聊城—兰考断裂带中段及邻区的震源机制与应力场特征分析

师涵博, 万永革,2, 张元生

(1. 防灾科技学院, 河北 燕郊 065201; 2. 河北省地震动力学重点实验室, 河北 三河 065201;3. 甘肃省地震局, 甘肃 兰州 730030)

聊城—兰考断裂(下文简称为聊兰断裂)是一条区域性深、大隐伏断裂带,向下切割莫霍基底界面,构造主体呈现NNE走向,断裂构造既有继承性,也有在原有构造基础上改造后的特征,空间上具有比较强的分段性活动特征,在不同位置和不同沉积期存在差异,断裂南段活动性整体强于断裂北段,由南侧向北侧断裂活动性逐渐降低。河南范县以及濮阳地区(聊兰断裂中部地区)的地震活动为许多学者所关注[1]。近年来,该地区地震活动逐渐增强,使得了解该区域的应力场与断层构造之间的关系更为迫切。另外,该地区频繁发生的中小地震为进行区域应力场分析和断层构造提供了基础数据。

构造应力场在地球动力学研究中起着十分重要的作用,区域地壳应力场及时空变化特征为深入了解构造变形、地震机理及地震应力的相互作用提供了可靠信息,由震源机制反演得到区域构造应力场是较为可行并普遍采用的途径[2]。本文首先对搜集整理的研究区域震源机制解数据进行了统计分析并求出了总体震源机制,然后使用网格搜索法反演研究区应力场,接着利用小震位置拟合出的断层面参数判断断层面性质,并结合断层节面上的正应力和剪应力分布情况对区域震源机制和应力场加以分析。

1.1 研究区域特征

本文主要选取河南濮阳及范县地区(35.20°～36.00°N,115.12°～115.80°E)为主要研究区域。此地区地形起伏不大,构造较为复杂。此区域周边断裂带走向大多为NE—SW向[3],地质构造主要有开封凹陷、内黄隆起[1]、汤阴凹陷、太行山隆起、鲁西隆起及沧县隆起等[4-6]。

此次研究重点区域为聊兰断裂中段地区。聊兰断裂带是一条被第四系掩盖的隐伏断裂带,东有鲁西隆起,西邻太行山隆起及内黄隆起区,向北主要同临清凹陷及沧县隆起相接,南与东濮凹陷和开封凹陷相邻。它大致呈NNE向延伸,全长270 km,是地幔隆起区、临清凹陷的分界断裂和地质分界线,贯穿河南东部及山东西部地区。根据物探和钻探资料,聊兰断裂走向N20°～40°E,倾向NW,其两侧奥陶系埋深相差达2 000～3 000 m。从该断裂控制的地层来看,可能从晚侏罗世开始活动,白垩纪至早第三纪强烈活动,尤其在早第三纪时期最为活跃,从而成为控制华北平原下第三系沉积的边界。新第三纪以来,该地区仍表现出强烈活动性[7]。

近年来,该地区地震活动出现两次加速过程:第一次是1997年下半年至1999年上半年;第二次从2002年下半年一直持续至今,期间平静期与活跃期相间,平静期持续时间基本稳定,约在200～300天[5]。因此研究该地区的活动构造特性和地壳应力场的关系对该地区的地震危险性评估有积极意义。

1.2 数据资料

本文数据资料搜集整理于孙晴等[6]和郑培玲等[8]所做2008—2016年2.0≤ML≤4.4地震震源机制解数据,其主要使用研究区周围台站所记录的地震波形,用双差定位法对地震进行了重新定位,并采用Pg波初动资料结合垂直向的Pg波与Sg波的最大振幅比资料[6]及CAP方法[8]获得。由于两人采用不同方法获取的部分震源机制解来自于同一个地震,因此需要对所整理的数据按照最优原则进行取舍。

