邢台地震断层运动特征反演分析

邢台地震断层运动特征反演分析 3 邢台地震断层运动特征反演分析 刘洁宋惠珍 () 中国地震局地质研究所, 北京 100029 摘 要依据地形变测量资料, 采用不均匀位错反演方法, 建立邢台地区两个不同的断层模 型, 分别计算了 1966 年邢台地震时 3 月 8 日 6. 8 级地震、3 月 22 日 6. 7 级和 7. 2 级地震及整个震群 过程断层产生的不均匀错动量, 并对结果特征进行了分析。 主题词: 邢台地震 断层运动 位错反演 1 引言 邢台地震过程中地表形变呈现规律性变化。地震期间多次重复水准测量表明, 在极震区震 前地形上升, 震后下降。例如, 1966 年 3 月 8 日 6. 8 级地震前, 牛家桥- 马栏迅速上升 60 余毫 米, 震后进行的水准复测发现极震区有一椭圆形下降带, 中心在马栏村, 最大沉降量为 200 多 毫米; 此时其北部的东汪一带明显上升, 14 天之后在隆起的范围内发生了王府 6. 7 级和东汪 7. 2 级地震, 震后也发现在极震区有大幅度下沉, 最大下降量 440 余毫米, 沉降中心在小河庄;同时又在南部 6. 8 级主震区外的地区出现上升, 3 月 29 日又在此隆起区发生了 6. 0 级地震。 同时地震前后的三角测量也显示断层带两侧具有强烈的右旋水平错动, 最大水平位移达 40 多 () 厘米 国家地震局地震测量队, 1975; 河北省地震局, 1986。这些观测事实表明邢台地震是由断 层错动引起的, 而且震群中每一个强震都对应断层上一次不同的位错运动。 () 陈运泰等 1975曾对邢台地震断层运动进行过研究。 本文是利用地质及地球物理探测新 成果, 采用断层位错反演方法, 研究邢台地震过程中断层的不均匀错动分布, 分别反演分析了 3 月 8 日 6. 8 级地震、3 月 22 日 6. 7 级和 7. 2 级地震及全震群过程中断层的运动特征, 不仅为 深入研究邢台地震孕育、发生、发展过程提供了依据, 也获得了地形变与断层运动的相关信息。 2 方法、模型与资料 计算方法以大地形变测量数据为基础资料, 根据沃尔特拉位错理论, 将断层面划分为若干 个均匀的矩形网格单元, 建立断层各单元运动与地表测线变化间的定量对应关系: = , 式 G u L () 中, 为 + ×的格林函数矩阵, 其中 为测线数量, 是未知数个数, 等于断层面上离G n cM n M ( ) 3 国家科委“八五”重点科技攻关项目85907020104; 中国地震局地质研究所论著 990030。 B ( ) 散的单元个数与单元滑动分量个数之积, 是断层近地表处已知滑动 约束的个数; 为×1 c u M () 阶未知的断层面单元滑动分量; 为 + ×1 阶的已知数列, 包括测量数据和表层约束值 。 L n c 通过对“格林核”矩阵 进行奇异值分解的方法, 可获得包含不同奇异值个数的一系列解。 在G 这一系列解中, 最佳解的选择依据是 4 个误差指标: 残差平方和及解的粗糙度, 解的拟合差与 ()解的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 均方差, 根据不同解的误差变化规律, 选取折中的解为最佳解 刘洁等, 1995。 2. 1 断层模型 ( 邢台地震发生于窄小的束鹿地堑内, 主要受两组断层的作用: 一组为浅部新河断裂 实际 ) 是由若干铲状断裂组成的断层系, 发育于古生代以来的沉积岩层中, 其延伸深度约 7, 倾 km 向另一组为深部断裂, 断裂顶部埋深约 6, 16, 底部抵达莫霍面, 倾角约 80?, 倾向 。 ; NW km SE?深、浅两组断层的水平面投影位置接近, 走向相同, 但在深度上二者并没有交接。 鉴于深、浅 ( ) 两组断层的倾向相反, 构造较复杂, 而反演模型要求断层 位错面为一矩形面, 我们采取了分 ()别建立两个反演断层模型的方法, 分别对应深浅两条断层 图 1。 () () 1浅部断层模型?长 75, 深 7地表至地下 7, 将铲状断层简化为倾角 45?; km km km () () 2深部断层模型?长 100, 深 30地下 5, 35, 倾角 80?。km km km 图 1 反演计算的断层模型图 . 1 .F igF au lt m o de ls fo r inve r sio n 浅部断层模型; 深部断层模型; 坐标原点在邢家湾附近, 轴与断层走向一致a b x 2. 