武艷強 黃立人 陳長云朱 爽 金 濤 劉辛中
1) 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心 2) 中國北京100036中國地震局地震預測重點實驗室(中國地震局地震預測研究所)
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1976年唐山MS7.8地震同震及現(xiàn)今形變特征*
武艷強1,2)黃立人1),*陳長云1)朱 爽1)金 濤1)劉辛中1)
1) 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心 2) 中國北京100036中國地震局地震預測重點實驗室(中國地震局地震預測研究所)
基于1976年唐山MS7.8地震的同震位移和現(xiàn)今GPS速度結(jié)果,本文分析了該地震的同震破裂參數(shù)、同震應變釋放分布及其現(xiàn)今應變積累特征.對唐山同震位移二維位錯解析公式的擬合結(jié)果顯示,唐山地震前的斷層閉鎖深度約為18—23 km,斷層傾角可能介于74°—90°之間,同震位錯量約為3.1—3.4 m.在同震過程中沿發(fā)震斷層表現(xiàn)出顯著的右旋錯動特征,在發(fā)震斷層兩側(cè)沿NE向表現(xiàn)出左旋應變釋放特征.在本文現(xiàn)有的GPS測站密度和精度情況下,尚無法識別出現(xiàn)今階段沿唐山斷裂的明顯蠕滑特征.唐山同震應變釋放和現(xiàn)今GPS應變率積累結(jié)果均顯示,唐山斷裂SE側(cè)的剪切形變(速率)量值大于其NW側(cè),同震與現(xiàn)今階段的形變量值相差約1000倍.
唐山MS7.8地震 閉鎖深度 同震位錯 應變釋放 應變積累
1976年7月28日,河北省唐山市發(fā)生MS7.8大地震,此次地震給人民生命、財產(chǎn)帶來了巨大損失,其發(fā)震機理、破裂機制、致災原因等一直吸引著廣大地學研究人員.在構(gòu)造背景、震源機制、構(gòu)造成因等研究方面,虢順民等(1977)認為唐山菱形地塊的邊界斷裂在地震孕育過程中發(fā)揮了重要作用,致使震前被圍限的NE向發(fā)震斷裂得到了暫時的平衡;張之立等(1980)基于P波初動資料,反演得到唐山地震的震源機制為近似直立的右旋走滑型破裂,破裂模式為不對稱的雙側(cè)破裂;劉啟元等(2007)基于密集臺陣數(shù)據(jù),從介質(zhì)分布差異、波速特點、深部動力環(huán)境等方面分析認為, 唐山地震的孕育過程與上地幔的垂向運動變形和殼幔之間物質(zhì)及能量的交換密切相關(guān);萬永革等(2008a)利用唐山地震破裂區(qū)的精定位地震目錄,給出了唐山MS7.8、灤縣MS7.1地震等發(fā)震斷裂帶的斷層面走向、傾角、位置、滑動角等參數(shù).在地震所包含的破裂事件及斷層滑動等研究方面,Butler等(1979)研究表明唐山地震的破裂類型復雜,包括走滑、逆沖及正斷等;Nábělek等(1987)通過地震波反演得出唐山地震包括6個主事件,至少有3個斷層段參與了主震過程,其中兩個為NNE向的右旋破裂,一個為ENE向的逆沖破裂;蔡永恩等(1999)利用基于拉格朗日(Lagrangian)方法的非連續(xù)變形分析(LDDA)法模擬了唐山地震的破裂、錯動和應力釋放的動力過程,結(jié)果顯示斷層滑動過程受斷層幾何形狀的影響較大.在主震對強余震及現(xiàn)今地震活動的影響方面,Robinson和Zhou(2005)研究了唐山主震與兩次強余震(灤縣MS7.1和寧河MS6.9地震)之間的關(guān)系,認為庫侖應力觸發(fā)效應對強余震的發(fā)生地點和破裂機制的預測具有重要意義;杜晨曉等(2010)基于三維有限差分模擬,認為唐山主震的發(fā)生導致了其周邊應力場的瞬時調(diào)整,促進了后續(xù)兩次強余震的發(fā)生;劉桂萍和傅征祥(2000)的研究認為唐山大地震可能觸發(fā)了震源區(qū)之外3個區(qū)域的地震活動增強;萬永革等(2008b)基于黏彈性模型,研究了唐山主震對兩次強余震以及唐山地震序列對后續(xù)小震的觸發(fā)效應.在震源反演研究方面,陳運泰等(1979)基于大地測量資料,反演了唐山地震的位錯模式,并討論了斷層傾角、平均錯距、能量釋放特征等;趙少榮(1995)基于大地測量資料,采用雙斷層模型反演了唐山地震的位錯分布,該反演結(jié)果與地震波反演結(jié)果以及地震地質(zhì)考察結(jié)果基本吻合.上述研究從多角度分析了唐山地震的孕育、發(fā)生及震后影響的復雜過程,對認識華北地區(qū)的強震孕育機理具有重要意義.
