深度最深.房山至永清的深地震反射剖面(BJ2)结果还显示,永清附近中下地壳发育一条地壳尺度的深大断裂(图 2),该断裂倾角陡立,宽数千米,向上可延伸至上地壳,并与夏垫断裂相联系,向下切割莫霍面(赵成彬等,2013).该深断裂在BJ2剖面北侧的香河—牛栏山剖面(赵金仁等,2004)、昌平—宝坻剖面(刘保金等,2009),以及南侧的文安—蔚县—察右中旗剖面(张成科等,1997)中均有显示,表明这几条深断裂可能同属一个大型走滑断裂带.该断裂带东北段为新夏垫断裂,向西南方向延伸至文安,并可能与霸县—束鹿—邯郸断裂带相联系,总长度超过150 km.在下文中,我们将该深断裂称为:新夏垫深断裂.
深部地球物理探测结果显示(张先康等,2002;赵金仁等,2004),1679年三河—平谷M8.0地震震源区下方存在夏垫和新夏垫两套断裂,这两套断裂发育于两个不同构造阶段,分属两个不同构造体制,性质迥异.夏垫断裂走向北东-北东东,断面为产状和平面状,倾角较缓,向下消失于10 km左右深处,为古近纪在上地壳发育的正断裂.新夏垫断裂产状为北东走向,倾向南东,倾角陡立,具有右旋走滑正断性质,它向上切割了夏垫断裂,直达地表破裂带,向下切穿了莫霍界面,是一条具地壳规模的新生断裂(王椿镛等,2016;张先康等,2002).三河—平谷震区野外地质调查和历史资料考证为发震构造提供了判据,结果显示,地震在地表形成了长18 km左右的破裂带,总体走向北东;等震线图显示极震长轴走向北东,与地表破裂带基本一致;同时,微地貌显示东南盘下降而西北盘上升,显示右旋走滑正断性质(王椿镛等,2016).三河—平谷地震的地表破裂带、等震线所反映的震源破裂特征与新夏垫断裂的性质比较吻合,表明本次地震的发震构造为新夏垫断裂(徐杰等,2012;张先康等,2002),而不是夏垫断裂.“新夏垫深断裂”为三河—平谷—永清—文安一带的走滑地震活动提供了深部构造条件,有可能成为2018年永清M4.3地震和2006年文安M5.1地震共同的发震构造.这一推测,需要震源参数测定结果的佐证.
2 利用近震波形测定主震震源参数 2.1 利用CAP反演地震震源机制解参考Crust1.0以及已有研究结果(孙若昧和刘福田,1995;孙若昧等,1996;嘉世旭和张先康,2005;嘉世旭等,2009;黄建平等,2009;沈伟森等,2010;刘渊源等,2011),构建研究区地壳速度模型(图 3a).根据体波数据信噪比、台站仪器响应参数可靠的原则以及台站方位分布等筛选条件,选取震中距在45~230 km范围内的12个宽频带地震台波形资料,采用CAP方法(Zhao and Helmberger, 1994;Zhu and Helmberger, 1996)反演永清M4.3地震的矩张量解和矩心深度.反演计算时,分别将体波和面波滤波频率设定为0.05~0.15 Hz和0.05~0.1 Hz.同时,分别使用本文模型和谢祖军使用的模型(2013)进行反演计算,以考察地壳模型准确性对地震矩张量反演的影响,通过对比可以看出,基于两种速度模型的反演结果差异不大(表 2),表明CAP方法对地壳速度模型的依赖较小.最佳双力偶解的结果显示,本次地震震源错动类型表现为拉张兼走滑特征;P轴方位角为263°,表现为近北东东向,仰角为41°,接近水平,与区域构造应力场较为一致(赖院根,2006;黄骥超和万永革,2015;王晓山,2017).图 3b展示了基于本文地壳速度模型得到的永清M4.3地震矩张量解,在12个台站的P波和面波共47个震相中,相关系数大于0.7的有45个,占96%;相关系数大于0.8的有40个,占85%;相关系数大于0.9的有26个,占55%,表现出观测地震波形与理论地震波形拟合得较好.图 3c给出了震源机制反演残差随深度的变化,可以看出最佳拟合深度在19 km左右.
