CAP方法反演2016年唐山ML4.3地震震源机制解

朱音杰，刘 檀，赵英萍，刘 新，李冬圣，丁 成

(1.河北省地震局石家庄中心台，石家庄 050021；2.河北省地震局，石家庄 050021；3.河北省地震局丰宁地震台，河北 承德 067000)

CAP方法反演2016年唐山ML4.3地震震源机制解

朱音杰1，刘 檀1，赵英萍2，刘 新2，李冬圣2，丁 成3

(1.河北省地震局石家庄中心台，石家庄 050021；2.河北省地震局，石家庄 050021；3.河北省地震局丰宁地震台，河北 承德 067000)

利用河北台网及临近区域台网的地震波形资料，采用CAP方法反演了2016年9月10 日河北唐山ML4.3地震的震源机制解和震源深度并将反演结果作为已知输入，利用F-K方法计算理论地震波形，与观测记录进行对比，以验证结果的可靠性。结果显示，此次唐山地震为右旋—正倾断层，矩震级为4.4，最佳双力偶解为节面I：走向238.0°，倾角44.0°，滑动角-143.0°；节面Ⅱ：走向119.5°，倾角65.3°，滑动角-52.4°，最佳震源深度为6.5 km。

唐山地震；CAP方法；震源机制解；余震

0 引言

2016年9月10日河北唐山古冶区及开平区交界处发生ML4.3地震，市区有明显震感。本文利用河北台网及临近区域台网宽频带数字地震仪的地震波形记录，对唐山地震精确定位并反演其震源机制解。根据地震活动性和地质构造特征探讨唐山ML4.3地震的发震构造，并对其是否属于唐山大地震余震进行讨论分析。

在震源机制的研究中，学者们在这方面积累了大量宝贵的经验。Zhao和Helmberger等[1]提出的CAP(Cut and Paste)波形反演求取震源机制解的方法，采用近震宽频带波形资料，利用分段的波形拟合，通过滤波去除长周期的地脉动及漂移，充分利用波形中所包含的震源信息，弥补了P波初动法在台站分布不均、P波极性判断及计算地震深度的问题，使得反演结果更加稳定、可靠。CAP方法独特的波形分离、浮动拟合技术，即使在速度模型不佳、格林函数不理想、甚至是台站分布不均匀的情况下，仍能获得不错的波形拟合效果[2]。

1 发震背景

1.1 地质构造背景

唐山地区位于华北板块的北边界阴山EW向构造带南缘—燕山褶断带和冀中块体东边界带—沧东断裂的交汇部位[3]。唐山极震区构造显著的特点是：由宁河—昌黎断裂、丰台—野鸡坨大断裂(现榛子镇断裂)、滦县—乐亭断裂和蓟运河断裂的切割形成一个NEE向的菱形块体。

唐山断裂带发育在菱形块体内部的盖层中，并由3条近平行的断层组成(图1)：

1)陡河断层。全长约20 km，紧靠地垒构造的西侧展布，东北段为倾向NW的正断层，西南段由2条平行的小断层组成，断面都倾向NW，西边一条为正断层，东边一条为逆断层。

2)唐山—巍山—长山南坡断层。全长约21 km，由一些断续出露的断层组成，走向NE，倾向NW，倾角达80°，以挤压逆冲性质为主，断层多沿地层层面分布。

3)唐山—古冶断层。长约32 km，总体走向NE至NEE，其中西南段走向NE 30°，东北段走向NE50°，倾向SE，倾角50°～60°，属于走滑性质。

由震中位置可以推测，此次唐山ML4.3地震的发震断层可能为唐山—古冶断层，与唐山MS7.8地震发震断层一致。

1.2 地震活动性背景

一次较大地震发生后，余震序列总的趋势是随时间有起伏地逐渐减弱[4]。余震是在大地震，即中强度以上地震之后在地球内部发生主震的同一地方发生。因发震位置的不同，也能造成余震延续时间的长短不一，例如板缘地震衰减比较快，可能只需几天或十几天时间，板内地震衰减会比较慢，可能延续几十年乃至上百年，唐山地震余震序列便如上所述。所以判断一次地震是否属于余震可以从空间、时间以及破裂机制等方面进行讨论。

