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2016年1月9日河北怀来ML3.4震群发震构造分析
2016年1月9日河北怀来ML3.4震群发震构造分析
单连君*, 张新东, 王晓山*
(河北省地震局,石家庄 050021)
 [收稿日期]: 2016-09-17
摘要

本文采用模板识别匹配滤波方法检测2016年1月9日河北怀来ML3.4震群序列目录中遗漏的地震事件,并加入波形互相关信息对震相到时进行校正,采用盖革法进行精确定位。重新定位后震群震中呈NEE向分布,与怀涿次级盆地北缘断裂走向一致,并主要集中在该断裂的小水峪-黄土窑段。震群中最大地震ML3.4的P波初动解的一个节面走向与精定位后震中展布和断裂的走向基本一致,可推测怀涿次级盆地北缘断裂可能为怀来ML3.4震群的发震构造。震中集中分布的怀涿次级盆地北缘断裂的小水峪-黄土窑段属5个分段中滑动速率最大的段落,分析认为该震群可能是由断层慢滑动引起的。



引言

震群一般定义为短时间内集中在一个区域内的地震活动,或者由弹性断层级联破裂触发引起,或者由震源处流体压力的扰动和断层的无震滑动引起(Vidale等,2006)。随着数字地震台网的布设,监测能力的提高,我们能更好地研究这类地震活动,这对深入认识震群的孕育和发展过程具有重要意义。

2016年1月9日5时10分起,在河北省怀来县发生震群活动,该震群位于晋冀蒙盆岭构造区最东端与NW向张家口-蓬莱断裂带交汇地段的延庆-怀来盆地(延怀盆地)中,张素欣等(2016)根据余震分布和震源机制解推断该震群的发震构造为黄土窑-土木断裂,而该断裂晚更新世以来没有活动过(徐锡伟等,2002)。延怀盆地是中强地震较为集中之地,据史料记载,公元1300年以来共发生过6次5级以上地震,其中最大地震为1720年沙城6¾级地震。近期在盆地内部及其周边地区陆续发生了2013年3月涿鹿微震群(谭毅培等,2014a),2013年8月蔚县小震群(谭毅培等,2014b),2014年9月6日涿鹿M4.3地震(杨歧焱等,2015),加上这次在晚更新世以来没有活动过的断裂上发生的怀来震群,使我们觉得有必要对该盆地的地震危险性进行分析。采用波形互相关进行地震精定位和波形反演震源机制等数字地震学技术对怀来震群的发震构造进行研究,为该地区地震危险性分析、地震地质研究和地震趋势判断提供有效依据。本文选取ML≥1.0地震作为模板,通过波形互相关检测因波形叠加而被目录遗漏的地震事件,利用波形互相关震相检测技术标定其P波、S波到时进行地震精确定位,再结合震源机制解分析怀来震群活动可能的发震构造。

1 序列特征及构造背景

自2016年1月9日5时10分起,在河北怀来(40.48°N,115.57°E)发生震群活动,最大地震为1月10日2时25分的ML3.4地震,河北数字台网常规定位震源深度13km。据河北数字台网目录,截至1月25日,共发生可定位小震259次,其中ML0.9以下地震219次,ML1.0—1.9地震33次,ML2.0—2.9地震3次,ML3.0—3.9地震1次。中国地震局地球物理研究所台网沙城台单台记录地震511次,直达S波与P波的到时差小于2.3s。震群序列的震中呈椭圆形分布(图 1),可能是序列中的大部分震中均由沙城台单台定位造成的。


F1:怀涿次级盆地北缘断裂;F2:延矾次级盆地北缘断裂;F3:新保安-沙城断裂;F4:黄土窑-土木断裂;F5:桑干河断裂;F6:孙庄子-乌龙沟断裂;F7:南口山前断裂;F8:施庄断裂;d1:杏林堡-小水峪段;d2:小水峪-黄土窑段,d3:永丰堡-鸡鸣驿段;d4:鸡鸣驿-黄土港段;d5:沈庄-长瞳段。震源机制解为2014年9月6日涿鹿4.3级地震,空心菱形为2013年3月涿鹿微震群
图 1 延怀盆地断裂构造与震群分布 Fig. 1 The distribution of earthquake swam and faults in the Yanhuai basin

