濮阳小震集中区地震重定位及发震构造分析

邱 勇,曹云涛,刘巧霞,段永红,徐志萍,贾宇鹏,张 丹

(1.中国地震局地球物理勘探中心,河南 郑州 450002;2.河南省濮阳市地震局,河南 濮阳 457000)

0 引言

冀鲁豫交界地区是华北地区中强地震活动较为集中的区域之一,历史上曾发生过1830年河北磁县7.5级地震,1937年山东菏泽7.0级等多次7级以上强震。其中,在河南濮阳、山东鄄城交界区,自1997年以来,中小地震活动频繁,形成了“濮阳小震集中区”。在濮阳小震区活动范围内,历史上曾发生1502年濮城6.5 级地震,震中烈度达Ⅷ度,给濮阳市造成了严重的破坏[1]。自2000年以来,濮阳小震集中区(图1)发生过8次以上ML≥4中等强度地震,曾经历了两次小震活动的增强过程,且目前小震活动仍比较活跃[2]。图1给出了濮阳及邻区2000年以来ML≥2.0现代地震及有文献记载的ML≥5.0的历史地震分布。由图1可看出,小震活动主要集中分布在以河南濮阳市范县濮城镇为中心,半径约为25 km的区域范围内。但受定位资料限制,重新定位前的地震在震中分布特征上成“团簇”状,在沿断裂带走向和垂直于断裂带走向上地震分布尺度范围是可比的,而未呈现出沿某个断裂比如聊—兰断裂带的线性分布特征(图2)。该震群跨越聊城—兰考断裂(以下简称聊—兰断裂)、长垣断裂带以及东濮凹陷内规模最大的Ⅱ级断裂——黄河断裂分布。地震分布和断裂带展布形态上这种非规律性对应关系将严重限制对该部分地震发震断层的科学判定。

蓝色方框为濮阳震区范围;a.1502年濮城6.5级地震;b.1937年菏泽7.0级地震.F1:安阳南断裂;F2:长垣断裂;F3:黄河断裂;F4:聊城—兰考断裂;F5:固城—梁庄断裂;F6:邢台—邯郸断裂;F7:沧东断裂;F8:高唐口—堂邑断裂;F9:磁县—大名断裂;F10:汤西断裂;F11:汤东断裂;F12:郓城断裂;F13:菏泽断裂;F14:新乡—商丘断裂.(注:下文中所出现中断裂编号均统一采用此图中给出的编号)图1 研究区域内主要断裂分布、历史地震分布、2000年以来ML≥2.0现代地震分布及周边台站分布Fig.1 Distribution of main faults,historical earthquakes,surrounding stations,and modern earthquakes with ML≥2.0 since 2000 in the study area

图2 待定位地震事件及主要断裂分布图Fig.2 Distribution of main faults and the earthquakes to be relocated

小地震精确定位是获得研究区地震空间分布特征与震源区深部发震构造特征的有效途径[3-6],其研究成果可以为目标区活动断层探测提供可靠的地震学依据。但受观测数据质量限制,常规地震观测报告给出的震源位置尤其是震源深度的准确度和精度不够,从而影响发震构造的准确判定。2008年之后,随着大量数字化台网的建设和观测技术的提高,地震定位的精准性可得到有效提高。同时将地震精定位结果与基于深地震反射折射技术获得的地下断裂构造的空间展布形态相结合,将会有效提高发震断层判定的准确度和可靠性。

综合数字台网之后近十年的地震震相观测报告数据及3级以上地震事件的原始波形数据,首先利用Hypo2000地震定位法对研究区内一级以上287次地震事件进行绝对定位,获得较为准确的绝对震源位置参数。同时,对濮阳城镇附近的小震丛,我们将Hypo2000地震定位法获得的绝对震源位置参数作为初始位置,利用双差地震定位法HypoDD对该震丛进行了相对定位,获得更为准确的相对位置。在此基础上,结合深反射断裂解释结果,对濮阳小震区的发震构造进行了重新判断,从而对该震群的成因判断提供了地震学依据。