由于強震孕育始終伴隨著地殼形變過程,因此諸多研究人員基于唐山地震震源區(qū)豐富的形變資料開展了針對性研究,并取得了豐富的研究成果. 例如:張郢珍(1981)基于唐山地震前的多期水準資料,認為唐山地震經(jīng)歷了長期應變積累—體積膨脹—蠕動—形變反向(或蠕動速度減慢)—發(fā)震的過程;張祖勝等(1981)基于水準資料系統(tǒng)分析了唐山地震的同震垂直運動特征,并討論了該地震的彈性回跳現(xiàn)象;黃立人等(1988)基于測距資料系統(tǒng),利用多種解算方法得到了唐山地區(qū)的水平形變場,并討論了唐山地震前后的水平形變動態(tài)特征,其結(jié)果表明唐山菱形地塊在震前存在擠壓應變積累.
綜上所述,雖然唐山地震的研究成果已有很多,但仍存在一些問題需要開展針對性研究,如地震前斷層的閉鎖深度、同震位錯量值、震源區(qū)的現(xiàn)今地殼形變特征、同震應變釋放與現(xiàn)今應變積累的定量關(guān)系等.本文擬基于唐山地震同震的水平位移分布和震源區(qū)現(xiàn)今GPS速度結(jié)果,對上述問題進行初步分析,以增強對唐山地震前后地殼形變特征的認識.
圖1 唐山地震水平同震位移場(位移數(shù)據(jù)引自黃立人,1981;震源機制引自Global CMT,2011)F1:寶坻斷裂;F2:藩莊西斷裂;F3:薊運河斷裂;F4:海西斷裂;F5:豐臺—野雞坨斷裂;F6:唐山斷裂;F7:寧河—昌黎斷裂;F8:灤縣—樂亭斷裂. 斷層名稱下同
唐山震區(qū)位于陰山—燕山隆起帶東段的燕山隆起與華北平原坳陷帶北部冀渤凹陷的結(jié)合部位,受寧河—昌黎斷裂、豐臺—野雞坨斷裂、灤縣—樂亭斷裂和薊運河斷裂的切割(圖1),在唐山地區(qū)形成了一個NE向的菱形地塊(國家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組,1982).黃立人(1981)基于1971年和1976年兩期微波測距資料,采用廣義逆法計算得到了多點參考基準下的唐山地震同震位移場,該結(jié)果中包含了唐山地震前5年的位移量. 考慮到同震位移的量值遠大于震前5年的累積量值,因此本文不對其進行區(qū)分.圖1中的唐山地震水平同震位移場結(jié)果顯示,應變釋放主要發(fā)生在NE向的唐山菱形地塊內(nèi),破裂特征表現(xiàn)為沿唐山斷裂的右旋錯動,同時沿灤縣—樂亭斷裂南段存在少量的擠壓應變釋放.根據(jù)黃立人等(1988)的分析,唐山斷裂附近的21號測點受到采石影響,薊運河斷裂以南地區(qū)的10號和9號測點因覆蓋層較厚受到沉降因素的影響,因此這3個測點的結(jié)果在后續(xù)的形變分析中未被采用.
基于唐山地震的同震位移數(shù)據(jù),采用二維位錯解析模型定量地識別其同震破裂參數(shù).圖2給出了唐山地震水平同震位移剖面的投影結(jié)果,由于21號點受到采石影響,故在后續(xù)分析中未被采用.圖2采用兩種二維位錯解析公式對同震位移數(shù)據(jù)進行擬合,其中式(1)為直立型斷層擬合公式(Segall,2010),式(2)為帶有傾角情況下的擬合公式(鄒鎮(zhèn)宇等,2015),即
(1)
(2)
圖2 唐山地震水平同震位移投影結(jié)果(投影范圍見圖1虛線框)
式中,u為同震位移,s為同震位錯量,D為破裂深度(對應震前閉鎖深度,此處為負值),d為距發(fā)震斷層的距離,α為斷層傾角.式(1)和式(2)均是基于位錯理論推導求得,屬于平面斷層假設下的二維公式,其主要應用于地表觀測較少且不足以很好地約束斷層面上滑動分布的情形.
