韓曉飛，楊雅瓊

(1.陜西省地震局，陜西 西安 710068；2.河北省地震局，河北 石家莊 050021)

渤海及其鄰區(qū)震源機(jī)制解特征

韓曉飛1，楊雅瓊2

(1.陜西省地震局，陜西 西安 710068；2.河北省地震局，河北 石家莊 050021)

通過(guò)分析渤海及鄰區(qū)的震源機(jī)制解的特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹EE－EW向，主張應(yīng)力方向?yàn)镹NW-SN，以水平和近水平應(yīng)力作用為主。渤海盆地及鄰區(qū)的地殼破裂以NW-WNW和NNE-NE走向的共軛剪切破裂活動(dòng)為特征，是現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的構(gòu)造基礎(chǔ)。震源機(jī)制解的系統(tǒng)聚類表明，渤海及鄰區(qū)的地震主要以走向滑動(dòng)地震為主，其次為正斷層地震，對(duì)應(yīng)該區(qū)不同的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

渤海及鄰區(qū)；震源機(jī)制；系統(tǒng)聚類；應(yīng)力場(chǎng)

0 引言

渤海是一個(gè)盤踞于我國(guó)華北地區(qū)東北部的半封閉的陸表海，在地質(zhì)構(gòu)造上，是渤海灣盆地被水覆蓋的部分，位于華北新生代裂陷盆地。渤海灣盆地是新生代最為典型伸展構(gòu)造區(qū)，盆地及其鄰近地區(qū)活動(dòng)斷裂相當(dāng)發(fā)育，現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，NNE向郯城－廬江斷裂帶經(jīng)萊州灣穿越渤海入遼東灣，與NW向燕山－渤海強(qiáng)震活動(dòng)帶交匯 （圖1），因此渤海及其周圍地區(qū)是我國(guó)大陸東部強(qiáng)震的多發(fā)區(qū)。自公元1493年到現(xiàn)在共記錄到7級(jí)以上大震4次，平均120年發(fā)生一次。6級(jí)以下地震的記載缺失較多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，海域地區(qū)至少也有6～6.9級(jí)地震5次[1]。有研究表明，渤海海域ML3.0地震基本完整，ML2.0地震略有缺失[2]。

渤海及其鄰區(qū)又是首都圈的門戶，也是我國(guó)重要的石油基地，已探明有近10個(gè)大、中型油田[3]。渤海周邊人口稠密，大、中型城市密布，是我國(guó)北方工業(yè)和高新技術(shù)高度發(fā)達(dá)的地帶。所以，研究本區(qū)的震源機(jī)制特征與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，可以為渤海地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、地震區(qū)劃劃分及對(duì)地震災(zāi)害評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的自然災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)，并且對(duì)研究該區(qū)地震的孕育機(jī)理和成因，對(duì)該區(qū)的地震預(yù)測(cè)研究等都有理論和實(shí)用意義。一些研究者[4～7]根據(jù)震源機(jī)制解或井區(qū)應(yīng)力場(chǎng)等資料的分析及二維數(shù)值模擬計(jì)算等，對(duì)本區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)已作過(guò)不同程度的研究。本文擬在震源機(jī)制解特征分析的基礎(chǔ)上，綜合多種資料對(duì)渤海盆地的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作較深入的研究。

1 研究區(qū)域范圍和資料

研究區(qū)域選為渤海灣及鄰區(qū) （36.5°－42°N，117°－123°E） （圖1）。震源機(jī)制解是研究現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)資料。本研究收集了前人[4、8～11]所作的研究區(qū)域自1969年渤海7.4級(jí)地震以來(lái)58次ML≥3.5地震的震源機(jī)制。并收集河北、遼寧和山東臺(tái)網(wǎng)的波形資料利用振幅比和初動(dòng)方法[12]將資料補(bǔ)充至2010年12月31日，計(jì)算得到14個(gè)ML≥3.5地震的震源機(jī)制解 （表1）。對(duì)具有CMT解的大地震，使用CMT解來(lái)代表該地區(qū)的中小地震的平均震源機(jī)制解，比如唐山、海城和渤海地震[13]。這些地震大多數(shù)分布于渤海周圍，海域很少且分布也不均勻。

