震群是地震活动的一种表现形式,其发生和发展不仅与地下物质运动、应力状态、局部地区的构造条件和地壳介质特性有关,也受到构造场应力制约。小震群活动不是偶然的,大多发生在地壳运动增强区域(朱传镇等,1981)。为探索预测后续强震的方法与特征,国内外许多专家学者对震群做了大量研究。早在1972年,Kanamori(1972)在研究菲律宾板块大震活动时,就提出震群和大震之间的关系,认为震群活动和大震之间存在关联性,并推论了构造应力、大地震与震群三者之间的关系;Evison(1977)研究新西兰强震活动时提出前兆震群概念。我国学者对震群的研究始于20世纪70年代末(宋俊高等,1998),之后大量学者相继提出识别震群类型的指标与方法,例如:根据震群本身分别从序列时、空、强方面表现出来的某些特征,提出包括表征序列衰减快慢程度的h值(刘正荣等,1979),反映震群能量释放均匀程度的U值(陆远忠等,1985),表征序列在时间上丛集程度的ρ值(王炜等,1987),描述地震序列能量分配均匀程度的K值(朱传镇等,1989),表征序列能量释放的均匀程度与地震平均强度关系的F值(林邦慧等,1994)以及表征序列大小地震比例关系、反映震源区应力状态的b值,来区分不同性质的地震序列;同时,基于序列发展的物理背景,如波形变化、震源参数等,寻找表征前兆性震群的某些特征指标的异常值,如:陈颙(1978)提出利用震源机制的一致性参数判断震群是否为前震序列,李芳等(2006)提出利用地震视应力的时间变化特征区分震群是否为前震序列,Yang等(2008)研究了1997—2003年新彊—巴楚强震群活动特点以及作为前震序列的判别性质和指标等。
2016年8月21日17时15分,河北省唐山市开平区发生ML 3.5震群,该震群位于唐山老震区的中区(唐山古冶区为中区、宁河区为西区、滦县卢龙区为东区)。本文采用传统方法和数字地震学方法进行分析,传统方法采用参数h值和b值来判定震群序列类别,并以U、ρ、K等值,综合研究震群与区域中强震关系;采用精定位、震源机制一致性、视应力等数字地震学方法,对震群发震构造及周边应力状态进行分析。
1 区域地质构造背景本次开平震群发生在唐山—古冶断裂北段(图 1),仍属1976年唐山7.8级地震的晚期余震活动。唐山地区位于燕山隆起一侧,阴山—燕山隆起带东段燕山隆起和华北平原拗陷带北部冀渤凹陷的结合部位,地壳厚度约32—35 km,比周围地区薄2—3 km。受宁河—昌黎深断裂、榛子镇断裂、滦县—乐亭断裂和蓟运河断裂的切割,唐山地区形成一个NE向菱形块体,此块体的西南界蓟运河断裂与其西南发育的NNE向沧东断裂带相交(图 1),内部盖层中发育NE向唐山断裂带和近EW向丰台—丰南断裂,莫霍面及以下地层发育NE向唐山壳下断裂。
2016年8月21日17时15分,河北省唐山市开平区(39.70°N,118.35°E)发生ML 3.5地震,震源深度6 km。据河北省地震快报目录,8月21日至10月24日共发生可定位小震694次,满足“八五”攻关对震群的定义标准,其中:ML 0.0—0.9地震367次,ML 1.0—1.9地震259次,ML 2.0—2.9地震57次,ML 3.0—3.9地震10次,ML 4.0—4.9地震1次。
本次震群序列持续时间较长,8月31日前共发生ML 3地震7次,在震群衰减背景下,于9月10日发生ML 4.7地震,震群出现起伏(图 2)。由此,初步判定8月31日之前发生的系列地震属于前震序列,9月10日ML 4.7地震则为本次震群主震。
使用传统方法判定震群序列自身发展趋势,选取参数h值和b值来判定震群序列类别;在研究震群与区域中强震关系时,综合考虑震群的U、ρ、K等值对周边中强震的影响。
3.1 震群序列类别判定(1) h值。大森公式和古登堡—里克特(G—R关系)定律是描述地震活动性的2大统计定律。依据在一定时间单元内地震个数随时间衰减的统计规律,基于改进的大森公式,得到n(t) = n1t-h,式中:h为余震频度衰减系数。利用h值方法判定震群序列性质,计算最大后续地震震级,在实际地震预报中得到验证,并显示出一定效能。
依据以往震例总结,可知:①对于震群序列,h>1.3为主余型,h<0.7为前震;h在1±0.2范围内不好判断;②发震时间判定指标(国家地震局预测预防司,1997)为:h<0.3,10天内发震;h<0.5,60天内发震;h ≈ 1,150—400天发震。对于开平震群,计算主震发生后9天时该序列h值,得到h = 0.63[图 3(a),图中曲线末端数值为h值],判定为前震序列的可能性较大。
