〔作者简介〕 刘白云, 男, 1980年生, 2012年于中国地震局兰州地震研究所获构造地质学硕士学位, 高级工程师, 主要从事断层面参数、 地震定位、 地震成像等方面的研究, 电话: 0931-8271037, E-mail: 421121833@qq.com。
文中利用2008—2019年甘肃和周边地震台网20个台站形成的观测报告, 以及中国地震科学台阵探测二期项目在南北地震带北段布设的18个流动观测台站于2014—2015年记录的老虎山地区小地震资料, 经双差定位方法重新进行了震源位置的修定, 获得了700个重新定位的震源资料。 重新定位后, 研究区内小地震更加集中地沿老虎山断裂呈NW向线性分布, 震源深度也明显呈集中分布的趋势, 大部分地震均匀分布于0~10km深度范围, 显示出该区地震多为浅源地震的特征。 依据成丛地震发生在断层附近的原则, 采用模拟退火算法及高斯-牛顿算法相结合的方式, 精确地获得了老虎山断裂断层面的详细参数(走向为103°、 倾角为89°、 滑动角为0°), 表明该断裂是一条NW走向的高倾角左旋断裂, 长约38km, 自SE从景泰喜集水(37.05°N, 104.05°E)延伸至NW的天祝松山(37.12°N, 103.66°E)。 将所得结果与1990年天祝 MS6.2地震和2000年景泰 MS5.9地震的发震构造和震源机制解进行对比可知, 反演得到的断层面参数与前人的认识十分吻合。 老虎山地表断裂与反演断层面在地表的投影线为相互平行关系, 且距离非常近。
The Laohushan fault zone is located in the northeast margin of the uplift area of the Tibetan plateau. It belongs to the eastern segment of the Laohushan-Maomaoshan-Jinqianghe Fault in the eastern segment of the North Qilian fault system. It was manifested as compressive thrust in early stage, but its mechanical properties changed into left-lateral strike-slip movement after middle Pleistocene. There occurred the Jingtai MS6.8 earthquake in 1888, Tianzhu MS6.2 earthquake in 1990 and Jingtai MS5.9 earthquake in 2000 along the fault in history.
With the construction of the national important projects in earthquake industry-“Digital seismic network project of the 10th Five Year Plan” and “Chinese seismic background field detection project”, a number of modern seismological stations were built in Gansu Province and its adjacent areas. Contrast with seismographic network, the mobile broadband seismic array has the advantages of relatively dense stations, small spacing, uniform distribution, and high data integrity rate. Combining the two observational methods has gradually become the main development direction at home and abroad.
Based on the data of small earthquakes in the Laohushan zone recorded by 20 stations of the digital seismic network in Gansu and its adjacent seismic network during the years of 2008 to 2019, and 18 portable seismographic stations from the 2nd-phase project of China Seismic Detection Array during the years of 2014—2015, we relocated the dense earthquakes by double-difference method and obtained the source parameters for 700 earthquakes. The accurately located small earthquakes distribute along both sides of the Laohushan Fault, which is NW-trending obviously. Most earthquakes distribute at the depth range of 0~10km of the earth's surface after the relocation, and the result shows that the focal depths are more concentrated.
Generally, the earthquakes are closely related to active tectonics, large earthquakes usually occur on fault zones with obvious activity, but the distribution of small earthquakes is related to the complex stress state underground and the complex structures of fault zones. We can inverse the shapes and positions of the fault planes using spatial distribution of hypocenters of small earthquakes according to the principle that clustered earthquakes occur near the faults. We obtained the parameters of the Laohushan Fault, which has a strike of 103°and a dip angle of 89°, by using the simulated annealing algorithm and the Gauss-Newton algorithm. On this condition, rake angle of the fault plane is further inferred from regional tectonic stress parameters. These inversion results of the fault parameters indicate that it's a left-lateral slip fault with a high dip angle and a length of 38km. It extends from Xijishui county town of Jingtai in the southeast to Songshan of Tianzh county town in the northwest. Comparing the inversion fault plane parameters and the focal mechanism solutions of the 1990 Tianzhu MS6.2 and 2000 Jingtai MS5.9 earthquakes, both of the results are identical. Besides, the spatial distribution of inverted fault plane and the location of Laohushan Fault by the previous studies are basically parallel.