基于式(1)直立型斷層假設的擬合結(jié)果(圖2灰色曲線)可知,唐山地震的同震位錯約為3.1 m,破裂深度約為22.9 km;基于式(2)非直立型斷層假設的擬合結(jié)果(圖2黑色曲線)可知,同震位錯約為3.4 m,破裂深度約為18.3 km,斷層傾角約為74°.式(1)和式(2)對數(shù)據(jù)的擬合程度均較高,擬合值與觀測值的相關(guān)系數(shù)分別達到0.97和0.98.另外,基于圖2給出的兩組擬合公式,可以推算出唐山地震所引起的同震位移范圍;以可檢測到15 cm的同震位移(該值為同震位移的誤差橢圓長軸的平均值)進行估算,由式(1)和式(2)得到的距發(fā)震斷層的距離分別約為148 km和124 km.
由圖1和圖2可以看出,唐山地震的發(fā)震斷層上存在明顯的右旋錯動,在此過程中斷層兩側(cè)區(qū)域伴有明顯的應變釋放現(xiàn)象.圖3給出的唐山地震應變釋放結(jié)果表明:唐山斷裂西側(cè)區(qū)域(R4—R7)的平均主張應變方位約為84°±6°,考慮到該區(qū)的豐臺—野雞坨斷裂以NE向展布為主,因此該區(qū)主要表現(xiàn)出沿NE向的左旋剪切應變釋放現(xiàn)象,同時兼有擠壓應變特征;唐山斷裂東側(cè)區(qū)域(R1和R2)的應變釋放量值大于西側(cè),呈現(xiàn)出張性應變釋放為主、兼有沿NE向左旋剪切應變釋放的特征;位于唐山菱形地塊外部的R3區(qū)域表現(xiàn)為少量的擠壓應變特征,R8區(qū)域則表現(xiàn)出少量的張性應變特征.總體而言,唐山斷裂兩側(cè)區(qū)域的應變釋放量級達10-5,影響范圍較大,即使位于研究區(qū)域邊緣的R3和R8區(qū)域的應變釋放量值也分別達到了-0.8×10-5和0.2×10-5.
圖3 唐山地震同震應變場
通常意義上,強震同震釋放掉的應變量可以認為是由震間期積累起來的,斷層愈合后即可認為孕震區(qū)進入下一個強震孕育周期,因此基于現(xiàn)今唐山地震震源區(qū)的GPS資料,可以研究其應變積累特征.圖4給出了GPS速度場和應變率結(jié)果,觀測數(shù)據(jù)時段為1999—2007年,在此期間研究區(qū)域受周邊強震的影響較小,數(shù)據(jù)解算采用GAMIT/GLOBK和QOCA軟件(Dongetal,1998; Herringetal,2010a,b),數(shù)據(jù)處理的具體過程可參閱Wu等(2015)文章.
圖4 唐山地震震源區(qū)現(xiàn)今地殼形變分布圖(GPS速度場采用中國大陸參考基準)
基于圖4結(jié)果很難直接識別出唐山地震對研究區(qū)域地殼形變的震后影響. 鑒于從更大尺度上看, 唐山地震震源區(qū)與華北地區(qū)的GPS運動并不存在顯著差異,因此基于現(xiàn)有觀測結(jié)果可以初步認為現(xiàn)階段唐山地震震源區(qū)已經(jīng)進入新一輪的強震孕育過程.對比圖4的速度場與圖1的同震位移分布,最直觀的現(xiàn)象為測點空間密度的差異,在近斷層尺度形變特征的測站約束方面,圖1結(jié)果明顯優(yōu)于圖4.另一方面,同震與現(xiàn)今地殼運動量值也存在明顯差異,根據(jù)圖2給出的擬合公式可以推算出同震位錯約為3.1—3.4 m,基于GPS觀測的現(xiàn)今地殼運動量值約為0.5—3.6 mm/a(僅包括一部分形變信息),二者在量值上相差約1000倍.
對比圖3與圖4的應變釋放和應變累積結(jié)果可以看出,唐山斷裂SE側(cè)(A2區(qū)域)的同震應變釋放和現(xiàn)今應變積累的量值均大于其NW側(cè)(A1區(qū)域),現(xiàn)今階段的主應變率方向相對于同震釋放主應變方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn).為了定量分析同震應變釋放和震間期應變積累特征,表1給出了唐山地震震源區(qū)的同震應變釋放與現(xiàn)今應變積累的對比結(jié)果,其中唐山斷裂NW側(cè)同震應變釋放結(jié)果由R4—R6區(qū)域內(nèi)所有測點重新計算得到,SE側(cè)則為R2區(qū)域計算得到的結(jié)果.由表1可以看出:同震釋放的應變量值相當于1000多年的應變積累量值,同時兩個區(qū)域的主應變(率)方位角發(fā)生了顯著變化,唐山斷裂SE側(cè)區(qū)域的主張應變(率)方位角沿順時針方向旋轉(zhuǎn)了約55°;唐山斷裂NW側(cè)的主張應變(率)方位角沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)了31°,沿NE方向的形變性質(zhì)由同震的左旋應變釋放轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龖兎e累.
