河北文安地震前地震活動(dòng)特征

河北文安地震前地震活動(dòng)特征

文安地震活動(dòng)特點(diǎn)根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的測(cè)定，2006年7月4日，河北文安（38.9n，116.3e）發(fā)生了ms。由于文安地震較小,震前觀測(cè)到的前兆異常信息很有限。震后,學(xué)者們從重力、形變及震源機(jī)制解等諸多方面進(jìn)行了較深入研究。由于常規(guī)定位中深度誤差較大,地震活動(dòng)性的研究基本限于二維平面。國(guó)外曾有過(guò)三維空區(qū)的研究報(bào)道。1989年美國(guó)洛馬普列塔7.1級(jí)地震前20年,沿圣安德烈斯斷層帶微震活動(dòng)顯示出一個(gè)深度分布的空區(qū),其位置與形變觀測(cè)認(rèn)定的閉鎖區(qū)一致。洛馬普列塔7.1級(jí)地震及其余震基本填滿了該空區(qū)。隨著數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)資料的增加,國(guó)內(nèi)也開始有了這方面的報(bào)告。本文在對(duì)首都圈地區(qū)2002年以來(lái)小震重新定位的基礎(chǔ)上,在三維空間尺度分析了文安地震前中小地震活動(dòng)特點(diǎn)。文中除了使用小震重新定位結(jié)果外,還使用了中國(guó)大陸地區(qū)的歷史地震目錄,1高精度3d地殼速度結(jié)構(gòu)的反演由于傳統(tǒng)地震定位方法使用均勻水平層狀速度模型計(jì)算走時(shí),所以確定的地震位置存在不同程度的偏移。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用地震層析成像技術(shù)反演高精度3D地殼速度結(jié)構(gòu)正成為一種常規(guī)手段。本文使用齊誠(chéng)等首都圈地區(qū)三維P波速度結(jié)構(gòu)研究結(jié)果,采用Chen等基于3D速度結(jié)構(gòu)模型的小震定位方法對(duì)2002年至2007年3月首都圈地區(qū)4995個(gè)小震做了重新定位。1.1基于獨(dú)立定位的地震事件新處理首都圈數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)共由107個(gè)臺(tái)站組成(圖1),該臺(tái)網(wǎng)在2002年1月至2007年3月共記錄到6283個(gè)地震事件。對(duì)初始定位誤差較大以及記錄事件的臺(tái)站數(shù)小于4個(gè)的事件進(jìn)行刪除,從6283個(gè)地震事件挑選出4995個(gè)事件。通過(guò)對(duì)這4995個(gè)事件進(jìn)行震相識(shí)別,共得到46487個(gè)P波到時(shí)數(shù)據(jù)。1.2lengers阻尼最小二乘法求解假定一個(gè)事件被n個(gè)臺(tái)站記錄到,在第i個(gè)臺(tái)站觀測(cè)的到時(shí)記為tiobs,xj(j=1,2,3)表示事件的初始位置,t0表示發(fā)震時(shí)刻。則觀測(cè)到時(shí)可表示為tiobs=Τi+t0+3∑j=1?Τi?xjδxj+δt0,i=1,2,?,n(1)tiobs=Ti+t0+∑j=13?Ti?xjδxj+δt0,i=1,2,?,n(1)式(1)中,Ti表示初始震源位置至第i個(gè)臺(tái)站的走時(shí)。則走時(shí)殘差可以寫成如下形式δti=tiobs-Τi-t0=3∑j=1?Τi?xjδxj+δt0(2)δti=tiobs?Ti?t0=∑j=13?Ti?xjδxj+δt0(2)將(2)式寫成矩陣形式δt=Ax(3)δt=Ax(3)式中δt=(δt1δt2?δtn)Τ(4)A=[?Τ1?x1?Τ1?x2?Τ1?x31?Τ2?x1?Τ2?x2?Τ2?x31???1?Τn?x1?Τn?x2?Τn?x31](5)x=(δx1δx2δx3δt0)Τ(6)求解(3)式的問(wèn)題可以表述為求使‖δt-Ax‖最小的解向量x,即標(biāo)準(zhǔn)最小二乘解x=(AΤA)-1AΤδt(7)對(duì)系數(shù)矩陣A進(jìn)行奇異值分解,即A=UΛVT,則式(7)變?yōu)閤=VΛ-1UΤδt(8)由于方程(1)中地震事件的初始位置和發(fā)震時(shí)刻與實(shí)際參數(shù)相去甚遠(yuǎn),可以采用Levenberg′s阻尼最小二乘法求解。引入阻尼因子λ2,則(8)式變?yōu)閤=V(Λ2+λ2Ι)-1ΛUΤδt(9)式中I為單位矩陣。解的誤差可用解的誤差的方差來(lái)描述。