1 方法与数据

1.1 地震精定位方法

上个世纪初德国地球物理学家Geiger提出一种单地震事件绝对定位方法[7]。其原理是将含震源时空参数分非线性方程做一阶泰勒展开,将非线性走时方程线性化,并通过最小二乘法求解参数方程来获取震源参数。而HYPOINVERSE算法是在Geiger基础之上发展起来的一种单事件绝对定位方法。1981年Klein对线性定位算法做了一些修改,使它适应于135 km之内的进场定位问题,其基本原理是首先计算近场特定模型下的走时表,通过走时反演确定地震的震中位置和深度[8]。Hypo2000定位法最大的优点是可以根据研究区特定的地质和地球物理结构,分区分层设计定位所用的速度模型,因而可针对地下结构较为复杂的情况,在待定位事件震中附近区域设置多达十层的梯度层结构的模型,可有效减小定位速度结构所引起的定位误差,尤其适用于近场地震定位。

双差地震定位算法由Waldhauser 和Ellsworth(2000)[9]提出,它是一种比绝对定位方法精度高的相对定位方法,它适用于比主事件法空间跨度大的地震事件群体。在该方法中,使用两个地震的走时差的观测值与理论计算值的残差(“双差”)确定其相对位置。双差定位方法可以对较大空间范围内发生的地震同时进行重新定位,它不需要设地震主事件,所有地震事件是相对于地震事件丛集的质心位置来定位,不依赖于地震事件的初始位置,避免了主事件定位方法的限制条件。

1.2 定位数据资料和速度模型

本文定位所使用的数据取自中国地震台网中心提供的濮阳震区(35.05°～36.45°N,东经114.1°～115.85°E),2008年10月—2018年6月近十年的地震震相观测报告以及3级以上地震的事件波形数据[10]。根据中国地震台网中心提供的地震目录统计,在此期间研究区内共发生1.0级以上地震287次,4.0～4.9级地震3次,3.0～3.9级地震16次,震级最大的事件为2015年1月18日11:01:23.9发生的ML4.2级地震。定位使用的地震台站共36个。图2给出的是待定位的地震事件分布和主要断裂带。

为了保证待定位地震事件到时数据的可靠性,在定位前对于每一个地震均用和达曲线法对定位所用震相Pg和Sg到时逐事件进行核查,剔除个别读取有误或误差较大的地震台站,图3给出的是2015年1月18日11时01分23秒发生在濮阳市范县ML4.2地震Pg、Sg震相到时的和达曲线。另外,为了校验震相报告到时读取的可靠性,我们同样选取了2015年1月18日范县ML4.2地震,从数据备份中心下载到其波形数据,采用SAC2000地震波形分析软件,人工拾取该地震事件的直达波Pg和Sg的震相到时(如图4),并与震相观测报告中所给到时进行比较,其差异为0.042 2～0.473 7 s。经过震相到时核查、不同台站震相到时一致性检验以及观测台网对定位地震方位覆盖分析等步骤,本研究最终挑出选震相到时数据可靠、台站记录数大于等于4且台站与地震事件有较好覆盖关系的ML1.0以上地震事件243个,用于精定位研究。

图3 和达曲线检测各个观测台站震相拾取到时差示例图(2015-01-08河南省濮阳市范县4.2级地震)Fig.3 Arrival time difference of seismic phase picking by each station using Wadachi method (2015-01-08 Fanxian earthquake of MS4.2 in Puyang City,Henan Province)

图4 2015年1月18日11时01分23秒发生在河南省濮阳市范县4.2级地震Pg和Sg拾取图Fig.4 Pick-up pf Pg and Sg phases for the Fanxian MS4.2 earthquake occurred at 11:01:23,January 18,2015

在地震定位中,除了震相识别和震相到时的读取精度以及台网的布局外,地震震源区的地壳速度模型也是影响定位精度的关键因素,因此地壳速度模型的选取至关重要。本文研究参考中国地震局地球物理勘探中心于1991年布设在菏泽到长治的主动源宽角反射/折射探测剖面探测结果[11]给出了定位所用的地壳速度模型(表1,表2)。

2 定位结果分析

2.1 Hypo2000绝对定位结果

依据表1和表2给定的地壳速度模型,对于整个研究区的地震采用Hypo2000地震定位方法,对挑选出的243个地震事件进行重新定位。重定位后,震源位置的水平和垂直平均误差分别为0.785 km和 3.412 km,平均走时残差为0.411 s。图5～7分别给出了Hypo2000重新定位前后的余震震中分布以及平行和垂直聊—兰断裂走向的剖面A-A’和B-B’震源深度分布特征。