怀来ML3.4震群发生在延怀盆地内部的怀涿次级盆地北缘断裂附近(图 1)。怀涿次级盆地北缘断裂是发育在怀来-涿鹿次级盆地北缘边界的倾滑正断裂,北起怀来东北角的杏林堡,终止在涿鹿长瞳一带,整体走向NEE,倾向SE,倾角50°—75°,由一系列次级断层呈折线状或右阶斜列状排列而成,全长约58km。根据怀涿次级盆地北缘断裂晚第四纪以来的断裂作用累积地貌表现、几何结构特征和古地震复发模式等,可将其划分为5个基本破裂段,从东到西分别为杏林堡-小水峪段(d1)、小水峪-黄土窑段(d2)、永丰堡-鸡鸣驿段(d3)、鸡鸣驿-黄土港段(d4)和沈庄-长瞳段(d5)等(徐锡伟等,2002)。各段落探槽开挖获得的古地震资料可以相互对比,但段落之间的古地震序列、复发间隔等定量参数各不相同,反映出各段落具有相对独立的地震活动性,而且具有不同的段落边界类型。

延怀盆地泛指延庆、怀来、矾山、涿鹿等4个盆地。2013年3月的涿鹿微震群(图 1)发生在涿鹿次级盆地,谭毅培等(2014a)通过精定位结果的分析,推测此次震群的发震构造为走向NW—SW的近直立断层,可能为施庄断裂。2014年9月6日涿鹿4.3级地震(图 1)发生在延矾盆地北缘断裂附近,震源机制解和现场调查评定的烈度图表明,等震线长轴为北东向,与震源机制解节面Ⅱ和延矾盆地北缘断裂走向基本一致(杨歧焱等,2015李冬圣等,2016)。

2 方法
2.1 模板地震选取

本文所用数据来自河北省数字地震台网和晋冀蒙临时台网记录的三分量地震波形,首先选取2016年1月9日至11日怀来震群ML1.0以上的地震事件和台站连续波形,模板地震选择和波形预处理遵循谭毅培等(2014a)在涿鹿微震群遗漏地震检测中使用的标准。共挑选出满足条件的11个地震事件作为模板地震,如表 1所示。

表 1 所选用的模板地震 Table 1 Earthquake events selected for analysis

对于每个模板地震,对1月9日至11日的连续波形进行扫描,计算互相关系数(Cross-correlation,CC)。对三分向数据的CC取平均,通过计算序列的绝对离差中位数(Median Absolute Deviation,MAD)搜索地震(Peng等,2009)。本文取9倍MAD作为判别地震的阈值。图 2展示了对1月10日2点至5点共3个小时连续波形使用模板地震Eq0110022547进行互相关扫描的结果。首先将沙城台(SHC)、涿鹿台(ZHL)、赤城台(CHC)3个台站(图 4中蓝色字母标注的台站)扫描得到的互相关系数序列按模板地震在此台站的走时平移,然后对连续数据进行阈值检测以得到遗漏事件。该阈值包含两种,其一是计算3个台站波形互相关系数的平均数,设阈值为9倍MAD;其二是单台互相关系数,设阈值为0.7。经扫描得到大于阈值的,而原地震目录中未记录的事件则作为疑似地震事件。最后,基于波形互相关震相检测技术检测疑似遗漏地震事件的震相,并利用遗漏事件水平向波形S波段最大振幅与模板地震的振幅比估计遗漏事件的震级。共检测出19个超过阈值的事件,经与目录对比,其中疑似遗漏事件9个,震级为ML0.2—0.6。


