陈佳维，崔效锋，胡幸平

(中国地震局地壳应力研究所 地壳动力学重点实验室，北京 100085)

唐山及周边地区中小地震重定位及其构造特征

陈佳维，崔效锋*，胡幸平

(中国地震局地壳应力研究所 地壳动力学重点实验室，北京 100085)

采用双差定位法对唐山及周边地区2009年1月至2015年10月发生的4 115个中小地震进行了重新定位，改进了初始定位精度，得到了更加准确的3 466个地震事件的震源位置信息，并对比分析了重定位后的地震与活动断裂的关系。结果显示：①研究区内地震主要集中在华北平原北部，并且以研究区东部的唐山震源区最为集中,从水平方向来看，小震事件更加集中于断裂带附近，呈现出较好的条带状分布特征,从地震震源深度来看，地震主要集中分布在5～15 km深度范围内，且不同地震带区的小震震源深度分布特征存在差异;②张渤地震带小震主要发生在中上地壳，而渤海海域地震带的小震发震层为上地壳;③张渤地震带的小震震源深度由西向东呈现出逐渐变浅的趋势，且唐山断裂带东侧存在一个NE走向、倾角较陡的小震活动带。

小震精定位；波形互相关；双差定位法；张渤地震带；唐山断裂带

0 引言

受太平洋板块向西俯冲、青藏块体向北运移以及华南块体NWW向运动等周围板块和块体联合作用[1-5]，本文研究区域(116.35～120.35°E，38.43～41.13°N)内的构造环境较为复杂，地处新构造活动频繁的华北北部地区，区内交错分布有NWW向的张家口—渤海断裂带(张渤地震带)。唐山及周边地区所属的华北地块一直以来地震活动性强，大震频发。张渤地震带是华北平原活动地块与燕山活动地块的边界，由20多条断续分布的断裂所组成，是控制现代强震的一条地震构造带。据记载，本研究区内共发生过8次6级以上的破坏性地震(表1)，最大也是最早的一次地震为1679年9月2日三河—平谷一带发生的M8.0地震(117.0°E，40.0°N)[6]，而1976年7月28日唐山MS7.8地震(118.2°E，39.6°N)是区域内距今最近的一次强震，并触发了1976年7月28日滦县MS7.1和1976年11月15日宁河MS6.9的2次强余震(图1)。1980年以来，研究区唐山及周边地区未发生6.0级以上强地震，小震却从未间断。特别是，近年来小震不仅活动频繁，分布也广泛。地震资料是分析地震活动特征、判定发震构造的基础，地震活动与活动构造密切相关，小地震事件在平面上、深度上的分布特征可推断出断层的走向、倾向的几何形态，因此研究区域小震活动通常作为识别隐伏断层和活动断裂的重要手段。小震时空特征也反映了该区域的地壳内部应力环境特征，对研究区域复杂的动力学过程的解释提供参考依据。

地震定位是地震活动性以及活动构造等研究的重要基础资料。相对定位法能够有效减小速度模型引起的定位误差。相对定位法主要有主事件法和双差法[9]。其中，双差定位法适用于大范围地震的同时相对定位，将相邻的2个地震归为地震对，每个事件的定位精度不受定位范围大小的影响，具有独特的优势，在地震定位研究中得到了广泛的应用[10-18]。随着地震观测台网的发展，特别是数字地震观测系统的发展，在研究区积累了大量的中小地震观测资料，众多学者对首都圈地区进行了小震精定位研究[10-11,14,16,18]，取得了丰富的研究成果。朱艾斓等[12]对1980—2000年首都圈地区发生的2 098次小地震进行了重定位，结果表明，顺义震群及延怀盆地一带存在着几条倾角较陡的隐伏活动断裂；于湘伟等[16]利用1993—2004年发生在华北地区(111.0～120.0°E，35.0～42.0°N)的6 771次地震进行重定位，结果表明，新河断裂下存在2条NE走向、SW倾斜和不同深度的地震活动带；张广伟等[18]利用2001年10月到2009年09月发生在华北地区(110.0～121.0°E ，35.2～42.5°N)的7 519次地震进行重定位，结果表明，该区域孕震层基本位于地壳的中上部，不同地震带上小震分布的优势深度存在明显差异。

表1 6级以上历史地震事件信息[6-8]

图1 历史地震与构造背景图(断裂来自徐锡伟等第五代地震区划图基础资料)

