章 陽, 萬永革, 趙志遠, 陳 婷

(1. 河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站, 河北 邢臺 054000;2. 河北省地震局, 河北 石家莊 050021; 3. 防災(zāi)科技學(xué)院, 河北 三河 065201;4. 河北省地震動力學(xué)重點實驗室, 河北 三河 065201)

0 引言

邢臺老震區(qū)構(gòu)造背景復(fù)雜,發(fā)育NNE向、NE向、NWW向和近EW向等多組斷裂。1966年邢臺大地震后,眾多學(xué)者對其發(fā)震構(gòu)造展開大量研究。最初推測邢臺地震主震震源是NE向的右旋斷層,與束鹿斷陷內(nèi)的斷裂相對應(yīng),但實際觀察中未發(fā)現(xiàn)這一大型走滑斷層。陳運泰等[1]根據(jù)地形變觀測資料認為邢臺地震的震源過程是一個復(fù)合斷層模式,而非簡單的單一斷層模式;徐杰等[2]根據(jù)石油地質(zhì)勘探資料和人工地震剖面研究認為邢臺7.2級地震的發(fā)震斷裂不是單一形式的新河斷裂或其下方的高角度斷裂,而是二者的組合,高角度斷裂是發(fā)震斷裂的主要部分;趙成斌等[3]根據(jù)深地震反射資料認為邢臺地震的可能發(fā)震斷裂是震源下方的超殼深高傾角走滑斷裂;徐錫偉等[4]分析認為邢臺地震群是在最新構(gòu)造應(yīng)力場作用下,受北西向斷層或橫向阻礙體作用形成“新生斷層”的產(chǎn)物;邵志剛等[5]依據(jù)同震觀測位移及數(shù)值模擬分析認為,邢臺地震群發(fā)震斷層淺層為傾向SE的NE向牛家橋斷層和永福莊斷層,而深部主斷層為傾向NW的NE向斷層;王椿鏞等[6-7]研究認為邢臺地震發(fā)震構(gòu)造為中下地殼的深部斷裂。綜合前人研究成果發(fā)現(xiàn)邢臺地震發(fā)震構(gòu)造是深部斷裂,而不是新河斷裂。

為了定量研究該活動斷層的性質(zhì),需求取該斷層的幾何參數(shù)。前人提出多種精確測定活動斷層幾何參數(shù)的方法,并取得豐富研究成果。對于出露地表的斷層,可以通過實地踏勘測量出露斷層面的幾何形狀[8]。對于未出露地表的隱伏斷層,確定斷層幾何形狀主要有挖探槽法[9-10]和地震反射探測法[11-13]。近年來地震學(xué)發(fā)展了一種利用余震震源位置的空間分布精確勾畫斷層面形狀和位置的方法[14],被學(xué)者廣泛應(yīng)用于地震發(fā)震斷層面參數(shù)的確定[15-19],該方法雖然優(yōu)點明顯,但是要求余震的叢集展布,如果余震未出現(xiàn)叢集,則該方法不適用,而且這種方法對震源定位精度要求較高。萬永革[20]提出一種獨立于地質(zhì)、大地測量數(shù)據(jù)和小震定位結(jié)果的確定活動斷層幾何形狀的方法,對發(fā)生在斷層上的中小地震震源機制節(jié)面進行聚類分析,獲取斷層面走向和傾角,并給出其置信區(qū)間。同時將該方法應(yīng)用到漾濞地震序列中,推測該地震序列的發(fā)震斷層,與其他學(xué)者研究結(jié)果基本保持一致,進而驗證該方法的有效性。

本文通過收集1966年邢臺地震至今的震源機制解資料,對震源機制的節(jié)面進行聚類分析,推測叢集地震序列發(fā)震斷層的幾何形狀。與前人研究結(jié)果比較,進而求取發(fā)震斷層面的平均解。結(jié)合區(qū)域地殼應(yīng)力張量,估計該斷層的滑動方向及其誤差。最后通過計算區(qū)域應(yīng)力場在斷層面上的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力分析該地區(qū)的地震活動危險性。

1 震源機制節(jié)面聚類

1.1 數(shù)據(jù)

依據(jù)前人研究成果[21-25],收集整理出邢臺老震區(qū)128個地震的震源機制解(表1),地震序列基本沿著NNE向新河斷裂展布。邢臺及周邊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景及震源機制解具體分布見圖1。