图1 唐山ML4.3级地震区域构造图

唐山7.8地震的余震序列总体上呈衰减特征，但是衰减过程中有阶段性起伏，这个唐山ML4.3地震是近期一次新的起伏。唐山7.8地震已经过去40年，但是其余震序列仍在持续。根据仲秋等[5]的研究，该地震的余震序列还将持续100年左右。

2004年以来，唐山老震区的ML4.0以上地震呈现出2年左右的准周期特征，准周期约为22～26个月，同时兼有双震特征[6](图2)。

图2 研究区域内4.0级及以上地震M-t图

从图2中可以看出，从2004年到2014年中基本呈现出这个特征，但在2015年09月发生ML4.7地震，打乱了这个规律。并且从地震活动性来看，2015年之后3.5级及以上地震明显增加，地震活动性增强，具体原因有待更深一步的研究。

2 资料与求解

2.1 资料选取及数据处理

通常情况下，区域速度结构的横向不均匀性随着震中距增加而增大，区域地震台站记录到的震相复杂性也随着震中距增大而增大。因此，在利用区域地震波形反演中强地震的震源机制解时，较多地采用震中距250 km范围内的台站记录[7]。

CAP方法反演震源机制解主要通过对比给出震源机制解的理论波形与实际观测波形，拟合残差最小的机制解为最终反演结果。在研究中将原始速度记录扣除仪器响应，并旋转成Z-R-T分量，并将其分成Pnl和Snl两部分。将Pnl部分经带宽为0.05～0.2 Hz、Snl部分经带宽为0.05～0.1 Hz的4阶Butterworth带通滤波器进行滤波，提高信噪比。根据Pnl和Snl部分的波形特点，设置2者相对权重为2∶1，更好地约束2者的振幅比对震源深度及机制解的影响。在计算过程中，采用距离影响因子、频率—波数法(F-K方法)等解决了震中距过小及给定速度模型下各个台站间格林函数的计算结果问题的影响，得到各种频率下的体波和面波波形，由震源函数及格林函数合成理论波形。经上述处理，得到每个台Pnl部分的垂直分量、径向分量和Snl部分的3个分量。

由于CAP方法对速度结构依赖相对较小，综合研究区域内地形因素，采用与河北台网MSDP软件对应一致的速度模型(表1)。

表1 研究地区地壳速度模型

2.2 震源机制解结果分析

根据近震台站记录和华北地区的速度模型，利用CAP方法反演得到的最佳震源机制解、理论波形与实际观测波形的对比(图3)。本文采用的是震中距200 km范围内的台站。在图3显示的理论合成波形与实测波形的比较中，9个台站Pnl部分和面波部分共42个震相，相关系数大于0.8的有31个，达到了70%以上，属于强度相关。其中，相关系数大于0.9的有23个，在强度相关中超过了70%，反演方差为9.547×10-4，反演结果理论地震波形图与实测地震波形图吻合得较好。该深度对应的双力偶解为最佳震源机制解(表2)，其结果为矩震级4.4。

图3 CAP方法反演的震源机制解理论波形图(红色)与实测波形图(黑色)对比

表2 唐山ML4.3级地震反演结果

根据反演结果与研究区域地质构造图推测，节断面Ⅰ为发震断层面；由震中位置图可以推断此次地震发生在唐山—古冶断裂带。由于唐山—古冶断裂带呈现NE走向，唐山—古冶断裂带的东北段走向为50°，与震源机制解结果一致，因此得出此次地震发生在唐山断裂带中NE向唐山—古冶构造带东北段上。反演结果中压应力轴方向为近WEE向，张应力轴近NS向，根据断层走向分析得到，发震断层为右旋—正倾断层。