2 资料来源 震前 1920, 1955, 1965 年及震后 1966 年, 在震中区进行了水准测量。因震前有重复测量资 料的仅一条沿滏阳河的测线, 未形成复测网, 无法计算震前断层深部的滑动速率。 国家地震局 测量队根据 1965 年及 1966 年震后多次水准资料进行计算, 分别给出了 3 月 8 日 6. 8 级地震震中附近地表垂直形变图、3 月 22 日 6. 7 级、7. 2 级两个地震产生的地表垂直形变图和邢台震 ()群地面垂直形变图 国家地震局测量队, 1975。 邢台地区进行过两次三角测量, 分别于 1960 年和 1966 年震后实施, 主要反映了邢台地震 前后的变形。 本文反演计算引用上述资料进行。3 月 8 日 6. 8 级和 3 月 22 日 6. 7 级、7. 2 级地震时断层 ? 断层模型由刘国栋、白登海提供。 位错的反演均只有水准资料, 但邢台震群过程的反演有水准和三角测量两种资料。邢台地震过 程地表形变及三角网布置见图 2。 () 图 2 邢台地震造成的部分地表形变图 国家地震局地震测量队, 1975 . 2 F igM ap o f th e su rface d isp lacem en t s in th e X ing ta i ea r th quak e a rea ( ), , 1975. T h e Geo de t ic Su rvey B r igade fo r E a r th quak e R e sea rch SSB 邢台震群地面水平形变矢量及三角网布置;a ) ( 1966203222 震后相对 1966203208 震后的地面垂直形变; 等值线单位: 下同b mm 3 断层滑动反演及结果 3 月 8 日 6. 8 级地震断层滑动反演计算共采用 40 条水准线; 3 月 22 日 6. 7 级和 7. 2 级地 震时断层滑动反演共采用水准线 42 条; 全震群过程的反演计算共有测线 115 条, 其中三角测 量资料 71 条, 水准线 44 条。每一过程中断层滑动的反演均假设地表形变为某一模型单独作用 造成, 两个模型分别进行计算, 随后对两个模型 3 组资料共 6 个反演结果进行对比分析。 3. 1 3 月 8 日 6. 8 级地震 假设地表形变完全由浅部断层错动造成, 将地表观测到的该地震地面破坏作约束: 走滑错 距 0, 600, 倾向错距 0, 400, 最大值在第 30 号单元上, 即牛家桥附近。 反演出的浅部 mm mm ( 断层震时走滑、倾滑运动量分布如图 3 图中走滑左旋为正, 右旋为负, 倾滑逆断为正, 正断为 )负, 下同。 显然, 断层显示出右旋正断的运动性质, 最大走滑量 560, 最大倾滑量 380, mm mm 最大值均出现在牛家桥附近的地表。 ( ) 假设地表水准测线的变化完全由深部断层滑动造成, 其反演结果 图 4显示, 断层的南段 () 任县至东汪以东仍显示为右旋正断的运动性质, 但倾滑量大于走滑运动量。东汪至百尺口则 为左旋逆断, 且以逆断运动为主。当时是否存在一个小范围、暂时的左旋运动已不得而知, 但此 () 结果的逆断运动性质, 却与当时 6. 8 级地震之后, 下一个地震震中 东汪附近地表抬升的现象 是吻合的。 浅部断层模型 1966203208 6. 8 级地震的不均匀错动分布 图 3 . 3T h e d ist r ibu t io n o f th e uneven co se ism ic d islo ca t io n o f th e sh a llow F ig 8 6. 8 .fau lt m o de l o f M a rch M ea r th quak e a 走滑; b 倾滑 深部断层模型 1966203208 6. 8 级地震的不均匀错动分布 图 4 F ig. 4 T h e d ist r ibu t io n o f th e uneven co se ism ic d islo ca t io n o f th e deep fau lt m o de l o f M a rch 8 M 6. 8 ea r th quak e. 走滑; 倾滑a b 3. 2 3 月 22 日 6. 7 级和 7. 2 级地震 根据震后地表观测到的地裂缝、错断等给出浅部断层模型表层约束值: 走滑错距 0,800, 倾滑错距 0, 600, 最大值出现在东汪附近的 86 号单元上。反演结果显示断层的运 mm mm 动性质为右旋、正断, 与地表破裂及震源机制解结果一致, 最大值出现在东汪附近的地表, 显示 ()出向南快速衰减, 向北逐渐扩展的破裂、运动特性图略。 ( )据深部断层位错分布 图 5。 东汪附近显示为正断兼右旋走滑运动, 倾滑运动明显占优 势。 走滑运动在南北两端的任县和百尺口各有一小范围、小量值的左旋运动, 邢家湾以南的左 旋运动似乎造成了断层东南盘在此运动受阻的状态, 而图 2中 1, 2, 4, 5 点的位移矢量恰巧证 a 明了这一点; 同样百尺口附近的左旋运动也可从图 2中 28, 29, 33 点的位移矢量得到验证。倾a 滑运动则在牛家桥以南均以逆断层运动为主, 该结果应与形变资料图 2中邢家湾至牛家桥以 b 东存在几个上升变形点有关。 图 5 深部断层模型 1996203222 6. 7 级、7. 2 级地震的不均匀错动分布 . 5 F igT h e d ist r ibu t io n o f th e uneven co se ism ic d islo ca t io n o f th e deep fau lt m o de l 22 6. 7 7. 2 .o f M a rch M and M ea r th quak e a 走滑; b 倾滑 3. 3 震群过程的反演计算 浅部断层附加表层约束计算结果仍表现为右旋正断运动, 走滑运动量大于倾滑运动量, 且 量值与地表观测对应, 以牛家桥至百尺口段为主体运动段, 其中东汪附近地表运动量最大, 向 ()深部错距递减图略。 图 6 深部断层模型震群过程的不均匀错动分布 . 6 . F igT h e d ist r ibu t io n o f th e uneven co se ism ic d islo ca t io n o f th e deep fau lt m o de l in th e ea r th quak e sw a rm走滑; 倾滑a b () 从深部断层反演结果 图 6可见, 走滑运动分量明显大于倾滑运动分量。走滑运动为右旋 型, 最大值可达 3 000, 分布在牛家桥至东汪附近, 与震源位置对应。倾滑运动为正断型, 具 mm 两个高值区, 其一在任县至邢家湾之间, 深度较大; 其二在东汪附近, 与 6. 7 及 7. 2 级地震震源 位置一致, 百尺口以北倾滑运动量极小。 该结果显示了地形变在垂向上呈断块式下沉的特点。 值得注意的是, 单个地震的发生伴随着极震区的下沉和下一个地震震中区的抬升, 全震群过程的反演计算只考虑震前和震后的总体形变, 忽略了不同地点、不同时期的升降运动, 因而 该倾滑结果的量值是失真的。 3. 4 确定性分析 尽管浅部断层模型最表层单元的错动与实际观测到的地表破裂对应, 而且其总体右旋正 断运动也与震源机制解相符, 但是从震源机制解得到的断层产状、震源深度以及本文的反演结 果均说明发震断层为深部断层。实际上, 反演得到的浅部断层模型运动特征, 在地下震源处, 因错距小而不可能造成地表严重破坏。深部断层模型的错动性质为右旋正断型, 与震源机制解一 致, 它解释了下一个地震地表抬升的现象以及断层东南盘两端水平位移的反向特征。邢台震群 4 3时间长、频度高、震级大, 震源体积可达 6. 28×10; 而深部断层模型长 100, 深 30, 与 km km km 震源体积一致。 将图 6, 7 进行对比, 发现深部断层模型与地震多发区域范围具有很好的一致 性, 而且较大地震总是发生在断层运动值较大或断层运动性质变化点。 () 图 7邢台地震群 3 级以上地震的深度剖面 河北省地震局, 1986 () > 3 . 7 F igD ist r ibu t io n o f th e h ypo cen t re s M o f th e X ing ta i ea r th quak e (), 1986.Se ism o lo g ica l B u reau o f H ebe i P ro v ince 虽然深部断层未出露于地表, 无法比较反演的断层滑动是否与地表破裂一致, 但可以通过 其造成的地表形变进行判定。 分别将 6 组反演结果以断层滑动 为已知数, 通过 = 的正 u G u L () (演计算, 获得地表测线同样也可获得测点的变化值, 与实测地形变图 国家地震局测量大队, ) 1975进行对比。据 3 月 8 日 6. 8 级地震深部断层模型错动计算的地表垂直形变与实际地形变 (( ) ( ) ) 对比 图 8, 图 8中震中附近有一下沉区 负值, 而下一个地震的震中附近略有抬升 正值, a () 计算结果总体与实测结果图 8吻合较好。