圖1 邢臺地震序列地質(zhì)構(gòu)造背景及震源機制解分布Fig.1 Geological structure background and distribution of focal mechanism solutions of Xingtai earthquake sequence

表1 邢臺地震序列震源機制解Table 1 Focal mechanism solutions of Xingtai earthquake sequence

將收集的128個地震震源機制解按照震源機制水平應(yīng)變花面應(yīng)變[26]分類,結(jié)果顯示,正斷型地震(N)有16個,占總體數(shù)量的12.5%;正走滑型地震(NS)有10個,占總體數(shù)量的7.81%;走滑型地震(SS)有90個,占總體數(shù)量的70.31%;逆走滑型地震(RS)有8個,占總體數(shù)量的6.25%;逆斷型地震(R)有4個,占總體數(shù)量的3.13%[圖2(a)]。將地震序列震源機制解進行總體分析,得到邢臺老震區(qū)地震序列的總體震源機制[圖2(a)中‘Δ’處]節(jié)面1的走向、傾角和滑動角分別為190.34°,86.88°和-179.96°,節(jié)面2的走向、傾角和滑動角分別為100.34°,89.96°和-3.12°,屬于走滑型地震,具體見圖2(b)。

圖2 邢臺地震序列的震源機制分類及總體特征Fig.2 Classification and overall characteristics of focal mechanisms of Xingtai earthquake sequence

1.2 震源機制節(jié)面聚類方法

震源機制節(jié)面聚類方法是一種獨立于地質(zhì)資料、大地測量數(shù)據(jù)和小震定位結(jié)果的空間聚類方法。相比較挖探槽法,該方法不存在深部斷裂和淺部斷裂的差異;相比較地震反射探測法,該方法無需耗費大量人力物力,且不存在地球物理資料反演的多解性問題;相比較余震震源位置確定斷層面幾何參數(shù)方法,該方法不依賴余震的叢集展布,且對地震定位精度要求不高。萬永革[20]將震源機制節(jié)面聚類方法應(yīng)用于2021年云南漾濞地震序列中,得到了與該地震序列的地震分布走向大體一致的兩個分支斷裂帶,驗證了該種方法的有效性,同時給出結(jié)果的置信區(qū)間。隨著數(shù)字地震臺網(wǎng)的不斷加密,更多中小地震震源機制資料的獲取可以進一步豐富該方法的擴展應(yīng)用。

根據(jù)震源機制兩個節(jié)面的法向矢量,求解多個震源機制法向之間的夾角,對多個震源機制的多個節(jié)面按照其法向夾角作為距離進行聚類分析,聚類完成后求得與活動斷層走向較為一致的類,其中心就包含活動斷層面的幾何參數(shù),通過計算節(jié)面與類中心夾角的標(biāo)準(zhǔn)差,估計活動斷層幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。具體計算方法參考萬永革[20]一文,對震源機制的節(jié)面進行聚類分析,提取斷層幾何信息,得到斷層面的走向和傾角,并給出其置信區(qū)間。

1.3 活動斷層幾何參數(shù)的確定

采用節(jié)面聚類方法對收集到的地震序列震源機制(128個震源機制,256個節(jié)面)進行聚類,可以得到兩簇聚類中心。第一簇節(jié)面數(shù)為20,其中心節(jié)面法向的走向為105.90°,傾伏角為13.97°,標(biāo)準(zhǔn)差為11.12°,其中心節(jié)面的斷層面走向為195.90°,置信區(qū)間為190.91°～200.89°,傾角為76.03°,置信區(qū)間為71.16°～80.91°;第二簇節(jié)面數(shù)為35,其斷層面法向的走向為200.42°,傾伏角為3.13°,標(biāo)準(zhǔn)差為18.81°,其中心節(jié)面的斷層面走向為 290.42°,置信區(qū)間為 283.29°～297.55°,傾角為86.87°,置信區(qū)間為77.61°～87.13°;第一類和第二類的類中心節(jié)面的夾角為86.38°,接近垂直。噪聲節(jié)面數(shù)據(jù)個數(shù)為73個,并且在全空間分布,較為隨機。具體結(jié)果見圖3。震源機制節(jié)面聚類方法得到兩個聚類面,斷層面1走向195.90°,傾角76.03°,斷層面2走向 290.42°,傾角86.87°,結(jié)合震中附近地質(zhì)構(gòu)造特征,判斷斷層面1為發(fā)震破裂面,斷層面2為破裂輔助面。震源機制節(jié)面聚類方法獨立于地質(zhì)資料、大地測量數(shù)據(jù)和小震定位結(jié)果,并且計算結(jié)果與實際地質(zhì)構(gòu)造相符,與前人關(guān)于邢臺地震發(fā)震構(gòu)造的研究結(jié)果也保持一致,進而顯示出該方法的有效性和優(yōu)越性。

