河北文安地震前地震活动特征

河北文安地震前地震活动特征

文安地震活动特点根据中国地震台网中心的测定，2006年7月4日，河北文安（38.9n，116.3e）发生了ms。由于文安地震较小,震前观测到的前兆异常信息很有限。震后,学者们从重力、形变及震源机制解等诸多方面进行了较深入研究。由于常规定位中深度误差较大,地震活动性的研究基本限于二维平面。国外曾有过三维空区的研究报道。1989年美国洛马普列塔7.1级地震前20年,沿圣安德烈斯断层带微震活动显示出一个深度分布的空区,其位置与形变观测认定的闭锁区一致。洛马普列塔7.1级地震及其余震基本填满了该空区。随着数字化地震台网资料的增加,国内也开始有了这方面的报告。本文在对首都圈地区2002年以来小震重新定位的基础上,在三维空间尺度分析了文安地震前中小地震活动特点。文中除了使用小震重新定位结果外,还使用了中国大陆地区的历史地震目录,1高精度3d地壳速度结构的反演由于传统地震定位方法使用均匀水平层状速度模型计算走时,所以确定的地震位置存在不同程度的偏移。随着计算机技术的发展,利用地震层析成像技术反演高精度3D地壳速度结构正成为一种常规手段。本文使用齐诚等首都圈地区三维P波速度结构研究结果,采用Chen等基于3D速度结构模型的小震定位方法对2002年至2007年3月首都圈地区4995个小震做了重新定位。1.1基于独立定位的地震事件新处理首都圈数字地震台网共由107个台站组成(图1),该台网在2002年1月至2007年3月共记录到6283个地震事件。对初始定位误差较大以及记录事件的台站数小于4个的事件进行删除,从6283个地震事件挑选出4995个事件。通过对这4995个事件进行震相识别,共得到46487个P波到时数据。1.2lengers阻尼最小二乘法求解假定一个事件被n个台站记录到,在第i个台站观测的到时记为tiobs,xj(j=1,2,3)表示事件的初始位置,t0表示发震时刻。则观测到时可表示为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个台站的走时。则走时残差可以写成如下形式δti=tiobs-Τi-t0=3∑j=1∂Τi∂xjδxj+δt0(2)δti=tiobs−Ti−t0=∑j=13∂Ti∂xjδxj+δt0(2)将(2)式写成矩阵形式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)式的问题可以表述为求使‖δt-Ax‖最小的解向量x,即标准最小二乘解x=(AΤA)-1AΤδt(7)对系数矩阵A进行奇异值分解,即A=UΛVT,则式(7)变为x=VΛ-1UΤδt(8)由于方程(1)中地震事件的初始位置和发震时刻与实际参数相去甚远,可以采用Levenberg′s阻尼最小二乘法求解。引入阻尼因子λ2,则(8)式变为x=V(Λ2+λ2Ι)-1ΛUΤδt(9)式中I为单位矩阵。解的误差可用解的误差的方差来描述。对应式(9)的协方差矩阵可以写成C=σ2dV(Λ2+λ2Ι)-1ΛVΤ(10)式中σd为数据的标准偏差,其方差可以表示成σ2d=∥δt-Ax∥22n(11)利用式(10)和式(11),可以得到解的协方差矩阵,协方差矩阵的对角元素就是相应解分量的误差的方差,即可以求出解的误差的标准差。1.3重新定位前后地震震对比经过5次迭代反演后,P波走时的均方根残差(RMS)由反演前的0.9656s降到反演后的0.8392s,定位偏差在纬度方向上平均为1.913km,在经度方向上平均为1.6117km,在垂直方向上平均为2.6047km。精定位前后地震震源深度的变化显示,精定位后10km以内的小震明显增多(图2)。图3是重新定位前(a)后(b)地震震中分布图。可以看出,重新定位后,地震分布明显线性集中。对重新定位的地震作震级-频度关系图(图4),从拟和曲线可以看出,精定位结果基本可以控制首都圈地区的ML≥1.4地震。2文安地震前地震活动的异常特征2.1p干部历史地震活动河北平原地震构造带北起卢龙、滦县地区,向西南经唐山、宁河、武清、河间、深县、辛集、宁晋、任县、邯郸至磁县。该构造带主要发育着一系列NNE—NE走向的断裂带,全长600km,属于晚第三纪—第四纪新生断裂带,最新构造运动表现为NE向的新(微)隆起带,引起了河道的变迁,在空间上与现代强震带重叠,又称为“邢台—河间—唐山地震破裂带”。在构造带内,受NW—NWW向不均匀体或断层切割,NNE—NE向断裂是主体发震断层,但切割主体活动构造的NW—NWW向活动断层本身也可以发震。本文以NW走向的衡水断裂和蓟运河断裂为界,将平原带分为西南段、中段和东北段三段。西南段为宁晋、磁县地区,东北段为唐山及其附近地区(图1、图3)。历史地震活动显示,东北段和西南段地震活动非常强烈,有历史记录以来,西南段发生了1830年河北磁县ΜS712和1966年邢台MS7.2地震,东北段发生了1976年河北唐山MS7.8地震。