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2016年6月23日河北尚义4.0级地震发震背景

引言

2016年6月23日8时37分河北张家口市尚义县发生4.0级地震,震中位于(40. 96°N,114. 2°E),震源深度14 km。此次地震发生在晋冀蒙年度地震危险区边缘,是该区地震平静背景下发生的1次中等地震,且发生在ML 2和ML 3地震交叉空区边缘。

晋冀蒙交界地区是山西断陷地震带和张家口—渤海地震带的交汇部位,地质构造复杂,历史上曾多次发生6级以上地震,具有发生强震的背景,近年来一直被中国地震局划定为地震危险区而进行重点跟踪工作。该区自1998年1月10日张北6.2级地震以来,未发生过6级以上地震;自1999年3月11日张北5.6级地震以来,未发生过5级以上地震。此次尚义4.0级地震是在平静背景下发生的1次中等地震,对晋冀蒙地区的震情发展是否具有指示意义?有必要对此次地震进行深入研究,探索该区震前地壳应力状态和速度结构特征,分析发震背景,为该区地震监测与预报提供参考。

1 地震序列

据河北省地震台网测定,2016年6月23日8时37分,在河北张家口市尚义县发生4. 0级地震,截至6月27日10时,仅记录到2次0.6级余震。按照地震类型划定标准(中国地震局监测预报司,2007),本次地震的主震与最大余震震级差大于2.5且余震次数较少,属于孤立型地震。

2 区域地质构造

晋冀蒙交界地区地质构造复杂,具有孕育强震的深浅部构造环境,存在发生强震的构造背景和历史地震破裂空段,此次尚义4.0级地震是在平静背景下发生的1次中等地震。自2010年以来,晋冀蒙交界区形成3个相互交叉的ML 2和ML 3地震空区。张素欣等(2015)依据以往该区地震活动特性与震例研究成果,分析认为2个ML 2地震空区预测意义不大,ML 3地震空区对附近地区中强地震有一定预测意义,此次4. 0级地震即发生在ML 3地震空区边缘。晋冀蒙交界地区交叉空区示意见图 1,图中红色圈线范围表示ML 3地震空区,蓝色及黑色圈线范围表示ML 2地震空区,相应颜色圆圈为该空区围空地震,灰色圆圈为2005年以来该区ML 2以上地震,五角星表示尚义4.0级地震。

图 1 晋冀蒙交界地区交叉空区示意 Fig.1 Schematic diagram of the seismic gap at Jin-Ji-Meng cross area

晋冀蒙交界研究区范围是(38. 5°—42°N,113°—116°E),主要指汾渭地震带延庆—代县段(朱红彬等,2010),南起繁峙—代县盆地,北至延庆—张家口盆地,受汾渭断陷带和张渤带双重影响,断裂走向主要为NE—NEE向,断裂性质主要为张性倾滑,与晋冀蒙地区中强地震活动规律具有一定相似之处(朱红彬等,2014)。该区存在口泉断裂(F1)、延矾盆地北缘断裂(F2)、新保安—沙城断裂(F3)、六棱山北麓断裂(F4)、怀涿盆地北缘断裂(F5)、怀安盆地北缘断裂(F6)等活断裂(图 2,图中数字1—6表示具有代表性的活断层;蓝色实心圆为公元前780年以来6级以上地震震中位置),多年来被划定为强震危险区。据统计,1484年以来发生31次5级以上中强地震;1970年以来尚义地震震中100 km范围内可获得地震类型资料的4级以上地震有5次,以孤立型为主。

图 2 晋冀蒙交界区地貌、断层展布和历史震中分布 Fig.2 Distribution of topography, fault and historical seismic in Jin-Ji-Meng cross area
3 震源机制解

CAP地震定位方法对速度模型与地壳横向变化无较大依赖,主要思想是将波形分解为体波(Pnl)和面波分别拟合,移动各部分波形,使其吻合最好,计算结果可靠性较高。利用CAP方法进行震源机制解和震源矩深度联合反演,可采用网格搜索搜索法得到最佳震源机制(谢祖军等,2012王小龙,2015)。使用河北测震台网宽频带三分量地震仪波形数据记录,采用CAP方法反演尚义4.0级地震震源解,结果见图 3。震源机制解表明,尚义4.0级地震震源错动方式为正断兼走滑,节面Ⅱ呈NW向,与尚义—平泉断裂走向近似。

图 3 2016年6月23日尚义4.0级地震震源机制 Fig.3 Focal mechanism solution of Shangyi M 4. 0 earthquake on June 23, 2016

分析认为,此次地震宏观位置在晋冀蒙交界地区尚义—平泉断裂带附近(间距10 km),该断裂为尚义—北票断裂中段,大致沿41°N线展布,呈近EW向横穿区域,是阴山断隆区和燕山断隆区分界断裂。该地区地震活动主要集中在尚义—平泉断裂以南,断裂以北仅发生过1998年张北6.2级地震,地震活动较弱(蔡华昌等,2002)。张北地震震源错动方式为逆断兼走滑,与此次4. 0级地震震源错动方式不同,2次地震发生在尚义—平泉断裂带两侧,见图 4

图 4 2016年尚义4. 0级与1998年张北6.2级震中附近断裂 Fig.4 The fault near Shangyi M 4 earthquake in 2016 and Zhangbei M 6.2 earthquake in 1998
4 发震背景 4.1 应力张量方差分析