注:震源機制節(jié)面采用綠色弧線表示,聚類中心節(jié)面采用紅色弧線表示。黑點表示震源機制節(jié)面的極點位置,紅點表示聚類中心的極點位置。聚類中心極點周圍的藍綠色橢圓為聚類中心的誤差范圍圖3 邢臺地震序列震源機制聚類結(jié)果Fig.3 Clustering results of focal mechanisms of Xingtai earthquake sequence

2 邢臺地震斷層面平均解

將邢臺地震序列震源機制總體特征、震源機制節(jié)面聚類結(jié)果、前人通過不同資料和方法得到邢臺地震斷層面結(jié)果以及7.2級地震斷層面解進行比較(表2)。發(fā)現(xiàn)斷層面走向有一定的差異性,但整體顯示出較好的一致性,傾角基本一致。為綜合分析邢臺地震的發(fā)震構(gòu)造,根據(jù)表2的12組斷層面結(jié)果計算斷層面平均解,具體結(jié)果見圖4。最終得到邢臺地震斷層面走向為32.45°,誤差范圍357.15°～67.76°,傾角為79.44°,誤差范圍66.33°～87.45°。該斷層為NNE走向的高傾角型斷層。斷層面平均解與震源機制節(jié)面聚類結(jié)果有一定的差異,造成差異的可能原因是地震震源機制解數(shù)據(jù)的不確定性,會導(dǎo)致聚類結(jié)果的不穩(wěn)定,早期的地震序列由于觀測資料和研究方法的局限,震源機制解結(jié)果的精度有待商榷,而且大地震破裂后會導(dǎo)致周邊應(yīng)力場發(fā)生較大的變化,使得震源機制輔助面有較大差異。

注:黑色虛線為表2斷層面解,紅色實線為斷層面平均解。紅色五角星為斷層面平均解的中心點圖4 邢臺地震發(fā)震斷層面平均解Fig.4 Average solution of the fault plane of Xingtai earthquake

表2 邢臺地震的斷層面幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of the fault plane for Xingtai earthquake

3 邢臺地震斷層面滑動性質(zhì)

為判斷斷層的滑動性質(zhì),我們結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場參數(shù)求解該斷層的滑動角。首先根據(jù)收集的震源機制解反演區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場[33-34],按照應(yīng)力張量在斷層面上的剪應(yīng)力方向與斷層滑動方向最為一致準(zhǔn)則,聯(lián)合采用擦痕數(shù)據(jù)和定性斷層滑動數(shù)據(jù),讀取搜索空間間隔和置信度,采用網(wǎng)格搜索法求解應(yīng)力場,并給出反演參數(shù)的一定置信度下的置信區(qū)間。求解得到最優(yōu)應(yīng)力狀態(tài)的壓軸走向60.04°,傾伏角24.49°,95%置信度置信范圍分別為59.32°～65.04°和16.99°～28.21°;張軸走向153.80°,傾伏角8.21°,95%置信度置信范圍分別為153.30°～158.80°和4.21°～16.21°;中間軸走向261.00°,傾伏角64.00°,95%置信度置信范圍分別為260.50°～266.00°和60.00°～72.00°,應(yīng)力形因子R為0.2,主壓應(yīng)力軸方向為NEE向,主張應(yīng)力軸方向為NWW向。將地殼應(yīng)力張量投影到斷層面上,最終求得斷層面的滑動角為-153.96°,標(biāo)準(zhǔn)差為4.55°。該斷層為走向NNE、傾向NWW的高傾角走滑型斷層,這與收集的邢臺老震區(qū)地震序列的總體震源機制一致。本研究得到的這條走滑型斷層可以為該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和地震孕育環(huán)境分析提供更豐富的資料。

