董春麗 李樂(lè) 李冬梅 王卓君 梁永燁

1)太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原 030025

2)山西省地震局，太原 030021

3)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

0 引言

鄂爾多斯塊體位于汶川地震震源破裂方向的正前端，汶川地震NE向快速錯(cuò)動(dòng)對(duì)鄂爾多斯塊體產(chǎn)生了一定的應(yīng)力加載作用，對(duì)其西南緣和南緣渭河斷陷帶內(nèi)的地震活動(dòng)起到了觸發(fā)作用，地震活動(dòng)率提高顯著(朱艾斕等，2010)。山西斷陷帶自2009年3月至2010年6月相繼發(fā)生了5次4級(jí)以上地震，其中山西南部地區(qū)發(fā)生2次，震中分別位于河津-萬(wàn)榮和洪洞(分屬峨嵋臺(tái)地北緣斷裂和洪洞-蘇堡斷裂)。山西斷陷帶處于應(yīng)力變化的增加區(qū)，應(yīng)力變化范圍0～0.012MPa，汶川地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化對(duì)該地震帶的作用將是持久的，有可能引起大震的提前發(fā)生(朱艾斕等，2010)。不同時(shí)段GPS、斷層形變等觀測(cè)資料研究表明，汶川地震對(duì)汾渭斷裂帶的影響相對(duì)明顯(張希等，2011)； 屬于該帶主體部分的山西斷陷帶速度場(chǎng)發(fā)生明顯變化(張淑亮等，2017)，在震后統(tǒng)一向NE向呈現(xiàn)有規(guī)律的右旋運(yùn)動(dòng)解體，總體張性變形增強(qiáng)，中南部主要體現(xiàn)出右旋背景顯著增強(qiáng)，拉張運(yùn)動(dòng)明顯，屬于應(yīng)變積累地區(qū)(楊國(guó)華等，2009)； 劉峽等(2010)認(rèn)為山西帶受統(tǒng)一大致水平的主張、主壓應(yīng)力場(chǎng)的作用，但在其南部存在差異。該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的形成主要為周邊構(gòu)造塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的結(jié)果。

山西斷陷帶總體呈NNE走向，在兩側(cè)塊體相互作用下，東側(cè)相對(duì)西側(cè)位移速度矢量在北段為SSW向，顯示右旋走滑，中、南段為NWW向，與斷陷帶走向近于垂直，顯示斷陷帶為擠壓活動(dòng)。總體位移方向?yàn)镹294°W，速率為 1.10mm/a(郭良遷等，2011)，這一結(jié)果與張培震等(2003)利用GPS計(jì)算得到的山西斷陷帶的結(jié)果(右旋走滑速率1～2mm/a、近EW向的拉張約 1mm/a)接近。張希等(2011)利用1999—2009年汾渭斷裂帶GPS觀測(cè)資料研究得出，2007—2009年山西斷裂帶南段兩盤差異明顯增強(qiáng)，相比走滑分量改變明顯，汶川M8.0地震的影響總體為正，近10年來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間尺度右旋、拉張差異均明顯(至少2～3mm/a)，與構(gòu)造背景一致，總體反映應(yīng)變積累特性。上述均為淺表(近淺表)觀測(cè)結(jié)果，能否反映地下深部的活動(dòng)速率，有待進(jìn)一步明確。

重復(fù)地震是指發(fā)生在同一斷層位置上的一組特殊地震，這些地震通常震級(jí)相近，且發(fā)震間隔幾乎相同，并常被解釋為獨(dú)立的凹凸體在周圍無(wú)震蠕滑介質(zhì)作用下應(yīng)力聚集所發(fā)生的重復(fù)破裂(Nadeau et al，1995；Beeler et al，2001)。該凹凸體在孕震期間一般處于閉鎖狀態(tài)，這些被無(wú)震蠕滑介質(zhì)環(huán)繞的小的孤立凹凸體較易發(fā)生破裂并形成重復(fù)地震。依此假設(shè)，可由重復(fù)地震的同震滑動(dòng)來(lái)估算深部的滑動(dòng)速率(Nadeau et al，1999；Rau et al，2007)，由此提供了一種直接探測(cè)孕震深處斷層變形的途徑。