圖1 渤海及鄰區(qū)震源機(jī)制投影和構(gòu)造略圖Fig.1 Map of Focal mechanisms projection and tectonic structure in Bohai Sea and its adjacent area

2 構(gòu)造背景

渤海盆地位于中國(guó)大陸板塊東緣向陸架海的過(guò)渡地帶，華北盆地東側(cè)中部，是華北新生代裂谷的主體，其外圍有近EW向燕山褶皺帶、魯西穹狀隆起和NNE向膠遼隆起3個(gè)正向構(gòu)造單元，內(nèi)部包括渤中和遼東灣坳陷，以及黃驊、濟(jì)陽(yáng)坳陷和埕寧隆起的一部分，除渤中坳陷為獨(dú)立的海域構(gòu)造單元外，其余3坳1隆都是陸上構(gòu)造單元向海區(qū)的延伸。28個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元 （共15個(gè)凹陷和13個(gè)凸起），凹陷總面積為37 650 km2，凸起總面積為18 050 km2[14]。其構(gòu)造演化經(jīng)歷了早第三紀(jì)斷陷或裂陷及晚第三紀(jì)以來(lái)坳陷或后裂陷兩個(gè)階段。晚第三紀(jì)以來(lái)的新構(gòu)造時(shí)期，本區(qū)活動(dòng)斷裂發(fā)育，存在NNE，NE，NW和近EW向等幾組活動(dòng)斷裂，沿這些前新生代的區(qū)域性逆和逆平移斷裂形成一系列斷陷盆地，它們成帶(群)分布，相應(yīng)構(gòu)成如遼東灣、渤中、黃驊、濟(jì)陽(yáng)、冀中等早第三紀(jì)的坳陷，其間隔以如埕寧、滄縣等隆起。晚第三紀(jì)以來(lái)北華北盆地整體沉降。在此背景上，NE向營(yíng)口－濰坊斷裂帶北段和NW向北京－蓬萊斷裂帶仍明顯活動(dòng)[15、16]，與此同時(shí)，還新產(chǎn)生了NE向廟西北－黃河口－臨邑等斷裂帶。NE和NW走向的斷裂帶分別具右旋和左旋走滑性質(zhì)，一起構(gòu)成共軛活動(dòng)構(gòu)造帶[17、18]，是現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的構(gòu)造基礎(chǔ)。

3 震源機(jī)制解統(tǒng)計(jì)特征

圖2 震源機(jī)制解各參數(shù)歸一化頻度Fig.2 Normalized frequency distribution per 10°for focal mechanisms parameters

震源機(jī)制解的兩組節(jié)面代表了震源破裂的兩個(gè)可能斷層面，實(shí)際破裂面 （或者共軛破裂面）應(yīng)與其中一個(gè) （或者兩個(gè)）節(jié)面相一致 （或者基本一致）。由于地震以中小地震為主，無(wú)法區(qū)分主斷層面和輔助面，故將兩個(gè)節(jié)面等同看待，合并計(jì)算以10°間隔的歸一頻數(shù)分布。其中的Strike是節(jié)面的走向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E-SW和NWW，這2個(gè)方向恰恰是華北強(qiáng)震的2個(gè)破裂方向；Dip是節(jié)面的傾角，接近直立的高傾角最多，未見(jiàn)水平的節(jié)面；rake是節(jié)面的滑動(dòng)角，以走向滑動(dòng)為主，尤其右旋走滑最多；其次屬于傾向滑動(dòng)，逆傾滑和正傾滑各自獨(dú)立存在。P軸反映了地震時(shí)震源區(qū)最大的壓縮變形方向，而T軸則表示了最大伸張變形的方向。Paz在NEE-EW存在顯著優(yōu)勢(shì)取向，但頻度圖上顯示分瓣較復(fù)雜，說(shuō)明現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在某些局部與大區(qū)域之間有一定差異；與此相對(duì)應(yīng)的正交方向，Taz是NNW-SN存在顯著優(yōu)勢(shì)取向。和水平面的夾角 （Tdip）接近水平，Pdip呈稍稍翹起的形態(tài)，表明震源機(jī)制具有一定的正斷分量。N軸和水平面的夾角 （Bdip）呈傾斜向直立靠攏，主要以走向滑動(dòng)為主。

