2021年6月17日承德ML3.6地震重新定位及震源机制解研究

王嘉琦 张玉林 杨东辉 袁国旭

[摘要]  2021年6月17日河北省承德市双桥区发生M_L3.6地震。基于河北区域数字地震台网资料，采用双差定位算法重新定位该地震序列，获得了精确震中分布。利用小震拟合法计算得到该次地震对应断层面参数为：走向63.76°，倾角70.52°。采用CAP方法反演获得了主震的最佳单位震源参数、矩张量解和双力偶解。其中，最佳断层面解为：走向63.4°，倾角52.8°。根据断层中心解计算，确定最终发震断层面参数为走向63.59°，倾角61.66°，与该区域的双塔山—双峰寺断裂吻合。考虑区域构造特征，推测本次地震可能由主张应力在该断裂上挤压而诱发，属于一个典型的正断层活动。本次研究为确定承德地震的发震构造及该地区的应力场状态提供了重要依据。

[关键词] 承德ML3.6地震; 震源机制; 双差定位; 发震构造

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-110

0  引言

根据中国地震台网测定，北京时间2021年6月17日08时07分53秒，河北省承德市双桥区（41.10°N，117.91°E）发生了M_L3.6地震。该次地震震源较浅，深度仅有6 km，是承德有史以来规模最大的有感地震。此后2个月内，承德及周边区域共发生M_L≥1.0有感地震75次，其中M_L0.0～0.9地震57次，M_L1.0～1.9地震13次，M_L2.0～2.9地震4次，M_L3.0～3.9地震1次，最大日发震频次达16次，地震活跃性明显增强。从地震分布看，本次地震序列集中在（41.0°N～41.1°N，117.8°E～118.0°E）范围内，这些地震主要集中在双桥区北部的一个近东西向的狭长型区域，形成了一个明显的线性分布特征。该区域位于华北克拉通北缘，地壳运动以构造下降为主，形成了承德盆地等一系列槽状洼地。承德地区主要发育11条活动断裂，这些断裂大部分呈东西向和北东向展布，切割了承德盆地北缘，均为古地质时期活动断裂，第四纪无明显活动迹象^[1]（图1）。

考虑到该区域地壳结构复杂，存在低速层对传统定位方法的影响，为准确获得此次M_L3.6地震的震源参数，拟采用CAP反演和精确定位相结合方法进行研究。首先利用双差定位算法重新定位序列微震，获得准确的震中分布；然后基于区域台站宽频带记录，采用CAP方法反演主震的震源机制解和震源参数；最后综合分析所在区域的地质构造背景，初步探讨本次地震序列的成因及区域积累的应力状态。

本文利用河北区域数字地震台网提供的地震资料，首先采用双差定位方法对承德M_L3.6地震及其余震序列进行重定位，得到更精确的震源位置和深度；采用万永革等^[2-3]提出的利用小震拟合断层面参数的方法，求解断层面参数，给出全局最优断层面参数及其误差。利用CAP波形反演方法求取主震的震源机制解和矩张量解；然后通过对比计算断层面参数及震源机制解确定中心解。最后结合该区域地质构造资料和历史地震资料，分析承德M_L3.6地震的发震构造和成因机理，为认识承德市及周边地区的地震活动特征和构造意义等提供帮助，为承德及周边地区的地震监测预报和震害防御工作提供依据。

1  地震精定位及断层面参数反演

1.1  双差定位

双差定位法是一种高精度的相对定位方法，由Waldhauser和Ellsworth^[4-5]在20世纪90年代提出，基本原理是选取空间邻近的2次地震事件，在同一观测站的观测到时作双差去除观测误差，可有效消除速度模型误差和观测误差的影响，显著提高定位精度^[6-8]。双差定位实现了震源参数的高精度确定，是当今地震学研究中一种常用而高效的精确定位技术^[9-13]。

