基于地震活動性和震源機制解研究渭河-運城盆地主要斷裂帶的特征及應力場分布

余占洋 沈旭章* 梁 浩 鄭文俊 劉旭宙

1)中山大學地球科學與工程學院，廣東省地球動力作用與地質(zhì)災害重點實驗室，廣州 510275

2)南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，珠海 519082

3)甘肅省地震局，蘭州 730000

0 引言

本文利用近年來積累的大量震相報告資料，使用雙差定位法對渭河-運城盆地的地震事件進行精定位； 然后根據(jù)P波初動資料，使用格點嘗試法反演該區(qū)域內(nèi)部ML≥2地震的震源機制解； 并以反演的震源機制解結(jié)果為基礎(chǔ)，應用MSATSI方法反演研究區(qū)域內(nèi)的應力場。通過截取不同的垂直斷層剖面，結(jié)合該地區(qū)已有的活動斷裂、構(gòu)造變形等研究結(jié)果，分析區(qū)域內(nèi)部的斷層結(jié)構(gòu)、區(qū)域應力場特征及地震發(fā)生的動力機制，探討區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造變形的模式，進而為渭河-運城盆地防震減災工作提供堅實基礎(chǔ)和重要參考。

圖 1 渭河-運城盆地主要斷裂分布圖(圖中斷裂根據(jù)國家地震局“鄂爾多斯周緣活動斷裂系”課題組(1988)修改)Fig. 1 Distribution of main faults in Weihe-Yuncheng Basin(The fault in the figure was modified according to the Research Group of Active Fault System around Ordos，1988，issued by China Earthquake Administration).不同顏色的圓表示2009年1月1日—2018年6月1日該區(qū)域ML≥3的不同震級和深度的地震事件。F1秦嶺北緣斷裂； F2渭河斷裂； F3口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂； F4華山山前斷裂； F5韓城斷裂； F6雙泉-臨猗斷裂； F7中條山山前斷裂； F8羅云山山前斷裂； F9霍山山前斷裂； F10太谷斷裂； F11交城斷裂

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 觀測資料

本研究選取了中國地震臺網(wǎng)中心“全國地震編目系統(tǒng)”記錄的2009年1月1日—2018年6月1日在渭河-運城盆地(圖 1)發(fā)生的14381個地震事件的數(shù)據(jù)進行重定位。在進行重定位前，需要對震相數(shù)據(jù)進行篩選，剔除震源參數(shù)及走時信息記錄不完整、震相記錄少于4個和記錄的臺站數(shù)量少于2個的地震事件，從而確保重定位的精確性。經(jīng)篩選，剩余地震事件11856個，共計443074個震相數(shù)據(jù)，其中P波到時數(shù)據(jù)103874條，S波到時數(shù)據(jù)339200條。

1.2 地震精定位方法

本研究使用雙差定位法對區(qū)域內(nèi)的地震事件進行重定位。雙差定位法是一種相對地震定位方法，是在主事件地震定位法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，將地震叢集中的地震事件兩兩組對，根據(jù)走時差的觀測值與理論值的殘差(即雙差)確定震源參數(shù)(Waldhauseretal.，2000)。雙差定位法的一項基本要求是地震事件對之間的距離遠小于事件到臺站間的距離和波傳播路徑上速度不均勻體的線性尺度，這樣才能使2個地震到同一個臺站的走時差只由這2個地震事件之間的相對位置和地震波的波速決定，能夠有效減小由于對地殼結(jié)構(gòu)了解不夠精細而引起的誤差，使重定位的結(jié)果更加準確(朱艾斕等，2005； 陳九輝等，2009； 盛書中等，2016)。

圖 2 各區(qū)域的地殼速度模型Fig. 2 Crustal velocity model for each region.