對(duì)應(yīng)式(9)的協(xié)方差矩陣可以寫成C=σ2dV(Λ2+λ2Ι)-1ΛVΤ(10)式中σd為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,其方差可以表示成σ2d=∥δt-Ax∥22n(11)利用式(10)和式(11),可以得到解的協(xié)方差矩陣,協(xié)方差矩陣的對(duì)角元素就是相應(yīng)解分量的誤差的方差,即可以求出解的誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。1.3重新定位前后地震震對(duì)比經(jīng)過(guò)5次迭代反演后,P波走時(shí)的均方根殘差(RMS)由反演前的0.9656s降到反演后的0.8392s,定位偏差在緯度方向上平均為1.913km,在經(jīng)度方向上平均為1.6117km,在垂直方向上平均為2.6047km。精定位前后地震震源深度的變化顯示,精定位后10km以內(nèi)的小震明顯增多(圖2)。圖3是重新定位前(a)后(b)地震震中分布圖?？梢钥闯?重新定位后,地震分布明顯線性集中。對(duì)重新定位的地震作震級(jí)-頻度關(guān)系圖(圖4),從擬和曲線可以看出,精定位結(jié)果基本可以控制首都圈地區(qū)的ML≥1.4地震。2文安地震前地震活動(dòng)的異常特征2.1p干部歷史地震活動(dòng)河北平原地震構(gòu)造帶北起盧龍、灤縣地區(qū),向西南經(jīng)唐山、寧河、武清、河間、深縣、辛集、寧晉、任縣、邯鄲至磁縣。該構(gòu)造帶主要發(fā)育著一系列NNE—NE走向的斷裂帶,全長(zhǎng)600km,屬于晚第三紀(jì)—第四紀(jì)新生斷裂帶,最新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為NE向的新(微)隆起帶,引起了河道的變遷,在空間上與現(xiàn)代強(qiáng)震帶重疊,又稱為“邢臺(tái)—河間—唐山地震破裂帶”。在構(gòu)造帶內(nèi),受NW—NWW向不均勻體或斷層切割,NNE—NE向斷裂是主體發(fā)震斷層,但切割主體活動(dòng)構(gòu)造的NW—NWW向活動(dòng)斷層本身也可以發(fā)震。本文以NW走向的衡水?dāng)嗔押退E運(yùn)河斷裂為界,將平原帶分為西南段、中段和東北段三段。西南段為寧晉、磁縣地區(qū),東北段為唐山及其附近地區(qū)(圖1、圖3)。歷史地震活動(dòng)顯示,東北段和西南段地震活動(dòng)非常強(qiáng)烈,有歷史記錄以來(lái),西南段發(fā)生了1830年河北磁縣ΜS712和1966年邢臺(tái)MS7.2地震,東北段發(fā)生了1976年河北唐山MS7.8地震。而中段沒(méi)有發(fā)生過(guò)7級(jí)地震,僅記錄到6級(jí)以上地震3次,最大為1068年8月20日河北河間ΜS612地震。文安地震發(fā)生在平原帶中段,位于1068年河間ΜS612地震NNW方向約50km處。2.2文安地震前原生帶中段應(yīng)變能圖5a是文安地震前10年和河北平原帶中段ML≥3.0地震M-t圖。由圖可見(jiàn),2001年7月至2005年1月,該區(qū)地震活動(dòng)明顯增強(qiáng),共發(fā)生3級(jí)以上地震17次,其中4級(jí)以上地震4次,最大為2003年4月24日天津?qū)幒?.3級(jí)地震。而1996年至2001年6月僅發(fā)生3級(jí)以上地震10次,其中4級(jí)地震1次,為1996年12月22日河北深縣與武強(qiáng)縣間4.1級(jí)地震。2005年2月至文安地震前3級(jí)地震平靜17個(gè)月。文安地震前平原帶中段3級(jí)以上地震活動(dòng)顯示出明顯的增強(qiáng)—平靜—發(fā)震的特點(diǎn)。計(jì)算t時(shí)刻的累積貝尼奧夫應(yīng)變?chǔ)纽?Ν∑i=1Ei12(12)其中Ei表示第i個(gè)地震釋放的能量;N表示t時(shí)刻以前該區(qū)域發(fā)生的地震個(gè)數(shù)。地震釋放的能量由下式求得Log10E=4.8+1.5Μ(13)式(13)中,M為震級(jí),單位為MS。依據(jù)(12)、(13)式計(jì)算平原帶中段累積應(yīng)變能,結(jié)果示于圖5b。可見(jiàn),在文安地震前應(yīng)變能曲線呈明顯的加速上升—轉(zhuǎn)平跡象。這與前人的研究結(jié)果一致,是中強(qiáng)震發(fā)生的主要前兆之一。2.3空區(qū)的形成及地震地質(zhì)情況圖6(a)是1985年至文安地震前平原帶中段及其附近ML≥2.0地震震中分布,其中淺色圓為1985年1月1日至2002年5月31日的地震,深色圓表示2002年6月1日至文安地震前的地震。