李冬圣 王想 蔡玲玲 賈炯 李小軍 王亞玲

河北省地震局，石家莊 050021

0 引言

圖1 唐山M5.1地震序列M-t圖

2019年12月5日河北豐南發(fā)生M4.5地震，7個(gè)月后2020年7月12日河北唐山發(fā)生M5.1地震，這是繼1995年10月6日唐山古冶M5.0地震后，時(shí)隔25年唐山老震區(qū)發(fā)生的最大的一次地震。唐山老震區(qū)在短短7個(gè)月內(nèi)相繼發(fā)生M4.5和M5.1地震，說明區(qū)域應(yīng)力水平有較大變化。本文基于2016—2020年唐山老震區(qū)的地震資料，使用Brune圓盤位錯(cuò)模型(Brune，1970)和遺傳算法(Moya et al，2000)，通過多臺(tái)地震波形記錄，在頻率域中反演地震事件震源參數(shù)，探索河北唐山M5.1地震前小震震源參數(shù)的變化。

1 資料和方法

河北省測震臺(tái)網(wǎng)實(shí)時(shí)接收省內(nèi)和周邊山西省、山東省、河南省、內(nèi)蒙古自治區(qū)168個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)，省內(nèi)大部分地區(qū)監(jiān)測能力達(dá)到ML1.5，唐山老震區(qū)2012年地震監(jiān)控能力為ML0.9(李冬圣等，2015)，2014年新建灤縣地震臺(tái)(LUX)，使得該區(qū)地震監(jiān)測能力得到進(jìn)一步提高。唐山M5.1地震震中100km范圍內(nèi)有21個(gè)測震臺(tái)站，距離本次地震最近的測震臺(tái)站為陡河地震臺(tái)(DOH)，震中距約為15km。

圖2 研究區(qū)臺(tái)站及地震分布

本文重點(diǎn)研究唐山老震區(qū)(117.5°～119.5°E，39°～41°N)在唐山M5.1地震前ML≥2.5地震活動(dòng)的震源參數(shù)特征。唐山老震區(qū)地震活動(dòng)可以分為3個(gè)區(qū)，分別為西區(qū)、中區(qū)和東區(qū)，如圖2 所示，從震中分布圖上看，2016年1月—2020年7月ML≥2.5地震大部分集中在中區(qū)，唐山老震區(qū)40年地震時(shí)空演化顯示，唐山斷裂的東端小震集中，強(qiáng)度高，未來有發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)(張素欣等，2017)，本次唐山M5.1地震就發(fā)生在該區(qū)域。鑒于2019年12月河北豐南剛發(fā)生M4.5地震，而且近2年滿足計(jì)算震源參數(shù)的地震事件較少，故將研究時(shí)段提前至2016年。

計(jì)算這一地區(qū)地震波衰減特征和所使用臺(tái)站場地響應(yīng)，是計(jì)算震源參數(shù)的第一步，本文使用河北省測震臺(tái)網(wǎng)2009—2014年ML≥2.5地震事件反演得到河北地區(qū)的Q值以及各個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)結(jié)果。從地震波形記錄中扣除儀器響應(yīng)、場地響應(yīng)和傳播路徑效應(yīng)，使用信噪比超過2的臺(tái)站參與計(jì)算，得到每個(gè)臺(tái)站對同一地震的震源譜，再對多個(gè)臺(tái)站得到的震源譜求平均值，得到該地震的震源位移譜，利用遺傳算法對震源位移譜進(jìn)行擬合，依據(jù)Brune圓盤震源模型，得到震源譜參數(shù)零頻極限Ω0和拐角頻率fc。采用下式計(jì)算地震矩M0、震源半徑r和應(yīng)力降Δσ等震源參數(shù)(趙英萍等，2004；華衛(wèi)，2007)

(1)

(2)

(3)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 唐山震區(qū)臺(tái)站場地響應(yīng)

影響震源參數(shù)計(jì)算結(jié)果的因素較多，如研究區(qū)介質(zhì)密度、震源輻射因子、拐角頻率等。震源譜由多個(gè)臺(tái)站平均計(jì)算獲得，減弱了輻射因子對計(jì)算結(jié)果的影響，而區(qū)域介質(zhì)密度不確定性所導(dǎo)致的應(yīng)力降不確定性遠(yuǎn)小于實(shí)際應(yīng)力降隨時(shí)間的變化，亦可忽略其影響(周少輝等，2017)。拐角頻率和零頻極限計(jì)算涉及噪聲項(xiàng)、儀器項(xiàng)、傳播路徑效應(yīng)和臺(tái)站場地響應(yīng)等影響因素，由于使用的臺(tái)站固定、臺(tái)站周圍環(huán)境無較大改變，因此對計(jì)算結(jié)果影響不顯著(劉杰等，2003；周少輝等，2018)。場地響應(yīng)受較多因素的影響，如臺(tái)基、地質(zhì)構(gòu)造等(張紅才等，2015)，計(jì)算唐山地區(qū)地震的震源參數(shù)主要使用河北省內(nèi)秦皇島、唐山、承德等地的一些臺(tái)站。由于這些臺(tái)站中的部分臺(tái)站處于第四系沉積層或黃土層，對地震波信號(hào)放大作用較大，因此計(jì)算過程中盡量使用了基巖臺(tái)站，基巖臺(tái)站的場地響應(yīng)在大部分頻段內(nèi)較平坦，例如在計(jì)算震源參數(shù)中使用較多的青龍臺(tái)(QIL)、興隆臺(tái)(XIL)等臺(tái)站，由圖3 所示，這些臺(tái)站場地響應(yīng)均在1附近，隨頻率變化較為穩(wěn)定，無明顯的放大或縮小(蔡玲玲等，2020)，能較好地記錄不同頻段內(nèi)的地震動(dòng)，且場地響應(yīng)取多震平均結(jié)果，減少了對計(jì)算結(jié)果的影響。