重定位反演的基本方程為

WGm=Wd

(1)

式中，W為對每個方程進行加權(quán)的對角矩陣，G為包含偏導數(shù)的M×4N階(M為雙差的觀測數(shù)，N為地震數(shù))矩陣，m是長度為4N的矢量，含有待定的震源參數(shù)變化(其形式為[Δx，Δy，Δz，ΔT]T)，d是包含雙差的數(shù)據(jù)矢量(Waldhauseretal.，2000)。

1.3 震源機制解反演方法

本次研究使用格點嘗試法反演震源機制解。Aki(1966)提出采用大量小地震的P波初動資料推測應力場方向的綜合震源機制解法。在此基礎(chǔ)上，許忠淮等(1983)進一步提出了格點嘗試法。其原理為： 按震源的雙力偶點源模式，由震源坐標架在地平坐標架中的3個角度(Az，ih，R)來確定震源機制解。格點嘗試法以一定步長(如5°×5°×5°等)改變Az、ih和R的角度，觀察哪組(Az，ih，R)所對應的2個理論正交節(jié)面的矛盾符號比最小。

定義矛盾符號比ψ=矛盾符號數(shù)/符號總數(shù)，介于極小值ψmin和ψmin+5%之間所有可能的P、B、T軸的分布范圍稱為離散區(qū)，對離散區(qū)內(nèi)所有可能的解求平均，計算得出的平均解即為地震事件的震源機制解結(jié)果。

1.4 應力場反演方法

本研究使用MSATSI程序包進行應力場反演。Michael(1984，1987)提出了自助線性應力反演(LSIB)方法，這是一種較為常用的利用震源機制解進行應力場反演的方法。Hardebeck等(2006)進一步發(fā)展了LSIB方法，并引入阻尼最小二乘法，得到了區(qū)域尺度的應力張量阻尼反演方法(SATSI)。此后，Martinez-Garzon等(2014)改進了SATSI算法，提出了MSATSI算法。

在應力場反演中，首先將研究區(qū)域劃分成1°×1°的網(wǎng)格。為使相鄰網(wǎng)格的應力張量差異最小化，我們使用阻尼最小二乘法，該方法可有效減小人為劃分網(wǎng)格而產(chǎn)生的應力場的異常偏轉(zhuǎn)，能更好地凸顯整體應力偏轉(zhuǎn)特征(崔華偉等，2019)。根據(jù)MSATSI軟件包提供的方法設(shè)置了一系列阻尼系數(shù)，得到了數(shù)據(jù)擬合殘差與應力場反演模型長度的折中曲線，如圖 3 所示。折中曲線的拐點即為最佳阻尼系數(shù)，本研究的最優(yōu)阻尼系數(shù)e=1.2。反演時每個網(wǎng)格中至少有2個震源機制解參與反演。反演應力場參數(shù)的置信水平默認范圍為68%～95%，本研究將置信水平設(shè)置為95%。重采樣次數(shù)的默認范圍是1000～5000次(Martinez-Garzonetal.，2014)，本次研究對所有數(shù)據(jù)進行2000次抽樣以確定應力場參數(shù)的不確定度。

圖 3 數(shù)據(jù)擬合殘差與應力場反演模型長度的折中曲線Fig. 3 Trade-off curve between model length and data fitting misfit in the stress field inversion model.藍色十字為最優(yōu)阻尼系數(shù)，空心圓圈表示反演中采用的阻尼參數(shù)所得出的結(jié)果

2 研究結(jié)果

2.1 地震事件重定位結(jié)果

依照前文設(shè)置的參數(shù)及地殼速度模型，應用雙差定位法對研究區(qū)域內(nèi)11856個地震事件進行了重定位。圖 4 顯示了定位前后的地震事件以及定位過程中使用的52個臺站的分布情況。圖4a 為定位前地震事件分布圖，圖4b 為定位后地震事件分布圖。結(jié)果顯示，定位后地震事件分布的離散程度降低，多數(shù)地震集中分布在太谷斷裂(F10)、交城斷裂(F11)、霍山山前斷裂(F9)和羅云山山前斷裂(F8)等斷裂帶附近； 另外，山西地塹帶內(nèi)部及周邊地震活動頻繁，但震級普遍較小。

