河套地震带的震源机制类型时空分布特征

韩晓明，刘 芳，胡 博，张 帆

内蒙古自治区地震局，呼和浩特 010010



河套地震带的震源机制类型时空分布特征

韩晓明，刘 芳，胡 博，张 帆

内蒙古自治区地震局，呼和浩特 010010

基于地质构造背景分析，收集2000年以来发生在河套地震带的ML≥2.8级地震作为研究对象，综合运用基于P波初动的振幅比方法(APAS)和基于波形拟合的CAP反演方法求出256次地震事件的震源机制解。以断层节面滑动角作为判定指标，分区域给出了河套地震带的震源机制类型空间和时间分布图像，从断层滑动角度呈现河套地震带应力场时空变化过程。结果显示:临河盆地断层节面滑动角主要在水平±20°方向存在优势分布，走滑型特征显著；具体来讲，狼山--色尔腾山山前断裂带、临河断裂、乌拉山山前断裂等主要以纯走滑型地震为主，巴彦乌拉山断裂与磴口--本井断裂之间的区域多分布正走滑型地震。呼包盆地断层节面解虽然也呈现出走滑型为主的特征，但滑动角分布较为离散，优势分布方向不明显；呼包盆地西侧的包头至西山咀凸起一带表现出以走滑为主的小范围震源应力场特征，呼包盆地内部及东侧由于显著的区域垂直差异运动，正断层和逆冲型地震所占比例较大，震源机制类型整体呈现出与构造相依的分布特点。分析认为，2000年以来，河套地震带的应力场存在一定的时空非均匀性变化，研究结果更多表现了河套地震带的震源应力场变化过程，而研究资料时间不够长和震级不够大是引起这种应力场非均匀性暂态特征的主要因素。

河套地震带；震源机制类型；矩张量反演；振幅比；滑动角

0 引言

数字化观测资料的日益丰富，为震源机制求解工作提供了十分便利的平台，更发展出了针对不同地震样本的求解方法。针对震级较大的独立地震事件，无论是利用P波初动符号、P波和S波的振幅比，还是利用波形拟合进行矩张量反演，都能得出较为准确的震源机制结果[1-6]。而针对大量的中小地震事件，根据P波、S波的振幅，并结合记录清晰的P波初动资料求取震源机制解无疑是一种最佳途径[7-12]。笔者收集了2000年以来河套地震带的数字化波形记录，利用基于P波初动的振幅比方法求出河套地震带里氏震级ML≥2.8级地震的震源机制解，将断层节面滑动角作为主要判定指标进行震源机制类型分类，分区域给出河套地震带的震源机制类型时空分布特征，据此对河套地震带主要构造断裂的运动性质、2000年以来的应力场变化过程进行初步探讨。

1 研究区概况

1.1 地质背景

自渐新世开始形成以来，区域垂直差异性运动一直伴随着河套地震带的整个演变历程，其所辖断裂的活动控制着山地的抬升和盆地的沉降，这种差异性作用方式是河套地震带主要发育正断层或张性正断层的主要力源。除了垂直差异变形，伴随着河套地震带内部及外围地质构造体的运动，盆地内部与断裂两侧的拉伸及旋转运动略有加强，使得河套地震带产生了一系列走滑型或旋性断裂。河套地震带中最大沉降地段位于狼山山前断裂带和包头凸起东南侧，主要受北东向断裂控制，显示河套地震带两侧阴山隆起和鄂尔多斯块体相对作左旋拉张运动，这是河套地震带表现出统一水平作用为主的走滑型断层机制的重要证据。这个特征通过1970年以来河套地震带MS≥4.7级地震的震源机制类型也可得到直观体现：河套地震带1970年以来的中强地震基本为统一的走滑型断层机制，只在呼包盆地以东的和林格尔断裂带出现一次正断层震例，整体表现出与华北应力场和外围动力学环境相符的特征(图1)。