而浅部断层模型计算的地表垂直形变数据却无法 b 和实测结果吻合。 ( ) 据邢台震群的地表水平形变对比 图 9, 情况更为复杂。 图中虚线所代表的计算结果为 深、浅部断层模型的综合结果, 因为深、浅部断层模型分别对地表的作用均与实测值不太对应。 () 浅部断层模型只造成断层线附近一些点的较大位移 相对实测值, 远离断层处位移量极小, 相 对运动方向与测量矢量吻合; 与之相比, 深部断层距地表埋深 5, 使计算的地表位移在断层 km 附近无明显增大, 但在整个区域上位移矢量值明显大于浅部断层的正演结果, 与实测值较为 接近。 () 可以由此说明两点: 1深部断层对地表较大范围内的形变起控制作用, 总体与实测结果 () 较一致; 2浅部断层受深部发震断层的牵制而运动, 主要对地表断层线附近少数测点的位移 (产生较大影响。 进而也说明本文的断层模式是可信的, 较过去直通地表的单一断层模式 徐煜 ) 坚等, 1985更为合理。 ()图 8 1966203208 地震垂直形变计算结果与实测值对比 国家地震局地震测量队, 1975 . 8 8, 1996 . F igCom p a r iso n o f th e ca lcu la ted ve r t ica l d isp lacem en t o n M a rch w ith th a t o f m ea su red ( ), , 1975.T h e Geo de t ic Su rvey B r igade fo r E a r th quak e R e sea rch SSB 深部断层模型计算值; 实测值 a b 基于以上分析, 我们可认为在邢台地震过程中, 由深浅两组断裂带所划分的东西两盘之间 存在相对运动, 而地震的发生与断裂的扩展、延伸过程相对应。深部断裂可能承受着板块边界、 地幔上涌或其它方面传递的力, 在地震破裂的相对运动过程中起主导作用; 而浅部断层因为是 先存弱面, 在深部断层产生相对运动时也被动地产生相对位错。计算时将地表形变全部归因于 一个断层模型造成, 得到的深部断层滑动值可能比“真实”值略偏大, 但就前文正演计算结果与 实测值对比, 考虑到理想模型与实际地质结构的差异、测量资料本身的误差等因素, 计算结果 的这个“偏大”误差量应是可以接受的范围。 3. 5 相关对比 三组深部反演结果中, 走滑以震群过程断层运动量最大, 达 3多, 倾滑以 3 月 22 日 6. 7 m 级、7. 2 级两个地震地表的运动量最大, 达 1。 一般来说, 水准测量较好地反映了断层的倾滑 m () 升降运动, 三角或基线测量则能较好地反映断层水平方向的相对错动。在分段反演的 3 月 8 日和 3 月 22 日地震中, 仅采用了水准资料, 其倾滑运动量较为可信, 至于走滑运动量, 我们依 () 据前人的分析研究结果 河北省地震局, 1986: 邢台地震断层运动走滑量是倾滑运动量的 1. 5 倍。那么, 对于 3 月 8 日 6. 8 级地震和 3 月 22 日 6. 7 级、7. 2 级地震, 可从最大倾滑量导出最大 走滑量。而全震群的反演结果中倾滑运动量是各单个地震过程造成的抬升、下沉变化相互抵消 ()后的结果, 若依据该关系则可推算出各次地震倾滑运动的算术总和为 2. 33表 1。 从邢台m 地震本身单个地震与震群断层运动量来看, 6. 8 级地震最大走滑量 0. 40、最大倾m 滑量 0. 27; 6. 7 级和 7. 2 级地震最大走滑量 1. 5、最大倾滑量 1, 再考虑 3 月 26 日和 3 月m m m 29 日分别发生的 6. 2 及 6. 0 级地震以及余震, 全地震过程的总水平位错达 3多是完全合理 m 的。 () () 邢台地震群计算水平形变位移 虚线与实测位移 实线矢量对比图 图 9 () ( ). Com p a r iso n o f th e ca lcu la ted ho r izo n ta l m o t io n vec to r s da sh line a r row w ith tho se o f m ea su red so lid line a r row F ig. 9 如果不考虑地震发生的具体破裂过程, 仅就地表形变反演得到的断层震时错动量, 本文的 计 () 算结果可以与唐山地震断层的震时错动 刘洁等, 1997进行对比。 从表 1 可看出, 唐山地震 断层的最大走滑、倾滑运动分量和地表观测最大水平、垂直错距均是邢台地震群对应量值的 3 () , 4 倍。 