重定位后，所有地震的走時均方根殘差由0.618s降為0.255s。對比重定位前、后的震源深度直方圖(圖 5)可以發(fā)現(xiàn)，重定位前震源深度集中分布在5～10km，重定位后震源深度的分布發(fā)生了明顯改變，地震集中分布在10～25km范圍內(nèi)，總體上集中分布在20km以內(nèi)，小部分地震發(fā)生在25～35km深度處。從圖 4 中可以看出，盆地內(nèi)部的震源深度相對較淺，以5～15km為主，向盆地兩端震源深度有加深的趨勢，最深約達30km，這與前人的研究結(jié)果也較為一致(蔡妍等，2014)。

圖 4 研究區(qū)域內(nèi)重定位前(a)、后(b)地震事件的分布以及定位所用臺站的分布圖Fig. 4 The distribution of seismic events and stations before(a)and after(b)relocation in the research area.

圖 5 研究區(qū)域內(nèi)重定位前(a)、后(b)地震事件的震源深度直方圖Fig. 5 Distribution of focal depth before(a)and(b)after relocation.

2.2 震源機制結(jié)果

本研究使用許忠淮等(1983)提出的利用P波初動資料反演震源機制解的格點嘗試法，使用從中國地震臺網(wǎng)中心獲取的震相報告的P波初動資料，計算了渭河-運城盆地內(nèi)346個ML≥2地震的震源機制解。

根據(jù)Zoback(1992)給出的世界應力圖劃分準則(表1)將震源機制解劃分正斷型(NF)、正走滑型(NS)、逆沖型(TF)、逆走滑型(TS)、走滑型(SS)、過渡型(U)等6種類型的震源機制解。結(jié)果表明： 走滑斷層類型地震有69個，占19.9%； 正斷層及正走滑斷層類型有145個，占41.9%； 逆斷層和逆走滑斷層類型有36個，占10.4%； 過渡型有96個，占27.8%。

表 1 震源機制解的類型劃分表Table1 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism

圖 6 研究區(qū)域內(nèi)的震源機制解分布圖Fig. 6 The distribution of focal mechanism solutions.

從圖 6 中可以看出，渭河-運城盆地內(nèi)的正斷型和走滑型地震事件分布廣泛，占全部地震事件的60%以上，且大多集中在太谷斷裂(F10)、交城斷裂(F11)、霍山山前斷裂(F9)和羅云山山前斷裂(F8)附近，表明渭河-運城盆地的控盆斷裂及內(nèi)部斷裂的運動方式以拉張運動為主，兼有一定的剪切運動。

圖 7 利用不同方法得到的震源機制解Fig. 7 Focal mechanism solutions obtained by different methods.a 格點嘗試法的結(jié)果； b Hash方法的結(jié)果

表 2 利用不同方法得到的震源機制解Table2 Focal mechanism solutions of earthquakes obtained by different methods

圖 8 利用不同方法得到的震源機制解Fig. 8 Focal mechanism solutions obtained by different methods.a—c為本文結(jié)果，分別對應高陵地震、河津地震、原平地震； d—f為前人的研究結(jié)果，分別對應高陵地震、河津地震、原平地震

表 3 通過不同方法得到的MS>4.0地震的震源機制解Table3 Focal mechanism solutions of earthquakes above MS4.0 obtained by different methods

2.3 應力場反演結(jié)果

圖 9 研究區(qū)的應力場反演結(jié)果Fig. 9 Results of stress field inversion in the research area.繪出了每個網(wǎng)格點的最大水平應力方向，紅色表示正斷層作用體系，綠色表示走滑斷層體系，網(wǎng)格的顏色表示R值的大小，顏色越深則R值越大

3 討論

渭河-運城盆地的地震重定位結(jié)果顯示，地震活動多沿著現(xiàn)今地表斷裂的走向發(fā)生，其震源深度的空間分布指示斷裂在盆地深部的幾何結(jié)構(gòu)和空間位置。為厘定斷裂在盆地深部的展布特征，本研究以20km寬的廊帶為約束，分別對A、B、C區(qū)域做與現(xiàn)今斷裂交切的深度剖面進行分析，共做8條剖面。

圖 10 A區(qū)域的剖面位置及地震事件剖面圖Fig. 10 Sectional location map and seismic event profiles of region A.a 剖面分布圖； b—d AA′、BB′和CC′剖面

