研究表明,强震活动受到构造应力场的制约,一般情况下震源机制与应力场的方向是吻合的(李钦祖等,1982)。运用大量中小地震震源机制解既可以描述震源区应力场状态,也能够探讨大范围构造应力场的作用,从动力成因和运动过程两方面分析大震区数十年来应力场演化、不同阶段的特征。前苏联学者Sadovsky等(1972)报道过加尔姆地区中强地震前一年半到两年时间内,小震P轴取向由紊乱趋于一致。陈颙(1980)根据海城前震序列的研究,提出用震源机制的一致性作为判别前震的新参数; 刁桂苓和于新昌(1980,1982)发现在唐山7.8级地震和北京延庆5.4 级地震前,由震区附近小震P波初动资料得到的综合断层面解矛盾符号占全部符号的比例降低的现象; 刁桂苓等(1994)通过分析夏威夷Kaoiki地区的震源机制变化,提出考虑震源区应力场的改变进行地震预报的思路。刁桂苓等(2004)对大同地震序列,赵英萍等(2004)对张北地震序列震源机制一致性参数进行时间扫描发现,在强余震前一致性参数都出现低值异常。美国南加州地区两个M>7.0大震(Landers和Hector Mine地震)前,该区小震震源机制存在趋于主震震源机制的现象(万永革,2008)。张致伟等(2010)反演汶川地震序列829个震源机制,发现余震区南、北段的震源机制解一致性参数随时间变化总体平稳。

2006年7月4日11时56分,在河北文安(38°53.85'N,116°16.88'E)发生5.1级地震,震源深度19.3 km(刁桂苓等,2006)。文安地震发生在河北平原强震构造带上,从公元777年至1977年该构造带内发生6级以上强震19次(中国地震局震害防御司,1995,1999)。在强震构造带的河间至宁河之间,是6级以上地震缺失时间最长的一段,能量释放最不充分,文安位于缺震段的中南部。文安地震前,2001年10月～2006年6月形成M_L≥1.5小震空区,计算该空区边缘区域M_L≥2.0地震视应力,发现在2004年出现明显的视应力升高过程(陈学忠,李艳娥,2007); 地震波速比在文安和唐山附近地区出现正常—降低—恢复—发震的异常演变过程(王林瑛等,2008)。本文利用平面插值的方法对文安地震前后震源机制解一致性参数进行平面插值扫描,讨论地震前后一致性参数空间动态的变化特征,提取有预测意义的信息。

本研究利用河北省遥测台网记录的河北及邻区M_L≥2.0地震的数字化波形数据,并补充周边省份波形数据,震源位置取自中国地震台网中心汇编C01目录,震源机制计算采用梁尚鸿等(1984)提出的利用区域地震台网的垂直向P^-、S^-最大振幅比资料测定小震震源参数的方法。胡新亮等(2004)利用首都圈记录到的数字化波形反演震源机制,并与格点尝试法得到的震源机制进行比较,二者基本一致,证实了该方法的可靠性。付虹等(2009)通过对云南地区19个地震的实际对比分析,发现P波和S波最大振幅比值与地震的记录形式无关,与振幅的绝对大小无关,与震级大小也基本无关。

为了保证单个震源机制解的稳定性,参与计算的台站数目一般要求6个以上,而且在震中周围均匀分布,震中距控制在150 km之内,避免出现P_n和P₁₁混淆的情况; 记录振幅要求大于0.5 mm,而且不能限幅。从图1中的台网分布来看,上述条件是容易达到的。反演计算采用的速度结构模型(表1)综合了人工地震测深和天然地震层析成像的结果(孙若昧,刘福田,1995; 张成科,张先康,1997; 王椿镛等,1993)。计算得到从2002年1月～2008年4月河北及邻区的震源机制解共673个,覆盖了113.0°～119.0° E,36.0°～42.0°N的范围(图1)。

图1 震源机制解和台站分布
Fig.1 Distribution of focal mechanism and stations

表1 反演计算采用的速度结构模型
Tab.1 Velocity structure model in focal mechanism inversion

一个区域的应力场可分为区域构造应力场和震源应力场。区域构造应力场主要反映整个区域内的应力状态,对区域构造应力场主要研究是否存在一个较为稳定的空间取向,认为这个稳定的空间取向对中强地震的发生起控制作用; 震源应力场反映震源区附近短时间内的应力场变化、扰动,通过研究地震震源应力场取向的变化,就能发现构造运动的情况及强震的前兆信息。如果背景构造应力场的空间方向由3个相互正交的应力主轴σ₁,σ₂,σ₃表示,震源机制的取向由3个相互正交的应力轴P、B、T表示(图2),那么就可以定义震源机制和构造应力场的一致性参数(王俊国,刁桂苓,2005):a=α+β+γ,其中:α=∠σ₁P,β=∠σ₂B,γ=∠σ₃T。一致性参数的最大值为270°,最小值为0°,它反映了单个震源机制解的力轴与平均应力张量的差异程度,强震前孕震区内大量中小地震的震源机制一致性参数反映了孕震区内地震震源应力场与构造区域应力场的关系。

图2 应力场3个主轴和震源机制3个应力轴夹角示意
Fig.2 Included angles for 3 principal axes (σ1,σ2 and σ3)of tectonic stress field and 3 principal stress

