河北临城地震序列揭示的一条隐伏断层

章阳 万永革 陈婷 纪春玲 王时 牛淑瑜

1)河北省地震局，石家庄 050021 2)防灾科技学院，河北三河 065201 3)河北省地震动力学重点实验室，河北三河 065201

0 引言

2017年9月4日河北临城(37.50°N，114.35°E)发生ML4.4地震，震源深度6km。震中位于太行山山前断裂中段，为山西断陷与华北断陷过渡带，属构造较不稳定地带。震中位于近NS向的元氏断裂、NWW向的隆尧断裂和NE向的晋县断裂交汇处附近，周围构造背景复杂，发育NS向、NWW向、NNE向和NE向等多组构造(图1)。此次地震处于邢台地震余震区的NW分支，震中位于邢台老震区的边缘，4级以上地震平静时间长，前人对这一区域的活动断裂构造研究较少。活动断层的几何形态是地震危险性评估的一个重要参数，活动断层几何参数的获得有利于研究本区域的地震活动危险性。

图 1 临城ML4.4地震地质构造背景、Ⅳ度烈度范围及余震分布AA′为齐家庄-东双井断裂

确定活动断层的几何形态主要有挖探槽法(张培震等，2003；冉勇康等，2018)和地震反射探测法(刘保金等，2012；李燕等，2017；徐增波等，2019)。挖探槽法获得深部断层和浅部破裂可能存在较大差异，地震反射探测法在地球物理资料反演时可能存在多解性问题。近年来地震学发展了一种由余震震源位置的空间分布精确勾画断层面形状和位置的方法。王鸣等(1992)利用小震数据求得1989年大同阳高地震断层面，但其计算结果依赖初始模型，并非全局最优解，且未给出断层走向和倾角的误差以及断层面滑动角的估算。万永革等(2008)基于模拟退火算法全局搜索初始解，采用高斯牛顿法局部搜索求得最优解的方法，利用小震位置确定主震断层面的走向和倾角。该方法不依赖于初始解，不仅可以全局搜索最优解，而且可以估计断层走向和倾角的误差，其稳定性和准确性均较高，已经被学者广泛应用于地震发震断层面参数的确定(杨超群等，2013；Wang et al，2014；盛书中等，2014；潘睿等，2015；胡晓辉等，2019)。确定发震断层面的走向和倾角后，为了判定该断层的滑动性质，需要根据区域构造应力场参数求解断层面的滑动角。为此则需要搜集该地震序列周围的震源机制，求解区域地壳应力张量。万永革等(2015、2016)基于断层滑动方向与剪切应力方向一致准则，提出根据震源机制资料求解区域应力场方向和相对大小的网格搜索法，并给出反演结果在一定置信度下的置信区间。该方法采用全局网格搜索应力场的最优解，避免局部极值产生，可以准确反演应力张量参数，获得较为精确的主应力方向。

本文首先采用临城地震序列精定位数据拟合断层面的形状，根据该地震周围的历史地震震源机制求解地壳应力张量，将地壳应力张量投影到拟合的断层面上，得到该断层的滑动角，并与前人得到的该地震的震源机制进行比较，确认发震断裂的滑动性质，研究结果可为该地区的地质构造和地震孕育环境研究提供一定基础。

1 隐伏断层发现与确认

根据河北数字地震台网观测报告获取河北临城地震序列的震相数据和初始震源参数，选取2017年9月4日03时至9月30日24时共199个地震，利用hypoDD方法对地震序列重定位，选取地震到台站的距离小于200km，地震对间的距离小于20km，采用共轭梯度法进行阻尼最小二乘(LSQR)求解，最终得到191个地震重定位事件，其中0～0.9级地震161个，1.0～1.9级地震23个，2.0～2.9级地震6个，4.0～4.9级地震1个。重定位后平均均方根残差由0.57s降为0.079s。地震自西向东破裂，绝大多数余震均发生在主震东侧，震中地质构造背景、烈度范围、测震台站分布及精定位余震分布见图1。

该地震序列后续发生近200次余震，精定位余震分布在一个近EW向的条带上，且Ⅳ度烈度形态也表现为EW长轴椭圆(河北省地震局，2018)，见图1。距离震中最近的断裂有元氏断裂、晋县断裂和隆尧断裂。元氏断裂的总体走向为近NS向，倾向东，倾角约35°～40°，以正断倾滑性质为主(吴鹏等，2017)，晋县断裂总体走向N40°E，倾向NW，倾角30°～40°，以正断活动性质为主(徐杰等，2000)，而此次地震的震源机制为略带正断分量的走滑型地震(王莉婵等，2018；王宁等，2019)，这2条断裂均与此次地震序列的性质不符。隆尧断裂总体走向为NWW向，倾向南，倾角60°以上，与本次地震序列的余震延伸方向较为吻合，但隆尧断裂的位置距离震中较远，且活动性质以正断为主。因此，推测此次地震的发震断层为一条前人未发现的近EW走向的隐伏断层(根据其经过的地点本文称之为齐家庄-东双井断裂)。

2 断层面走向和倾角的确定

利用地震序列精定位数据拟合齐家庄-东双井断裂的走向和倾角，结果如图2 所示。其中，图2(a)为地震在水平面的分布及拟合出的断层面，断层面上的2个端点为A、A′；图2(b)为地震在齐家庄-东双井断层上的展布；图2(c)为沿断层走向地震在断层面两侧的分布情况，可以看出地震均匀分布在断层面两侧，且地震震源深度优势分布于2～8km；图2(d)为断层两侧地震距断层距离的频度分布，可以看出，地震优势分布于主震断层面1km范围内。最终计算得到此次地震发震断层的走向为92.21°，标准差0.27°，倾角为84.77°，标准差0.50°，平均反演后残差为0.19km。