研究人員相繼在板塊邊界帶和板內(nèi)發(fā)現(xiàn)重復(fù)地震，如日本東北部俯沖帶(Igarashi et al，2003)、中國(guó)臺(tái)灣的弧-陸碰撞帶(Rau et al，2007)。Schaff等(2004)通過(guò)分析遠(yuǎn)震波形資料，指出中國(guó)境內(nèi)發(fā)生的地震約有10%為重復(fù)地震。Li等(2007)通過(guò)分析區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的波形，得出唐山斷裂帶周緣的地震有多達(dá)約53%的相似地震。Li等(2009)獲得了近10年來(lái)多次發(fā)生強(qiáng)震的麗江-寧蒗斷裂帶約23km深處的 5mm/a滑動(dòng)速率，所估算的滑動(dòng)速率與所在處的GPS和地質(zhì)結(jié)果較為相符。本研究通過(guò)分析山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)波形資料來(lái)辨識(shí)臨汾地區(qū)可能存在的重復(fù)微震，進(jìn)而估算斷裂帶深部滑動(dòng)速率。

1 臨汾地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)性背景

山西斷陷帶地處鄂爾多斯塊體東緣和華北平原西緣。臨汾地區(qū)位于山西斷陷盆地南段，盆地東側(cè)為太行山，西側(cè)為呂梁山，盆地東西端寬度約20km。臨汾盆地是山西“汾河地塹”新生代晚期斷陷盆地之一，位于汾渭斷陷帶中段，北以靈石隆起與太原盆地相隔，南緣以峨嵋臺(tái)地與運(yùn)城盆地為鄰，東西各以深大活動(dòng)斷裂為界，夾持于霍山-浮山隆起帶與呂梁山隆起帶之間，總體為NNE走向的南寬北窄的楔形斷陷盆地(趙文星，1988； 李俠，1995)。盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育了近EW、NE和NW向斷裂，這些構(gòu)造互相交匯切割，大致出現(xiàn)了東西分條、南北分塊的構(gòu)造格局。NNE走向斷裂沿盆地邊緣發(fā)育，控制著盆地的整體輪廓，有羅云山裂斷、霍山斷裂、浮山斷裂和盆地內(nèi)的赤峪斷裂(大陽(yáng)斷裂)等； 另一組斷裂為NWW走向，縱貫盆地中部，為隱伏斷裂，局部地區(qū)有出露，活動(dòng)時(shí)代新，錯(cuò)斷了NE走向的斷裂。

臨汾地區(qū)是山西地殼運(yùn)動(dòng)最劇烈的地區(qū)，活動(dòng)斷裂發(fā)育，地震活動(dòng)頻繁。地震主要集中在盆地內(nèi)部復(fù)雜的橫向斷裂控制之間，尤其多發(fā)于蘇堡斷裂兩側(cè)和襄汾隆起的西南端。沿NNE向的羅云山斷裂兩側(cè)有微震活動(dòng)。本文研究范圍向南延伸到雙泉-臨猗斷裂。雙泉-臨猗斷裂兩側(cè)的運(yùn)城段和峨嵋臺(tái)地北緣斷裂河津-萬(wàn)榮段為2個(gè)地震集中點(diǎn)。這一現(xiàn)象與蘇怡之等(1993)及王健等(2004)研究臨汾盆地得出空間分布上的不均勻、時(shí)序分布上的階段性、平面分布上的叢集性一致。這一點(diǎn)在對(duì)歷史M6.0以上地震和近20年ML4.0以上地震的震中分布情況研究中也得以證實(shí)。顯然該區(qū)地震活動(dòng)繼承了歷史活動(dòng)特點(diǎn)，表明地震活動(dòng)與活動(dòng)構(gòu)造是密切相關(guān)的。

2 重復(fù)地震識(shí)別

2.1 地震數(shù)據(jù)

本研究收集了2001年1月至2010年12月山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)報(bào)告和事件波形資料，其中發(fā)生在臨汾地區(qū)(即研究區(qū)域：35.0°～37.0°N、110.2°～112.5°E)的1890次地震中，有1700次地震的數(shù)字波形資料可用，震級(jí)范圍為ML0～5.1。

研究區(qū)內(nèi)臺(tái)站的具體情況為：自2001年數(shù)字化改造至2003年12月期間3個(gè)臺(tái)站，分別為臨汾臺(tái)(LIF)FBS-3型地震儀+16位數(shù)據(jù)采集器、陽(yáng)城臺(tái)(YAC)JCV-100型地震儀+16位數(shù)據(jù)采集器、夏縣臺(tái)(XAX)DS-2A型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器； 2004年1月1日至2008年5月19日新增2個(gè)臺(tái)站，分別為隰縣臺(tái)(XIX)FBS-3型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器、安澤臺(tái)(ANZ)FBS-3型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器。以上5個(gè)臺(tái)站采樣率均為50Hz，2008年5月20日“十五”數(shù)字化改造完成，所有臺(tái)站采樣率全部為100Hz。2007年9月臨汾地區(qū)再增2個(gè)臺(tái)站，分別為霍州臺(tái)(HZH)CMG型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器、侯馬臺(tái)(HMA)CMG型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器； 2010年新增萬(wàn)榮臺(tái)(WAR)和垣曲臺(tái)(YUQ)2個(gè)臺(tái)站，均為BBVS-120型地震儀+24位數(shù)據(jù)采集器。臺(tái)站具體分布詳見圖1。