In the past, the studies of active faults mainly focused on the qualitative researches of macroscopic survey. With the technological development of earthquake location and inversion method in recent years, many quantitative researches have gradually been carried out on the determination of active fault parameters. The inversion results of Laohushan fault plane and the previous studies on the geometric characteristics of the fault are verified each other. It is proved by facts that it's an important research means of active faults. It can provide more evidences for determining fault parameters by inversion.
老虎山断裂带位于青藏高原隆起区的东北缘, 属北祁连断裂系东段的老虎山-毛毛山-金强河断裂的东段, 其向E延伸并与海原断裂带左阶斜接, 向W与毛毛山活动断裂相连。 该断裂全长78km, 整体走向为 N70°~80°W, 东起甘肃景泰县东南的老庄沟, 向W经老虎山、 红灌沟、 老虎沟、 阿门岘、 黑马圈河至独山为止(图 1)。 其早期活动表现为挤压逆冲型, 中更新世以来, 其力学性质转变形成以左旋走滑为主(刘小凤等, 1994)。 历史上沿该断裂发生过1888年景泰MS6.8、 1990年天祝MS6.2和2000年景泰MS5.9地震。
前人通过对该断裂的地层划分(刘百篪等, 1994; 刘小凤等, 1994)和分段性(何文贵等, 1994)等地质学方面的研究给出了其可靠的活动断裂参数; 刘金瑞等(2018)基于LiDAR高精度地形数据, 综合多地点的左旋走滑位错量及不同时代的地貌面年龄数据, 利用蒙特卡洛模拟方法对其开展了研究, 所得结果表明该断裂表现为低滑动速率变化趋势; 孙赫等(2017)基于InSAR的海原-老虎山-毛毛山断裂带现今的地壳形变特征研究发现毛毛山—老虎山段两侧存在明显差异运动; 石富强等(2018)以GPS速度场为约束模拟研究了断层剪切力学性能对区域地壳运动速度场图像的控制作用, 进而在最优模型的基础上分析了当前青藏高原东北缘不同断裂的应力状态, 结果显示中段的金强河-毛毛山-老虎山断裂当前的应力率水平较高。 这些研究更多地侧重于断裂危险性分析等方面, 无法据此了解断裂的三维结构。
近年来, 随着地震行业国家重大工程项目——中国“ 十五” 数字化台网项目和后期“ 中国地震背景场探测项目” 的建设, 甘肃及周边地区新建或改建了一批现代化地震观测台站, 形成了较为完备的数字地震监测体系。 同时, 地震台阵观测(刘启元等, 2008; 邓文泽等, 2014; 太龄雪等, 2015; 张艺等, 2017)具有台站分布相对密集、 台间距小且分布相对均匀的特点, 可进一步弥补固定监测的不足, 近年来也在中国大陆广泛开展观测。 丰富的地震观测资料及一些效率更高的反演算法的提出, 使得采用小地震丛集性确定深部活断层几何形态的研究得以大规模开展。 本文首先对收集整理到的研究区内中国二期地震科学台阵和甘肃及周边数字化地震台网记录的小地震资料进行双差地震精定位, 然后根据研究区小地震分布的密集程度, 沿老虎山断裂选择条带状区域, 再基于区内的地震采用模拟退火算法并结合高斯牛顿算法反演老虎山断裂的断层面参数, 所得结果有助于进一步了解老虎山断裂的三维结构。