本文采用HypoDD程序对承德M_L3.6地震序列进行双差定位计算，选用京津冀测震台网震相观测报告，其中包括在震中附近架设的2个临时流动测震台的震相数据。为保证计算结果的可靠性，我们收集整理了全部75次地震的震相观测报告，并对震相数据进行了挑选，剔除震相到时有明显错误或误差较大的震相数据，共挑选出46次地震。利用挑选的震相数据进行双差定位计算：首先，设置定位参数，最小连接数为4，最小观测数为2，最大震源间距小于10 km，最大震中距小于200 km，利用Hypoinverse程序获得地震序列的初始绝对位置信息；其次，计算相距小于10 km的地震对的P波和S波走时差，同时设置P波权重大于S波，设置P波权重为1.0，S波权重为0.5；最后，采用3轮LSQR迭代计算获得地震对的最佳相对位置信息。地震定位对速度模型选择具有较强的依赖性。本文在初始定位的基础上，调用Velest程序，利用地震序列中台站记录数较多、分布较好的地震事件，反演出本地区的精确1-D速度模型（图2）。该速度模型具有明显的地壳低速层特征，能够较好地反映燕山地区地壳速度结构，为双差精定位提供依赖。

1.2  定位结果

通过双差定位计算，获得了精确的承德M_L3.6地震序列分布信息，较为准确地确定了该地震序列中46次地震事件的位置，提升了地震定位的精度（图3）。主震的震中坐标位于（41.089°N，117.901°E），其震源深度约为3.76 km。在经过重新定位后，地震震中被确定在小营—张营断裂F₂的南侧以及双塔山—双峰寺断裂F₃的北侧。小营—张营断裂起始于北部的小营地区，向东经过双峰寺北部，最终到达张营南部，全长约25 km，东段呈现近东西向展布，西段则以北东向布展为主，断层倾向南，倾角在40°～50°之间，整个断裂发育于太古界变质岩体系中。双塔山—双峰寺断裂在承德盆地的北缘形成，从红石砬村西北开始，经过滦河镇、红塔山、双峰寺东部，终止于赵文沟村北，全长约5 km，呈北东向展布，断层倾向南东，倾角在60°～70°之间。双峰寺以东的部分断裂在太古界变质岩体系中发育，双峰寺以西的部分则在分割太古界变质岩和侏罗纪火山沉积岩中。由图3b所示，震源主要集中在这两个断裂之间的区域，其空间分布较为紧密，且呈现明显的沿NE向的条带状特征，长约4 km，宽约2 km。

1.3  断层面参数反演及分析

根据重新定位结果，采用万永革等^[2]提出的利用小震拟合断层面参数的方法，使用拟合断层面的程序Fit_Fault，计算得出全局最优断层面参数及其误差，即将承德地震序列进行拟合。反演结果如表1、图4所示，断层走向63.76°（标准差1.21°）、倾角70.52°（标准差1.39°）、倾向SE、断裂长度12 km、断层深度2～7 km；其中主震的震源深度相对较浅。综上初步推断，承德地震的发震断层可能由小营—张营断裂和双塔山—双峰寺断裂之间的一条浅层高角度次生断裂构成，然而，由于地震事件数量相对较少，因此对发震断层形态的刻画可能存在一定的偏差。为了获取更精确的结果，我们需要结合震源机制解的节面参数对断层性质进行更深入的研究和描述。

2  震源参数和震源机制分析

2.1  CAP方法震源机制反演

本文利用CAP方法获得地震的震源机制解。CAP是一种在地震波形反演中被广泛运用的技术^[14-16]。主要原理是地震波在进入近场区域后，其波形将会发生显著变化；通过模拟地震波的传播过程，并迭代寻找最佳震源模型，CAP法可以使理论计算的波形与实际观测的波形之间达到最佳匹配，从而精确地推算出地震的震源参数^[17-23]。

选择位于震中距50～300 km范围内的10个宽频带测震台，该台网覆盖范围广阔，有助于提高震源机制解的可靠性。首先，去除仪器响应对三分量地震波形的影响，并将其旋转至大圆路径，从而得到径向、切向和垂向的位移记录。将实际观测数据截取为Pnl波和S波两个部分，并对所有测震台的观测数据使用4阶巴特沃斯带通滤波器分别在0.05～0.17 Hz和0.05～0.1 Hz频率范围进行带通滤波处理，以消除由于速度结构横向变化带来的影响。完成滤波计算后，计算各测震台的格林函数，并以5°的网格步长对不同震源深度的最佳双力偶解进行搜索。在反演过程中，采用了华北地区的平均地壳速度模型（表2）。在误差最小时对应的震源深度即为本次地震的震中深度。通过反演，获得了本次地震的最佳单位观测震源时函数时域波形，计算其与观测波形的相关系数以评估拟合效果，如果大于80%，则表示本次反演结果比较可靠。选择拟合残差最小的震源机制解作为此次地震的最佳震源机制解。图5是震源深度3.5 km附近时的位移谱拟合结果和CAP反演得到的震源机制解。图6显示了不同深度的震源机制解和波形拟合残差。从图中可以看出，当震源深度为3.6 km时，观测波形与理论波形的拟合残差达到最小，反演结果较为可信。最佳震源机制解的结果为：节面Ⅰ的走向是214°，倾角是41°，滑动角是?113°；节面Ⅱ的走向是63.4°，倾角是52.8°，滑动角是?71.2°；矩震级M_W3.5，矩心深度3.6 km，最大主压应力P轴方位角28.4°，最大主张应力T轴方位角140.1°（表3）。