表1 唐山地震震源區(qū)同震應變釋放與現(xiàn)今應變積累的對比
本文通過對唐山地震震源區(qū)同震和現(xiàn)今地殼形變特征的分析,討論了同震應變釋放、震前閉鎖深度、同震形變范圍、現(xiàn)今應變積累特征等問題,初步結(jié)論如下:
1) 通過對有限的同震位移數(shù)據(jù)進行二維位錯解析公式擬合,推測唐山地震前的斷層閉鎖深度約為18—23 km,斷層傾角可能介于74°—90°之間,同震位錯量約為3.1—3.4 m. 這些結(jié)果與陳運泰等(1979)、張之立等(1980)及萬永革等(2008a)的結(jié)果一致.在考慮同震位移數(shù)據(jù)精度的情況下,距離唐山斷裂約120—150 km范圍內(nèi)可以識別到顯著的同震位移.
2) 從地殼形變臺站布設密度的角度來看,雖然目前的GPS測網(wǎng)能捕捉到較大空間尺度的地殼形變,但在近斷層區(qū)域其測點密度尚顯不足.以唐山地震為例,基于目前的GPS觀測密度,在發(fā)震斷層附近尚無法給出類似于圖1的近場同震位移及震間期的應變積累特征.
3) 通過對比同震位移與現(xiàn)今GPS速度結(jié)果和同震應變與現(xiàn)今應變率特征可以看出,同震及現(xiàn)今地殼運動(形變)在量值上相差約1 000倍.考慮到唐山地震僅過去40年,相對于整個孕震周期,震源區(qū)目前尚處于孕震早期,因在孕震早期應變積累速率遠大于平均應變積累速率(Meade,Hager,2005),所以推測唐山地震的孕育周期應該遠大于1000年.
4) 唐山同震位移在發(fā)震斷裂上表現(xiàn)出明顯的右旋錯動特征,在發(fā)震斷層兩側(cè)沿NE向表現(xiàn)為左旋應變釋放特征.在本文的GPS測站密度和精度情況下,現(xiàn)今階段尚無法識別出沿唐山斷裂的明顯滑動特征.另外,同震和現(xiàn)今地殼形變結(jié)果均表明,唐山斷裂SE側(cè)的應變(率)大于NW側(cè).
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Coseismic and contemporary deformation features of theMS7.8 Tangshan earthquake in 1976
Wu Yanqiang1,2)Huang Liren1),*Chen Changyun1)Zhu Shuang1)Jin Tao1)Liu Xinzhong1)
1)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter,ChinaEarthquakeAdministration,Tianjin300180,China2)KeyLaboratoryofEarthquakePrediction(InstituteofEarthquakeScience),ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China
This paper analyzed the coseismic rupture parameters,distribution of coseismic strain release and contemporary strain accumulation features based on coseismic displacements and GPS velocities in source area of theMS7.8 Tang-shan earthquake in 1976. The fitting results for the dislocation formula in two-dimensional model of coseismic displacements show that the locking depth of seismic fault is about 18—23 km before Tangshan earthquake,its dip angle is about 74°—90°,and the coseismic dislocation is about 3.1—3.4 m. During the coseismic process,right-lateral rupture occurred in the Tangshan fault zone,and the left-lateral strain released in NE direction at the bilateral sides of the coseismic fault. On the condition of the density and accuracy of GPS surveying presented in this paper,the creep signal cannot be distinguished at present. The coseismic strain release and contemporary GPS strain rate accumulation results illustrate that the shearing deformation (rate) magnitude in the SE side of the Tangshan fault zone is larger than that in the NW side,and the deformation values between the coseismic process and contemporary period differs 1000 times.
MS7.8 Tangshan earthquake;locking depth;coseismic dislocation;strain release;strain accumulation
10.11939/jass.2016.04.007.
國家自然科學基金(41474002)和科技基礎性工作專項課題(2015FY210403)聯(lián)合資助.
2016-05-04收到初稿,2016-06-08決定采用修改稿.
10.11939/jass.2016.04.007
P315.72+5
A
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Wu Y Q, Huang L R, Chen C Y, Zhu S, Jin T, Liu X Z. 2016. Coseismic and contemporary deformation features of theMS7.8 Tangshan earthquake in 1976.ActaSeismologicaSinica, 38(4): 609--617.doi:10.11939/jass.2016.04.007.
*通訊作者 e-mail: huanglr1942@qq.com