在地震定位的过程中，台站分布、可用震相、震相到时的拾取精度和速度结构都可能影响地震震源位置精度，小震定位的精度也会直接影响到我们对区域内活动断裂的认识[18]。其中，震相到时的拾取精度也是影响地震定位精度的主要因素。采用波形互相关技术读取相对到时可以有效地减小人工拾取震相到时的误差，利用互相关技术获取的到时差精度在1 ms左右，可以得到误差为几米到几十米的地震相对位置，而一般手动拾取震相到时的误差在10～30 ms[19-25]。因此，我们利用波形互相关技术，精确获取地震事件对的震相到时差，采用当今地学界比较成熟的双差定位法，对研究区内的地震进行重定位，分析地震活动与附近断层的关系，推断主要活动断裂的构造特征。

1 资料与方法

随着数字化地震台网的建立和完善，地震精定位已成为地震活动性以及活动构造等研究的重要手段。本研究所采用的地震数据资料主要包括2部分：从中国地震局台网中心提供的震相观测报告中，收集了2009年1月至2015年10月发生在唐山及周边地区(116.35～120.35°E，38.43～41.13°N)内的4 115个中小地震(MS>1.0)的观测报告，提取地震事件初始震中位置及深度，获取P波和S波震相到时；结合从中国地震局地球物理研究所国家地震台网数据备份中心，搜集了河北、天津、北京、内蒙古等308个测震台站记录的2 042个中小地震事件波形记录，资料主要集中于北京和天津，河北、山东和辽宁的数据较少却分布比较均匀[26](图2)。依据地震事件波形数据，对P 波及S 波到时进行人工读取，挑选出可靠的到时数据，初步读取P 波及S 波到时数据共计24 764 条，进一步补充观测报告中没有的台站或事件的P、S波到时数据，并检验和矫正观测报告中已有的到时数据。

注：红色方框：重定位区域；红色圆点：地震事件初始位置；黑色三角：台站位置图2 本研究所用到的台站和地震事件位置

小震重定位方法是在利用地震事件的观测报告和地震波形记录读取P、S波到时的基础上，获取地震事件对的震相相对到时差，采用成熟的双差定位程序hypoDD[23-25]，对研究区内地震进行精确重定位。

双差定位法是目前较为通用的提高地震定位精度的一种有效的技术方法，该方法主要采用相对走时残差来修订地震初始定位精度。这种相对走时残差的使用主要是基于2个震源之间的距离远小于事件震源到台站的距离，认为2个事件传播到台站的射线路径几乎相同，从而可以有效地降低由于速度模型的不确定对定位结果的影响，同时可以减少到时震相拾取时的系统误差。其中，hypoDD程序是利用ph2dt程序输出的数据和互相关得到的到时差数据进行地震的重定位；输入文件包括台站位置文件，事件原始位置文件和事件对到时文件；台站位置文件与ph2dt程序所用文件一致，包含了到时文件中所用台站的位置信息；事件对到时文件包含地震事件对分别到各台站的到时、数据权重以及震相。hypooDD程序提供了2种求解方法：奇异值分解法(SVD)以及共轭梯度法(LSQR)。奇异值分解法(SVD)能够有效地反映出求解结果的误差以及结果的可靠性，对于地震数目较少的(大约为100)小规模地震系统求解运算，具有一定的优势；然而如果需要求解的地震系统较大，即地震数据较多，奇异值分解法(SVD)的效率就比较低，应当采用共轭梯度法(LSQR)。在求解运算中，根据程序运行反馈的信息，进一步调整求解参数，保证求解结果的可靠性。

2 资料选取与处理

在开展双差定位前，我们首先采用张广伟等[18]给出的一维速度模型，根据TauP计算得到的理论走时[27]，对从震相报告中所获取的震相到时数据和人工读取的到时数据进行了初步检验。该模型是综合了前人的研究结果获得的。将观测走时减去理论走时，挑选出震相到时与理论到时残差小于5 s的数据，剔除错误数据，从而使计算得到的事件对到时差更加准确。

本文依据人工读取的P、S波到时数据，利用编写的互相关到时计算程序，计算了地震事件对之间的精确到时差。利用波形互相关技术获取地震事件对之间到同一台站到时差，即在事件1的地震图上取P、S波到时前后0.5 s的一段固定窗口长为1 s的波形数据，分别在事件2的地震图中人工读取的震相到时前后1 s的范围内移动窗口，获取搜索点前后0.5 s之间的波形数据，逐点移动过程中计算2个波形窗的相关系数，根据相关系数绝对值最大的时间点，计算出2个地震事件到同一台站的到时差，滤波频率范围为1～10 Hz。结合震相报告计算的事件对到时差数据和互相关方法获取的事件对到时差数据，采用张广伟等[18]给出的一维速度模型，利用双差定位法，对研究区内地震进行精确重定位，得到了3 466个地震事件的精确重定位结果(图3b)。其中，地震数目最多(2 376个)的地震簇，采用共轭梯度法(LSQR)求解，平均均方根残差约为0.18 s，最大均方根残差约为0.46 s，其余数量较少的地震簇，采用奇异值分解法(SVD)求解，其均方根残差普遍更小，有些地震簇的残差在1 ms 的量级。此外，比较小的到时残差也表明了我们计算得到的精定位结果具有较高的可信度。