而中段没有发生过7级地震,仅记录到6级以上地震3次,最大为1068年8月20日河北河间ΜS612地震。文安地震发生在平原带中段,位于1068年河间ΜS612地震NNW方向约50km处。2.2文安地震前原生带中段应变能图5a是文安地震前10年和河北平原带中段ML≥3.0地震M-t图。由图可见,2001年7月至2005年1月,该区地震活动明显增强,共发生3级以上地震17次,其中4级以上地震4次,最大为2003年4月24日天津宁河4.3级地震。而1996年至2001年6月仅发生3级以上地震10次,其中4级地震1次,为1996年12月22日河北深县与武强县间4.1级地震。2005年2月至文安地震前3级地震平静17个月。文安地震前平原带中段3级以上地震活动显示出明显的增强—平静—发震的特点。计算t时刻的累积贝尼奥夫应变εε=Ν∑i=1Ei12(12)其中Ei表示第i个地震释放的能量;N表示t时刻以前该区域发生的地震个数。地震释放的能量由下式求得Log10E=4.8+1.5Μ(13)式(13)中,M为震级,单位为MS。依据(12)、(13)式计算平原带中段累积应变能,结果示于图5b。可见,在文安地震前应变能曲线呈明显的加速上升—转平迹象。这与前人的研究结果一致,是中强震发生的主要前兆之一。2.3空区的形成及地震地质情况图6(a)是1985年至文安地震前平原带中段及其附近ML≥2.0地震震中分布,其中浅色圆为1985年1月1日至2002年5月31日的地震,深色圆表示2002年6月1日至文安地震前的地震。由图6(a)可见,环绕着文安地震形成了一个NEE走向的2.0级地震空区,空区形成时间为4年,长轴长约80km。2003年12月14日在距离文安地震震中约9km处发生了一次2.0级地震,该地震的震源深度为19.0km。利用精定位的小震资料,绘制文安及其附近地区ML≥2.0地震的三维空间分布图(图6b),可以看出,在15～20km深处,存在一个纬向长约70km,经向长约90km的三维空区,文安地震的初始破裂点就位于该三维空区的下部边缘。值得注意的是,从三维空间看,前面提到的2003年12月14日发生的2.0级地震就位于文安地震的初始破裂点附近,可能为早期前震。使用中国地震台网中心提供的1970年以来的微震目录,挑选出图6(a)中所示空区内的地震,作M-t图(图6c)。由图可见,1970年至2002年该区地震非常活跃,平均每年发生2.0级以上地震5.5次,而文安地震前的4年仅发生1次2.0级地震,为1970年以来最为突出的平静现象。2.4河北平原带中段主要地震活动图7是河北平原带各段ML≥2.0地震震源深度随时间的变化图。由图可见,平原带中段2002年至2003年3月2级以上地震主要分布在10～25km范围内,2003年4月开始震源逐渐加深,2004年10月7日河北霸县3.1级地震(震源深度为29km左右)为河北平原带中段2002年以来发生的最深的地震。其后,地震逐渐向浅处发展,5～25km范围内均有地震发生(图7a)。在地震活动逐渐加深的过程中(2003年4月至2004年10月),河北平原带中段在20～30km深度范围内地震非常活跃,共发生8次3级以上地震,其中4级以上地震2次,最大为2003年4月24日天津宁河4.3级地震。而河北平原带的西南段(邢台地区)和东北段(唐山地区)没有出现类似现象(图7b,c)。3文安地震问题(1)由于受震源深度定位精度的影响,以往关于孕震区尺度的讨论主要停留在二维空间。本文从二维空间得到的汶川地震的孕震空区尺度(80km长)与王炜等通过对华北地区19次5级以上地震前半年至数年形成的孕震空区研究,得到的孕震空区与震级关系的拟合结果是一致的。从三维空间看,文安地震的孕震体尺度为70×90×5=31500km3。(2)Mogi通过研究板缘地震活动发现,在大的浅源地震前后,中深源地震出现由浅处向深处迁移的特点,薛艳等在苏门答腊地震前也发现了类似的现象。而在板内地震活动研究中这种现象报道的很少。文安地震位于冀中坳陷,该区地壳厚度约28～30km,其中上地壳厚度约20～22km,由高、低速相间夹层构成;下地壳厚约6～10km。文安地震震源深度为20km,深度误差为1.6km,其初始破裂点基本位于上地壳底部,其孕震体位于15～20km深度。震前3年河北平原带中段2级以上地震出现由10km的浅处逐渐向30km的深处迁移的特点,这个过程持续了18个月,2004年10月7日在地壳的底部发生3.1级地震(震源深度29km),其后地震活动逐渐向浅处发展。在此迁移过程中,中下地壳地震活动显著增强。根据张国民等的研究结果,我国大陆地区地震震源深度大体上终止于壳内脆韧转换带。文安地震位于冀中坳陷,其附近几次中强地震的深度比华北其它地震大约深1倍以上,如1967年河间MS6.3地震的震源深度为30km,1973年大城MS5.4地震的震源深度也是30km。这