对震源机制解的各个参数,以10°间隔绘制归一频数分布(图3,4)。由于地震较小,无法区分断层面和辅助面,故将2 个节面等同看待,合并计算。其中图3a是节面走向,其大体呈各个方位均匀分布,在NNE—SSW和NWW—SEE方向,稍显优势,而这2个方向恰恰是华北强震的2个破裂方向。图3b为节面滑动角,它以走向滑动为主,尤其右旋走滑最多; 其次属于斜向滑动; 倾向滑动最少,但是正断层和逆断层都独立存在。图3c是节面倾角,它接近直立的高倾角最多,倾斜其次,几乎没有近水平的节面。图4a是P轴的方位,它在NEE—EW向存在显著优势取向; 图4b是T轴方位,它在NNW—SN向存在显著优势取向,和水平面的夹角(图4d,e)则接近水平,呈稍稍翘起的形态。N轴和水平面的夹角(图4f)呈倾斜向直立靠拢。即便是大量中小地震的震源机制解,应力轴的优势取向和华北构造应力场完全吻合,反映它们同样受到大区域动力因素的制约。但是它们也具有很强的随机性和局部特征,如破裂方向近乎均匀地散布在各个方位。因此我们可以利用这种双重性质,考察中小地震受控于区域构造应力场的强弱。

对于河北及邻区的构造应力场,我们采用李钦祖等(1982)的研究结果,确定出应力主轴σ_1az=70°,σ_1pl=0°; σ_2az=160°,σ_2pl=0°; σ_3az=0°,σ_3pl=90°。我们对673个震源机制解在三维空间进行一致性参数计算,利用MapInfo软件中的专题地图(Thematic Map)功能,对震源机制一致性参数进行平面插值作图,插值采用不规则三角网插值TIN方法。TIN中的节点是测量点本身,它尊重实际测量值。由于震中位置是不规则的,在变化较大或者需要详细信息的地区,TIN可以使用更高的精度。栅格大小为5 km,距离120 km。作图采用时间窗长2年,步长1年进行滑动。由于文安地震发生于2006年7月4日,计算震前震源机制解一致性参数的时间范围从2004年7月至2006年6月,滑动步长2年,以保证足够的样本数。图5中蓝色区域表示震源机制解一致性参数较小,到2003年底(图5a),在文安地震震中附近发生几

图3 震源机制节面参数归一频数分布图
(a)节面走向;(b)节面滑动角;(c)节面倾角
Fig.3 Normalized frequency distribution for nodal plane parameters of focal mechanisms(a)Strike of the nodal plane;(b)Slip of the nodal plane;(c)Dip of the nodal plone

图4 震源机制力轴参数归一频数分布图
(a)P轴方位角;(b)T轴方位角;(c)N轴方位角;
(d)P轴倾角;(e)T轴倾角;(f)N轴倾角
Fig.4 Normalized frequency distribution for stress axes parameters of focal mechanisms(a)Azinuth of P axis;(b)AZimath of T axis; (c)Azimuth of N is;(d)Dip of P axis; (e)Dip of T axis;(f)Dip of N axis

图5 ML≥2.0地震震源机制解一致性参数空间插值图
(a)2002-01-01～2003-12-31(273个);(b)2003-01-01～2004-12-31(154个);(c)2004-01-01～
2005-12-31(161个);(d).2004-07-01～2006-06-30(151个);(e)2006-07-05～2008-04-30(208个)
Fig.5 Spatial interpolation of consistent parameter of focal mechanisms for ML≥2.0 earthquakes

我们求取小震震源机制的参数的目的往往不是为了单一地得到某个中小地震的震源机制参数,而是在求取大量中小地震震源机制解的基础上,用统计的方法提取具有平均意义的信息和统计特征的变化。通过计算文安地震前后震源机制解一致性参数并对其进行平面插值,得到地震前在震源区附近出现了大范围的一致性参数低值区域,并有随时间增长低值区域面积逐渐扩大的现象。这可能是中强震前的一种前兆现象。

大量中小地震的震源机制的一致性是判断地震危险性的一个有用的判据。任何一个地震序列都有发生、发展、衰退的过程,前震或在震群中最大地震发生之前,震源机制解一致性则表明孕震区域受到构造应力场控制,并且低值区逐步扩大,表明构造应力存在持续增强的过程(陈颙,1980)。震后大范围低值异常不复存在,表明区域进入应力松弛状态。以往利用震源一致性对地震危险性进行判断都只讨论了时间进程上的变化,本文利用平面插值的方法对震源机制解一致性参数进行了空间动态扫描,对未来中强地震的发震地点判定提供了一些参考依据,然而由于地震活动发生的随机性和空间不均匀性,可能导致地震在某个阶段某个地点过于集中,对平面插值的可靠性造成一定的干扰。虽然地震震源机制解的统计平均与构造应力方向并不完全一致,但大震之前小震震源机制趋近区域构造应力场的现象在一定程度上代表了区域应力场方向集中于产生主震破裂的应力方向上。若研究地震之前震源周围小震震源机制与构造应力场的一致性参数,或许可能得到地震孕育过程的某些信息。