注：分图a、b分别为地震重定位前、后结果，主要包括重新定位前后的小震震中平面图、侧面图和小震深度分布频度图；红色圆点大小表示震级大小；F表示地震频度图3 2009—2015年中小地震重定位前后结果对比

3 结果与分析

3.1 2009—2015年地震定位结果及其空间分布特征

图3展示了精定位前后地震事件震中分布的平面状态。可以看出，初始定位结果分布比较宽泛，精定位之后的结果总体上更为集中，线性分布更好。区域内地震主要集中在平原地区，以唐山震源区最为集中，在唐山断裂、滦县西断裂、卢龙断裂和夏垫断裂附近。精定位之后的地震事件呈现出较好的线性分布特征，且在唐山断裂北端东侧呈现出小尺度的线性分布特征。研究区域的北部山区则少有地震发生，地震活动性相对较低。

中小地震重定位前后结果分布图可以看出，南部平原地区的地震活动明显强于北部山区，北部山区少有地震发生，但宁城盆地有小地震的丛集，地震丛集区恰位于1290年宁城6级地震的宏观震中(119.3°E，41.6°N)附近，有可能是该历史地震的余震活动[6-8]。唐山MS7.8地震发生多年后的2009—2015年期间，唐山震源区中小地震仍比较活跃，小震重定位结果(图3b)显示，在唐山断裂、滦县西断裂和卢龙断裂附近出现了比较集中的地震条带。区域的西南部的地震活动相对也比较多，夏垫断裂附近出现了相对集中的地震条带，震源深度主要分布在5～20 km之间。从深度频度图分布(图3b)上看，精定位使震源位置结果得到了一定程度的改善。初始定位给出的震源深度多为6～8 km，而精定位后，地震多分布在5～15 km深度范围内，说明研究区内的地震主要发生在上地壳。上述结果与前人的研究结果[13-16]相一致。

结合于湘伟等[16]的研究结果，对2001—2015年期间唐山及周边地区中小地震个数进行统计，显示唐山地区仍比较活跃，地震频度比较稳定(图4)。在2010年3—4月出现小震数目的极大峰值，发震次数超过200。对比分析这段时间内的地震目录，地震主要集中在2010年3月6日河北滦县MS4.3地震(118.5°E，39.7°N)和2010年4月9日河北丰南MS4.1地震(118.06°E，39.47°N)时期。我们推测，这一簇高频次震群是由这2个唐山大地震余震所触发的小地震事件。

图4 2001—2015年中小地震个数统计结果

3.2 张渤地震带、渤海海域地震带的地震分布特征

为了能够更为细致地了解区域内地震活动的空间分布状态，我们选取了唐山地震带、夏垫地震带和渤海海域地震带这3个地震分布相对集中的区域(图5)进行震源深度纵剖面上的投影分析。

注：I为唐山地震带区；II 为夏垫地震带区；III为唐山断裂带区；IV为渤海海域地震带区；M-M′为深反射地震剖面位置(刘保金等[35])；A-B、C-D、E-F、G-H、I-J、K-L分别为不同区域的震源深度纵剖面 图5 重定位后小震震源深度纵剖面图

区域I为唐山地震带区，区内分布有唐山断裂(区域III)、滦县西断裂和卢龙断裂，唐山断裂和卢龙断裂地震条带沿NE-SW向展布，滦县西断裂则沿NW-SE向展布。区域II为夏垫地震带，位于北京和廊坊一线的东北，区内主要分布有夏垫断裂、黄庄-高丽营断裂和顺义-良乡断裂等多条NE-SW向断裂。区域IV为渤海海域地震带，位于渤海海域，区内主要有NW-SE向的柏各庄断裂和NE-SW向的秦南、秦北断裂[28-31]。