一方面, 根据断层破裂与地震震级的对数型经验关系 笠原庆一, 1984, 多个 6. 0, 7. 2 级地震构成的邢台地震群与唐山 7. 8 级地震破裂差值为 3, 4 倍, 从量值上是可以接受的; 另一方面, 表 1 震时断层错动量对比表 m T ab le 1 Com p a r iso n o f co se ism ic d islo ca t io n s 地震事件深部最大走滑量地表最大水平错距深部最大倾滑量地表最大垂直错距 ( ) 0. 27 0. 18 0. 4 邢台 3 月 8 日 6. 8 级地震 邢台 3 月 22 日 7. 2, 6. 8 级地震 ( )0. 36 1. 5 1. 0 邢台地震全过程 ( )0. 42 2. 3 3. 5 0. 8 0. 4 唐山 7. 8 级地震 10. 5 2. 5 8. 0 1. 5 注 计算结果存在不合理性时, 由走滑、倾滑运动之比推算值置于括号内。 在假定的线弹性体中, 深部断层的位错与地表形变存在着线性对应关系, 不同地震的地表实测 震时错距的比例关系指示了地下断层错动量间的比例。 4 结论 邢台地震的发震断层为深部断层, 地震的发生伴随着断裂的破裂延伸; 深部断层模型反演 结果不仅与震源机制解一致, 而且其运动特征解释了地表形变在极震区下沉、下一个地震震中 区上升的原因; 进而, 单个地震和全震群断层运动量值及唐山地震断层的震时运动具有一定的 对应关系, 虽然仅就两个震例不能得出普遍规律, 但该结果为今后相关的研究工作打下了 基础。 ()1998 年 11 月收稿, 1999 年 5 月改回 参 考 文 献 ( ) 陈运泰, 林邦慧, 林中洋, 等.根据地面形变的观测研究 1966 年邢台地震的震源过程. 地球物理学报, 18 3:164,1975. 182. 国家地震局测量大队. 1975. ( ) 1966 年邢台地震的地形变. 地球物理学报, 18 2: 153, 163. 河北省地震局. 1986. 1966 年邢台地震. 北京: 地震出版社. ( ) 1995. 刘洁, 宋惠珍, 巫映祥, 等.倾斜断层深部不均匀滑动的反演计算. 地震地质, 17 1: 25, 31.( ) 刘洁, 宋惠珍, 巫映祥, 等. 唐山地震发震断层运动学特征与大震重复周期. 地震学报, 19 6: 566, 573. 1997. 徐煜坚, 罗焕炎, 虢顺民, 等. 1985. 华北北部地区地质模型与强震迁移. 北京: 地震出版社. 笠原庆一. 1984. 地震力学. 赵仲和等译. 北京: 地震出版社. K INEM A T IC FEA TURE INVERS IO N O F THE X INGTA I EA RTHQUA KE FA UL T L iu J ie So n g H u izh en )( 100029 , , I ns t itu te of G eology C h ina S e ism olog ica l B u reau B e ij ing A bstra c t , , In th is p ap e rtw o d iffe ren t fau lt m o de ls in X in g ta i a rea a re e stab lish edan d th e u n even 8 6. 8 , 22 6. 7 slip d ist r ib u t io n s o n th e fau lt s cau sed b y th e M a rch M ea r th qu ak eth e M a rch M 7. 2 1966 , an d M ea r th qu ak e s an d th e w ho le ea r th qu ak e c lu ste r in X in g ta i a re in ve r sed re sp ec2 , . t ive lyb y u sin g u n even d islo ca t io n in ve r sio n m e tho d an d geo de t ic da taT h en th e fea tu re s o f .th e re su lt s a re an a lyzed Key word s: X in g ta i ea r thqua ke, Fa ult m ovem en t, D islo ca t io n in ve r sio n