由最终选取的台站分布图看(图4)， 台站间最大空隙角小于180°,台站个数为9个，台站分布参数deltaU=0.30，小于0.35，该地震利用CAP方法反演得到的机制解可以采用。

图4 参与计算台站分布图

为了验证结果的可靠性，同时利用初动及振幅比方法[8]计算该地震的震源机制解。初动及振幅比方法主要以计算直达波PG、SG振幅比为主，初至波初动方向为辅进行震源机制解计算。只要有准确的直达波观测振幅比及观测值归算到震源球面上的位置正确，振幅比观测对震源机制参数有较强的约束能力[9]。通过初动及振幅比方法得到的震源机制解为节面Ⅰ走向为229.0°，倾角为36.0°，滑动角为-173.0°；节面Ⅱ走向为134.0°，倾角为86.0°，滑动角为-54.0°(图5)。

a 初动及振幅比方法 b CAP方法图5 分别利用初动及振幅比和CAP方法计算震源机制解沙滩球对比图

表3 2种方法计算震源机制解结果对比

从图5及表3可以看出，利用初动—振幅比方法计算震源机制解与CAP方法计算结果基本一致，得到的断层类型均为右旋—正倾滑动。2种方法略有差异，在初动—振幅比方法中对振幅选取精确度要求较高。

刘桂萍等在计算唐山大地震应力场变化一文中，对唐山7.8级主震断层位错模型参数中总结到主震断层走向为229°，倾角80°[10]，与此次地震震源机制节面Ⅰ走向基本一致，因此也可以推断2016年9月10日唐山ML4.3级地震为唐山大地震的余震序列。

2.3 震源深度

一般来说，利用CAP方法可以获得较准确的震源深度。然而震源深度可能受到反演过程中多种因素的影响，比如面波和体波的相对权重，以及不同的滤波频段等因素[11]。图6给出了唐山ML4.3地震震源机制解随不同深度变化的取值情况，可以看出，震源深度在6.5 km处震源机制解的反演方差相对较小，且每个深度反演得到的震源机制节面参数基本相同，反演结果比较稳定。

图6 不同深度误差和震源机制随不同震源深度的变化

在震源深度方面，如果某一台站离震中较近或者就在震中区，则该台震源距与震源深度相近[12]。根据震源距公式：

D=VΦ×Δt

(1)

VΦ=(VP·VS)/(VP-VS)

(2)

式中：VΦ为虚波速度，由速度模型中的第2层计算，取6.01 km/s；Δt为某一台站记录的S波与P波的到时差，由最近的台站陡河台(39.75°N，118.33°E)的观测记录得到，取1.27 s。据此推算，震源深度约为7.6 km，而CAP反演该地震的最佳拟合深度为6.5 km，反演结果略小于理论推算值。一方面可能是滤波频段的选择及人工标注震相走时差造成的误差；另一方面，CAP反演的是矩心深度，反映的是能量释放最大处的深度，物理意义上有一定区别，因此会造成误差。

3 结论

本文利用河北台网及临近台网宽频带地震仪的近震波形数据，采用CAP方法对2016年9月10日唐山ML4.3地震进行反演，得出以下结论。

1)此次地震的震源机制解节面走向与唐山大地震主震断层基本一致，结合地震活动性背景来看，此次地震应属于唐山大地震的余震序列。发震断层可能是唐山断裂带中NE向唐山—古冶断裂。

2)该反演地震在矩心深度为6.5 km时震源机制解反演方差达到较小值，波形相关系数绝大多数都大于0.7，表明反演结果可靠。

3)CAP方法反演得到的ML4.3地震最佳震源机制解结果为：节面Ⅰ，走向为238.0°，倾角为44.0°，滑动角为-143.0°；节面Ⅱ，走向为119.5°，倾角为65.3°，滑动角为-52.4°。节面Ⅰ与唐山—古冶断裂带东北段走向基本一致，故推断此断裂带为唐山ML4.3地震的发震构造，震源断层面取向NEE，NEE向区域构造应力为孕震和发震的主要力源。发震断层为右旋—正倾断层。

致谢：感谢审稿老师给予的宝贵意见。

[1] Zhao L S, Helmberger D V. Source estimation from broadband regional seismograms[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1994, 84(1): 91-104.