表1 定位用水平层状地壳速度模型Table 1 Velocity model used in relocation

表2 定位用水平层状地壳速度模型(35.8°～36.45°N,114.1°～114.5°E)Table 2 Velocity model used in relocation (35.8°-36.45°N,114.1°-114.5°E)

左右两幅子图分别为重新定位前后地震震中分布图.A-A’,B-B’分别为近似垂直聊—兰断裂带,沿聊—兰断裂带走向;C-C'为菏泽—长治主动源折射/反射剖面探测位置[11].图中绿色小方块表示的上述四个剖面与各断裂带的交点位置,旁边诸如A1形式的标注表示的是各剖面与断裂的交点编号,编号命名规则为:以A1为例,A表示剖面名称,1表示断裂编号,A1表示的为剖面A-A’与断裂带F1的交点图5 研究区小震震中分布及震源深度剖面位置图Fig.5 Epicenter distribution and focal depth profile location of small earthquakes in the study area

[(a)和(b)中的地震事件是一一对应。A4为剖面A-A’与聊兰断裂的交点;A2为剖面A-A’与长垣断裂的交点.注:深度剖面投影时,均采用剖面±10 km范围内的地震]图6 垂直断裂走向的剖面A-A’震源深度Fig.6 Focal depth profile A-A' perpendicular to fault strike

B3和B4分别表示黄河断裂带和聊—兰断裂在深度剖面B-B’上的位置图7 小震集中区沿断裂走向剖面B-B’的震源深度剖面Fig.7 Focal depth profile B-B’ along the fault strike in small earthquake concentrating area

2.2 濮城小震集中区双差定位及结果

由图5可知,在濮城镇附近约20 km范围内形成了一个小震震丛。为进一步确定该震丛内地震事件的相对位置关系,我们将2.1中hypo2000绝对定位给出的震源参数位置作为初始位置,利用相对定位法HypoDD对图5中蓝框范围(114.9°～115.55°E,35.5°～35.95°N)内2008年12月—2018年6月共计153个地震进行双差定位。经过双差定位后,最终得到了140次地震的定位结果,占参与定位地震总数的92%。重新定位后走时残差约为0.19 s,东西向平均误差0.2 km,南北向平均误差0.3 km,深度方向平均误差0.5 km。定位前后余震震中分布对比以及垂直于断裂带走向的震源深度剖面图分别如图6和图7所示。

2.3 重新定位后地震空间分布特征

通过利用Hypo2000定位法获得的定位前后震中分布图(图5)可见,在整个研究区范围内,地震主要集中分布在三个区域,最大的一个地震震丛分布在濮城镇周边,地震丛分布范围大约为20 km。重新定位后,该震丛震中位置分布更加集中。其次,在菏泽断裂附近亦分布有少部分地震,但震中并未沿菏泽断裂分布,而是分布在菏泽断裂和聊—兰断裂交汇的三角区域内。第三个震丛分布在工作区的西北角即安阳市西北区域,震中主要沿NWW走向的磁县—大名断裂带分布,分布尺度范围约30 km。

对于近似垂直于兰—聊断裂带走向的剖面A-A’,Hypo2000绝对定位前后(图6)的震源深度分布特征则呈现出明显的差异。对于濮城镇小震震丛,定位前深度分布范围为5～15 km,且横向上分布较为分散,在剖面上的分布范围为60 km,而在深度方向并未出现从浅至深的条带性分布特征,出现这种状况的原因有可能是在地震台网进行定位时,由于受台站分布客观限制,台站方位覆盖不全且缺乏近台约束而导致反演无法计算出深度参数时,此时定位分析系统会根据当地的走时表给出一个经验深度(10 km)。重新定位后的震源深度分布范围为2～25 km且地震在深度方向上呈非常明显的条带性分布,该条带性分布有效地刻画出发震断层倾向北西,上陡下缓的几何形态。另外,在A-A’剖面的西北端即邢台-邯郸断裂与磁县—大名断裂交汇区附近存在另外一个震丛,该震丛在震中分布图上(图5)沿着磁县—大名断裂分布。重新定位后的地震在深度方向上并未表现出明显的从浅至深的线性分布特征。对于近似平行于地震丛分布方向的深度剖面B-B’(图7),绝对定位前后地震分布特征差异明显,与A-A’剖面类似,定位前震源深度横向分布范围大,横向条带明显,不能刻画断裂带从浅至深的展布形态,而重新定位后,地震在聊—兰断裂带下方呈现出从浅至深的条带性分布特征。

