劉 芳 王曉山 楊雅瓊

(1)內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,呼和浩特 010010 2)河北省地震局,石家莊 050021)

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)小震震源機(jī)制解分析＊

劉 芳1)王曉山2)楊雅瓊2)

(1)內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,呼和浩特 010010 2)河北省地震局,石家莊 050021)

利用 P、S最大振幅比數(shù)據(jù)反演中小震震源機(jī)制方法,選取 2001—2008年發(fā)生在內(nèi)蒙古中西部的中小地震的數(shù)字波形數(shù)據(jù),反演得到 130個(gè)地震震源機(jī)制。研究結(jié)果表明,震源機(jī)制存在NWW-SEE向和NE-S W向的兩組節(jié)面,受近NEE-S WW方位的壓應(yīng)力和NNW-SSE方位的張應(yīng)力作用,NWW-SEE向的破裂面產(chǎn)生右旋走向滑動(dòng), NNW-SSE向的破裂面產(chǎn)生左旋走向滑動(dòng)。系統(tǒng)聚類(lèi)分析顯示,內(nèi)蒙古中西部中小地震以直立節(jié)面、走滑型震源機(jī)制解為主。通過(guò)對(duì)杭錦旗、托克托兩次 4級(jí)以上地震震源機(jī)制與背景場(chǎng)對(duì)比,認(rèn)為均不是“前兆地震”。通過(guò)對(duì)震源機(jī)制的一致性參數(shù)分析,內(nèi)蒙古中西部震源機(jī)制一致性參數(shù)出現(xiàn)低值區(qū),對(duì)地震預(yù)測(cè)具有一定的指示意義。

內(nèi)蒙古中西部;振幅比;震源機(jī)制解;波形數(shù)據(jù);地震預(yù)測(cè)

1 引言

震源機(jī)制解是研究地震破裂和應(yīng)力場(chǎng)的基本工具,隨著觀測(cè)技術(shù)的提高和震源機(jī)制求解方法的發(fā)展,已積累了大量資料。李欽祖[1]曾提出用 4個(gè)臺(tái)站記錄初動(dòng)振幅比求小地震震源機(jī)制的思想,同時(shí)又分析了河北地區(qū)的震源機(jī)制結(jié)果,討論了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的一致性。許忠淮等[2]利用北京周?chē)貐^(qū)地震臺(tái)站的地震 P波初動(dòng)資料,分區(qū)研究了綜合斷層面解得到的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的方向。刁桂苓[3]利用 P波初動(dòng)數(shù)據(jù),以多臺(tái)數(shù)據(jù)同時(shí)求綜合斷層面解方法,更清晰地描述了唐山地震前區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化過(guò)程。通過(guò)一系列研究工作,積累了比較豐富的數(shù)據(jù),提供了必要的方法,給出了較好的結(jié)果,其應(yīng)用已推廣到華北地區(qū)乃至全國(guó)。

陳颙[4]根據(jù)海城前震序列的研究,提出用震源機(jī)制的一致性作為判別前震的新參數(shù)。刁桂苓等[3,5]給出 1976年河北唐山 7.8級(jí)地震前,震區(qū)附近小震 P波初動(dòng)資料得到的綜合斷層面解矛盾符號(hào)占全部符號(hào)的比例降低的圖像;1982年又給出北京延慶 1965年 5.4級(jí)地震前類(lèi)似的現(xiàn)象。目前已經(jīng)得到大同 1991年 5.8級(jí)地震、1999年 5.6級(jí)地震和張北 1999年 5.6級(jí)地震的前兆圖像,以及伽師序列、千島群島地區(qū)和秘魯震源機(jī)制一致性參數(shù)在震前出現(xiàn)低值的結(jié)論[6-9]。