现对所获得的震源机制解数据资料进行整理分类,根据关鹏虎等[9]研究结果可知:当ML<3.2时,可用振幅比资料获取震源机制解;而ML≥3.2时,CAP方法是获取可靠数据的理想选择。因此,本文保留了ML≥3.2且使用CAP方法获取的震源机制解数据。对于ML<3.2且有两个震源机制解的地震,采用万永革[10]所提方法来求出两个震源机制的震源机制中心解以获取可靠的震源机制解数据。利用以上方法最终获得了46组震源机制解数据,如表1所列,从中可以看出每个震源机制解的获取方法以及压应力轴(P轴)以及拉张应力轴(T轴)走向和倾角的大小等信息,其中B轴(N轴)的走向和倾伏角可由P、B、T轴两两相互垂直的关系[11]求得。

表1 聊兰断裂中段及其邻区ML≥2.0地震震源机制解

续表1

图1为利用表1中的震源机制解数据绘制的聊兰断裂中段及其邻近区域的震源机制解沙滩球分布图,右侧色标尺对应图中不同颜色所示海拔的高低,单位为m。图1中蓝色沙滩球为逆断型震源机制解、红色沙滩球为正断型震源机制解、绿色沙滩球为走滑型震源机制解,沙滩球的大小表示相应的震级范围。从红点的位置可以看出表1中46个地震在研究区域的分布情况。从图1还可以看到研究区周围存在的地质构造、具体地理位置和周围邻近城市分布以及各类震源机制解的情况。由于图1中震源机制解的类型划分范围较广,很难直观判断出研究区主要的震源机制解类型,所以要准确获得研究区应力特征,需要对表1中的震源机制解进行进一步划分与讨论。

表2为Zoback[12]世界应力图的震源机制划分标准。本研究按这种标准对表1所示震源机制解数据进行分类统计,由此可以更好地看出各种震源机制解类型的数量比例关系,判断出研究区主要的震源机制解类型。

图2为利用表2分类标准对表1中的数据进行分类统计的结果,横轴代表震源机制解的类型,一共有6种。纵轴表示各类震源机制解的数量,该图主要说明了研究区域震源机制解的类型以及数量情况:正断型(NF)5个、正走滑型(NS)2个、走滑型(SS)12个、逆走滑型(TS)6个、逆断型(TF)11个、不确定型(U)10个,各占地震震源机制总数的11%、4.3%、26%、13%、24%、21.7%。该区域以走滑型震源机制为主,逆冲型震源机制次之,正断型震源机制数量相对较少。结合相关资料[13]以及上述分析初步推测出聊兰断裂中段地区断层可能表现为带有逆冲分量的走滑断层。

图2 研究区震源机制解类型数量分布直方图Fig.2 Histogram of the types and quantity distribution of focal mechanism solutions in the study area

为了进一步确定研究区内整体表现出的震源机制类型,需采用表1中的数据计算出每一个地震的地震矩及矩张量,然后将所有矩张量叠加求解整个区域地震所释放的矩张量并转化为该地区整体的震源机制来判断总体震源机制类型。首先我们需要使用华北地区ML与MS震级之间的经验关系式[14]进行震级转换:

MS=1.13ML-1.08

(1)

式中:ML表示地方性震级;MS表示面波震级。然后使用万永革等[15]研究得出的华北地区面波震级与地震矩的线性关系:

MS=algMO-b

(2)

式中:a=0.597 2±0.036 8,b=8.691 1±0.911 7;MO为地震矩,单位为dyn·cm;MS为面波震级。最后使用万永革[11]所做程序结合利用面波震级得到的地震矩将所求的矩张量进行叠加,从而得出研究区的总体震源机制。得到总体震源机制的断层节面Ⅰ走向角为66°、倾角为46°、滑动角为112°;节面Ⅱ走向角为215°、倾角为48°、滑动角为68°。根据聊兰断裂中段的走向可知节面Ⅱ对应于聊兰断裂的断层面,并结合图2所示结果分析可知研究区断层状态表现为带有逆冲分量的走滑断层。