1.2 地震活动和台站分布

从地震活动区划看，鄂尔多斯块体北缘的河套地震带是华北地震区西北部最重要的一个地震活动单元，其地震活动可纳入华北地区的地震期幕活动进行分析。按照华北地区地震活动期幕划分研究结果[13]，华北地区地震活动至今已历经4个活动期，目前处于第四活动期第六活跃幕。在华北第三活动期期间(公元1484--1814年)，河套地震带一直处于6级以上地震平静状态。进入华北第四活动期，特别是1920年以来，河套地震带则成为鄂尔多斯周缘6级以上地震最活跃地区，已累计发生5次6级以上中强地震，时间最近的一次地震是1996年5月3日包头西6.4级地震。仅从此现象分析，近40年来鄂尔多斯块体地震活动最强烈的地区应该是河套地震带。2000年以来，河套地震带地震活动主要集中在西段的临河盆地及周边，东段的呼包盆地活动水平较低，地震活动空间分布均匀程度不高。但得益于数字地震台网的优化升级，河套地震带的地震台站分布情况比较理想，基本均匀涵盖了整个河套地震带，这为开展该区域的震源机制研究提供了良好条件(图2、表1)。

图1 河套地震带地质构造及1970年以来MS≥4.7级地震震源机制解空间分布Fig.1 Geological structure and spatial distribution of MS≥4.7 earthquakes’ focal mechanism solutions in Hetao seismic belt since 1970

图2 2000年以来河套地震带ML≥2.8地震和台站分布Fig.2 Distribution of ML≥2.8 earthquakes and stations in Hetao seismic belt since 2000

2 滑动角判定震源机制类型

节面滑动角(-180°≤λ≤180°)是在断层面上的量度[14]，从走向方位逆时针量至滑动方向的角度为正，顺时针量至滑动方向的角度为负。滑动方向指断层上盘相对于下盘的运动方向，表达了断层力学机制作用类型。依据上述震源机制计算结果，结合节面滑动角判定震源机制类型的约定，绘制了节面滑动角与震源机制类型的对照分布示意图(图3)，进而将震源机制参数中的节面滑动角作为判定指标，给出河套地震带2000年以来ML≥2.8级地震事件的断层类型依滑动角变化的空间分布。

图3 滑动角与震源机制类型Fig.3 Slip angle and focal mechanism type

3 震源机制求解

收集2000年以来河套地震带ML≥2.8级地震事件的数字记录波形，对于ML为2.8～3.9级的地震，采用基于P波初动的P、S振幅比联合反演震源机制程序求取震源机制解[7-11]。为了保证单个震源机制解的稳定性，参与计算的台站数目一般要求5个以上，且尽可能围绕震中均匀分布；震中距控制在250 km之内，记录振幅要求大于0.5 mm，均不限幅。对于ML≥4.0级地震，采用基于波形拟合的CAP(cut and paste)反演方法进行震源机制求解[15]。限于篇幅，振幅比和CAP方法的原理和计算过程这里不再详细阐述。图4为2013年4月1日磴口ML4.5级地震的CAP求解震源机制实例，参与计算的7个台站的波形拟合情况良好：若以节面1作为发震破裂面，则为左旋走滑兼逆冲；若以节面2作为发震破裂面，则为右旋走滑兼逆冲。依据上述方法和约束条件，最终计算得到2000年以来河套地震带256次地震事件的震源机制结果，并根据震源深度和断层滑动类型绘制了河套地震带2000年以来ML≥2.8级地震的震源机制类型空间分布(图5)。

从图5可以看出，震源机制类型表现出与地质构造单元相关的特点，在河套地震带的凹陷盆地内部，即边界断裂所包围的地区多分布走滑型，而在凹陷盆地向周边山体或隆起过渡地段则主要分布正断层，河套地震带西部的雅布赖山山前断裂带则表现出逆冲型特征，区域构造应力场的复杂性可见一斑。为更好地展现震源机制类型空间分布特征，笔者将构成河套地震带的临河盆地和呼包盆地划分为两个独立区域分别进行研究。