為了研究大量的震源機(jī)制解之間的親疏程度,許多專(zhuān)家以系統(tǒng)聚類(lèi)的方法對(duì)此問(wèn)題給予了很好的解決。刁桂苓等[10]給出了 1975年海城地震序列震源機(jī)制解的聚類(lèi)分析結(jié)果。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊,地形狹長(zhǎng),橫跨我國(guó)西北、華北、東北地區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈[11-13]。內(nèi)蒙古中西部地區(qū) (39°18′～42°12′N(xiāo); 105°42′～113°54′E)主要的活動(dòng)斷裂帶包括狼山山前斷裂、色爾騰山山前斷裂、烏拉山北緣斷裂、烏拉山山前斷裂、大青山山前斷裂等。公元前 7年發(fā)生河套大地震,公元 849年包頭西發(fā)生 7級(jí)左右地震。同時(shí)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)又位于陰山帶中段,由于其特殊的構(gòu)造條件,使其成為陰山帶應(yīng)力變化的敏感窗口。尤其是 1970年以來(lái)地震活動(dòng)異?；钴S,先后發(fā)生了 1976年和林格爾 6.3級(jí)、1976年巴音木仁6.2級(jí)、1979年五原 6.0級(jí)、1981年豐鎮(zhèn) 5.8級(jí)、1996年包頭西 6.4級(jí)等一系列中強(qiáng)地震。

本文將在李欽祖、梁尚鴻等[14]提出的利用 P、S最大振幅比數(shù)據(jù)反演中小地震震源機(jī)制的基礎(chǔ)上,采用刁桂苓研制的 P波初動(dòng)和 P、S振幅比聯(lián)合反演震源機(jī)制程序 (APAS程序)、系統(tǒng)聚類(lèi)分析及震源機(jī)制一致性程序[6],研究?jī)?nèi)蒙古中西部中小地震震源機(jī)制及其主要應(yīng)力場(chǎng)特征。

2 研究方法

梁尚鴻等[14]提出利用區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng) P、S垂直分量振幅比數(shù)據(jù)測(cè)定小震震源機(jī)制。林紀(jì)曾等[15]進(jìn)行了人工數(shù)據(jù)檢驗(yàn),并且對(duì)臺(tái)站偏于一側(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)處理能力及誤差進(jìn)行了估計(jì)。結(jié)果表明,該方法具有精度高、需用的記錄數(shù)據(jù)量少等優(yōu)點(diǎn),不僅在正常情況下能夠得到很好的結(jié)果,而且在十分不利的數(shù)據(jù)條件下也可以給出令人滿(mǎn)意的結(jié)果。胡新亮等人[16]的對(duì)比分析也進(jìn)一步證實(shí)了利用數(shù)字地震記錄的 P、S振幅比數(shù)據(jù)測(cè)定小震震源機(jī)制解的可靠性。因此,我們可以克服由于實(shí)際觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的局限所造成的測(cè)定小震震源機(jī)制的困難,取代以往僅利用 P波初動(dòng)符號(hào)作粗略估計(jì)的方法,有效地利用小震數(shù)據(jù),為進(jìn)一步研究應(yīng)力場(chǎng)提供豐富的小震震源機(jī)制解參數(shù)。

在計(jì)算過(guò)程中,考慮層狀介質(zhì)中一點(diǎn)源位錯(cuò)模型,由計(jì)算綜合地震圖得到 P、S各自最大振幅,通過(guò)其最大振幅比值與觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合的方式來(lái)確定震源機(jī)制。應(yīng)用理論地震圖方法,進(jìn)行由觀測(cè)記錄波形測(cè)定震源機(jī)制的研究工作。

我們?cè)谑褂谜穹确椒ǖ倪^(guò)程中,依據(jù)區(qū)內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)確定分層速度模型,全部采用數(shù)字化地震波形記錄,規(guī)定選用臺(tái)站地震記錄震中距Δ≤150 km,臺(tái)站數(shù)目要求在 5個(gè)臺(tái)站以上,以保證機(jī)制解的穩(wěn)定性。一般取 P和 S到時(shí)之后前幾個(gè)周期的最大振幅最大雙振幅A,且要求 0.5 mm＜A＜限幅,精度 0.2 mm。同時(shí)避免了 Pn、P11、Sn、S11波這幾種震相及一些轉(zhuǎn)換波震相混入、誤讀。

3 數(shù)據(jù)選取

選取 2001—2008年發(fā)生在內(nèi)蒙古中西部的中小地震,利用呼和浩特?cái)?shù)字臺(tái)網(wǎng) (呼和浩特、集寧、百靈廟、烏蘭花、清水河、東勝、西山咀、烏海)8個(gè)臺(tái)站的數(shù)字波形數(shù)據(jù)。為了保證所采集的地震記錄振幅不太小,又不限幅,取用ML=2.7～4.5。最終挑選出記錄清晰的 130次地震事件記錄進(jìn)行分析研究(圖 1)。本文采用刁桂苓研制的 APAS程序,反演得到內(nèi)蒙古中西部地區(qū) 130次中小地震震源機(jī)制。這 130次地震基本覆蓋了內(nèi)蒙古中西部地區(qū),而時(shí)間分布也基本連續(xù),反映了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的地震活動(dòng)特征。