A區(qū)域(渭河斷陷帶)內(nèi)發(fā)育有秦嶺北緣斷裂(F1)、渭河斷裂(F2)和口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F3)3條主要斷裂，在此區(qū)域截取了AA′、BB′和CC′ 3條跨越秦嶺山系、渭河地塹和鄂爾多斯高原且與主要斷裂交切的NNE向剖面，如圖 10 所示。剖面圖中顯示了MS≥3.5地震的震源機制解，其他區(qū)域剖面中所顯示的也是MS≥3.5地震的震源機制解，下文不再說明。AA′剖面跨越秦嶺北緣斷裂(F1)西段和渭河斷裂(F2)。F1西段全長110km，走向近EW—NWW，斷裂帶寬數(shù)米至數(shù)十米不等，地表露頭和探槽揭露為高角度N傾的正斷層(王明秋，2011； 白相東，2018)； F2全長50km，西段走向近EW，東段走向NEE，沿斷裂走向發(fā)育明顯的斷層陡坎，鉆孔揭露為高角度正斷層(田勤虎等，2014)。在深部，重定位地震事件多在F1左盤附近，呈線性延伸至地下10km處，斷裂傾角近直立，與地表露頭所示的斷面產(chǎn)狀一致。地表露頭揭露F2產(chǎn)狀近直立，但因地震數(shù)據(jù)較少，其在盆地深部產(chǎn)狀仍不明確，推測F2為與F1近平行的N傾斷裂。BB′剖面穿過秦嶺北緣斷裂(F1)東段、渭河斷裂和口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂。F1東段整體走向近EW，全長51km，地表露頭顯示斷裂下盤為花崗巖，上盤為黃土，與黃土接觸的斷面上發(fā)育擦痕，指示F1東段為具走滑性質(zhì)的左旋正斷層； F2的性質(zhì)變化不大； F3整體走向近EW，總長約100km，傾向S，傾角為40°～70°，斷裂沿線發(fā)育的階地位錯、黃土陡坎與地裂縫等活動標志多集中分布于斷裂西段(米豐收等，1993)。深部的地震事件基本分布在深度10km以內(nèi)，同時可以發(fā)現(xiàn)口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂向深部延伸傾角變緩且具有一定的走滑性質(zhì)。CC′剖面跨過渭河斷裂(F2)和口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F3)，震源機制解揭示渭河斷裂的斷層性質(zhì)為正斷兼走滑?？傮w而言，渭河地塹剖面的地震活動性相對較弱，區(qū)域內(nèi)部的斷層以正斷為主，兼有一定走滑性質(zhì)。

圖 11 B區(qū)域的剖面位置及地震事件剖面圖Fig. 11 Sectional location map and seismic event profiles of region B.a 剖面分布圖； b、c DD′和EE′剖面

B區(qū)域內(nèi)發(fā)育有華山山前斷裂(F4)、韓城斷裂(F5)、雙泉-臨猗斷裂(F6)、中條山山前斷裂(F7)和羅云山山前斷裂(F8)5條主要斷裂，在此區(qū)域截取了DD′和EE′ 2條剖面，如圖 11 所示。DD′剖面穿過雙泉-臨猗斷裂、中條山山前斷裂和韓城斷裂，其中，中條山山前斷裂和韓城斷裂是圍限侯馬-運城盆地的主要斷裂，雙泉-臨猗斷裂則是侯馬-運城盆地內(nèi)部峨嵋臺地隆起的南緣斷裂。在地表，中條山山前斷裂位于運城盆地與中條山之間，全長約130km，走向NEE—NE，斷面傾向NNW—NW，傾角為60°～80°，為高角度正斷層(司蘇沛等，2014； 郭春杉等，2019)； 韓城斷裂整體走向NE，長約120km，為高角度正斷層(扈桂讓等，2017)； 雙泉-臨猗斷裂走向NE，斷面總體S傾但出露不全，斷裂下盤為黃土臺地，上盤為運城盆地沖積平原，高差明顯，指示斷層為正斷層。在深部，地震事件主要沿中條山山前斷裂和韓城斷裂分布，中條山山前斷裂向盆地的分支斷裂亦有揭露，與錯斷中條山山前洪積扇陡坎的斷裂有較好的對應(田建梅等，2013)。中條山山前斷裂和韓城斷裂均顯示出高角度的正斷性質(zhì)，與地表產(chǎn)狀對應，而雙泉-臨猗斷裂地震事件較少，活動性較弱。EE′剖面主要跨越羅云山山前斷裂北端。羅云山山前斷裂是臨汾盆地西側(cè)的控盆斷裂，全長145km，總體走向NNE，其南段折向NWW后與韓城斷裂相連，為高角度正斷層(孫昌斌等，2011)。羅云山山前斷裂的地震事件主要分布在深度10～20km之間，震源深度較大，大致勾勒出高角度的斷裂面，與地表產(chǎn)狀相對應。與A區(qū)域相比，B區(qū)域的地震活動性明顯增強。