4 临河盆地震源机制类型时空分布

临河盆地位于河套地震带西部，东西长约260 km，南北宽约120 km， 总体呈东西走向； 其北边界为东西向的色尔腾山山前断裂，西边界为北东走向的狼山山前断裂，东边界为北东走向的乌拉山北缘断裂，南边界为近东西向的鄂尔多斯北缘断裂(图1)。从河套断陷带形成演化历程来看，临河盆地一直是带内的沉降中心，盆地与周边山体的垂直差异运动最为强烈，晚第三纪以来的最大沉降为12 km，垂直差异运动达13 km。盆地四周断裂均呈正断层活动状态，上盘下沉为盆地，下盘隆升为山体，且在区域应力场作用下，狼山--色尔腾山山前断裂等北东、东西走向的断裂带表现为左旋扭动，北北东、北西向的断层均表现为右旋正断运动，这种运动方式可追溯至晚第三纪后期，由于大陆构造活动发生重大变化，区域应力场发生改变至今。

表1 河套地震带地震台站基本参数

Tabel 1 Basic parameters of seismic stations in Hetao seismic belt

台站编号台站名称台站代码台基岩性1乌加河WJH闪长岩2包头BTO花岗岩3百灵庙BLM花岗岩4东胜DSH玄武岩5和林格尔HLG花岗岩6集宁JIN花岗岩7乌兰花WLH砂岩8清水河QSH变质岩9西山咀XSZ花岗岩10保合少BHS玄武岩11凉城LCH花岗岩12察素齐CSQ花岗岩13呼和浩特HHH花岗岩14巴彦浩特BYT砂岩15右玉YUY玄武岩16东升庙DSM花岗岩17大同SHZ花岗岩18陶乐TLE花岗岩19乌海WUH玄武岩20石嘴山SZS花岗岩21牛首山NSS灰岩22河西堡HXP花岗岩

波形拟合曲线开头的英文字母为台站代码(表1)和震中距(m)；波形下方第一行数字为理论地震图(红线)相对观测地震图(黑线)的移动时间(t)，第二行数字为理论地震图和观测地震图的相关系数。图4 2013年4月1日磴口ML4.5级地震的CAP反演结果Fig.4 CAP inversion result of Dengkou ML4.5 earthquake occurred on April 1， 2013

①雅布赖山山前断裂；②狼山山前断裂；③磴口--本井断裂；④鄂尔多斯北缘断裂；⑤色尔腾山山前断裂；⑥大青山山前断裂；⑦和林格尔断裂。图5 河套地震带地震事件的震源机制空间分布(2000--2013，ML≥2.8)Fig.5 Spatial distribution of focal mechanism solutions in Hetao seismic belt(2000--2013，ML≥2.8)

根据上述震源机制计算结果，提取节面滑动角数据独立分析，以30°为基本统计单位，对滑动角进行归一频数分析和累积比率统计(图6)。结果显示，临河盆地地震事件的断层节面滑动角在近水平方向存在优势分布，走滑型震源机制的分布特征明显，也与临河盆地内部及周边大多分布近东西走向的断裂构造密切相关。

a.节面1；b.节面2。图6 地震断层节面滑动角分布Fig.6 Slip angle distribution of earthquakes’ fault nodal plane

依据图3中滑动角判定震源机制类型的约定，绘制了临河盆地2000年以来ML≥2.8级地震的断层类型空间分布(图7)。结果显示，临河周边地区的狼山--色尔腾山山前断裂带、临河断裂、乌拉山山前断裂等主要以纯走滑型地震为主，巴彦乌拉山山前断裂与磴口--本井断裂之间的区域多分布正走滑型地震，包头至西山咀凸起一带则主要分布走滑型和逆冲兼走滑断裂。

提取节面滑动角数据进行震源机制类型分类，整体分为正断层、逆断层、走滑型和斜滑型四类，其中走滑型特指纯走滑型地震，斜滑型则包括了左旋(右旋)逆冲型和左旋(右旋)兼正断层地震。根据上述归类原则对临河盆地的4种震源机制类型的地震事件进行时间排序(图8)。结果显示，2000年以来，临河盆地主要发生纯走滑型和斜滑型地震，这也成为临河盆地应力场的一种常态性特征。正断层和逆断层则呈间断性分布，属阵发性特征。依据滑动角确定的震源机制类型的时序分布从侧面反映了临河盆地地块运动的一种动态模式。