(2) b值。地震序列的震级与频次关系较好地服从G-R关系,表明地震频度对数与震级之间存在线性关系(Gutenberg et al,1954)。直线斜率即为b值,直接反映不同震级地震之间的比例关系,是表示序列特征的一个重要参数。Gutenberg等(1954)认为参数b值反映了震源区域的应力状态,且各地区b值不同,在正常地震活动背景下,一个地区的b值可看作是基本稳定的。当地震序列处于前震状态时,介质所受构造应力较强,b值降低,国内外诸多震例均证实了此现象的存在(马鸿庆,1978;黄德瑜等,1981)。例如:1999年7月25日唐山ML 3.7震群b值为0.48,小于该区4.5级以上地震序列正常衰减背景下的b值(b = 0.89),在此低b值背景下,2000年6月25日该区发生一次ML 4.4地震。分析此次开平震群序列,发现截至8月31日,唐山地区b值为0.59[图 3(b)],明显小于本区背景b值(b = 0.89),可见该震群具备前震序列特征,表明该序列有升级可能,存在发生高于震群最大震级地震的可能,事实于9月10日发生开平ML 4.7地震。
3.2 前兆震群判定U、ρ、K分别表示震群序列的能量释放均匀度、时间丛集程度、能量分布均匀度。宋俊高等(1998)根据震群特征值,提出综合判断指标,采用U、ρ、K组合,将U、ρ、K型前兆震群称为典型前兆震群。统计检验表明,82%的典型震群与其指标预报情况一致,可见综合判断指标比单项预报效能评估效果好。若采用U、ρ、K方法判断一个震群序列为前兆震群,则预报1—2年内,在震群400—500 km范围内具有发生MS>5地震的可能。选取开平震群2016年8月21日以来可定位地震计算震群序列参数,统计结果见表 1,可见:截至8月31日,该震群中只有U、F参数符合前兆震群判定指标,判定该震群为非典型前兆震群;截至10月25日,U、ρ、K计算结果仍显示该震群前兆意义不大。
使用数字地震学方法和一些新方法,对本次开平震群序列进行精定位、震源机制一致性、视应力等研究,并对其与震群的相关性进行分析和佐证。
4.1 精定位及速度结构采用Hypodd双差定位方法,利用近震台网记录的波形数据,使用首都圈速度结构模型作为输入速度模型(表 2),对开平震群序列进行重新定位。结果发现,重新定位后小震主要分布在NE向唐山—古冶断裂附近,震源深度主要集中在5—10 km。
将该区深度10 km的S波速度结构和地震序列精定位结果相结合,分析本次震群的深部孕震环境,结果见图 4(a)(图中五角星为9月10日ML 4.7地震,圆圈为震群中其他地震),可见,本次震群位于S波速度高低过渡带且偏向高速一侧。将精定位结果与三维S波速度结构,以图 4(a)中AA′轴向,由地面向地下20 km投影,结果见图 4(b)(图中五角星为9月10日ML 4.7地震,圆圈为震群中其他地震),可见绝大部分地震发生在深度10 km以上,与华北地区优势发震深度5—15 km相符。
地震视应力反映震源断层错动时断层面上平均应力水平的高低,可以作为一定区域背景应力水平的间接估计(曹凤娟等,2005;陈学忠等,2007)。利用李艳娥提供的视应力计算程序,使用震中距200 km内台站记录的震源谱,计算得到6次3级以上地震视应力,见图 5(图中红点为本次开平震群地震视应力)。结果表明,本次地震与同震级地震视应力相比偏低,可能意味着震后震源区应力释放不彻底,应密切关注该震群序列后续发展。
震源机制解是用地球物理学方法判别断层类型和地震发震机制的一种方法。利用震源机制解,不仅可以了解断层类型(正断层、逆断层或走滑断层),而且可以揭示断层在地震前后的具体运动。利用河北数字化地震台网记录的地震波形资料,采用crust 2.0地壳速度模型,基于CAP(Cut and Paste)波形反演方法(Zhao et al,1994;Zhu et al,1996),计算2016年9月10日开平ML 4.7地震的震源机制解,见图 6,可见错动方式为正断,兼具少量走滑分量,其中一个节面走向与唐山—古冶断裂走向基本一致。波形拟合随深度的变化结果[图 6(b)]显示,反演结果较稳定。
本次震群中ML 3以上地震共11次,其中8月27日15时50分27秒ML 3.0地震与8月27日15时50分36秒ML 3.8地震因发震时间相近,波形无法分离,不易识别,未计算二者震源机制。利用P波初动法计算其余9次地震震源机制解,计算结果见图 7,可见震源机制一致性较好,主压应力轴为NE向,与华北地区构造应力场一致,表明当前唐山地区仍受到区域应力场约束,仍处于应力相对积累阶段。
综上所述,可以得到以下结论:①本次震群序列持续时间较长,8月31日之前地震序列具备前震序列特征,之后序列升级发生主震;②本次震群序列参数计算结果显示,震群活动显示为非典型前兆性震群;③精定位结果显示,此次ML 4.7震群集中发生在唐山—古冶断裂,仍属唐山老震区余震活动;④震群中几次3级以上地震视应力水平较该区同等震级地震较低,震源机制一致性较好,表明该区存在较为一致的稳定应力场。
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