另外,濮城镇小震丛相对定位前后(图8)可知,进行相对定位后,该震丛明显分成两个地震群,绝大多数地震是沿着聊城—兰考断裂分布,且地震丛在东-西向亦有10 km范围的分布,而并非完全成线型分布;另外有少部分地震远离聊—兰断裂带,沿着黄河断裂东侧分布。在垂直于断裂带走向的剖面A-A’(图9),不仅表现出类似于绝对定位后深度方向条带型分布特征,同时也表现出更为精细的分布特征,即显示出两个分开的地震丛,绝大多数地震分布在聊—兰断裂带下方,亦有一小部分地震则偏离聊—兰断裂,朝剖面西北发展,沿着黄河断裂分布。

A-A’为近似垂于聊城—兰考断裂的深度剖面位置图8 濮城小震集中区双差定位前后震中分布图Fig.8 Epicenter distribution before and after double difference location in small earthquake concentrating area of Puyang

2.4 濮城地区地震发震构造及成因分析

根据上述地震分布特征可知,濮城震小震震中主要沿着聊城—兰考断裂带呈北西—南东向集中分布,在震源深度剖面上集中分布在聊城—兰考断裂下方且从浅至深呈明显线性趋势特征分布。因此本文将结合聊城—兰考断裂带地质特征、地质空间分布特征以及该地区浅层地震勘探和深反射探测结果对濮城震小震集中区的发震构造进行了如下分析和推断。

研究区内地震活动性最强的断裂为聊城—兰考断裂。该断裂是华北盆地与鲁西隆起的分界断裂,南起兰考,向北经范县、聊城至韩屯转向北东,全长约360 km。断裂走向20～30°,倾向北西西,断面上部视倾角约70°～80°,下部分约为50°,为一上陡下缓的铲形滑脱正断层[12]。该断裂具有明显的分段特征,由北向南划分成三段:禹城—韩屯段(北段)、聊城—范县(中段)和濮城—兰考段(南段)。北段、中段断裂结构上较为简单,为直线延伸的单一断裂。第四纪以来,断活动强度明显减弱,晚更新世以来在局部地段有较弱活动,全新世以来不活动。濮城—兰考段(南段)活动时代最新,根据向宏发等人(2000)研究,断裂向上断错了晚更世地层,并控制影响到全新世地层的分布,为晚更新世—全新世早期活动断裂。据中原油田、中国地震局地球物理勘探中心对该断裂的地震勘探结果表明,聊城—兰考断裂的全新世活动段位于濮城—兰考段。1937年断裂附近还发生过菏泽7级地震,是一条晚更新世至全新世早期活动的断层[13]。本文研究范围内的小震主要集中分布在濮城—兰考段以濮城为中心,北东—南西方向13 km范围内。

A4该剖面与聊—兰断裂的交点.F4-1、F4-2、F4-3分别为聊—兰断裂带自西向东不同的分支断裂.地震投影范围为剖面两侧各5 km图9 濮城小震集中区双差定位前后A-A’剖面震源深度剖面图Fig.9 Focal depth section for profile A-A’ before and after double difference location

根据本文给出的绝对定位结果(图5～7),在震源深度剖面上地震集中分布在兰—聊断裂下方。根据地震在深度剖面上分布的线性趋势可看出,兰—聊断层倾斜北西、上陡下缓的几何展布形态(图6红色虚线所示)。本文给出的双差定位后的地震亦明显地分成了两部分,绝大部分地震是沿着聊—兰断裂分布,另外少数地震分布于黄河断裂带东侧。沿聊—兰断裂分布的这部分地震由沿着三个分支断裂F4-1、F4-2和F4-3分布,且沿着F4-1分布的这部分地震,震源深度相对较浅,而沿着F4-3分布的这部分地震震源深度相对较深,这一特征与浅层地震勘探得到的兰—聊断裂在断层埋深上呈现出西浅东深的特征是一致的[14]。另外,根据深地震反射剖面的解释结果,聊—兰断裂在浅部(约10 km之上)由两条分支断裂断裂FP4-1、FP4-2组成,这两个断裂深度为约10 km的地方汇合,呈“Y字型”向深部延伸,终止于约17 km处。本文根据重新定位后地震震源深度分布线性趋势特征,对发震断层的几何形态做了相应推断,如图9中红色虚线所示。本文所推断出的断层基本几何形态上和深反射剖面解释结果是基本一致的。但是,根据重新定位后的地震分布线性特征所推断的断裂带在分支数量、断层埋深、断层倾角等细节上和深反射结果存在一定的差异(图9)。此处根据余震震中和震源深度剖面分布特征以及与深地震反射剖面对比结果,推断目标区即濮城镇周边20 km范围的小震的发震构造主要以兰—聊断裂为主,并且发震构造又可细分为三个分支断裂。西部由很少一部分地震构成的地震分支的发震断层可能与黄河断裂有关。而菏泽附近的小地震丛发震断层为东西走向的菏泽断裂带,工作区西北角北西西走向的磁县—大名断裂带则控制了沿着该断裂带分布的这部分地震的发生。此外,我们将小震重定位后的结果沿菏泽—长治人工地震剖面C-C’剖面进行投影(图11),投影后可以看到地震主要发生在东明凹陷靠近鲁西隆起的边界处的一个低速区域,并且断裂向下延伸到中上地壳,可能错断中上地壳,并且图上显示聊—兰断裂为东濮凹陷与鲁西隆起边界,东西两侧差异巨大是该地区成为地震孕育的有利场所。