由圖6(a)可見(jiàn),環(huán)繞著文安地震形成了一個(gè)NEE走向的2.0級(jí)地震空區(qū),空區(qū)形成時(shí)間為4年,長(zhǎng)軸長(zhǎng)約80km。2003年12月14日在距離文安地震震中約9km處發(fā)生了一次2.0級(jí)地震,該地震的震源深度為19.0km。利用精定位的小震資料,繪制文安及其附近地區(qū)ML≥2.0地震的三維空間分布圖(圖6b),可以看出,在15～20km深處,存在一個(gè)緯向長(zhǎng)約70km,經(jīng)向長(zhǎng)約90km的三維空區(qū),文安地震的初始破裂點(diǎn)就位于該三維空區(qū)的下部邊緣。值得注意的是,從三維空間看,前面提到的2003年12月14日發(fā)生的2.0級(jí)地震就位于文安地震的初始破裂點(diǎn)附近,可能為早期前震。使用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的1970年以來(lái)的微震目錄,挑選出圖6(a)中所示空區(qū)內(nèi)的地震,作M-t圖(圖6c)。由圖可見(jiàn),1970年至2002年該區(qū)地震非?；钴S,平均每年發(fā)生2.0級(jí)以上地震5.5次,而文安地震前的4年僅發(fā)生1次2.0級(jí)地震,為1970年以來(lái)最為突出的平靜現(xiàn)象。2.4河北平原帶中段主要地震活動(dòng)圖7是河北平原帶各段ML≥2.0地震震源深度隨時(shí)間的變化圖。由圖可見(jiàn),平原帶中段2002年至2003年3月2級(jí)以上地震主要分布在10～25km范圍內(nèi),2003年4月開始震源逐漸加深,2004年10月7日河北霸縣3.1級(jí)地震(震源深度為29km左右)為河北平原帶中段2002年以來(lái)發(fā)生的最深的地震。其后,地震逐漸向淺處發(fā)展,5～25km范圍內(nèi)均有地震發(fā)生(圖7a)。在地震活動(dòng)逐漸加深的過(guò)程中(2003年4月至2004年10月),河北平原帶中段在20～30km深度范圍內(nèi)地震非?；钴S,共發(fā)生8次3級(jí)以上地震,其中4級(jí)以上地震2次,最大為2003年4月24日天津?qū)幒?.3級(jí)地震。而河北平原帶的西南段(邢臺(tái)地區(qū))和東北段(唐山地區(qū))沒(méi)有出現(xiàn)類似現(xiàn)象(圖7b,c)。3文安地震問(wèn)題(1)由于受震源深度定位精度的影響,以往關(guān)于孕震區(qū)尺度的討論主要停留在二維空間。本文從二維空間得到的汶川地震的孕震空區(qū)尺度(80km長(zhǎng))與王煒等通過(guò)對(duì)華北地區(qū)19次5級(jí)以上地震前半年至數(shù)年形成的孕震空區(qū)研究,得到的孕震空區(qū)與震級(jí)關(guān)系的擬合結(jié)果是一致的。從三維空間看,文安地震的孕震體尺度為70×90×5=31500km3。(2)Mogi通過(guò)研究板緣地震活動(dòng)發(fā)現(xiàn),在大的淺源地震前后,中深源地震出現(xiàn)由淺處向深處遷移的特點(diǎn),薛艷等在蘇門答臘地震前也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。而在板內(nèi)地震活動(dòng)研究中這種現(xiàn)象報(bào)道的很少。文安地震位于冀中坳陷,該區(qū)地殼厚度約28～30km,其中上地殼厚度約20～22km,由高、低速相間夾層構(gòu)成;下地殼厚約6～10km。文安地震震源深度為20km,深度誤差為1.6km,其初始破裂點(diǎn)基本位于上地殼底部,其孕震體位于15～20km深度。震前3年河北平原帶中段2級(jí)以上地震出現(xiàn)由10km的淺處逐漸向30km的深處遷移的特點(diǎn),這個(gè)過(guò)程持續(xù)了18個(gè)月,2004年10月7日在地殼的底部發(fā)生3.1級(jí)地震(震源深度29km),其后地震活動(dòng)逐漸向淺處發(fā)展。在此遷移過(guò)程中,中下地殼地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)。根據(jù)張國(guó)民等的研究結(jié)果,我國(guó)大陸地區(qū)地震震源深度大體上終止于殼內(nèi)脆韌轉(zhuǎn)換帶。文安地震位于冀中坳陷,其附近幾次中強(qiáng)地震的深度比華北其它地震大約深1倍以上,如1967年河間MS6.3地震的震源深度為30km,1973年大城MS5.4地震的震源深度也是30km。這