山西北部地區(qū)中小地震重定位結(jié)果分析

劉林飛，梁向軍，黃金剛，宋美琴

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030021)

地震定位是指根據(jù)地震臺站觀測的震相到時數(shù)據(jù),確定地震的基本參數(shù)(發(fā)震時刻、震源位置和震級)，地震定位結(jié)果是開展地震活動性研究的重要基礎(chǔ)信息。隨著數(shù)字化觀測技術(shù)的不斷發(fā)展和地震臺網(wǎng)密度的提高，科學(xué)家在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地震震源的研究也不斷加深，對地震定位精度的要求也越來越高。常規(guī)的絕對地震定位方法由于受到一維速度結(jié)構(gòu)的約束已經(jīng)滿足不了研究學(xué)者的需求，各種定位誤差的存在直接影響到研究結(jié)果的可靠性(楊智嫻等，2003；李樂等，2007)。因此Waldhauser等人(2000)提出了一種比絕對定位方法精度高、適用于比主事件法跨度大的地震事件群體的相對定位方法——雙差定位法。該方法在我國絕大多數(shù)地區(qū)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用(胡新亮等，2002；于湘?zhèn)サ龋?010；楊智嫻等，2003；朱艾斕等，2005，靳玉科等，2008；宋美琴等，2012；呂堅等，2007)，尤其是在一些強震序列(如汶川、九寨溝地震序列)的研究中，雙差定位的研究成果(黃媛等，2008；房立華等，2018)為研究該區(qū)域的發(fā)震構(gòu)造提供了更加準確的參考依據(jù)。

山西北部地區(qū)是歷史上強震的多發(fā)區(qū)，有史料記載以來，該地區(qū)共計發(fā)生7級以上地震4次，最大為512年山西原平的7級地震，其余3次分別是1038年定襄7級地震、1626年山西靈丘7級和1683年山西原平7級地震；6級以上地震1次，即1989年大同陽高6.1級，5級以上地震3次，即1991年忻州5.1級、1991年大同陽高5.8級和1999年5.6級大同陽高地震。大同陽高震區(qū)到目前為止仍有小震持續(xù)發(fā)生，胡新亮等(2002)認為這些中小地震的活動屬于主震震源斷層及其兩側(cè)巖體的繼承性活動。近年來的研究成果顯示，可以由現(xiàn)今小地震的群體活動特征來描述歷史大地震震源斷層的規(guī)模、產(chǎn)狀和埋深(刁桂苓等，1999)；利用地震稀疏段尋找凹凸體三維位置和閉鎖段，并根據(jù)閉鎖體積估算未來地震強度(M7專項工作組，2012)。這些研究的前提都需要對中小地震的震源位置進行精確定位。因此，本研究將用雙差定位法(Waldhauser R，2000；楊智嫻等，2003；朱艾斕等，2005)對山西北部地區(qū)的中小地震進行重新定位，得到更加準確的震源參數(shù)，進一步探討山西北部地區(qū)地震活動空間分布特征及其與構(gòu)造活動的關(guān)系。

1 資料選取及方法

1.1 資料的選取

收集整理山西省臺網(wǎng)中心2010年1月至2019年12月ML≥1.0地震的觀測報告，篩選出北緯38°～41°，東經(jīng)110°～115°研究區(qū)內(nèi)2649條波形記錄完整、定位殘差較小的地震。選用表1中的速度模型，先采用hypo2000定位程序(Klein F W，2014)對篩選出的中、小地震進行絕對定位，獲得初始定位結(jié)果，再利用雙差定位方法(Waldhauser R,2000)進行相對定位，計算出這些地震的準確震源位置。

表1 定位所用速度結(jié)構(gòu)

1.2 速度模型的選取

目前臺網(wǎng)日常定位方法所用的速度模型是單一的一維速度模型；山西地區(qū)屬于盆山組合區(qū)域，中間為斷陷盆地，兩側(cè)為基巖隆起區(qū)，地殼結(jié)構(gòu)存在橫向不均性，單一的一維速度模型極大地影響了地震的定位精度。為了獲得更加可靠的震源位置，通過綜合分析山西北部地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)的多個研究成果(魏文博等，2007；張學(xué)民等，2003、2004；于利民等，1995；徐揚等，1997)，并考慮到山西北部地區(qū)的中、小震多發(fā)生在盆地地區(qū)，最終選取了大同地區(qū)的山自皂臺的多層S波速度結(jié)構(gòu)作為初始速度模型(張學(xué)民等，2003)。

2 地震定位結(jié)果分析

2.1 定位結(jié)果

為了使研究資料更加可靠，本研究對所選觀測報告的震相到時數(shù)據(jù)全部進行核對，將重新定位地震震相到時數(shù)據(jù)的平均誤差控制在0.1 s以內(nèi)。在重新定位過程中，選取地震觀測臺站≥3個、觀測到時數(shù)≥4條、且震源間距≤10 km的地震進行兩兩組合，最終計算出2501個地震的重新定位結(jié)果，其余148次地震是由于在反演迭代過程中重新加權(quán)時與其它地震完全失去聯(lián)系被程序剔除掉了。重新定位結(jié)果顯示，震源位置定位誤差在EW向為0.491 km，NS向為0.469 km，UD向為0.807 km，定位均方差為0.242 s。