图10 沿菏泽—长治人工剖面的震源深度分布特征与速度结构Fig.10 Distribution characteristics and velocity structure of focal depth along Heze-Changzhi artificial profile

此外,濮城镇小震集中区亦为油田分布区域,已有研究结果表明,濮城油田及其附近区域地震活动与油田开采注水活动密切相关[15-16],注水活动会引起该地区已有断层面上的应力及空隙压力变化,进而引起断层错动,诱发地震[15]。本文基于小震重定位结果的发震构造分析,结合前人已开展的研究工作给出的小震活动与油田开采中的注水活动,认为濮城地区较大震级地震主要受聊—兰断裂带控制,同时亦受油田开采活动密集相关。

3 结论

利用固定台网2008年10月—2018年6月的震相报告及3级以上地震波形记录,采用菏泽—长治人工地震剖面地壳速度模型,对2008年10月—2018年6月期间,发生在研究区范围内的(35.05°～36.45° N,114.10°～115.85° E)震级(0～5级)范围内的243个地震进行绝对定位。同时针对研究区内濮城镇小震丛,以绝对定位结果作为初始约束,进行相对定位,并结合穿过研究区范围的深地震反射剖面探测结果对研究区地震的发震构造进行分析,得出以下主要结论:

(1) 研究区内243次1级以上地震事件Hypo2000重定位后,震源位置的水平和垂直方向平均误差分别为0.784 km和3.412 km,平均走时残差为 0.411 s。震源深度分布范围约为2～25 km,平均震源深度为11.8 km。对濮城镇附近的153个地震进行双差相对定位后,东西向平均误差0.2 km,南北向平均误差0.3 km,深度方向平均误差0.5 km,重新定位后走时残差约为0.19 s。

(2) 在研究区范围内,地震主要分布在三个区域,最大的一个地震震丛分布在濮城镇周边为20 km区域范围内;另外两个地震丛分布在菏泽断裂北部和安阳西北部的磁县—大名断裂带分布。重新定位后,地震震中和震源深度分布的条带性更加明显,尤其是地震在深度方向呈现出自上而下的线性分布趋势,有效地刻画出了断层展布的几何形态。

(3) 重定位后濮城镇小震震丛在震中分布上明显呈两个大的分支,主支地震群沿聊—兰断裂分布,分支地震则沿黄河断裂东侧分布;震源深度分布不仅表现出上述两个分支特征,同时还显示出沿兰-聊断裂分布的主支由可分为3个子地震分支,东支地震的震源深度明显要浅于西边两支,并且在地下13 km处汇聚且向下延伸至20 km处。上述地震空间分布特征与深地震反射剖面上显示出断裂带展布形态以及浅层地震勘探测定的断点深度一致性较好。结合深地震反射剖面解释结果及浅层地震勘探结果,推断濮城镇小震震丛的发震构造主要以兰—聊断裂为主,西部少数地震分支的发震断层应该是黄河断裂带,同时小震活动与油田开采注水活动密切相关。

致谢:本文所用图件由GMT(GMT;http://gmt.soest.hawaii.edu/)绘制。中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”为本研究提供地震波形数据。中国地震局数字台网中心,河南省地震局,山东省地震局在数据资料给予了大力支持,在此表示感谢。