4 討論

前人利用深地震反射剖面揭示邢臺老震區(qū)地殼內(nèi)存在一個從高到低角度的鏟狀斷裂,上地殼到中、下地殼存在一個沿NWW-SEE方向伸展的滑脫面。同時根據(jù)反射界面的連續(xù)性和傾向,推斷存在一條高傾角的走滑性質(zhì)的超殼斷裂,認為這可能是邢臺地震的發(fā)震斷層。本文結(jié)合多種數(shù)據(jù)綜合分析,最后確定邢臺地震的發(fā)震構(gòu)造為走向NNE、傾向NWW方向的高傾角走滑型斷層。把淺層的正斷性質(zhì)的新河斷裂作為發(fā)震斷層是不合適的,這也進一步論證前人研究結(jié)果。

為進一步分析該斷層的地震活動危險性,我們按照萬永革[35]提出的震源機制與應(yīng)力體系關(guān)系模擬方法計算該應(yīng)力張量下的各種形狀的斷層面上的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力分布(圖5)。將震源機制節(jié)面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力用最大剪應(yīng)力歸一化即得到相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力,圖5(a)為相對剪應(yīng)力分布,最大剪應(yīng)力在走向100°、傾角70°和走向200°、傾角70°的斷層面上,最小剪應(yīng)力在走向150°、傾角70°和走向350°、傾角30°的斷層面上。圖5(b)為相對正應(yīng)力分布,最大正應(yīng)力在走向60°,傾角90°和走向240°,傾角80°的斷層面上,最小正應(yīng)力在走向150°、傾角70°和走向330°、傾角90°的斷層面上。區(qū)域地殼應(yīng)力場在該斷層面上的相對剪應(yīng)力為0.83,相對正應(yīng)力為0.59,該斷層不是最大剪應(yīng)力的斷層面形狀。雖然這條斷層與反演的現(xiàn)今應(yīng)力場的最大釋放應(yīng)力方向不一致,但是剪應(yīng)力強度仍然比較大,該斷層在地震能量積累和釋放過程中仍起到必不可少的作用。后續(xù)這條斷層還將會是該區(qū)域的一條主要發(fā)震斷層,對于研判區(qū)域地震活動危險性具有一定的指示意義。

注:NS為正走滑型,SS為走滑型,N為正斷型,RS為逆走滑型,R為逆斷型圖5 區(qū)域應(yīng)力場在各種形狀斷層面上的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力Fig.5 Relative shear stress and relative normal stress of the regional stress field on various shapes of fault plane

5 結(jié)論

本文根據(jù)獨立于地震波資料、大地測量資料和地質(zhì)資料等之外的確定活動斷層幾何形狀的震源機制節(jié)面聚類方法,收集邢臺及周邊區(qū)域的震源機制解資料,確定活動斷層的走向和傾角,并給出其標(biāo)準(zhǔn)差。與前人研究結(jié)果對比,綜合求取發(fā)震斷層面的平均解,結(jié)合區(qū)域地殼應(yīng)力張量,估計該斷層的滑動方向及其誤差,進而分析該區(qū)域的地震活動危險性。主要獲得以下結(jié)論:

(1) 邢臺地震發(fā)震斷層的走向32.45°,傾角79.44°,滑動角-153.96°,標(biāo)準(zhǔn)差為4.55°。該斷層為走向NNE、傾向NWW的高傾角走滑型斷層,而非正斷性質(zhì)的新河斷裂。該斷層幾何形狀的確定對于后續(xù)該區(qū)域的地震孕育環(huán)境及地震發(fā)震構(gòu)造具有很好的參考價值。

(2) 計算區(qū)域地殼應(yīng)力場在斷層面上產(chǎn)生的相對剪應(yīng)力為0.83,相對正應(yīng)力為0.59。該斷層不是最大剪應(yīng)力的斷層面形狀,但應(yīng)力場在這條斷層上的剪應(yīng)力強度仍較大,該斷層在地震能量積累和釋放過程中仍起到必不可少的作用。后續(xù)這條斷層還將會是該區(qū)域的一條主要發(fā)震斷層,對于研判區(qū)域地震活動危險性具有一定的指示意義。