模板地震为发生在2016年1月10日02:25:47.40的ML1.1地震,扫描时间为2016年1月10日2:00—5:00。黑色空心圆为目录给出的地震,灰色实心圆是检测到的地震。(a)3个台站互相关相加结果,根据9倍绝对离差中位数计算得到阈值为0.2950;(b)—(d)分别为3个台站波形互相关系数,阈值取为0.7。
图 2 遗漏地震检测方法示意图 Fig. 2 The process of detection of the missing earthquakes

蓝色五角星为震群位置,黑色三角形为台站位置
图 4 遗漏地震检测和重新定位所使用台站的分布 Fig. 4 The distribution of seismic stations used for the detection of missing earthquake and precise relocation
2.2 震相校正

由区域台网提供的观测报告中的震相到时是地震定位的基础数据,而震相报告中存在人工拾取到时的误差,对定位结果的精确度造成一定影响,使用波形互相关方法对波形相似的地震进行震相校正可以有效降低人工拾取到时误差的影响。

图 3以震中距最近的SHC台为例,展示了校正震相到时的过程。使用波形互相关技术对21个地震事件进行P波和S波到时校正。人工拾取P波和S波到时的误差范围分别是-0.55—0.42s和-0.58—0.41s,经过波形互相关震相检测后,波形相似的不同地震事件震相拾取误差降低到5ms(采样间隔的一半)以内。该方法一定程度上消除了每个事件定位过程中人工拾取P波或S波到时的相对误差,从而提高了定位结果的精度。


最上方黑色曲线为所选模板地震经过1—10Hz带通滤波的波形。蓝色短线表示台网震相报告给出的震相到时数据,红色表示基于波形互相关震相检测技术标定的震相到时,每条波形左侧数字为震相报告给出到时与互相关标定到时之差,单位为s(a)震群中21个地震事件在SHC台的垂直向记录波形,选取P波到时前0.5s至到时后1.5s的波形检测P波到时;(b)震群中21个地震事件在SHC台的东西向记录波形,选取S波到时前0.5 s至到时后1.5s的波形检测S波到时
图 3 沙城台(SHC)震相标定过程示意图 Fig. 3 The process of seismic phase recalibration of the Shancheng station
3 发震构造分析

对能标定3个及以上台站震相到时的地震事件进行重新定位,定位中所用台站分布见图 4。这些台站在方位上均匀地分布于震群周围,所用速度模型参考谭毅培等(2014a)分析2013年3月涿鹿震群的一维速度模型。对于ML1.0以上的模板地震都能够得到精定位结果,而对于其它未能标定3个及以上台站震相到时的地震,将其震中定在与其互相关系数最大的模板地震震中处。

利用格点尝试法(许忠淮等,1983)求取本次震群中最大地震ML3.4的震源机制解,参数为:节面Ⅰ走向65°,倾角77°,滑动角175°;节面Ⅱ走向156°,倾角85°,滑动角13°;P轴方位角290°,倾角5°,错动方式为走滑型。为了便于对比震群精定位前后的震中分布,将沙城台单台定位的目录删除。图 5给出了精定位前台网目录(图 5中黑色实心圆)的震中分布,可以看出震中呈NW向展布,与震源机制解的节面Ⅱ走向接近。怀涿次级盆地北缘断裂的杏林堡-小水峪段(d1)与小水峪-黄土窑段(d2)在小水峪附近右阶斜列,形成了一个宽约200m的阶区,并在北部基岩山地有NW向断层与怀涿次级盆地北缘断裂交汇(徐锡伟等,2002),初步推测震群活动可能与该NW向断层有关。


黑色实心圆为精定位前震中,绿色实心圆为精定位后震中(图例同图 1
图 5 怀来震群精确定位前后震中分布与震群中最大地震ML 3.4震源机制解投影 Fig. 5 The distribution of the Huailai earthquakeswarmr before and after precise relocation and the focalmechanism solution of largest event ML 3.4