震源机制解是确定发震构造的重要参考依据(Xie et al. 2015),其结果的可靠性是一个不容忽视的问题(郑建常等,2015).为了验证本文结果的可靠性,我们将采用自助抽样法对震源机制解进行分析.对震中距240 km范围内的30个台站,利用自助抽样方法随机抽取1000次,每次选取24个台,以此组成新的数据集,采用CAP方法进行反演计算,可获得大量反演结果.鉴于该结果,使用粒子群算法和聚类分析技术(俞春泉等,2009)给出最优解(图 4a),可看出震源机制解结果比较稳定(表 3),并计算得到其误差水平为8.38°(图 4b).
通过对永清地震的近震波形进行分析,发现在FHY和YOQ台的垂向记录上均可观察到清晰的基底Sp转换波(图 5).该震相在渤海湾盆地的近震井下观测记录中十分常见,它在结晶基底界面上产生,可以在近距离上观测到,能量主要集中在垂向分量上,其到时与直达Pg波的到时差对深度变化敏感,可以用来较好地约束震源深度(董一兵等,2018;Dong et al., 2018).从观测图的垂向分量上看,FHY和YOQ台的波形均比较复杂,这主要是由于,一方面,FHY和YOQ两台的方位角与发震断层的走向角比较接近,使得Sp转换波的激发有些偏弱;另一方面,台站下方沉积层速度结构比较复杂,激发了一系列P波的折射、反射及转换震相,这些震相与S波波列混合在一起,使得波形看起来比较复杂.尽管如此,通过观察仍然可以从垂向记录中识别出Sp震相,可以用于约束震源深度.我们使用F-K方法(Zhu and Rivera, 2002)计算两台站在不同深度上的理论地震图,然后通过与观测波形图进行对比,找到对基底转换波震相拟合较好的深度.从图 5可以看出,两台站的观测波形均比较复杂,表现为典型的沉积层地区近震井下观测记录特征,按到时可将主要震相分成三组,分别是:Pg波、基底Sp反射波、Sg波的直达波以及三者各自的地表反射波.通过波形对比可以看出,在19 km深度上,上述震相均拟合较好,说明永清地震的深度在19 km附近,与CAP方法给出的最佳拟合深度一致.
永清M4.3地震序列余震较为丰富,截至2018年3月10日,记录到ML1.0以上余震共27次.基于本文地壳模型,利用HYPODD(Waldhauser and Ellsworth, 2000)中的奇异值分解法对该序列进行定位,获得了主余震的震中分布及震源深度分布(图 6).定位结果误差为:北南向74.7 m,东西向68.5 m,垂直向148.9 m.由图 6可知,在水平方向上,地震序列近似呈北东向窄带展布,地震带长约4.1 km,宽约2.6 km,显示地震主要向北东向破裂.从震源深度分布来看,主要集中于17~19 km深度范围内,余震均发生在主震上部;在AA'剖面上,震源分布形成了一个倾向东南、近于直立的带状区域,表明发震断层面的倾角较陡.地震序列的空间展布揭示了发震断裂具有走向北东、倾向南东、倾角陡立的特征,与双力偶源震源机制解中节面Ⅱ的性质比较吻合,说明节面Ⅱ应当是此次地震的发震断层面.
分析结果显示,永清M4.3地震的发震断裂应为中下地壳一条走向北东、倾向南东、倾角陡立的右旋走滑断裂.为了进一步确定发震构造,我们将发震断层面的参数与震源区附近断裂的性质进行对比,发现只有地壳深断裂FM符合要求.DSS探测结果表明,该断裂属于新夏垫深断裂,具有右旋走滑正断性质,倾角陡峭,近于直立,向上切穿上下地壳分界面,向下可达莫霍面(赵金仁等,2004;刘保金等,2009;赵成彬等,2013),与发震断层面特征吻合较好,说明该断裂极有可能是永清地震的发震断裂.为了分析2006年文安M5.1地震的发震构造及其与永清M4.3地震之间的关系,将它们的震源机制、震源深度与震源区附近断裂的性质进行对比分析.黄建平等(2009)采用CAP方法获得文安地震发震断层面参数为:走向210°,倾角80°,滑动角-150°,震源矩心深度为15 km,揭示其发震断裂应为中下地壳一条走向北东、倾角高陡的右旋走滑断裂,与永清M4.3地震的发震断裂性质基本一致.深地震反射剖面探测结果显示(张成科等,1997;赵成彬等,2013),文安震源区下方主要发育三条北东向断裂,分别是:牛驼镇凸起东缘断裂、大城东断裂、以及新夏垫深断裂.其中,前两条断裂均为盆地早期在上地壳发育的铲状和平面状正断裂,断层性质及深度均不符合发震构造的要求,而只有“新夏垫深断裂”的特征符合要求,说明文安地震的发震构造应当也是这条深断裂.综合以上分析,可以推测:2006年文安M5.1地震的发震构造均为中下地壳发育的走滑断裂,并可能同属于一条断裂,即新夏垫深断裂.