为了直观展示出表1中震源机制解数据包含的其他信息,现对其应力轴方位数据进行统计分析,统计结果如图3所示。可以看出研究区压应力轴(P轴)方位在NNE—SSW向有明显优势分布且倾伏角主要分布在小于20°范围内;N轴(B轴)方位在NWW—SEE向分布明显且倾伏角主要分布于40°左右的范围内;拉张应力轴(T轴)走向分布相对分散,主要在NWW—SEE向分布,在NEE—SWW向也有分布,倾伏角在30°方位左右集中分布。将以上倾伏角换算为倾角,对照表2所示的分类依据可以看出研究区震源机制解类型以逆走滑型和走滑型为主,这再一次论证了上文分析所得研究区断层状态表现为带有逆冲分量的走滑断层结果的可靠性。

图中第一列三个图一周的刻度表示地理方位,以右上角坐标指示为基准;第二列三个图一周的刻度表示应力轴倾伏角的大小;沿半径所示的刻度表示数据在该方向的统计个数,圆外刻度为方位角或倾伏角,单位为度。图3 研究区震源机制P、B、T轴参数归一化统计图Fig.3 Normalized statistical map of P,B,and T axis parame-ters of focal mechanism in the study area

3.1 区域应力场参数的确定

图4为采用万永革等[16-17]的相关方法所得结果。该方法根据震源机制解数据求解应力场方向和相对大小,采用了滑动方向与剪切应力的方向最为一致的准则[11]。程序读取搜索空间间隔和置信度、使用网格搜索法对应力场进行求解,求解结束后采用F检验得到参数的置信区间[18]。

应力形因子R值代表三个主应力的比例关系,在一定程度上反映了中间应力的相对大小。假定断层面的滑动方向由切应力决定,或者垂直于滑动方向的断层面上剪切应力为零,则应力形因子R为:

(3)

式中:σ1代表主压应力值；
σ2代表中间应力值；
σ3代表主张应力值[19-20]。如图4(a)所示R=0.8,将此结合代入式(3)可推断出研究区中间应力σ2与主张应力σ3的大小更为接近。

图4 区域应力场参数及空间三维辐射花样Fig.4 Regional stress field parameters and spatial three-dimensional radiation patterns

采用上述方法得到最优压轴走向角为13.57°、倾伏角为12.89°;中间轴走向角为274.00°、倾伏角为36.00°;张轴走向角为120.00°、倾伏角为51.05°;90%置信度下的压轴走向角范围为8.57°～17.57°、倾伏角范围为9.68°～15.27°;中间轴走向角范围为269.00°～278.00°、倾伏角范围为23.00°～48.00°;张轴走向角范围为115.70°～124.00°、倾伏角范围为38.05°～63.05°;应力分布在空间上表现如图4(b)所示,水平面上的投影表现为NNE—SSW向的挤压应力以及NWW—SEE向的拉张应力。这与图3所示P轴在NNE—SSW向有明显优势分布,T轴主要分布于NWW—SEE向等结论有较高的一致性。

3.2 断层几何及活动特性

利用小震位置拟合断层的方法主要是将模拟退火全局搜索法和高斯牛顿局部搜索法相结合。该方法不仅能在全局搜索最优解,而且可以估计参数的误差范围,并在求得断层面走向角和倾角等参数后还能根据区域构造应力场参数得到断层面上滑动角的估计[21-24]。利用上述方法拟合的结果如图5所示。

在图5(a)所示内容为地震在地平面的分布及拟合出的断层面,断层面最上面两个端点为AA′,从中可以看出所选中的地震与拟合断层面的关系;图5(b)为以断层面为纸面表现出地震相对于断层面的分布情况,从中可以看到大多数地震于断层面范围内分布,说明此地区地震活动有较强的区域性;图5 (c)为沿断层走向方向得到地震在断层面两侧的分布情况,可以看出研究区地震大致均匀分布在断层面两侧,且地震震源深度以6～8 km为主;图5(d)为按断层倾向方向所得断层两边地震距断层距离的频度分布图,可以看出地震数量离断层的距离类似于高斯分布,说明所选地震大多数分布在断层面附近,得到的结果具有相当可信度。