地球内部断裂带的几何结构最初是由地震活动性来揭示的(Schaff et al., 2002), 地震活动性分析与传统活动构造研究的密切结合是推断地震构造最为直接的方法, 但这种研究依赖于地震定位精度。 常规定位误差较大, 影响结果的可靠性。 双差算法通过在各台站同时记录到的2个相邻事件的观测与理论计算走时差的残差(即双差)来确定其相对位置, 可消除共同模式的误差, 尤其是与速度结构横向变化以及台站接收有关的误差, 无须对台站进行校正和准确估计走时即可大幅度提高其相对定位精度(Waldhauser et al., 2002)。 目前, 该方法已在地震构造研究中得到了广泛应用(杨智娴等, 2003; 朱艾斓等, 2005; 黄媛等, 2006)。
在三维网格节点的速度模型中, 对于同一个地震观测台站k、 震源i和震源j之间的观测到时和理论到时之差的基本方程为
根据双差地震定位法, 如果震源i和震源j彼此相距足够近, 则可认为震源到同一个观测地震台站k的射线路径是相同的, 若速度结构已知, 则式(1)可简化为
观测到时差(
在反演过程中, 对所有地震经重新定位的各震源参数(即3个方向上的坐标和发震时刻)加上使其平均移动(即矩心)为零的约束条件:
在实际计算中, 我们采用共轭梯度法求解上述方程, 得到阻尼最小二乘解, 同时将奇异值分解法应用于部分资料以获得有关模型参数的误差、 分辨度等信息。
大地震发生后的一定时间内或在断层蠕滑过程中, 大量小地震通常围绕在断层面及其附近发生。 因此, 利用一定数量的小地震震源位置可反演得到断层面相关参数。 其基本思路是寻求一个平面, 使所有小地震的震源位置到这个平面距离的平方和最小(王鸣等, 1992)。 建立目标函数为所有小地震到断层面垂直距离与观测误差比值的平方和:
寻找参数ρ 、 φ 、 δ 的值, 使得式(6)为最小值, 这时的φ 为所求断层的走向, δ 为所求断层的倾角。
虽然根据小地震的丛集程度可以判断断层的走向和倾角, 然而滑动角对于地震断层相互作用研究至关重要。 基于一定的合理假定——地震断层错动方向与局部应力场在该断层面上作用的剪切应力方向一致, 万永革等(2008)给出了断层滑动角的估计方法: 设构造应力场P轴的走向为φ P、 俯角为δ P, T轴的走向为φ T、 俯角为δ T, 则在NE下地理坐标系中方向矢量可表示为
中间轴(B轴)的方向可由式(9)求得:
在研究地震的震源机制和构造应力场之间的关系时, 经常引入表示主应力相对大小的量R(崔华伟等, 2019):
其中, S1、 S2 和S3为最大主应力、 中间主应力和最小主应力。
根据前面得到的地震断层面走向φ 、 倾角δ , 该断层的滑动方向和法向在NE下地理坐标系中可表示为
其中, l、 m、 n分别为断层面的走向、 沿断层面向下方向和法向。 将主轴坐标系中的应力张量(式)表示在断层坐标系l、 m和n中, 则沿断层走向和倾向的应力可表示为
这样, 滑动角可表示为:
解决上述反演问题的传统做法有局部算法和全局算法, 这2种方法依赖初始解, 如果初始解选取得不合适, 得到的解将会远离真实解。 万永革等(2008)发展了模拟退火全局搜索和高斯牛顿局部搜索相结合的方法解决上述问题, 避免了依赖初始解的缺陷, 不仅能在全局搜索最优解, 而且可以估计参数的误差, 并且在求得大地震断层面后还可以根据区域构造应力场参数估计断层面上滑动角, 因此被广泛应用于断层参数确定研究中(刘白云等, 2012, 2014, 2015; 李峰等, 2017; 韩晓明等, 2018; 林群等, 2018)。
本文在定位过程中收集了来自甘肃及周边测震台网共20个台站(包括甘肃地震台网11个固定测震台、 青海地震台网6个固定测震台、 内蒙古地震台网1个固定测震台和宁夏地震台网2个固定测震台)2008年1月—2019年12月的地震观测报告资料, 以及基于中国地震科学台阵探测二期项目布设在南北地震带北段的18个台站2014—2015年记录的资料经定位形成的观测报告, 各类台站的分布情况见图 2。 在收集到资料中, 震中位于本文研究区(36.9°~37.3°N, 102.9°~104.1°E)内的地震共有833次, 震级分布范围为ML0.1~5.0, 包含Pg震相5 581个, Sg震相5 042个。