4 震源機(jī)制系統(tǒng)聚類

震源機(jī)制解是三維空間解，如將應(yīng)力軸的方位角、傾角或者節(jié)面的走向、傾角、滑動(dòng)角分割開來(lái)，僅從一維或者二維的角度觀察，難以客觀了解不同震源機(jī)制解空間取向的多樣性。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，并研究它們之間的親疏程度，刁桂苓等[20]借助模式識(shí)別中系統(tǒng)聚類的基本思想，結(jié)合震源機(jī)制解自身的表達(dá)方式，定義以兩個(gè)解的P軸夾角與T軸夾角之和為距離，采用最短距離和最長(zhǎng)距離兩種方法編制了系統(tǒng)聚類軟件，并用海城地震序列檢驗(yàn)了該軟件的可行性和可靠性。下面對(duì)渤海地區(qū)震源機(jī)制解計(jì)算最長(zhǎng)距離進(jìn)行系統(tǒng)聚類。

采用最長(zhǎng)距離法進(jìn)行聚類計(jì)算，取閾值T＝120，把72個(gè)解分成5類，將震源機(jī)制解的P軸和T軸分別作下半球等角度投影 （圖3）。聚類結(jié)果第一、二類為走向滑動(dòng)類型，可以作為主類，占全部解的比例達(dá)到56.9%，也符合華北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用方式；同為走向滑動(dòng)類型的第三類與主類方向相反，表明隨機(jī)調(diào)整的性質(zhì)，占總數(shù)不足10%；第四類屬于正傾向滑動(dòng)，占總數(shù)比例達(dá)到30%；第五類屬于逆傾向滑動(dòng)。正斷層的21個(gè)多于逆沖類型的5個(gè)，表明區(qū)域應(yīng)力呈拉張狀態(tài)。

圖3 震源機(jī)制解系統(tǒng)聚類平均解投影Fig.3 Average solution projection of focal mechanisms hierarchical clustering

表1 系統(tǒng)聚類不同震源機(jī)制類型各平均軸參數(shù)Table 1 Parameters of average axes for different focal mechanisms in hierarchical clustering

表1中，az為應(yīng)力軸方位；pl為傾伏角，AlfaPT為平均P、T軸的夾角，表示平均解質(zhì)量，越接近90°越好。

5 結(jié)果分析與討論

通過(guò)對(duì)渤海及鄰區(qū)的震源機(jī)制解特征分析可以得到一下初步認(rèn)識(shí)：

（1）渤海及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹EE-EW向，主張應(yīng)力方向?yàn)镹NW-SN，以水平和近水平應(yīng)力作用為主。這與華北地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基本特征是一致的[20、21]，局部地方有斜向力的作用。張之立等[22]認(rèn)為渤海陸緣地區(qū)主要受兩種力源的作用：一是來(lái)自印度板塊和太平洋板塊的NEE向的區(qū)域壓應(yīng)力的作用；另一是來(lái)自地幔深部以渤海灣為中心的熱力源的作用。GPS觀測(cè)結(jié)果也顯示本區(qū)受到近E-W方向擠壓作用和近S-N方向的拉張作用，同時(shí)本區(qū)向西運(yùn)動(dòng)的形變分量正是太平洋板塊向歐亞板塊俯沖對(duì)該區(qū)向西推擠的反映[23]。