2.2  断层滑动角参数的确定及分析

在计算断层面滑动角参数时，需要使用研究区P轴与T轴的方位角与倾伏角。本文在计算时使用上述CAP震源机制解的计算结果。其中，R值是由Wan^[24]利用震源机制反演构造应力场得到的，其数值为0.45。在假定P轴与T轴方位角及其倾伏角的误差分别为5°和10°的情况下，根据前文拟合的断层面参数，采用表3所示的震源机制解求解断层面滑动角（表1）。从滑动角计算结果来看，断裂活动具有明显的正断性质。此外，与震源机制结果相比（表3），本文拟合的断层面走向、倾角与滑动角也与节面Ⅱ结果比较吻合。

2.3  断层中心解确定

首先，将上述震源机制解的结果（表3）的2个节面参数分别与余震拟合的断层面参数（表1）作为初始解，采用Fault_Center软件进行迭代求解，该软件通过迭代方法最小化与断层面参数的空间旋转角之和，从而输出每个节面的中心解及其法向轴的标准差，对两个潜在节面进行中心解误差的评估^[25-26]。其次，依据标准差的大小，选取标准差最小的中心解，即为最后所确定的中心解。计算结果（表4、图7）显示，节面Ⅱ的法向轴标准差仅为8.86°，相对于节面Ⅰ的53.29°，其结果具有更低的不确定性。进一步分析还发现，节面Ⅱ的走向和倾角误差范围较小，综上说明，节面Ⅱ更可能是承德地震的实际活动面。采用节面Ⅱ作为初始解得到的中心解，所对应的标准差最小，将此中心解（走向63.59°，倾角61.66°）作为最终结果。

3  发震构造讨论

承德M_L3.6地震位于小营—张营断裂和双塔山—双峰寺断裂之间，小营—张营断裂走向NEE向，倾向SE，倾角在60°～70°之间。双塔山—双峰寺断裂走向NE向，倾向南，倾角在60°～70°之间。根据双差定位计算结果，承德地震序列位于小营—张营断裂和双塔山—双峰寺断裂之间，呈NE向条带状分布，余震断层参数反演结果为走向63.76°和倾角70.52°，倾向基本一致，同为SE，该带状走向与双塔山—双峰寺断裂走向基本一致，即此次承德地震的发震断裂应为双塔山—双峰寺断裂。此外，根据震源机制解给出的2个可能断层面的参数解中，节面Ⅰ（走向：214.0°，倾向：41.0°，滑动角：?113.0°）与节面Ⅱ（走向：63.4°，倾向：52.8°，滑动角：?71.2°）的断层中心解显示，该地震可能发生在一个走向为63.59°，倾向为61.66°的断层面上，与双塔山—双峰寺断裂更为接近，应为一个倾向西南的正断层。Wan^[24]研究表明承德地区构造应力场主压应力σ₁走向87°、倾角14°，主张应力σ₃走向354°、倾角13°，推测双塔山—双峰寺断层以右旋走滑错动为主，与本文震源机制解计算得到的发震断裂为正断层的双塔山—双峰寺断层有所出入。笔者认为是由于双塔山—双峰寺全长50 km左右，本文仅计算了承德M_L3.6地震序列的震源机制解，断层东西两侧地震资料不充分，无法进行反演，且断裂历史活动资料不齐全无法从构造角度充分分析双塔山—双峰寺断层，因此在双塔山—双峰寺断层类型上与前人研究有所出入。综上所述，基于应力场和震源机制解，这次地震很可能是一次正断层地震。它可能是由于主张应力在双塔山—双峰寺断裂上产生的挤压引发的。这种张应力导致岩层沿着断层面下滑，在该区域应力场形成了正断层是可能的。这是一个基于数据的初步分析，实际情况可能更复杂。