圖1 臨汾地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和數(shù)字化臺(tái)站分布

2.2 相似地震挑選

首先對(duì)原始波形資料進(jìn)行1～10Hz的帶通濾波預(yù)處理。為了進(jìn)行走時(shí)差估算，對(duì)每秒50點(diǎn)或100點(diǎn)采樣率濾波后的資料進(jìn)行內(nèi)插，來(lái)獲取高采樣率的波形。具體采用在頻域補(bǔ)零的方法進(jìn)行內(nèi)插，內(nèi)插后采樣間隔為0.3125ms，即為相對(duì)到時(shí)的誤差估計(jì)精度。

將至少有一個(gè)臺(tái)站記錄到波形、且滿足相關(guān)系數(shù)CC>0.8的一組地震定義為相似地震。通過(guò)波形互相關(guān)分析挑選波形具有較高相似性的地震。進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，選取的波形時(shí)間窗為P波之前1s至S波后5s。經(jīng)過(guò)全波段的互相關(guān)分析，確定了1684對(duì)波形相關(guān)系數(shù)大于0.8的地震對(duì)，并進(jìn)一步識(shí)別了74組相似地震(圖2)，這些相似地震包括49組由2個(gè)地震構(gòu)成相似地震對(duì)和25組由2個(gè)以上地震構(gòu)成的多重相似對(duì)。74組相似地震共包括303次地震，震級(jí)范圍為ML0～4.1。圖3 給出了隰縣臺(tái)(XIX)記錄一組相似地震的波形示意圖。

圖2 臨汾地區(qū)相似地震分布

圖3 一組相似地震在隰縣臺(tái)的歸一化波形示例

2.3 重復(fù)地震辨識(shí)

除了重復(fù)地震，震群和緊接發(fā)生的余震的波形也具有高度相似性(Waldhauser et al，1999；Li et al，2007)。重復(fù)地震和相似余震的本質(zhì)區(qū)別在于其發(fā)生的空間位置。相似地震很可能同時(shí)包括重復(fù)地震和非重復(fù)發(fā)生的相似余震或震群，從而導(dǎo)致每組相似地震中地震的復(fù)發(fā)間隔的明顯變化。因此，為了在相似地震序列中進(jìn)一步識(shí)別重復(fù)地震，精確定位每一序列中地震的相對(duì)位置十分必要(Rubin et al，1999；Cheng et al，2007；Li et al，2007)。

一般而言，微震的破裂尺度約為數(shù)十米，因此相似序列中的每個(gè)地震位置的重新定位需要達(dá)到很高的精度，這就要求具備合理的臺(tái)站布局和高精度的P波、S波的相對(duì)到時(shí)拾取(達(dá)到毫秒量級(jí))。

針對(duì)臺(tái)站分布稀疏的客觀情況，Li等(2011)提出了基于子采樣條件下S—P相對(duì)到時(shí)差約束地震相對(duì)位置、確保震源位置一致性的方法，并成功應(yīng)用于龍門山斷裂北川段、小江斷裂帶以及鮮水河斷裂帶南段的重復(fù)微震研究(Li et al，2011； 李樂(lè)等，2012)。本文同樣使用此方法來(lái)辨識(shí)臨汾地區(qū)的重復(fù)微震。

如圖4 所示，假設(shè)2個(gè)地震事件到臺(tái)站的距離分別為R和R′，地震震源之間的距離為Δx，其與P波、S波相對(duì)到時(shí)差ΔtS—P之間的定量關(guān)系可表述為

圖4 矢量和三角法則關(guān)系示意

(1)

式中，γ表示P波與S波的波速比， 假定P波速度vP=6.0km/s、γ=1.7，可以得出

Δx≥8.6ΔtS—P

(2)

假設(shè)地震1和地震2的破裂半徑分別為r和r′。當(dāng)2個(gè)地震間的相對(duì)距離小于破裂尺度(即Δxr+r′或ΔtS—P>(r+r′)/8.6，則認(rèn)為該地震偏離了地震序列，不屬于重復(fù)地震序列。