地震定位结果不仅涉及定位方法的选择, 而且与研究区定位所采用的初始结构模型紧密联系。 本文进行地震双差定位反演所采用的初始模型(图 3)参考了该地区人工地震、 层析成像等研究结果(李松林等, 2002; 周民都, 2006), 空间任意点的速度值均利用线性插值求得。
基于上述收集并整理好的地震观测资料用共轭梯度法(LSQR)求解方程。 在读取震相到时时, 不同震相读数的精度各不相同, 往往需要对不同质量的数据作加权处理。 一般情况下, 由于P波到时的读取质量优于S波, 故对2种震相分别赋予1.0和0.5的权重。 针对研究区内小地震较多、 台站分布较密集的特点, 选取台站与地震的间距为200km、 地震对的间距为10km。 最终共有700个地震得到了重新定位结果, 定位均方根残差从重新定位前的0.63s降为0.15s。 从重新定位前(图 4)、 后(图 5)的地震空间分布图像来看, 重新定位后的地震相对更加集中分布于老虎山断裂带两侧。
震源深度是探讨地震孕育和发生的深部环境、 地壳变形特性及其力学性质、 属性以及圈层构造等诸多大陆动力学问题的重要参数(张国民等, 2002)。 分析重新定位前、 后地震的震源深度分布频度可知(图 6), 重新定位前研究区内地震的震源深度集中分布于5~10km, 重新定位后0~5km深度范围内的地震频度明显加大, 成为新的震源优势集中层。 即重新定位后, 这一区域地震的震源深度呈明显集中的趋势, 大部分地震都均匀分布在0~10km之间, 显示出该区地震震源深度较浅的特征。 而这一特征与该区历史上发生的1990年天祝MS6.2和2000年景泰MS5.9地震的主震及其余震的震源深度分布特征总体一致(才树华等, 1992)。 同时, 后文反演的断层面整体埋深也在上述深度范围内。 这或许是由于青藏块体的快速抬升和在本区NE向推挤的过程中遇到阿拉善块体和鄂尔多斯块体的阻挡, 在这一地区形成了弧形断裂组成的断裂束, 而这些断裂束的新活动性强、 埋深浅, 故在活动过程中形成了一系列震源深度较浅的地震所致。
根据老虎山断裂附近小地震的重新定位结果、 断裂两侧小地震的展布特点以及断裂的位置和走向, 沿断裂选定了矩形区域内小地震事件(图 5)进行断层面参数反演, 结合模拟退火算法和高斯牛顿算法, 求得老虎山断裂的走向、 倾角、 距坐标原点的距离及断层的4个顶点的位置(表1)。
反演得到的断层近直立(图7c)。 由于选择用于反演断层面的地震基本沿断层呈均匀对称分布, 故得到的小地震与反演断层面距离的分布频度(图7d)也基本呈对称分布, 表明大部分小地震分布在所求断层面的附近。
通过反演计算拟合出断层的走向约为103°, 即N77°W; 倾角为89°, 即为近直立的高倾角断层; 其下界埋深约14km, 上界埋深约2km(图7c), 表明该断裂的基础深度位于上地壳内; 长约38km, 由SE从景泰喜集水(37.05°N, 104.05°E)延伸至NW向的天祝松山(37.12°N, 103.66°E)。 反演得到的断层面的顶点位置见表1。
从反演结果来看, 断层的走向、 倾角和空间展布(图7a)与地震地质和其他研究方式得到的该断裂的几何特征非常吻合。
在研究地震震源机制和构造应力场之间的关系时, 不仅需要知道应力场P轴的走向φ P和俯角δ P、 T轴的走向φ T和俯角δ T, 还需引入表示主应力相对大小的量R。 卜玉菲等(2013)将甘肃及其邻区划分为1°×1°的子区, 利用甘肃及邻区2001年以来245个ML≥ 3.5地震的震源机制解数据, 由多个震源机制解反演该区平均应力场, 给出了覆盖甘肃及邻区的1°×1°的构造应力场方向和相对大小, 该结果中就包括本研究涉及的老虎山地区的构造应力场和R值结果。
考虑到断裂活动受大尺度构造应力场的控制, 选取其研究结果中能代表该区域的构造应力场参数(表2)。