3.2.1 张渤地震带

张渤地震带位于华北平原与燕山山脉之间的过渡带，受太平洋板块向西俯冲和印度板块向北推挤的共同作用。该地震带有20多条断续分布、倾向不一、倾角较陡的断裂组成的活动断裂带，华北北部地区的强震活动明显受该构造断裂带所控制。张渤地震带小震活动最为频繁，1978年7月28日唐山MS7.8地震也发生在该地震带上[32-35]。唐山断裂地震带(区域Ⅰ)则位于该地震带的东段，剖面A-B、C-D分别为NW-SE133°、NE-SW43°向的震源深度纵剖面图(图6)，剖面中心点为(118.45°E，39.70°N)。通过对比分析重定位前后该地震带上的小震分布，可以看出重定位前后小震的震源深度有着十分明显的变化，重定位前震源分布在0～30 km(图6a)，重定位后震源主要集中在5～20 km(图6b)，表明震源深度优势分布主要集中在中上地壳，这一结果与张广伟等[18]研究结果一致。从重定位后的结果(图6b)剖面A-B可以清楚看到2簇地震密集的地震群，分布宽度分别约10 km、20 km，倾角很大，该地震线性带大致分别与唐山断裂和卢龙断裂相对应。根据C-D剖面结果可以看出，张渤地震带小震沿SW-NE方向分布，揭示唐山断裂、卢龙断裂发震构造都应当是NE走向。小震分布在水平方向存在明显不连续特征，即118.55°E处存在一个近直立不连续的地震线性带，其分布宽度约30 km，该地震线性带大致与滦县西断裂相对应。张渤地震带小震分布沿滦县西断裂表现为错列，且分布宽度变大，说明后者起到了破裂分段作用。同时，在深度上也表现出分段特征，即小震震源深度由西向东呈现出逐渐变浅的趋势，这与前人Fang Lihua et al.[10]、于湘伟等[16]的研究结果相类似。

a、b分别为定位前剖面A-B、C-D的小震分布图，c、d分别为定位后剖面A-B、C-D的小震分布图图6 张渤地震带区小震震源深度纵剖面图

为了进一步细致研究唐山断裂带的小震分布特征及其断层活动状态，我们结合剖面M-M′处的人工深地震反射探测剖面结果进行对比分析[36](图7)，唐山断裂带地震震源深度主要集中在5～20 km，少量地震深度分布在20～30 km，进而推测唐山断裂带的错断深度达到30 km以下，这与刘保金等[36]的研究结果相一致。结合小震的水平分布(图5)，我们发现在唐山断裂的东侧存在一个NE走向、向东倾斜的断裂带。这与前人于湘伟等[16]、张广伟等[18]的研究结果相一致。

注：黑色实线为深地震反射探测剖面结果[36]，黑色虚线为推测断裂带。图7 唐山断裂带小震震源深度纵剖面图

区域II处于张渤地震带的中段，位于北京和廊坊一线的东北，区内主要分布有夏垫断裂、黄庄—高丽营断裂和顺义—良乡断裂等多条NE向断裂。图8给出了该区域2个不同方向上的小震震源深度纵剖面投影图，剖面E-F和G-H分别为SW-NE43°、NW-SE133°方向的震源深度纵剖面图(图8)，剖面中心点为(117.0°E，40.0°N)。从重定位后的结果可以看出，该区域的地震分布相对于唐山地震带来说较为分散，小震震源深度分布在5～20 km之内，表明震源深度优势分布主要集中在中上地壳。在剖面G-H中有一个相对集中的、近直立的地震线性带，其分布宽度约5 km，该地震线性带大致与夏垫断裂相对应。

3.2.2 渤海海域地震带

区域IV为渤海海域地震带区，渤海海域地震带主要受西太平洋板块向西俯冲产生的水平挤压作用力控制。自有记录以来，该研究区历史记载曾发生过3次7级以上的地震，分别是1597年10月6日渤海7.0级地震，1888年6月13日渤海7.5级地震，1969年7月18日渤海7.4级地震[6-8]。剖面I-J和剖面K-L分别为NE-SW43°、NW-SE133°向的震源深度纵剖面图(图9)，剖面中心点为(119.675°E，38.93°N)。重定位后的小震震源深度纵剖面图可以看出，小震分布主要集中在5～12 km，说明该区域发震层位于上地壳内。剖面I-J可以清楚看出一个倾角较陡的地震带，其地震深度从地表至15 km左右，该地震带位置大致与柏各庄断裂相对应，且剖面K-L中存在一个小震丛集区。

a 为定位后剖面E-F的小震分布图； b 为定位后剖面G-H的小震分布图图8 夏垫地震带小震震源深度纵剖面图

a为定位后剖面I-J的小震分布图； b为定位后剖面K-L的小震分布图图9 渤海海域地震带小震震源深度纵剖面图

4 结论与讨论

本研究运用地震波形互相关技术和双差定位方法，对河北唐山及周边地区2009—2015年发生的4 115个中小震进行了重新定位，获取了3 466个地震事件的精确定位结果。根据重定位结果来看，重新定位后的小震分布更为集中，基本上沿着断裂呈现较好的线性分布特征，震源深度集中分布在5～15 km，形态接近于正态分布，进一步证实了研究区的发震层在中上地壳，且不同地震带区的小震震源深度分布特征存在差异。结合张广伟等[18]给出的地震精定位数据，对2001—2015年期间区域地震活动及其空间分布特征进行了研究，得到以下结论和认识。

