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  地震地磁观测与研究  2021, Vol. 42 Issue (1): 13-19  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.003
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引用本文  

包金哲, 王树波, 郝美仙, 等. 鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制和应力场特征研究[J]. 地震地磁观测与研究, 2021, 42(1): 13-19. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.003.
BAO Jinzhe, WANG Shubo, HAO Meixian, et al. Research on focal mechanisms and stress field in the northeast edge of Ordos block[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2021, 42(1): 13-19. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.003.

基金项目

中国地震局监测、预报、科研三结合课题(项目编号:3JH-201901053)

通讯作者

王树波(1980-), 男, 高级工程师, 主要从事强震动观测工作。E-mail: 21560681@qq.com

作者简介

包金哲(1986-), 男, 工程师, 主要从事强震动观测工作。E-mail: dzjbjz@163.com

文章历史

本文收到日期:2019-10-21
鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制和应力场特征研究
包金哲 , 王树波 , 郝美仙 , 韩晓明 , 张晖 , 尹战军 , 杨彦明     
中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局
摘要:选取鄂尔多斯块体东北缘地区(38.5°-42.0°N,109.5°-116.0°E)2008年1月-2018年4月144个ML ≥ 2.5地震事件,利用振幅比和P波初动联合求解震源机制解的方法(FOCMEC方法),得到鄂尔多斯块体东北缘地区(晋冀蒙交界区域)地震震源机制解。利用阻尼区域应力反演方法(MSATSI软件)将研究区域分为1°×1°的地壳应力场,得到了应力场图像。结果显示,鄂尔多斯块体东北缘地区(晋冀蒙交界区域)震源机制解主要类型是正断型和走滑型,应力状态以拉张为主,局部区域存在剪切作用,最大水平主应力方位主要为NE向。
关键词震源机制    晋冀蒙交界区域    应力场    FOCMEC    MSATSI    
Research on focal mechanisms and stress field in the northeast edge of Ordos block
BAO Jinzhe , WANG Shubo , HAO Meixian , HAN Xiaoming , ZHANG Hui , YIN Zhanjun , YANG Yanming     
Earthquake Agency of Inner Mongolia Autonomous Regin, Hohhot 010010, China
Abstract: This paper selects 144 ML ≥ 2.5 earthquakes that occurred from January 2008 to April 2018 in the area of the northeast edge of ordos block (latitude 38.5°- 42.0°; longitude 109.5°-116.0°) and uses the method combining the amplitude ratio and P-wave initial motion analysis (FOCMEC) to obtain the focal mechanism solution for the area of northeast edge of Ordos block (the border area of Shanxi, Hebei, and Inner Mongolia). The stress field is obtained by using a damped stress inversion method (MSATSI) with a spatial resolution of 1°×1°. The results show that the main source types of earthquakes in the area of the northeast edge of Ordos block (the border area of Shanxi, Hebei, and Inner Mongolia) are normal faults and strike-slip type. The stress is mainly tension. There are shearing stress and tensile stress in some areas. The orientation of the maximum horizontal principal stress is mainly distributed in the NE direction.
Key words: focal mechanism    the border area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia    stress field    FOCMEC    MSATSI    
0 引言

鄂尔多斯东北缘地区(38.5°—42.0°N,109.5°—116.0°E)即晋冀蒙交界地区,该区域地质条件复杂,地震多发,如1976年4月6日内蒙古和林格尔MS 6.3、1996年5月3日内蒙古包头西郊地区MS 6.4、1998年1月10日河北张北MS 6.2地震。该区域的地震活动引起了一些研究者的关注(王化宇等,2006高立新等,2012武敏捷等,2014)。

利用地震震源机制研究地球构造应力场是相对科学可靠的,但研究结果仅给出应力的方向,据此不能判断应力的大小。一些研究者利用此方法对鄂尔多斯块体东北缘地区进行研究,盛书中(2015)利用P波初动方法获得震源机制解,认为河套断陷带、岱海断陷带、山西断陷带区域的震源机制以正断为主。震源机制解节面走向与断裂走向一致,与鄂尔多斯块体现今的拉张状态一致;郭祥云等(2017)利用P波初动和振幅比反演的HASH方法获得震源机制解,认为块体北缘地区最大水平主应力优势方位为NE向;李祥(2016)研究认为,鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制以正断层为主,主要节面走向大体呈NE和NNE,与控制断陷带边界断裂走向一致,山西断陷带与张家口—渤海地震带交汇处的怀安、阳原、阳高等盆地震源机制以走滑为主,兼有少量正断型,延怀盆地主要以正断为主。