图中DD表示断层面在地面上沿倾向方向的投影两端距断层的距离；
SD表示断层面在地面上沿走向方向的投影两端距断层中点的距离；
D表示地震震源深度；
DF表示断层两边地震距断层的距离；
F表示地震个数。图5 拟合出的聊兰断裂带断层面空间位置以及地震距断层面距离统计图Fig.5 The fitted spatial position of fault plane and the distance between earthquake and fault plane of the Liaocheng—Lankao fault

采用上述方法拟合出聊兰断裂中段断层走向为S38°W,倾向为N52°W,最终计算得到聊兰断裂中段断层参数:走向角为218.5°,标准差3.026°,倾角为84.43°,标准差3.065°。

仅从图5中无法判断出断层性质,断层滑动角可由所求断层要素利用本文所求的应力场参数以及断层走向角和倾角,结合上述方法[21]求得断层面滑动角为55.7°,误差为10.2°,通过滑动角可以判断出此断层为带有逆冲分量的左旋走滑断层。利用小震位置拟合出的断层面参数与上文叠加地震矩张量得到的总体震源机制所示聊兰断裂中段断层面的参数十分相近,这说明本文所得到的断层面参数结果具有一定的稳定性与可信度。但这与郑培玲等[8]所做研究结果有所区别,存在的差异可能由于本文地震性质和数量以及求解数据所用方法不同所导致。

结合孙杰等[25]研究成果可知,聊兰断裂中段最新活动时代为晚更新世早期活动断裂;由联合钻孔剖面结果推测出该断裂活动性质可能有由正断向走滑转变的过程,后期具有明显的走滑特征。这与上文研究得出断层面参数所示的断层状态具有一定的共性,研究得出此断层面以走滑型为主并带有一定的逆断分量,说明在区域应力场的作用下聊兰断裂带中段处的断层面性质为逆走滑型。

结合上文应力场参数对比分析可得,研究区应力场以NNE—SSW向的近水平挤压应力为主,拉张应力和中间应力相对较小并主要在NWW—SEE向展布。前人对华北应力场研究结果表明,华北平原块体内部的综合震源机制类型以走滑型为主,主压应力方向为NEE向[26-28],这与本文反演出的应力参数以及所做出的震源机制挤压应力研究结果基本相似。结合孙晴等[6]、崔效锋等[29]对华北地区构造应力场的研究,本文得到的应力场结果与华北应力场存在的差异可能是由于本文所用地震数量较少、研究区处于华北应力场边缘地区并易受到其他地区应力场的影响及研究区有煤矿、油田开采的共同影响下形成的。对于断层面上的局部应力特征,下文将进一步进行讨论。

通过对上文所述相关结果分析可知聊兰断裂中段区域震源机制类型以逆走滑型和走滑型为主,应力场表现为NNE—SSW向近水平挤压以及NWW—SEE向的拉张应力。

以上研究结果与陈亚红等[5]、孙晴等[6]、郑培玲等[8]、郑建常等[13]对相关区域的研究结果具有一定的一致性。对聊兰断裂中段区域应力张量下断层面上的相对剪应力和正应力分布将利用上文所得的应力场数据进一步进行研究讨论。

下文按照万永革[19]提出的模拟方法,计算并绘制在区域应力场下聊兰断裂中段断层面上的相对剪应力和相对正应力分布图,基本思路为将震源机制节面的剪应力和正应力用最大剪应力归一化,得到的结果如图6所示。