2.2 地震震中分布特征

從重新定位前、后的地震震中分布來看，重新定位前地震的震中空間分布比較離散(圖1a)，盆地和兩側(cè)隆起區(qū)均屬于中、小地震頻發(fā)區(qū)域；重新定位后的地震震中空間分布更加集中(圖1b)，地震震中主要分布在大同和忻定盆地，在兩側(cè)隆起區(qū)地震分布較少，且絕大多數(shù)中、小地震沿斷層走向成條帶狀分布，與斷層的展布方向有較好的一致性，可以清晰地展現(xiàn)出地震活動與活動斷層的關(guān)系。

圖1 定位前、后的震中分布圖中F1表示口泉斷裂，F(xiàn)2表示恒山北麓斷裂，F(xiàn)3表示系舟山山前斷裂

2.3 地震震源深度分布特征

圖2a、b為重新定位前、后地震震源深度分布的直方圖。重新定位前的震源深度值主要分布在0～25 km(圖2a)；0～5 km地震數(shù)目為489次； 6～10 km地震數(shù)目為1146次，占地震總數(shù)的43%；11～20 km地震數(shù)目為466次；其余深度范圍的地震事件數(shù)達400次，占地震總數(shù)的16%。重新定位后的地震震源深度值主要集中在1～25 km，0～5 km范圍內(nèi)的地震數(shù)目由原來的489次減少到236次，6～10 km范圍內(nèi)的地震數(shù)目由定位前的 1 146次變?yōu)?78次，11～15 km范圍內(nèi)的地震由原來的466次變增加到653次，地震優(yōu)勢震源深度范圍為6～25 km，刻畫了斷層的深部展布情況。

圖2 重新定位前、后地震震源深度對比

3 強震區(qū)中、小地震空間分布

山西北部地區(qū)包括大同盆地和忻定盆地。大同盆地由馬營、懷仁、陽高、六棱和陽高五個凹陷組成，忻定盆地由代縣、原平和定襄三個凹陷組成。山西大同盆地位于山西北部地區(qū)，屬于比較年輕的斷陷盆地，盆地內(nèi)沉積層厚度比山西中、南部地區(qū)的要薄，盆地內(nèi)曾發(fā)生過靈丘1626年7級地震，火山活動在更新世紀也依舊存在(Xu X W，1993)，且在地震剖面上顯示出低速帶的特征(鄧起東等，1973)，這些均表明該盆地內(nèi)現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造活動仍舊比較活躍。大同盆地的周邊存在大同—天鎮(zhèn)斷裂、團堡斷裂和六棱山斷裂，20世紀發(fā)生在山西大同至陽高一帶的3次強震(1989年6.1級、1991年5.8級和1999年的5.6級地震)均位于這三條斷裂的交匯部位。忻定盆地北接大同盆地，南連太原盆地，盆地邊緣受活動正斷層控制，第四系構(gòu)造活動具有不均一性、間歇性、突發(fā)性及周期性等特點。由于新構(gòu)造運動的差異性，使忻定盆地分割成大小不同、活動差異的塊體，在塊體邊緣是新構(gòu)造運動發(fā)育和活動的地段，也是地震活動的高發(fā)地段(李建榮，2013)。山西地震帶有史料記載以來發(fā)生的5次7級以上強震有3次發(fā)生在山西北部地區(qū)，分別為忻定盆地內(nèi)的512年原平7級地震、1038年定襄7級地震和1683年原平7級地震(圖3)。且已有的研究結(jié)果表明，山西地區(qū)內(nèi)幾乎所有的破壞性地震均發(fā)生于盆地尤其大型盆地內(nèi)，而極少發(fā)生在斷陷帶的隆起區(qū)，這是由于斷陷帶內(nèi)斷陷盆地新構(gòu)造強烈動力所致(蘇宗正，1980)。選取512年、1038年、1683年和1626年4次大地震等震線所包圍的區(qū)域，截取沿等震線長軸和短軸的剖面，從深度剖面上了解其地震深部剖面特征。

圖3 忻定盆地歷史M≥7.0地震等震線圖及剖面位置圖

圖4 512年、1038年、1626年和1683年四次大地震的深度剖面

山西北部地區(qū)近期沒發(fā)生中強地震，僅2009年在原平發(fā)生過1次4.2級地震，估計與上述3次歷史地震強度大、分布密度高，介質(zhì)破裂比較徹底，后期微破裂不發(fā)育所致(宋美琴等，2012)。忻定盆地至大同盆地南端的多參數(shù)組合結(jié)果也說明忻定盆地處于偏低應(yīng)力背景下，以中小震活動為特征，近期復(fù)發(fā)強震的可能性不大(梁向軍等，2019)。

4 結(jié)論與認識

利用雙差定位方法對山西北部地區(qū)2010年1月至2019年12月的2649次地震進行重新定位，通過重新定位結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：震源位置定位誤差EW向為0.491 km，NS向為0.469 km，UD向為0.807 km，定位均方差為0.242 s。重新定位后的地震震中分布相對定位前的更加集中，絕大多數(shù)地震成條帶狀分布，與斷層的空間展布有較高的一致性，能清晰地展現(xiàn)地震活動與活動斷層的關(guān)系。重新定位前，地震震源深度分布在0～40 km之間，重新定位后，地震震源優(yōu)勢深度分布在6～25 km，可以看出山西北部地區(qū)的中、小地震主要發(fā)生在上地殼內(nèi)；山西大同盆地中、小地震的活動性相對較高，應(yīng)該引起重視。