本文利用FOCMEC方法计算得到研究区域的震源机制解,利用阻尼区域应力场反演MSATSI方法(Martínez-Garzón et al,2014)反演得到研究区域的应力场,并初步分析了鄂尔多斯块体东北缘区域应力场特征。

1 研究区域构造背景

鄂尔多斯块体东北缘地区地质构造复杂,主要有2大断陷带,即北部河套断陷带和东部山西断陷带,2大断陷带之间有岱海断陷带。二级块体主要包括鄂尔多斯块体东北部、华北块体西北部。河套断陷带位于鄂尔多斯块体北部,东界为和林格尔断裂,西界为狼山山前断裂,南界为鄂尔多斯块体北缘断裂,北界为阴山(色尔腾、乌拉山、大青山)山前断裂,总体走向EW向(邓起东等,1985范俊喜等,2003)。河套断陷带是研究区域最大断陷带,由呼包、白彦花、临河等3个次级盆地组成。山西断陷带位于鄂尔多斯块体东部,由十几个大小不等的NE向、NEE向的地堑或半地堑式右行排列组成,总体走向NNE向,在平面上呈“S”形。研究区东南部的口泉断裂、六棱山北麓断裂、五台山北麓断裂等总体走向NE向。岱海断陷带、蛮汗山山前断裂带、鞍子山山前断裂带和岱海—黄旗海南缘断裂带,总体走向NEE向(国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组,1988)。

2 震源机制解

收集整理了鄂尔多斯块体东北缘地区2008年1月至2018年4月共144条ML≥2.5天然地震数据,数据由内蒙古自治区地震监测中心、国家测震台网中心提供。

利用垂直向SV波与P波的振幅比,并结合台站的初动测定震源机制的方法,在模拟地震观测时期应用较广泛(Kisslinger et al,1981梁尚鸿等,1984)。Snoke等(1984)提出了利用P波、SV波、SH波的初动和振幅比联合求解震源机制的方法,并提供了计算程序(FOCMEC程序)。双力偶震源远场P波、SV波、SH波在震源坐标系r-θ-ϕ的位移表达式为

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\mu _r} = \frac{1}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}\rho }} \cdot \frac{1}{{v_{\rm{p}}^3}} \cdot \frac{1}{r}\dot M\left({t - \frac{r}{{{v_{\rm{p}}}}}} \right){{\sin }^2}\theta \sin 2\phi }\\ {{\mu _\theta } = \frac{1}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}\rho }} \cdot \frac{1}{{v_{\rm{s}}^3}} \cdot \frac{1}{r}\dot M\left({t - \frac{r}{{{v_{\rm{S}}}}}} \right){{\sin }^2}\theta \cos \theta \sin 2\phi }\\ {{\mu _\phi } = \frac{1}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}\rho }} \cdot \frac{1}{{v_{\rm{s}}^3}} \cdot \frac{1}{r}\dot M\left({t - \frac{r}{{{v_{\rm{S}}}}}} \right){{\sin }^2}\theta \cos 2\theta } \end{array}} \right. $ (1)

其中,ρ为岩石密度;vPvS分别为P波、S波速度;r为发生位移的点到震源的距离;t为时间;为双力偶中1个力偶强度随时间的微熵。FOCMEC计算程序所用参量为3个初动(P、SV、SH)和3个振幅比(SV/P、SH/P、SV/SH),这样每个台站记录所用的独立分量就从传统的1个P波初动增加到5个(振幅比仅有2个独立分量)。通过比较理论计算和实际观测所得P、SV、SH波的初动符号和振幅比矛盾数最小的方式得到震源机制解,提高了反演结果的精度。

利用FOCMEC程序获得研究区域2008年1月至2018年4月共计144条ML≥2.5地震震源机制解,参考判断震源机制类型的国际标准(Zoback,1992),根据震源机制解3个应力轴(PTB)的不同倾角(pl)进行划分,得到震源机制解的6种类型:正断类型(NF)、正走滑类型(NS)、走滑类型(SS)、逆走滑类型(TS)、逆正断类型(TF)、不确定类型(U)。震源机制解类型见表 1

表 1 震源机制解类型 Table 1 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism

表 2为研究区域地震震源机制的6种类型。由表 2可见,正断类型占37.5%,正走滑类型占13.9%,走滑类型占28.8%,逆正断类型占8.3%,逆走滑类型占4.9%,不确定类型占6.9%。结果表明,鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制以正断和走滑为主。震源机制解空间分布见图 2

表 2 研究区内震源机制解分类 Table 2 Classification of focal mechanism solutions in the research area
图 2 震源机制解空间分布 Fig.2 Spatial distribution of focal mechanism solutions
3 应力场研究结果 3.1 阻尼系数的确定