采用計(jì)算ΔtS—P的方法，識(shí)別出了研究區(qū)的2組重復(fù)微震，共計(jì)6次地震，震級(jí)分布在ML0.4～1.8。

2.4 地震精確定位

山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)報(bào)告給出的震源位置是依據(jù)常規(guī)P波和S波到時(shí)確定的，采用的定位方法為蓋格法、單純型法或hypo2000程序和雙層地殼組成的一維速度模型，其定位誤差達(dá)數(shù)千米甚至數(shù)十千米，因此有必要重新定位重復(fù)地震，以便進(jìn)一步分析。為了提高地震定位的精度，首先參考深地震測(cè)深(DSS)結(jié)果(祝治平等，1999)構(gòu)建了一維的水平8層速度模型，并采用hypo2000來(lái)重新確定初始地震位置； 然后再采用雙差定位方法(Waldhauser et al，2000)來(lái)獲取精確的地震相對(duì)位置。雙差定位法以地震對(duì)到同一臺(tái)站的觀測(cè)和計(jì)算走時(shí)差的殘差最小，即通過(guò)地震間走時(shí)差的最佳擬合，尤其是波形互相關(guān)計(jì)算獲得的高精度走時(shí)差，來(lái)確定多個(gè)地震的相對(duì)位置，而不是分別確定單個(gè)地震的位置。

選取1.1s波形時(shí)間窗(初至P波前0.1s至其后1.0s)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算獲取走時(shí)差。為了正確選取時(shí)間窗，人工拾取了高信噪比波形的P波初至到時(shí)，并以更精確的結(jié)果校核，替代觀測(cè)報(bào)告中的P波和S波的到時(shí)資料。

此外，整理了山西地震臺(tái)網(wǎng)1980年1月至2000年12月記載的臨汾盆地及其周緣的模擬地震。在整合改進(jìn)后的數(shù)字和模擬地震觀測(cè)報(bào)告(共4136次地震)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合模擬時(shí)段與數(shù)字記錄時(shí)段數(shù)據(jù)，通過(guò)波形互相關(guān)分析，識(shí)別出互相關(guān)系數(shù)CC>0.7的相似地震，再進(jìn)行雙差地震定位，確定了2971次地震的震源位置，并將精定位后的震源位置整合到地震觀測(cè)目錄中，用于b值的計(jì)算。

3 深部滑動(dòng)速率估算

采用Abercrombie(1996)給出的地震矩-震級(jí)關(guān)系，進(jìn)行近震震級(jí)ML和地震矩M0之間的換算，即

lg(M0)=9.8+ML

(3)

基于圓盤破裂斷層模型，采用Kanamori等(1975)提出的關(guān)系式來(lái)估算地震的破裂半徑r

(4)

其中，Δσ為應(yīng)力降。

考慮到應(yīng)力降對(duì)滑動(dòng)速率的計(jì)算結(jié)果存在一定影響，選取研究區(qū)內(nèi)2009—2010年高信噪比的波形資料，計(jì)算出ML1.2～4.8范圍內(nèi)的50次地震的應(yīng)力降為0.2～6.3MPa，年平均值為2MPa左右。因此，在計(jì)算破裂半徑r時(shí)，應(yīng)力降Δσ的值取為2MPa。

依據(jù)地震矩的定義，可以通過(guò)地震矩M0和破裂尺度r來(lái)計(jì)算同震滑動(dòng)量d

d=M0/μπr2

(5)

其中， 剪切模量μ取3×1010N/m2。

通過(guò)對(duì)每組重復(fù)地震序列累積滑動(dòng)量的線性擬合來(lái)獲取年滑動(dòng)速率。由2組重復(fù)地震估算出位于臨汾盆地西緣的羅云山山前斷裂帶和盆地內(nèi)部的蘇堡斷裂在孕震深度15～17km處的滑動(dòng)速率為1.9～2.8mm/a，見圖5。該結(jié)果與張希等(2011)利用近10年汾渭斷裂帶GPS速度場(chǎng)觀測(cè)資料研究得到的山西斷陷帶南段結(jié)果(2～3mm/a)基本相符。

圖5 由重復(fù)地震估算的研究區(qū)斷層滑動(dòng)速率分布

4 地震活動(dòng)性參數(shù)b值與重復(fù)地震的關(guān)系

Gutenberg等(1944)揭示出加利福尼亞地區(qū)的地震大小分布遵循冪律關(guān)系，該冪律的斜率(即b值)通常用作描述大、小地震發(fā)生的相對(duì)比例； Scholz(1968)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)b值與差應(yīng)力的反比關(guān)系； 而 Schorlemmer 等(2005)從實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)確認(rèn)了上述反比關(guān)系。本文通過(guò)計(jì)算臨汾地區(qū)斷裂帶及其周緣的b值分布，研究b值與重復(fù)地震的空間關(guān)聯(lián)性。