假定P轴和T轴的走向误差为5°, 倾伏角误差为10°, 根据前文得到的断层面走向、 倾角及其标准差, 采用表2中的局部应力场参数及其标准差求解滑动角及其标准差, 得到老虎山断裂的滑动角为0°, 标准差为9°, 表明其滑动性质为纯左旋走滑。 该结果也与地质学考察的结果非常一致。
1990年以来, 发生于老虎山断裂的2次强震分别为1990年天祝MS6.2和2000年景泰MS5.9地震(荣代潞等, 2001; 陈军营等, 2009)。 前人对这2次地震的地震烈度、 发震构造、 震源机制解等方面进行了研究, 结果表明这2次强震的震中区长轴均呈NW向展布。 1990年天祝MS6.2地震的余震以主震为中心呈NW向丛状分布, 余震大体沿左旋方向迁移发生, 据此推测发震构造为左旋运动(才树华等, 1992)。 另外, 这2次地震震源机制解的节面I走向为96°~98°(表3), 与老虎山断裂的产状吻合。 再结合地震灾害损失调查和烈度衰减特征分析, 即可认为这2次强震的孕震和发震构造均为老虎山断裂。
本文反演得到的断层面参数与2次强震的震源机制解和基于余震推测的断裂滑动性质均非常一致。 从反演的断层位置与2000年景泰MS5.9地震烈度圈的关系来看, 其与2000年景泰MS5.9地震烈度圈的长轴走向也是一致的(图 8), 上述多个方面的比较结果说明此次反演结果是真实可信的。
此外, 为了更清楚地显示研究区地表断裂、 反演断层面、 精定位小地震之间的分布情况及相互关系, 我们绘制了它们的三维立体分布图(图 9)。 从图 9 可以清晰地看出, 老虎山地表断裂与反演断层面在地表的投影线相互平行, 且距离非常近。 反演的断层面近直立, 与纯走滑断层的产状特征一致。 反演断层面内精定位小地震密集分布。
本文首先利用双差定位法, 基于研究区内2008—2019年的台网和台阵观测数据对小地震进行了重新定位。 之后, 根据精定位后的小地震分布和断层位置, 沿着老虎山断裂选定重新定位的小地震事件进行断层面参数反演, 结合模拟退火全局搜索和高斯牛顿局部搜索方法, 获得了老虎山断裂断层面的走向、 倾角、 位置及相应的误差, 并基于区域应力场参数反演了该断层面上的滑动角。 最后, 将所得计算结果与前人分析的研究区内2次强震发震构造的几何特性以及地质学认为的老虎山断裂的空间展布情况进行了比较, 获得了以下主要结论:
(1)反演到的断层面走向为N77°W, 标准差为0.2°; 产状近直立; 滑动角为0°, 标准差为0.7°; 综合说明该断裂是一条NW走向的高倾角纯左旋走滑断裂。
(2)从前述内容来看, 无论是老虎山断裂本身的几何产状还是2次强震发震构造的研究成果, 前人对该断裂空间几何展布认识是统一的。 本文绘制的老虎山断裂的分布图引用了何文贵等(1994)给出的结果。 由于本文的研究区域较小, 图示的误差可以忽略不计。 另外, 从结论(1)可以看出, 反演得到断层面的走向和滑动角的误差均< 1°, 故可认为本研究反演得到的断层面位置及地质学描述的老虎山地表断裂的位置均是可信的。 比较两者的空间位置可知, 老虎山地表断裂与反演得到的断层面在地表的投影线相互平行, 且距离非常近。 反演得到的断层面即为地表断裂在深部的延伸。
(3)对比反演结果及已有的1990年天祝MS6.2和2000年景泰MS5.9地震发震构造的几何性质结果并开展分析可知, 反演得到的老虎山断裂的断层参数与地质考察、 震源机制研究等方面的认识十分吻合。 此外, 反演得到断层与2000年景泰MS5.9地震烈度圈的长轴走向一致。
以往对活动断裂的研究多以野外宏观调查的定性研究为主。 近年来, 随着地震定位和反演技术的发展, 一些针对活动断裂参数确定的定量化研究也逐渐实施和开展。 本文对老虎山断裂的断层面参数和滑动角的反演结果, 可在地震学研究方面与前人对该断裂的几何学特征研究相互印证。 事实证明, 断层面参数反演法为研究活动断裂几何学特征的一种重要手段, 可为确定活动断裂相关参数提供更加充分的证据。
致谢 本研究使用了万永革研究员提供的断层面计算程序, 在此表示衷心感谢!
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