图 2 临城ML4.4地震序列分布情况(a)水平面；(b)断层面；(c)垂直于断层的横断面；(d)地震到断层面距离

3 断层面滑动角的确定

前文已论述，估计断层的滑动角需要求解该地区的应力场，为此搜集震中周边历史地震的震源机制解(李钦祖等，1982；汪素云等，1991；许忠淮等，1994；徐锡伟等，2000；张宏志等，2007；李守勇等，2016；高彬等，2016；王晓山等，2017)。对于历史比较久远的地震，由于没有数字地震波记录，利用震源机制的P轴和T轴的走向和倾伏角求得断层的走向、倾角和滑动角(万永革，2016)。表1 列出ML≥3.5地震的震源机制解，具体分布如图3 所示，其中1个为正断型，5个为正走滑型，2个为逆走滑型，其余均为走滑型地震。

表 1临城ML4.4地震附近ML≥3.5地震的震源机制解

图 3 研究区域历史地震的震源机制解黑线为研究区域的断层；震源机制类型为，NS：正走滑型，SS：走滑型，NF：正断型，TS：逆走滑型

根据搜集的震源机制解，利用Wan等(2016)提出的网格搜索法反演区域应力场参数，求解得到最优应力状态的压轴走向238.02°，倾伏角52.90°，95%置信度置信范围分别为219.00°～247.98°和40.93°～74.71°；张轴走向331.19°，倾伏角2.40°，95%置信度置信范围分别为328.19°～337.19°和-19.60°～14.40°；中间轴走向63°，倾伏角37°，95%置信度置信范围分别为60.00°～69.00°和40.93°～74.71°，应力形因子R为0.4。具体结果如图4 所示，与Wan(2010)反演的应力场结果基本相符。由于元氏断裂西侧历史地震少，缺少震源机制解资料，因此求解距离震中最近的应力场用于计算断层滑动性质。

图4 区域应力场参数(a)及空间三维辐射花样(b)(a)中绿色断层面为95%置信度应力场的最大剪应力节面；大红色箭头为压轴方向，大蓝色箭头为张轴方向，对应颜色的封闭曲线表示其不确定性范围； 小红色箭头为理论滑动方向，小蓝色箭头为观测滑动方向；R为应力型因子；(b)中红色为膨胀区域，蓝色为压缩区域

根据前文求得的齐家庄-东双井断层的走向、倾角及其标准差，结合利用震源机制解资料反演得到的区域应力场参数，最终求得断层面的滑动角为-12.21°，标准差为8.0242°。

4 讨论

本文采用地震位置拟合断层面，并根据周围应力场数据得到断层的滑动性质，这些结果应为地震的震源机制所验证。为此搜集前人求得的该地震主震震源机制解，采用震源机制最小空间旋转角的方法(万永革，2019)，求得本文所得到的断层滑动所代表的震源机制与前人求得的震源机制的最小三维空间旋转角(表2)。结果表明，本文结果与王宁等(2019)结果的最小空间旋转角相差最小，为15.56°，与王莉婵等(2018)的结果相差最大，达29.88°。由此表明本文结果相对较准确。由于不同研究给出的震源机制结果具有一定的离散度(万永革等，2001)，以各个震源机制结果作为初始解计算震源机制中心解(万永革，2019)及最小三维空间旋转角(表2)，发现本文结果与该地震的震源机制中心解相差最小，最小空间旋转角为9.35°，进一步表明本文结果代表了齐家庄-东双井断裂的几何形状和滑动性质。

表 2不同研究得到临城ML4.4地震震源机制解及其最小空间旋转角

图 5 区域应力场在各种形状断层面上的相对剪应力(a)和相对正应力(b)震源机制为图4 所表达的应力场在对应走向和倾角下产生的；震源机制类型为，NS：正走滑型，SS：走滑型，NF：正断型，TS：逆走滑型，U：不确定型，TF：逆断型

对于本研究揭示的齐家庄-东双井隐伏断裂，由于地球物理资料有限，这里仅揭示其断层的走向、倾角和滑动性质等信息，对于该断裂的长度、延伸方向、年代及其与周围隆尧断裂、元氏断裂的相互作用关系等信息，还需要通过其他地质观测手段，如挖探槽、测年等地质手段进行补充。

5 结论

本研究通过地震精定位数据发现一条新的隐伏断裂，将其命名为齐家庄-东双井断裂。利用小震拟合断层面确定该断裂的走向和倾角，通过搜集震中附近历史地震震源机制解，并利用网格搜索法反演得到区域应力场参数，进而求得齐家庄-东双井断裂的滑动角及其误差。结合周边地质构造背景，分析了此次地震的发震构造及断层性质。获得的主要结论如下：

(1)利用临城地震序列精定位资料和区域构造应力场计算得到临城ML4.4地震所在的齐家庄-东双井断裂的走向为92.21°，倾角为84.77°，滑动角为 -12.21°，滑动角标准差为8.0242°。该断裂为高倾角、倾向南的走滑型断裂，深度延伸约10km。关于该断裂的延伸长度、断裂年代以及其与元氏断裂和隆尧断裂等的关系还需要其他地质调查进一步确定。

(2)计算区域应力场在齐家庄-东双井断裂上产生的相对剪应力和正应力分别为0.650和0.691。本次地震并非发生在最大剪应力节面上，也就是说该断层并非在现今应力场下产生的，而是历史地质作用过程中形成的一条薄弱带，在现今应力场作用下薄弱带破裂而发生了本次地震。

致谢：本文资料来源于河北省地震局，审稿专家提供了建设性修改意见，绘图采用GMT软件(Wessel et al，1998)和MATLAB软件，特此致谢。