[2] 段刚. CAP方法反演福建仙游ML5.0、ML4.5级地震震源机制解[J]. 地球物理学报, 2016, 31(4): 1432-1437.

[3] 国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组. 一九七六年唐山地震[M]. 北京: 地震出版社, 1982.

[4] 曲均浩, 蒋海昆. 余震活动机理研究综述[J]. 中国地震, 2012, 28(2): 109-120.

[5] 仲秋, 史保平. 1976年唐山MS7.8地震余震序列持续时间及对地震危险性分析的意义[J]. 地震学报, 2012, 34(4): 494-508.

[6] 张跃刚, 王玉珍, 尹宝军, 等. 2012年5月28日河北省唐山4.8级地震[J]. 中国地震, 2013, 29(2): 219-229.

[7] 吕坚, 郑秀芬, 肖健, 等. 2012年9月7日云南彝良MS5.7、MS5.6地震震源破裂特征与发震构造研究[J]. 地球物理学报, 2013, 56(8): 2645-2654.

[8] 梁尚鸿, 李幼铭, 束沛镒, 等. 利用区域地震台网、振幅比资料测定小震震源参数[J]. 地球物理学报, 1984, 27(3): 249-257.

[9] 李冬圣, 蔡玲玲, 李小军, 等. 河北赞皇小震群震源断层分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2015, 36(6): 19-25.

[10] 刘桂萍, 傅征祥. 1976年7月28日唐山7.8级地震触发的区域地震活动和静应力场变化[J]. 地震学报, 2000, 22(1): 17-26.

[11] 谢祖军, 郑勇, 倪四道, 等. 2011年1月19日安庆ML4.8地震的震源机制解和深度研究[J]. 地球物理学报, 2012, 55(5): 1624-1634.

[12] 曲均浩, 刘瑞峰, 李金, 等. CAP方法反演2014年山东乳山M4.2、M4.0地震震源机制解[J]. 地震工程学报, 2014, 36(4): 1076-1080.

Focal Mechanism Inversion of the 2016 TangshanML4.3 Earthquake Using the CAP Method

ZHU Yin-jie1, LIU Tan1, ZHAO Ying-ping2, LIU Xin2, LI Dong-sheng2, DING Cheng3

(1. Huangbizhuang Seismic Station, Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;2. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China; 3. Fengning Seismic Station, Earthquake Administration of Hebei Province, Chengde 067000, China)

On September 10, 2016, aML4.3 earthquake occurred in Tangshan city which belongs to the Tangshan earthquake sequence. In this study, on basis of waveform data from digital seismic network of Hebei province and its adjacent regions, the focal mechanism solution and focal depth of the earthquake is inverted using the CAP method. The results of focal mechanism and focal depth are confirmed by comparing the observed records with the synthetic waveform computed using the F-K method. The results show that the earthquake mechanism is a strike-slip fault with normal thrust component. The moment magnitude is 4.4. The strike, dip and slip angles of two nodal planes of the best double couple solution is 238.0°, 44.0° , -143° and 119.5° , 65.3° , -52.4° , the estimated focal depth is 6.5 km.

Tangshan earthquake; CAP method; focal mechanism; aftershock

朱音杰，刘檀，赵英萍，等. CAP方法反演2016年唐山ML4.3地震震源机制解[J]．华北地震科学，2017，35(2):50-55.

2016-12-02

测震台网青年骨干培养专项(20150404)

朱音杰(1986—)，男，山东文登人，助理工程师，现主要从事地震监测工作． E-mail：zhuyinjie_361@163.com

P315.33

A

1003-1375(2017)01-0050-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.008