C區(qū)域(山西地塹系南部)內(nèi)發(fā)育了霍山山前斷裂(F9)、太谷斷裂(F10)和交城斷裂(F11)3條主要斷裂，在此區(qū)域截取了FF′、GG′和HH′ 3條剖面，如圖 12 所示。斷裂調(diào)查顯示，霍山山前斷裂為臨汾盆地東北側(cè)的邊界斷裂，總體走向NNE，運動性質(zhì)以正斷為主，兼具右旋走滑性質(zhì)(畢麗思等，2017)； 交城斷裂是晉中盆地西界的控盆斷裂，走向NE，長約125km，為SE傾正斷層，傾角為50°～70°(孫昌斌等，2012)； 太谷斷裂是晉中盆地東邊界的控盆斷裂，走向與交城斷裂大致平行，全長約100km，為NW傾正斷層。FF′剖面穿過霍山山前斷裂南端，地震活動性更強，震源深度分布廣，有少量地震事件的震源深度已超過30km，斷裂帶呈現(xiàn)出高角度正斷層的特點，與地表產(chǎn)狀相匹配。GG′剖面穿過太谷斷裂和交城斷裂，可以看出地震事件基本分布在2條斷裂之間，指示盆地內(nèi)部的地震活動較為頻繁。HH′剖面跨越太谷斷裂和交城斷裂的北端，地震事件的震源深度主要集中在10～30km之間，且2條斷裂的傾角很大，接近直立。與A、B區(qū)域相比，C區(qū)域的地震活動性最強。

圖 12 C區(qū)域的剖面位置及地震事件剖面圖Fig. 12 Sectional location map and seismic event profiles of region C.a 剖面分布圖； b—d FF′、GG′、HH′剖面

4 結(jié)論

本研究選取了近年來渭河-運城盆地的震相報告資料，采用雙差定位法對地震位置進行重定位，得到了8106個地震事件的重定位結(jié)果； 利用格點嘗試法得到了346個MS≥2地震的震源機制解，并基于震源機制解結(jié)果通過應力張量阻尼反演方法使用MSATSI軟件包反演獲得該區(qū)域的應力場，得出了以下主要結(jié)論：

(1)渭河-運城盆地的地震事件重定位之后相較于定位前的分布更集中，大部分地震在斷裂帶附近密集分布； 根據(jù)截取的剖面可知，研究區(qū)域內(nèi)大部分斷裂的傾角較高，有的接近直立狀態(tài)，如太谷斷裂和交城斷裂等。

(2)研究區(qū)域內(nèi)的震源機制解類型以走滑型和正斷型為主，斷裂帶的構(gòu)造運動性質(zhì)以走滑和正斷為主。

致謝審稿專家對本文提出了中肯建議； 國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心提供了地震震相報告； 德國地球科學研究中心(GFZ)提供了反演程序MSATSI； Waldhauser共享了雙差定位程序； 萬永革老師提供了計算不同震源機制的最小空間旋轉(zhuǎn)角的程序； 文中圖件使用GMT(Wesseletal.，2019)繪制。在此一并表示感謝！