圖 1 2001—2008年內(nèi)蒙古中西部 130次ML≥2.7地震及臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of 130ML≥2.7 earthquakes and stations in central and western Inner Mongolia from 2001 to 2008

4 震源機(jī)制參數(shù)及結(jié)果分析

由于得到的震源機(jī)制解數(shù)目較多,無(wú)法逐一分析比較。以下對(duì)節(jié)面、壓應(yīng)力 P軸進(jìn)行分析。

4.1 節(jié)面

1)節(jié)面走向分布。圖 2(a)顯示,每 30°角域幾乎都有節(jié)面存在,表明中小地震破裂面取向較為離散,在NWW-SEE和NE-S W向存在節(jié)面的優(yōu)勢(shì)。

2)節(jié)面傾角的分布。圖 2(b)顯示,接近直立的60°～90°的節(jié)面所占的比例較大 (約 60%),說(shuō)明隨著滑動(dòng)角的增加逆沖型斷層多于正斷層。

3)節(jié)面滑動(dòng)角的分布。取 0°～30°、-30°～0°和 150°～180°、-150°～-180°為走向滑動(dòng);60°～120°、-60°～-120°為傾向滑動(dòng);其余為斜向滑動(dòng)。圖2(c)顯示,約70%的節(jié)面為走滑,25%的為斜滑, 5%的為傾滑。其中傾滑型的數(shù)據(jù)雖然少,但確實(shí)獨(dú)立存在。

圖 2 節(jié)面走向、傾角、滑動(dòng)角分布Fig.2 Distribution of strike,dip and slip angle of node plane

4.2 P軸、T軸方位分布

1)P軸方位的分布。由圖 3(a)分析得出,P軸優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹45°E。

2)T軸方位分布。由圖 3(b)分析得出,T軸優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?E45°S,而其余 T軸則散布在 120°角域,但數(shù)目不多。

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)震源機(jī)制各參數(shù)的空間分布研究,給出這樣一幅圖像：在NWW-SEE向或NE-S W向的兩個(gè)節(jié)面,受近NEE-S W方位的壓應(yīng)力和NNW-SE方位的張應(yīng)力作用,NWW-EE向的節(jié)面產(chǎn)生右旋走向滑動(dòng),NNW-SE向的節(jié)面產(chǎn)生左旋走向滑動(dòng)。

圖3 P軸、T軸方位分布Fig.3 Distribution of P-axis,T-axis orientation

5 系統(tǒng)聚類(lèi)分析

要將大量震源機(jī)制解以各自的空間取向劃分出不同的類(lèi),并研究它們之間的親疏程序,可由模式識(shí)別中系統(tǒng)聚類(lèi)的方法加以解決[10]。

前面我們通過(guò)震源機(jī)制解的各個(gè)參數(shù)空間取向分析,得到了優(yōu)勢(shì)取向參數(shù)的空間分布圖像。為了更好地比較各個(gè)震源機(jī)制解之間的異同,判別它們的性質(zhì),本文采用系統(tǒng)聚類(lèi)方法,對(duì) 130個(gè)解進(jìn)行分析。以最大距離法,把 130個(gè)震源機(jī)制解劃分成 6類(lèi)。圖 4給出這 6類(lèi)震源機(jī)制解 P軸和 T軸的投影,據(jù)此得到的平均 P、T軸及導(dǎo)出的節(jié)面也一并繪于圖4中。

從表 1、圖 4中可看出,第 1類(lèi)包含地震共 58個(gè),占總數(shù)的 44.6%,代表了內(nèi)蒙古中西部中小地震震源機(jī)制解的主要特征。分析表明,平均 P軸走向?yàn)镹EE向,平均 T軸走向?yàn)镹NW向,呈水平狀態(tài);且節(jié)面較陡,本文稱(chēng) 1類(lèi)直立節(jié)面、走滑型震源機(jī)制解為主類(lèi)。它的平均解與李欽祖[17]、許忠淮[18]分別給出的華北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向完全一致。

圖 4 震源機(jī)制系統(tǒng)聚類(lèi)后各類(lèi) P、T軸平均解投影Fig.4 Focal mechanisms for various types P,T axis projection of the average solution after systemic clustering