图6(a)表示相对剪应力分布,从中可以看出最大剪应力存在于走向角140°、倾角50°和走向角260°、倾角60°的断层面上,聊兰断裂中段断层面上的剪应力并不是很大。图6 (b)表示相对正应力分布,从中可以看出最大正应力存在于走向角210°、倾角40°的断层面上,同时聊兰断裂中段断层面也不是最大正应力所在的断层面。

图6 区域应力场在断层节面及周边区域上的相对剪应力和相对正应力(图中聊兰断裂中段断层面的震源机制为3.1节所求解的应力场数据结合3.2节计算所得的走向角和倾角下产生的)Fig.6 Relative shear stress and relative normal stress of the regional stress field on the fault plane and its surrounding areas

同时利用上述方法得到了应力张量在聊兰断裂中段断层面上的相对剪应力和相对正应力的大小分别为0.549和0.431,断层面上没有最大剪应力或最大正应力的存在,因此推断出聊兰断裂中段断层处应为薄弱带。

由于聊兰断裂中段断层面上的剪应力和正应力大小几乎相等,周围震源机制解以走滑型和过渡型为主并存在少量的逆断型震源机制解,断层节面上的剪滑角30.3°。将此结合上文所得的断层面参数分析可知:聊兰断裂中段断层面周围应力特征不明显,又因剪滑角较小,所以聊兰断裂中段在近NNE—SSW向表现为带有逆冲分量的左旋走滑断层。

综上所述,聊兰断裂中段区域的应力场表现为北西西—南东东方向的拉伸以及北北东—南南西向近水平挤压应力。这与莘海亮等[30]对聊兰断裂中段邻近区域太行山断裂带东南缘地区构造应力场的研究结果具有较高相似度。

由于所用资料数量以及采用研究方法不同,本文研究结果所显示的左旋走滑断层与前人研究存在些许差异,除此之外还可能与所采用地震震级范围有关。随着此地区地震数据资料的充实和完善,在以后的研究中可以划分震级范围进行应力场的研究,从而确定能得到可靠结果的震级范围,获得准确的应力场研究结果。

聊兰断裂带中段断层破裂面不是最大剪应力所示的断层面形态,也不是最大正应力所示的断层面形态,这与我们反演的现今应力场的最大释放应力方向不一致,说明聊兰断裂带中段断层面处应为薄弱带,结合本文聊兰断裂中段周围区域应力场的研究结果可知此地区应力场有较强的区域性,该断层极有可能在区域应力场以及历史上各种地质活动导致的薄弱断裂共同影响下而形成的。

本文整理了前人所做的46个震源机制解数据,以聊兰断裂中段地区为重点区域进行了断裂带构造形态及其活动特征与构造应力场的研究,主要获得以下结论:

(1) 利用震源机制解资料绘制出研究区的震源机制解分布图并对震源机制解的类型进行了统计分析,将统计结果与地震矩张量叠加得到的总体震源机制结合分析得到了聊兰断裂中段断层表现为带有逆冲分量的走滑断层的结论。

(2) 利用网格搜索法求得区域应力场参数以及三维辐射应力花样图,结合用小震位置拟合断层面的方法得出了聊兰断裂中段区域断层面解:断层走向角为218.5°、倾角为84.43°、滑动角为55.7°;将其与地震矩叠加所求的总体震源机制的聊兰断裂中段断层面参数综合分析得出:在区域应力场的作用下断层以左旋走滑并带有微量逆冲分量运动。

(3) 通过对研究区应力场参数和图6所示断层节面上的相对正应力和剪应力大小结合分析,聊兰断裂中段断层没有按区域最大应力方向发育,因此推测出此断层破裂处为该区域早期地质活动残留的薄弱带,其主要受到了区域应力场NWW—SEE方向的拉伸以及NNE—SSW向近水平挤压的作用表现为现今的形态。

致谢:本文数据资料整理于孙晴、郑培玲等人研究成果,审稿专家提供了建设性修改意见,绘图采用GMT软件[31]和MATLAB软件绘制而成,特此致谢。

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