5 呼包盆地震源机制类型时空分布

呼包盆地处于内蒙古阴山造山带的中部，属河套地震带次级盆地，是由北侧的阴山山脉、东侧的吕梁山山脉和南侧的鄂尔多斯高原所包围的新生代断陷盆地，基本形态北深南浅，呈箕状分布，因此主要受控于山前断裂带。呼包盆地南侧为鄂尔多斯北缘断裂，东侧为和林格尔断裂，北侧为大青山山前断裂，3条断裂的纵横交汇围成近似三角形盆地区域(图1)。 由于受到蒙古古生代板块的南向挤压、南侧的鄂尔多斯块体和山西陆块北向夹击以及鄂尔多斯块体逆时针旋转作用，盆地内部及盆地边缘地震多发，边缘位置似乎发震强度更大。例如，1929年毕克齐6.0级地震发生在盆地东北边缘，1996年包头6.4级地震则发生在盆地西北边缘。已有地震地质研究结果表明，呼包盆地与周边隆起主要做垂直差异运动，所辖断层基本为正断层，水平运动方式极少见，但从断层平面展布、断层擦痕和断层性质及配套力学分析认为，呼包盆地的受控断裂——大青山山前断裂带可能存在着局部的水平扭动。

图7 临河盆地的震源机制类型空间分布(2000--2013，ML≥2.8)Fig.7 The spatial distribution of focal mechanism type in Linhe basin (2000--2013，ML≥2.8)

图8 临河盆地的震源机制类型时序分布(2000--2013，ML≥2.8)Fig.8 The temporal distribution of focal mechanism type in Linhe basin(2000--2013，ML≥2.8)

依据呼包盆地ML≥2.8级地震的震源机制解(图5)，提取节面滑动角数据独立分析(图9)。结果显示，呼包盆地地震事件的断层节面滑动角分布较为离散，优势分布方向不如临河盆地明显，但整体上仍然在水平方向±30°以内波动变化。震源机制类型仍以走滑型为主。

a.节面1；b.节面2。图9 地震断层节面滑动角分布Fig.9 The slip angle distribution of earthquakes' fault nodal plane

依据图3中滑动角与震源机制类型约定准则，将呼包盆地震源机制参数中的滑动角作为判定指标，绘制了呼包盆地2000年以来ML≥2.8级地震事件的震源机制类型依滑动角变化的空间分布(图10)。结果显示，呼包盆地内部以及西部边缘主要分布正断兼走滑型震源机制，盆地东部隆起区则主要分布由垂直差异运动引起的正断层和逆冲型地震。

图10 呼包盆地震源机制类型空间分布(2000--2013，ML≥2.8)Fig.10 The spatial distribution of focal mechanism type in Hubao basin(2000--2013，ML≥2.8)

按照上述步骤，提取各地震震源机制结果中节面的滑动角数据进行震源机制类型分类，绘制了呼包盆地震源机制类型时间分布(图11)。结果显示：正断层和逆断层则呈间断性分布，正断层数量略多于逆冲型，两者皆属阵发性特征，特别是在2005年至2007年之间，正断层类型处于“空窗期”，研究区未发生正断层地震；走滑型和斜滑型地震总体分布在各统计时段，特别是2008年至2012年期间，基本成为呼包盆地应力场的一种常态性特征，表现了呼包盆地2000年以来主要受到来自近水平方向的主压应力作用，震源机制类型整体呈现出走滑为主兼具正断层的力学作用特征。

图11 呼包盆地的震源机制类型时序分布(2000--2013，ML≥2.8)Fig.11 Temporal distribution of focal mechanism type in Hubao basin(2000--2013，ML≥2.8)