b值計(jì)算所使用的資料為山西地震臺(tái)網(wǎng)1980年1月至2010年12月記載的臨汾盆地及其周緣的4136次地震。通過(guò)雙差法對(duì)小震進(jìn)行精定位分析，確定了2971次地震的震源位置，并將定位后的地震震源位置整合到地震觀測(cè)目錄中，用于b值的計(jì)算。將研究區(qū)劃分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格單元，對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格單元統(tǒng)計(jì)20km范圍內(nèi)發(fā)生的地震，并觀察分析每個(gè)單元在研究時(shí)段的震級(jí)-頻度關(guān)系，逐一確定每個(gè)單元的最小完整震級(jí)，最終利用最小二乘法進(jìn)行b值計(jì)算。

臨汾地區(qū)斷裂帶的b值掃描圖像如圖6 所示，研究區(qū)b值分布存在明顯差異，高b值區(qū)出現(xiàn)在NNE向的霍山山前斷裂，該區(qū)曾是1303年洪洞8級(jí)大震的主破裂區(qū)。易桂喜等(2007)研究指出，該區(qū)域經(jīng)過(guò)大震后，現(xiàn)今斷層強(qiáng)度相對(duì)較弱，仍然處于恢復(fù)階段，應(yīng)力水平較低。低b值區(qū)位于臨汾盆地南緣NEE向峨嵋臺(tái)地北緣斷裂、雙泉-臨猗斷裂、中條山山前斷裂北段，另外太原盆地西南緣汾陽(yáng)段也顯示出低b值，該結(jié)果與王輝等(2011)利用 1970—2009 年的小震資料獲得的結(jié)果基本一致。2010年1月24日運(yùn)城河津M4.8地震發(fā)生在距峨嵋臺(tái)地北緣斷裂2.7km處，其后2016年3月12日運(yùn)城鹽湖M4.4地震發(fā)生在中條山山前斷裂，與上述得出的低b值區(qū)的結(jié)論吻合。值得注意的是2組重復(fù)地震均發(fā)生在高b值區(qū)，高b值區(qū)說(shuō)明該區(qū)易于發(fā)生小地震，斷層強(qiáng)度相對(duì)較弱，這一特征印證了重復(fù)地震傾向于發(fā)生在斷裂帶上孕育強(qiáng)震的大凹凸體邊緣的觀測(cè)事實(shí)。

圖6 由重復(fù)地震估算的滑動(dòng)速率與b值分布對(duì)比

5 討論與結(jié)論

本文基于山西數(shù)字臺(tái)網(wǎng)2001—2010年記錄的地震資料，對(duì)臨汾盆地小震重新定位及波形分析，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)波形互相關(guān)法，分析了區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的波形資料，在山西臨汾地區(qū)識(shí)別出CC>0.8的74組相似地震，包含49組相似地震對(duì)和25組多重相似地震對(duì)。

(2)針對(duì)研究區(qū)臺(tái)站分布稀疏的客觀情況，采用子采樣條件下S—P相對(duì)到時(shí)差約束地震相對(duì)位置的方法，來(lái)確保震源位置的一致性。在重新確定了每組多重相似對(duì)的地震相對(duì)位置后，識(shí)別出了研究區(qū)的2組重復(fù)地震，震級(jí)分布于ML0.4～1.8，共計(jì)6次地震。

(3)識(shí)別出的2組重復(fù)微震位于研究區(qū)歷史大震主要斷層的周緣，屬于區(qū)域內(nèi)高b值區(qū)，表明該區(qū)域經(jīng)過(guò)大震后，現(xiàn)今斷層強(qiáng)度相對(duì)較弱，仍然處于恢復(fù)階段，應(yīng)力水平較低。

(4)對(duì)每組重復(fù)地震序列累積滑動(dòng)量進(jìn)行線性擬合，獲取年滑動(dòng)速率。由2組重復(fù)地震估算出位于臨汾盆地西緣的羅云山山前斷裂帶和盆地內(nèi)部的蘇堡斷裂在孕震深度15～17km處的滑動(dòng)速率為1.8～2.9mm/a，該結(jié)果與GPS資料得到結(jié)果基本相符。

本研究?jī)H在山西地區(qū)進(jìn)行了初步嘗試，隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，可對(duì)研究區(qū)未來(lái)震情的發(fā)展起到跟蹤作用，為地震預(yù)報(bào)提供判定依據(jù)。同時(shí)，研究結(jié)果對(duì)于理解研究區(qū)斷層活動(dòng)性及分析地震危險(xiǎn)性具有一定意義。