1)唐山及周边地区内地震主要分布在陆地平原地区，并且以1978年唐山地震震源区周围最为集中，地震多集中在20 km深度以上。在唐山断裂、滦县西断裂带、卢龙断裂和夏垫断裂附近，精定位之后的地震事件呈现出较好的条带状分布特征。结果还显示，唐山断裂、卢龙断裂、夏垫断裂的倾角均很大。

2)1976年唐山MS7.8地震总体走向均为NE向，揭示发震构造都应当是NE走向，且小震震源深度由西向东呈现出逐渐变浅的趋势。2次地震的余震分布沿滦县西断裂表现为错列，且分布宽度变大，说明后者起到了破裂分段作用。

3)唐山断裂带东侧存在一个NE走向、向东倾斜的小震活动带。

4)渤海海域地震带区域的小震震源深度主要集中在5～12 km，说明该区域发震层位于上地壳内。重定位后的结果显示，柏各庄断裂附近的地震呈现条带状的分布特征。

通过和前人使用相同的方法和不同时段的资料，对唐山及周边地区的中小地震进行重定位研究，发现唐山断裂、卢龙断裂和夏垫断裂等断层参数和前人基本一致，并有了进一步的认识，还揭示了唐山断裂带北段东侧存在一个近NE方向的小震活动带。因此，本研究进一步深化了唐山及周边地区的活动断裂及地震断层深部结构的认识，也为将来的防震减灾和地震危险性评价提供了更为可靠的基础资料。

致谢：感谢中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心(doi:10.7914/SN/CB)为本研究提供地震波形数据；感谢中国地震台网中心为本研究提供的地震目录和震相观测报告数据；感谢张广伟助理研究员对本研究提供的地震精定位数据结果；感谢张世民研究员在地质构造背景和历史地震资料方面的指导和帮助。

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Middle-small Earthquake Relocation and Tectonic Characteristics of Tangshan and Its Adjacent Area

CHEN Jia-wei, CUI Xiao-feng*, HU Xing-ping

(Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA, Beijing 100085, China)

In this study, we relocated 4 115 earthquakes occurred during January 2009 to October 2015 in Tanshan and its adjunct area using the double-difference methods, analyzed the relationship between the distribution of earthquakes and the active faults. The results show that the earthquakes mainly concentrate in the northern of the North China plain and most intensively focused on Tangshan seismic region. Earthquakes epicenters concentrated along faults and presented the characteristics of banding distribution. Most of the depth of earthquake source distributed between 5 and 15 kilometers with the variant depth distribution feature to different seismic belt. The earthquake seismogenic layer is middle-upper crust in Zhangjiakou-bohai seismic belt, while it is upper crust in Bohai sea seismic belt. The earthquake source depth of Zhangjiakou-Bohai seismic belt showed the trend of gradually becomes shallow from west to east, and there is a small earthquake activity belt in north east direction and steep dip angle on the east side of Tangshan fault belt.

Middle-small earthquake relocation; waveform cross-correlation; double-difference location； Zhangjiakou-bohai seismic belt； Tangshan fault belt

2016-10-06

国家自然科学基金“利用不同地理位置的地震台网记录的内核震相进一步约束地球最内核的结构和物性”(41504071)；中央级公益性科研院所基本科研业务专项“基于实测数据的中国及邻区水平最大主应力方向的空间优化计算研究”(ZDJ2015-06)

陈佳维(1987—)，女，湖南长沙人，助理研究员，现主要从事地震学和构造动力学研究．E-mail：diwucjw@163.com

*通讯作者：崔效锋(1963—)，男，陕西宝鸡人，研究员，现主要从事地震学和构造动力学研究.E-mail：cuixf@sina.com

P315.2

A

1003-1375(2017)01-0001-09

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.001

陈佳维，崔效锋，胡幸平．唐山及周边地区中小地震重定位及其构造特征[J]．华北地震科学，2017，35(1):1-9.