表 1 系統(tǒng)聚類(lèi)得到的 6類(lèi)震源機(jī)制解平均解的空間取向Tab.1 Spatial orientation of average solution of six classes focalmechan is m solution by system ic clustering

6 震源機(jī)制的一致性參數(shù)分析

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由 3個(gè)相互正交的應(yīng)力主軸σ1、σ2、σ3表示,震源機(jī)制的取向由 3個(gè)相互正交的應(yīng)力軸 P、B、T表示。那么定義震源機(jī)制和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的一致性參數(shù)(圖 5):

其中:α=∠σ1P,β=∠σ2B,γ=∠σ3T。

將所計(jì)算的中小地震源機(jī)制解結(jié)果確定參數(shù)σ1az、σ1ih、σ2az、σ2ih、σ3az、σ3ih,然后在三維空間計(jì)算各個(gè)震源機(jī)制一致性參數(shù) a。一致性參數(shù)的最大值為 270°,最小值為 0°。

圖 5 應(yīng)力場(chǎng) 3個(gè)主軸和震源機(jī)制 3個(gè)應(yīng)力軸夾角示意Fig.5 Sketch of three principal axes of stress field and three stress axes of focalmechanism

我們由前面的震源機(jī)制解計(jì)算結(jié)果在三維空間計(jì)算各個(gè)震源機(jī)制的一致性參數(shù) a,采用Mapinfo軟件中的專(zhuān)題制作功能,以 0.1°為間隔,用平均值 TI N方法進(jìn)行插值,得到了內(nèi)蒙古中西部震源機(jī)制參數(shù)空間分布圖 (圖 6)。圖中深色表示高值,淺色表示低值。

由圖 6中可看到,研究區(qū)域中出現(xiàn)一個(gè)明顯的低值區(qū)：臨河-烏海一帶,其他低值區(qū)區(qū)域很小,可能由單個(gè)地震引起,屬于隨機(jī)事件,是不穩(wěn)定結(jié)果,不能確定為低值異常區(qū)?；诘蠊疖邔?duì)大同 1991年5.8級(jí)地震、1999年 5.6級(jí)地震和張北 1999年 5.6級(jí)地震的前兆圖像,以及伽師序列、千島群島地區(qū)和秘魯?shù)卣鹫鹪礄C(jī)制一致性參數(shù)震前低值的結(jié)論,本文認(rèn)為,內(nèi)蒙古中西部臨河-烏海一帶震源機(jī)制一致性參數(shù)出現(xiàn)低值,對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

圖 6 震源機(jī)制一致性參數(shù)空間分布Fig.6 Space distribution of consistency parameters of focal mechanism

7 P軸轉(zhuǎn)向與仰角分析

孫加林[19]研究了華北、東北地區(qū)幾次強(qiáng)震或中強(qiáng)地震,特別是對(duì) 1976年 4月 6日內(nèi)蒙古和林格爾6.3級(jí)、1979年 8月 25日內(nèi)蒙古五原 6.0級(jí)地震前中小地震震源機(jī)制的研究表明,強(qiáng)震前某些中小地震的主壓應(yīng)力軸方向出現(xiàn)明顯的近 90°的轉(zhuǎn)向,有的仰角亦明明顯增大,由此認(rèn)為 P軸轉(zhuǎn)向 (所謂 P軸轉(zhuǎn)向,是強(qiáng)震孕育到一定時(shí)期,在震源區(qū)或其附近發(fā)生的中小地震才具有的特征;所謂“轉(zhuǎn)向”,是相對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)而言,相對(duì)未來(lái)強(qiáng)震而言)有可能是“前兆地震”的判據(jù)之一。本文依據(jù)孫加林[19]的研究成果,以 1976年 4月 6日內(nèi)蒙古和林格爾 6.3級(jí)、1979年8月 25日內(nèi)蒙古五原 6.0級(jí)地震作為背景場(chǎng),對(duì)研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的 2001年 6月 5日杭錦旗4.6及 2003年 6月 10日托克托 4.2級(jí)地震震源機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析,判定其是否為“前兆地震”。

表 2 兩組 4級(jí)以上的地震震源機(jī)制解參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison between focalmechan is m parameters of two groupsMs≥4 earthquakes