结合上述结论，虽然双塔山—双峰寺断裂的地质活动性较差，但从震源机制解、精定位结果和断层地质结构等方面考虑，可以初步判断，本次地震的发震构造可能为双塔山—双峰寺断裂。然而，由于震源深度较浅，不能排除地震可能由更表层的构造诱发的可能性，例如水库诱发地震。未来需要收集更多的数据和深入的研究来进一步确认这个假设。

4  结论与讨论

本文基于2021年6月17日承德M_L3.6地震序列的地震波形和震相走时数据，利用双差定位方法获得了承德地震序列的精定位结果，通过小震拟合法计算得到该次地震对应断层面参数，并利用 CAP 方法反演了承德M_L3.6 地震的震源机制解，利用断层中心解计算，确定最终发震断层面参数。结合上述理论计算与地质资料对承德地震的发震构造和序列发生、发展过程进行了初步分析和讨论：

（1）双差定位结果显示，本次地震序列形成一个明显的NE向分布，位于小营—张营断裂和双塔山—双峰寺断裂之间，与双塔山—双峰寺断裂的走向一致。结合精确定位结果，本次地震序列与该断裂存在显著的空间关联性，提示双塔山—双峰寺断裂为潜在的地震源。利用Fit_Fault软件和精定位的地震序列地震数据，拟合出该次地震序列对应的断层面参数：走向63.76°，倾角70.52°，呈现出高角度断层的特征。拟合结果表明，该次地震序列位于一个长约12 km、宽约2 km的近东西向狭长带内，震源深度集中在2～7 km范围。该条带状分布与区域内的双塔山—双峰寺断裂走向一致，说明本次地震发生在该断裂上或其附近区域。

（2）基于区域台站的宽频带记录，采用CAP法反演获得了主震的最佳单位震源时函数、矩张量解和双力偶解。其中，最佳断层面解为：走向63.4°，倾角52.8°，属于一个倾向西南的正断层。为确认最优解，计算了两个可能断层面的断层中心解，结果表明走向63.59°，倾角61.66°的解标准差最小，与双塔山—双峰寺断裂构造参数吻合。这进一步验证了CAP法反演结果，确定了本次地震的发震断层为该断裂。

（3）本次地震发生在承德盆地北缘，位于燕山褶皱带与华北地台的交汇处，受构造运动和地应力场共同影响。根据区域应力场分析，本次地震可能是由主张应力σ₃在双塔山—双峰寺断裂上产生的挤压而诱发。尽管双塔山—双峰寺断裂的活动性较差，但从多方面证据看，本次地震的发震构造可能由该断裂造成，不排除也可能与该区域的其他浅层构造有关。

（4）确定了承德地震的精确震源分布、发震断层参数和震源机制解，为该地区的地震活动及地质构造研究提供了重要依据。但由于研究所用数据有限，结果还存在一定的不确定性，需要进一步收集资料进行验证。今后需要系统收集该区域的地质、地球物理和地震资料，建立精细的地震危险性模型，以提高对未来强震的预测能力。

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Analysis on relocation and focal mechanism of the Chengde M_L3.6 earthquake on June 17， 2021

Wang Jiaqi^*， Zhang Yulin， Yang Donghui， Yuan Guoxu

Chengde Earthquake Monitoring Center Station of Hebei Earthquake Agency， Hebei Chengde 067000， China

[Abstract]  On June 17， 2021， anM_L3.6 earthquake occurred in Shuangqiao District， Chengde City， Hebei Province. Based on the data of Hebei regional digital seismic network， the double-difference location algorithm was used to reposition the earthquake sequence and a precise epicenter distribution was obtained. The fault plane parameters of this earthquake were computed using the small event fitting method as follows， strike 63.76° and dip 70.52°. The main shocks optimal unit source time function， moment tensor solution， and double couple solution are obtained by CAP method. Among them， the best fault plane solution is strike 63.4° and dip 52.8°. Based on the fault center solution calculations， the final fault plane parameters were determined to be strike 63.59° and dip 61.66°， which aligns with the regions Shuangtashan-Shuangfengsi fault. Considering regional tectonic characteristics， it is postulated that this earthquake may have been induced by the principal stress squeezing on the fault， representing a typical normal fault activity. This study provides crucial evidence for identifying the seismogenic structure of the Chengde earthquake and the stress field status in the area.

[Keywords] ChengdeML3.6 earthquake; focal mechanism; double-difference location; seismogenic structure