在应力场反演中,Hardebeck等(2006)研究认为,通过增加阻尼约束,能够更好地优化结果。因此,利用MSATSI软件,设定一系列阻尼值(图 3),得到应力场反演模型长度和数据拟合误差曲线,通过反复比对调试,找到误差曲线的拐点,即为最佳阻尼系数。由图 3可以看出,折中曲线在e ≈1.2附近,这意味着低于该相对权重值时,提高模型复杂程度对反演误差的改善几乎没有作用,而提高相对权重值时,随着模型的简化,反演误差会急剧增加。因此,在反演过程中选择相对权重系数e ≈ 1.2。

图 3 模型长度—数据拟合误差 Fig.3 Model length-data fitting residual curve
3.2 鄂尔多斯块体东北缘区域应力场

利用MSATSI方法(Martínez-Garzón et al,2014)反演得到研究区域的应力场,应力场反演结果见图 4。由图 4可知,P轴整体方位NE向,T轴整体方位NW向,中间应力轴方位NE向,由图 4还可知,P轴与断层节面走向方向一致,尤其在山西断陷带东北部地区,存在较一致的NE向。该地区位于和林尔断裂以东,孙庄子乌龙沟断裂以西,内部主要断裂有天镇—阳高盆地北缘断裂、口泉断裂、六棱山北麓断裂、恒山北麓断裂等。此外,T轴方位与断层节面走向垂直,一致性较好。综上所述可得鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制解主要是正断、走滑类型,最大主应力方向为NE向。青藏高原块体在NE—NEE向挤压作用及太平洋板块在W向的俯冲作用(邓起东等, 1999, 2014),造成鄂尔多斯块体东北缘地区主要应力方向为NE向,此方向与断层节面整体走向的NE向一致(图 1)。

图 1 研究区域地质构造 F1色尔腾山山前断裂;F2乌拉山北麓断裂;F3乌拉山山前断裂;F4包头断裂;F5大青山山前断裂;F6鄂尔多斯北缘断裂;F7达拉特旗断裂;F8和林格尔断裂;F9蛮汗山山前断裂;F10岱海—黄旗海盆地南缘断裂;F11天镇—阳高盆地北缘断裂;F12怀安镇盆地南断裂;F13口泉断裂;F14恒山北麓断裂;F15六棱山北麓断裂;F16阳原盆地北缘断裂;F17怀涿盆地北缘断裂;F18恒山南麓断裂;F19五台山北麓断裂;F20孙庄子—乌龙沟断裂;F21慰县盆地南缘断裂;F22系丹山山前断裂 Fig.1 Geological structure of the study region
图 4 应力场反演结果 圆圈反映各个反演格点的3个应力轴伍尔夫投影情况;红色线(P轴)表示最小主应力轴;绿色表示中间主应力轴;蓝色线(T轴)表示最大主应力轴 Fig.4 Stress field inversion results

将研究区域划分成1°×1°的网格进行反演,使用MSATSI算法获得20个格点的应力参数,应力张量是一个对称的二阶张量,但在断层面上的剪应力方向只依赖4个变量,即3个主应力轴方向和1个应力值RR值为描述主应力相对大小的物理量,是所求应力主轴方向可靠性的一种参考值,其值为0—1,计算公式为

$ R = \frac{{{\sigma _2} - {\sigma _1}}}{{{\sigma _3} - {\sigma _1}}} $ (2)

其中,σ1为最大主应力;σ2为中间主应力;σ3为最小主应力。当R值大于0.5且接近于1时,所求研究区域内最大主压应力轴方向可信度较高,而最大主张应力轴方向可信度较低;当R值小于0.5时,最大主张应力轴方向可信度较高,而最大主压应力轴方向可信度较低。图 5为应力场反演结果。由图 5可见,在20个R值的网格参考值中,R值图标整体以蓝色的居多,局部有红色的,说明应力场整体以张性为主,局部地区存在压性。达拉特旗以北、达尔汗茂明联合旗以南地区存在压性。

图 5 相对应力R值空间分布 Fig.5 Spatial distribution of relative stress R-value
4 结论

利用FOCMEC方法计算出2008年1月—2018年4月鄂尔多斯块体东北缘地区共144条ML≥2.5地震震源机制解,将研究区划分为1°×1°的地壳应力场,利用MSATSI算法,反演获得研究区应力场等特征:①鄂尔多斯块体东北缘地区应力状态以拉张为主,研究区最大水平主应力方向为NE向;②山西断陷带区域以正断类型为主,存在较一致的NE向应力状态。

参考文献
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