经过波形互相关震相校正的地震事件,使用盖革法重新定位后的震中(图 5中绿色实心圆)主要集中分布在怀涿次级盆地北缘断裂的小水峪-黄土窑段(d2),震中展布的优势方向与怀涿次级盆地北缘断裂以及震源机制解节面Ⅰ的走向基本一致,节面Ⅰ倾角较陡,这与深反射剖面揭示的深部断裂呈高角度倾斜较为一致(祝治平等,1997)。小水峪-黄土窑段的平均垂直滑动速率为0.41—0.55mm/a(徐锡伟等,2002),属各分段中滑动速率最大的段落,深部断层的慢滑动可能是此次震群爆发的主要原因,可以推断怀涿次级盆地北缘断裂为此次震群的发震构造。

4 讨论与结论

本文基于模板识别匹配滤波方法对2016年1月9日的怀来震群序列中的遗漏地震进行检测,并通过波形互相关方法对震相到时进行校正,使定位精度大大提高,为分析发震构造提供了重要支持。台网目录给出的震中分布对判断发震断裂过程造成了一定的干扰,而加入波形互相关信息进行震相校正后重新定位的震中优势分布与震源机制解、震群所处的怀涿次级盆地北缘断裂走向以及深部断裂的产状比较一致,可以推断怀涿次级盆地北缘断裂可能为怀来震群的发震构造。

怀涿次级盆地北缘断裂是一条晚更新世—全新世活动断层。在杏林堡与小水峪两村之间,怀涿次级盆地北缘断裂上、下盘分别发育4级和3级地貌面。从古地震破裂展布来看,小水峪阶区东西两侧的杏林堡-小水峪段和小水峪-黄土窑段最新一次地表破裂型地震和距今1.31ka以来发生在杏林堡-小水峪段的地震破裂(可能为发生在公元1720年的历史地震)越过小水峪边界阶区,延续到小水峪-黄土窑段之上,说明这一段落边界不属于持久性边界(徐锡伟等,2002)。本次怀来震群重定位后地震集中分布在小水峪-黄土窑段,推测可能是1720年地震的震源断层没有完全愈合,且小水峪-黄土窑段垂直滑移速率较大,深部断层慢滑动引起震群爆发。

由于震级较小的地震波形信噪比较低,造成遗漏地震和人工读取震相到时的误差。引入波形互相关技术使地震目录的完整性得到改善,地震定位的精度有所提高,与震源机制、深部构造特征相结合,为判断发震机理提供了一条可借鉴的途径。

参考文献
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Analysis of Seismogenic Structure of the Huailai ML3.4 Earthquake Swarm on January 9, 2016 in Hebei Province
Shan Lianjun*, Zhang Xindong, Wang Xiaoshan*
(Earthquake Agency of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)
Abstract

The template recognition and matched filter method is used to detect missing earthquake events in the Huailai ML3.4 earthquake swarm on January 9, 2016 in Hebei Province, and the waveform correlation information is added to correct the earthquake phase arrival time. After the precise relocation by the Geiger method, direction of the distribution of swarm epicenters is in the NEE direction, which is consistent with the strike of the north margin fault of the Huaizhuo sub-basin. The relocated events are mainly concentrated in the Xiaoshuiyu-Huangtuyao segment of the north margin fault of the Huaizhuo sub-basin. The strike of node plane of P-wave first motion solution of ML3.4 is same as the distribution of precise relocation and the strike of the north margin fault of the Huaizhuo sub-basin. It is inferred that the north margin fault of the Huaizhuo subbasin may be the seismogenic structure of the Huailai ML3.4 earthquake swarm. The segment of the Xiaoshuiyu-Huangtuyao has the biggest slip rate among the five segments of the north margin fault of the Huaizhuo subbasin, so we conclude that the earthquake swarm may be caused by the slow slip model.



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2016年1月9日河北怀来ML3.4震群发震构造分析
单连君*, 张新东, 王晓山*
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170312