6 结论和讨论

根据河套地震带的中小地震震源机制解统计分析结果，其所辖临河盆地和呼包盆地的震源机制类型的空间和时间分布并未呈现出一致性或同步性。2000年以来，河套地震带的应力场变化存在一定的时空非均匀性。原因在于，研究时长较短和研究震级过小不足以提取出真实的、长期而稳定的应力场特征。而研究资料的时间限制则表达了区域应力场存在短时间或者局部阵发性的应力场快速变化，这种快速变化较难统一，具有一定的复杂性和随机性，其实是一个区域的震源应力场变化特征，而非区域的构造应力场特征。因此，本文所求解的2000年以来的震源机制结果更多地表现了河套地震带的震源应力场变化过程，而非河套地震带的平均应力场或构造应力场特征，这种短期内的震源应力场是允许存在小范围暂态型或阵发性非均匀变化的。

本文主要依据滑动角分布值域判定震源机制类型，结果显示，临河盆地断层节面滑动角优势分布明显，主要在水平方向±20°以内，走滑型特征显著。具体来讲，狼山-色尔腾山山前断裂带、临河断裂、乌拉山山前断裂等主要以纯走滑型地震为主，巴彦乌拉山山前断裂与磴口-本井断裂之间的区域多分布正走滑型地震，包头至西山咀凸起一带则主要分布走滑型和逆走滑断裂。呼包盆地断层节面解虽然也呈现出走滑型为主的特征，但滑动角分布相对较为离散，优势分布方向不明显。呼包盆地西侧的包头至西山咀凸起一带地震较为集中，断裂构造规模较大，地壳介质破碎程度较高，表现出走滑为主的小范围震源应力场场特征，呼包盆地内部及东侧由于显著的区域垂直差异运动而多分布正断层和逆冲型地震，震源机制类型整体呈现出与构造相依的分布特点。

文中部分震源机制数据由刁桂苓研究员提供的APAS反演程序求解，CAP反演程序来源于美国圣路易斯大学朱露培先生，在此一并致谢！

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Space-Time Distribution Characteristics of the Focal Mechanism Type in Hetao Seismic Belt

Han Xiaoming，Liu Fang，Hu Bo，Zhang Fan

InnerMongoliaEarthquakeAdministration，Hohhot010010，China

Based on the analysis of the geological structure background， and the collected earthquake (ML≥2.8) data in Hetao seismic zone since 2000，the focal mechanism of 256 is calculated by using P wave first motion amplitude ratio method(APAS) and CAP retrieval method. Taken the fault plane slide angle as the indicater， we made the space and time distribution chart of the focal mechanism types in different zones， which depicts the space and time variation of the stress field in Hetao seismic zone. The results show that the fault plane slide angle in Linhe basin appeared dominant in horizontal ±20°， a significant feature of strike slip type. This type of earthquakes are distributed mainly in Langshan Seertengshan fault zone， Linhe fault and Wulashan fault zone. The normal-strike-slip type of earthquakes are distributed mainly between Bayanwulashan fault zone and Benjin fault. Hubao basin faults are mainly strike-slip type， but the slide rangles are dispersed with on clear direction and space correlation West side of Hubao basinand Baotou-Xishanzui rise show a small-scale slip focal stress field characteristics; thrust and normal earthquakes take a great proportion in the inside and east side of Hubao basin resulted from the vertical differential movement，and the focal mechanism is structure-dependent. According to the analysis in the study area and in the period ，the gravitational field in the seismic belt varies non-uniformly in space and time. The non-uniformty is mainly result by the limitation of the time span and the magnitude

Hetao seismic belt; focal mechanism type; moment tensor inversion; amplitude ratio; rake

10.13278/j.cnki.jjuese.201502301.

2015-01-08

中国地震局地震科技星火计划项目(XH12010Y，XH15010Y)；内蒙古自治区应用与研发项目(20120427)

韩晓明(1980--)，男，高级工程师，主要从事数字地震学预报方法研究，E-mail:hxmpower@126.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201502301

P631.4

A

韩晓明，刘芳，胡博，等. 河套地震带的震源机制类型时空分布特征.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(2):592-601.

Han Xiaoming，Liu Fang，Hu Bo, et al. Space-Time Distribution Characteristics of the Focal Mechanism Type in Hetao Seismic Belt.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(2):592-601.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201502301.