從表 2可以看出,2003年 6月 10日托克托 4.2級(jí)地震相對(duì)于 1976年 4月 6日和林格爾 6.3級(jí)地震背景場(chǎng)來(lái)講,主壓應(yīng)力軸方向未出現(xiàn) 90°轉(zhuǎn)向,仰角未增大。2001年 6月 5日杭錦旗 4.6級(jí)地震相對(duì)于 1979年 8月 25日五原 6.0級(jí)地震背景場(chǎng)來(lái)說(shuō),雖然仰角增大,但主壓應(yīng)力軸方向未出現(xiàn) 90°轉(zhuǎn)向。分析認(rèn)為,2001年 6月 5日杭錦旗 4.6級(jí)和2003年 6月 10日托克托 4.2級(jí)地震均不是“前兆地震”。

8 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)震源機(jī)制各參數(shù)的空間分布研究,表明存在NWW-SEE向或NE-S W兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向的節(jié)面,受近NEE-SS W方位的壓應(yīng)力和NNW-SSE方位的張應(yīng)力作用,NWW-SEE向的節(jié)面產(chǎn)生右旋走向滑動(dòng),NNW-SSE向的節(jié)面產(chǎn)生左旋走向滑動(dòng)。

2)通過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)方法分析,內(nèi)蒙古中西部中小地震以直立節(jié)面、走滑型震源機(jī)制解為主類(lèi),構(gòu)成內(nèi)蒙古中西部震源機(jī)制的主體,而且與前人資料推斷的華北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向一致。

3)通過(guò)對(duì) 2001年 6月 5日杭錦旗 4.6級(jí)、2003年 6月 10日托克托 4.2級(jí)兩次地震震源機(jī)制解與背景場(chǎng)的對(duì)比分析,認(rèn)為 2001—2008年間發(fā)生在內(nèi)蒙古中西部這兩次 4級(jí)以上地震均不是“前兆地震”。

4)從震源機(jī)制一致性參數(shù)結(jié)果可看出,臨河-烏海一帶的低值區(qū)對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作具有一定的指示意義。

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16 胡新亮,等.利用數(shù)字地震記錄的 P,S振幅比數(shù)據(jù)測(cè)定小震震源機(jī)制解的可靠性分析 [J].地震地質(zhì),2004,2 (26)：347-354.

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18 許忠淮,等.由多個(gè)小地震推斷的華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向[J].地震學(xué)報(bào),1983,5(3)：268-279.

19 孫加林,李煒,閻海濱.P軸轉(zhuǎn)向是“前兆地震”的一個(gè)可能判據(jù)[J].地震科學(xué)研究,1983(1)：1-13.

FOCAL M ECHANISM ANALYSIS OF SMALL EARTHQUAKE IN CENTRAL AND W ESTERN INNERMONGOL IA

Liu Fang1),Wang Xiaoshan2)and Yang Yaqiong2)

Using the method of the maximum amplitude ratio between P and S to inverse the focalmechanisms of s mall and medium earthquakes,and by using the digitalwavefor m data of the s mall and medium earthquake occurred in the central and western InnerMongolia from 2001 to 2008,130 focalmechanis mswere obtained.The results show that there are t wo groups of nodal plane in NWW-SEE and NE-S W.From the effect of the compressive stress in NEE-S WW direction and the tensile stress inNNW-SSE direction,theNWW-SEE break side results in the right sliding,theNNW-SSE one in the left sliding.Systemic clustering analysis shows that small andmedium earthquakes in the central and western InnerMongolia were mostlywith the section of vertical surface and strike-slip focalmechanis m solution.By contrasting the focal mechanis m of Hangjinqi and TuoketuoMs4 earthquakes with the background field,it is found that both of them are not precursor earthquakes.Through the analysis of consistency focalmechanism of parameters,there is a low value area of focalmechanis m parameters in the central and western InnerMongolia,itmay have a certain significance to earthquake prediction.

central and western Inner Mongolia;amplitude ratio;focal mechanism;wavefor m data;earthquake prediction

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0007-05

2009-12-25

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2006BAC01B02-01-01)

劉芳,女,1963年生,高級(jí)工程師,主要從事地震監(jiān)測(cè)、數(shù)字地震資料應(yīng)用及地震編目.E-mail：lfnm88@163.com

P315.63

A

(1)Earthquake Adm inistration of InnerM ongolia Autonom ous Region,Hohhot 010010 2)Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021)