（2）渤海盆地及鄰區(qū)的地殼破裂以NW-WNW和NNE-NE走向的共軛剪切破裂活動(dòng)為特征，破裂類型以走向滑動(dòng)為主，尤其右旋走滑最多；其次屬于傾向滑動(dòng)，逆傾滑和正傾滑各自獨(dú)立存在。復(fù)雜多變的錯(cuò)動(dòng)方向和方式是與原有斷裂的繼承性發(fā)展密切相關(guān)的，同時(shí)也受到該區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的影響。張四昌等[25]指出華北地區(qū)的共軛地震構(gòu)造帶是由一條縱向的大型地殼構(gòu)造和若干條橫向構(gòu)造交切而成的共軛地震構(gòu)造系列，強(qiáng)震一般發(fā)生在共軛構(gòu)造的交匯部位或附近。兩組共軛地震破裂面都位于區(qū)域地殼應(yīng)力場(chǎng)的最大剪切應(yīng)力方向上，成為一對(duì)受力狀況對(duì)等而運(yùn)動(dòng)相反的構(gòu)造，有利于積累應(yīng)變，成為現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的構(gòu)造基礎(chǔ)。

（3）震源機(jī)制解的系統(tǒng)聚類表明，渤海及鄰區(qū)的地震主要以走向滑動(dòng)地震為主，其次為正斷層地震，其余屬于調(diào)整性地震。不同的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了類型不同的地震，走滑類型地震主要受大區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的水平和近水平向的推擠所致；正斷層型地震受渤海中部地幔的熱軟流物質(zhì)上拱造成的地殼內(nèi)深部垂向擠壓及非均勻的地?zé)峄顒?dòng)引起了高的熱應(yīng)力場(chǎng)影響。渤海地區(qū)的構(gòu)造演化是在深部構(gòu)造形成的張性背景下疊加了近水平方向的應(yīng)力效應(yīng)。GPS觀測(cè)結(jié)果顯示渤海盆地的西北與東南對(duì)渤海盆地形成了拉張狀態(tài)，說(shuō)明渤海盆地現(xiàn)今仍處于擴(kuò)張狀態(tài)[23]。

綜上所述，渤海及鄰區(qū)屬于華北地塊的一部分，華北地塊所受到的構(gòu)造驅(qū)動(dòng)力必然也作用于該區(qū)，地震學(xué)方法和GPS觀測(cè)所得到的應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致，表明自1969年渤海地震以來(lái)該區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主方向沒(méi)有發(fā)生變化，是穩(wěn)定的。

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Characteristics of Focal mechanisms in Bohai Sea and Its A djacent Areas

HAN Xiaofei1,YANG Yaqiong2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province,Xi'an 710068; 2.Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021)

Based on the analysis of the characteristics of focal mechanisms in Bohai Sea and its adjacent area,it's observed that the principal compressive stress axis is in the NEE-EW direction and the principal tensile stress axis in the NNW-SN direction,the tectonic stress fields of these areas are dominated by horizontal and near-horizontal stress.The crustal rupture in Bohai Sea and its adjacent area is characterized by conjugate shear rupture activity in directions of NWWNW and NNE-NE,which forms the tectonic foundation of modern tectonic stress field.Results of hierarchical clustering of focal mechanisms show that earthquakes in Bohai Sea and its adjacent area are mostly strike-slip earthquakes,followed by normal fault earthquakes,which correspond to different tectonic movements.

Bohai Sea and Its Adjacent Areas;Focal Mechanism;Hierarchical Clustering;Stress Field

P315.331

A

1001-8662（2012）03-0053-07

2011-12-21

韓曉飛，男，1982年生，工程師，主要從事地震觀測(cè)與研究工作. E-mail：liuyun2196@sina.com.cn.