震源深度的分布特征可揭示地壳的流变结构.大量研究表明,大陆地壳的脆韧性转换区域易于积累弹性应变,是孕育中强地震的有利构造部位(Scholz, 2002; 张国民和李丽, 2002).从近年来永清震源区几次显著地震的深度分布上看,文安M5.1地震与永清M4.3地震分别发生在15 km和19 km深处,2016年4月19日文安M3.0地震的深度在18 km附近(董一兵等,2017),表明15~19 km深度上可能是新生断裂的脆—韧性转换带.从地质剖面图上可以看出(图 7),该深度为新生走滑断裂与其上方先存正断裂的连接部位,反映了地壳变形方式从脆性到脆—韧性的过渡转化.另外,邓前辉等(2001)利用大地电磁测深对三河—平谷震区地壳电性结构进行了研究,结果显示震区下方存在厚8~10 km的壳内高导层,顶界面埋深在15 km左右,推测其成因可能与地幔热物质上涌有关.地质学研究表明,新夏垫断裂在发育早期可能表现为开断裂,为上地幔物质上侵提供了通道,在此过程中伴随着岩石部分熔融和含结晶水矿物脱水,促进了高导异常体的形成,同时在下地壳形成了数千米宽的垂向基性岩墙体,表现为韧性剪切构造特征.孙玉军等(2013)利用大区域的地温、应变率数据计算得到了中国大陆岩石圈三维流变结构,结果显示:华北地壳15 km深处为脆—韧性转换,与根据断层构造、电性结构和震源深度推测的结果差异不大,说明发震断裂的流变结构与区域流变结构比较一致.
为了深化对活化克拉通块体内部地震动力学背景的认识,本文以渤海湾盆地内发生的2018年2月12日永清M4.3地震为例展开研究.基于首都圈地震台网的近震观测资料,采用基于波形和到时的方法,确定了永清地震的震源机制解和震源深度;结合余震分布约束得到的震源破裂方向,确定发震断层面参数为:走向45°,倾角63°,滑动角-144°.然后,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分析,形成了关于廊固凹陷区发震构造的一些认识:(1)永清地震的发震构造应为震源区附近一条地壳尺度的深断裂,该深断裂为新生断裂,具有右旋走滑正断性质,倾角陡峭、近于直立、宽度较大,向上切穿上下地壳分界面.(2)震源区附近多条深地震反射剖面探测结果显示,中下地壳的深断裂可能同属一个大型走滑断裂带,称为新夏垫深断裂.该断裂带东北段为新夏垫断裂,向西南方向延伸至文安,并可能与霸县—束鹿—邯郸断裂带相联系,总长度超过150 km.(3)基于2018年永清M4.3地震与2006年文安M5.1地震在震源机制上的相似性及震源位置上的关联性,并通过将震源参数与区域构造条件对比分析,认为两次地震的发震构造均为渤海湾盆地新构造阶段在中下地壳发育的右旋走滑断裂,即新夏垫深断裂.(4)几次显著地震的深度均分布在地壳15~19 km深处,与壳内高导层和岩石强度拐点深度对应较好,显示该深度可能为新生断裂的脆韧性转换带.据此推测,活化克拉通块体新生断裂的脆韧性转换界面深度在15 km附近.
本文推测的新夏垫深断裂为在廊固凹陷附近区域中下地壳发育的深大断裂,除东北段的新夏垫断裂部分与三河—平谷地震地表破裂带相通以外,其他部分均为隐伏状态,且在走向上可能并不连续.尽管该断裂在一些文献中被多次提及,但关于它的展布形态仍语焉不详,故本文仅能给出推测的大概位置,准确信息还需要通过开展进一步的野外地质调查和活动断层探测工作予以揭示.另外,本文给出的活化克拉通块体新生断裂的脆韧性转换界面深度主要基于若干震例的深度分布特征,研究区地壳流变模型的构建尚需大量地震震源深度观测结果的约束.
致谢 感谢中国地质科学院地质力学研究所孙玉军博士提供中国大陆岩石圈流变结构模型.感谢两位审稿专家提出宝贵的修改建议.
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