中小地震多随机发生,大量离散分布的中小地震数据可以对地壳应力张量方向进行较为准确地约束(Hardebeck J L et al,2006)。Michael A J(1991)提出叠加应力场反演方法,通过在均匀应力场上叠加扰动来模拟非均匀应力场分布,应力张量方差可以衡量震源应力场与区域应力场的一致性程度(张致伟,2015)。

王晓山(2016)采用Michael A J(1991)提出的应力场反演方法,对河北地区2014年7月至2016年4月ML ≥2地震震源机制解进行应力张量反演,并利用P波初动方法求得震源机制。将震源机制分布较为密集区域进行网格化(0. 2°×0. 2°),采用ZMAP程序(Max Wyss and Stefan Wiemer),对每个网格点周围至少8个震源机制进行计算,得到应力场压应力方位,以此类推,计算各节点应力分布,并通过应力张量方差(variance),表征河北区域应力场非均匀性。

绘制2014年7月至2016年3月河北地区压应力及应力张量方差空间分布,见图 5,图中斜线为压应力方位。由图 5可见,应力张量方差较低区域主要分布在京西北地区和河北南部,表明2个区域震源机制解比较一致,中小地震的发生受区域应力场制约,已经积累相当高的应力水平。在2014年9月6日涿鹿地震后,震前低值区解体,形成与年度危险区重合的低值区,尚义地震即发生在该区域。

图 5 河北地区压应力及应力张量方差空间分布 Fig.5 Spatial distribution of compressive stress and stress tensor variance in Hebei area
4.2 视应力

地震视应力σappWyss M et al,1968)是震源辐射地震波能量强弱的一种度量,可作为区域绝对应力水平的下限估计,其定义为

$ {\sigma _{{\rm{app}}}} = \mu \frac{{{E_{\rm{S}}}}}{{{M_0}}} $ (1)

其中:r为破裂半径;ES为地震波辐射能量;M0为地震矩;μ为震源区介质剪切模量,通常取3.0×104 MPa。ESM0的比值表征单位地震矩辐射的地震波能量。σapp值越高,表明震源区地壳应力水平越高。梅世荣(1993)曹凤娟等(2005)陈学忠等(2007)研究表明,震前视应力具有明显的升高变化过程。

计算河北地区2014年10月至2016年5月ML ≥3. 0地震视应力,地震主要集中在张渤带,视应力水平较高地区为京西北、唐山—天津地区(图 6),表明2个地区应力场有增强趋势,存在发生中强地震的危险。2016年尚义4.0级地震即发生在视应力水平高值区域。

图 6 2014年10月至2016年5月河北地区ML ≥ 3. 0地震视应力 Fig.6 Seismic apparent stress of ML ≥ 3.0 in Hebei from October 2014 to May 2016
4.3 速度结构

利用宫猛等(2016)背景噪声层析成像结果,绘制周期为14 s(对应地壳深度约10—15 km)的群速度分布图,见图 7(a)。从图 7(a)可以发现,群速度分布特征与研究区地表地貌和地质构造存在较好的相关性,能清晰表达地壳内部横向速度变化;2016年6月23日尚义4.0级地震震源附近群速度横向变化相对较大,震中位于高低速过渡带且偏向高速区域。为准确分析本次4.0级地震深部发震构造,选取图 7(a)中2条剪切波剖面——AA′和BB′,绘制震源区附近范围内深度方向的S波速剖面图,结果见图 7(b)

图 7 震源区Rayleigh波群速度分布特征及S波速度剖面 (a)波群速度分布;(b)AA′和BB′轴线方向S波速度剖面 Fig.7 A cross-sectional view of the S-wave velocity and the velocity distribution of the Rayleigh waves in the focal area

从S波速度剖面看,尚义4.0级地震震中附近的S波速度在深度上存在高低速相间变化。AA′轴线方向S波速度剖面显示,在深度20 km处存在一个低速层,而尚义地震震中位于低速断层上方相对高速区域,且在沿该剖面方向的低速层刚好终止在震中附近,在震中西南方向,S波速度恢复正常水平。由BB′轴线方向S波速度剖面,也能发现类似特征,地震震中位于深度10—20 km范围内的相对高速区域,震中下方存在一个约10 km厚度的低速层。分析认为,速度变化较为强烈部位,应力较为集中且介质相对脆弱,易于应变能积累。当区域应力场与地下介质结构发生变化时,该区域容易发生破裂以释放应力,因此成为地震易发区。

4 讨论

2016年6月23日尚义4.0级地震为晋冀蒙地区低活动背景下发生的1次孤立型地震,根据统计规律及显著性分析,对未来中强震的发生具有一定指示意义。此次地震发生在尚义—平泉断裂附近,震中位于地震波高低速过渡带偏向高速带区域;发震前该区应力张量方差较低,视应力偏高,表明该区震源机制解比较一致,已经积累相当高的应力水平。本次地震震源错动方式与1998年张北6.2级地震不同,当前地震活动性异常与张北地震前相比,只出现孕震空区和具有显著地震特征的此次4.0级地震,未出现具有前兆性质的高水平震群活动以及窗口效应和小震丛集活动等短临指标,晋冀蒙地区是否会在短时间内发生6级以上地震,仍需进一步观测。

当今地震预报多为经验性预报,多根据震例进行研究,参考地震的时空演化、相关地震参数等。随着数字地震学的发展,一些新的地震研究方法用于日常地震预报,但这些方法在中短期地震预报中未表现出较高的预报效能,将传统地震学与数字地震学方法相结合,可能对地震预报准确性的提高有较大帮助。将地震预报经验知识与科学的物理意义相结合值得进一步思考。

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