圖3 唐山老震區(qū)部分臺(tái)站場地響應(yīng)藍(lán)線為單個(gè)地震計(jì)算結(jié)果；紅線為整體擬合結(jié)果

2.2 震源參數(shù)之間的相互關(guān)系

使用2016年1月—2020年7月河北省測震臺(tái)網(wǎng)記錄地震事件波形，最終計(jì)算得到85個(gè)地震的震源參數(shù)。應(yīng)力降和震級(jí)之間存在復(fù)雜的關(guān)系，一些學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)力降有隨震級(jí)增加而增大的趨勢(Mayeda et al，1996；趙翠萍等，2011；華衛(wèi)等，2012)。從圖4(a)中可以看出，應(yīng)力降隨震級(jí)分布離散，在2.5≤ML≤3.5之間應(yīng)力降主要集中在2MPa以內(nèi)，無明顯的對應(yīng)關(guān)系，ML≥4.0地震較少，但應(yīng)力降有隨震級(jí)增大而增大的趨勢，唐山M5.1地震應(yīng)力降為10.3MPa，是計(jì)算時(shí)段內(nèi)應(yīng)力降值最高的事件。

圖4 震源參數(shù)之間的關(guān)系

描述地震波譜的主要特征參數(shù)是拐角頻率，其反映了地震波不同頻率能量的分布。拐角頻率的變化對其他震源參數(shù)影響較大，使用遺傳算法搜索得到拐角頻率避免了目視誤差，多臺(tái)震源譜取平均值消除了震源的方向性效應(yīng)(蔡玲玲等，2016)，保證了其他震源參數(shù)的可靠性。從圖4(b)中可以看出，拐角頻率與震級(jí)無明顯的關(guān)系，但有隨震級(jí)增大而減小的趨勢，唐山M5.1地震拐角頻率為1.965Hz，是計(jì)算時(shí)段內(nèi)拐角頻率最低的事件。

3.2 患者版目標(biāo)管理對冠心病患者二級(jí)預(yù)防知識(shí)及行為的影響 有效的二級(jí)預(yù)防行為管理，將有助于減少冠心病多種危險(xiǎn)因素，改善冠心病患者心功能，促進(jìn)患者預(yù)后，提高患者生活質(zhì)量[9]。本研究結(jié)果顯示，觀察組干預(yù)后二級(jí)預(yù)防知識(shí)及二級(jí)預(yù)防行為評(píng)分均高于對照組(P<0.01)，考慮可能由于患者版目標(biāo)管理手冊讓患者參與了目標(biāo)及相關(guān)措施的制訂，并結(jié)合自身具體現(xiàn)狀對最終進(jìn)行階段性規(guī)劃，使當(dāng)前目標(biāo)及措施符合患者，提高患者健康意識(shí)，促使患者建立健康行為，進(jìn)而提高患者二級(jí)預(yù)防行為及知識(shí)水平。

地震矩是表示地震釋放能量的物理量，標(biāo)志地震的大小，數(shù)值相當(dāng)于斷層面錯(cuò)動(dòng)面積、地震錯(cuò)距與切變模量三者的乘積。圖4(c)為地震矩與震級(jí)的關(guān)系圖，由圖可知，lgM0與ML有較好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.96。震源尺度是一個(gè)與地震強(qiáng)度、震源區(qū)地下結(jié)構(gòu)等相關(guān)的量(趙英萍等，2004)，圖4(d)顯示震源尺度與地震矩之間存在半對數(shù)的關(guān)系。

圖5 應(yīng)力降數(shù)值分布統(tǒng)計(jì)

85個(gè)地震的震源深度在20km以內(nèi)，有研究表明中小地震釋放的應(yīng)力降與震源機(jī)制解無明顯相關(guān)性，震源深度小于20km時(shí)，應(yīng)力降對深度的依賴不明顯(趙翠萍等，2011)。圖5 為應(yīng)力降數(shù)值分布統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力降的變化范圍為0.1～10.3MPa，且主要集中在0.1～1.0MPa， 應(yīng)力降小于2MPa的地震68個(gè)，占研究地震總數(shù)的81%。

2.3 震源參數(shù)隨時(shí)間變化分析

2019年12月5日河北豐南M4.5地震后至2020年7月12日唐山M5.1地震前，唐山老震區(qū)共發(fā)生7次2.5≤ML≤2.8地震，其中豐南M4.5地震當(dāng)天發(fā)生1次ML2.5余震，由于沒有滿足信噪比的臺(tái)站，無法進(jìn)行震源參數(shù)計(jì)算。應(yīng)力降與震級(jí)之間關(guān)系復(fù)雜，為了避免震級(jí)影響，提取85個(gè)樣本中震級(jí)范圍為2.5≤ML≤2.8的震源參數(shù)進(jìn)行分析。

應(yīng)力降是可以從震源譜中得到的一個(gè)重要參數(shù)。通常認(rèn)為，地震是區(qū)域應(yīng)力積累到一定程度，在超過局部臨界強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的。應(yīng)力降為地震時(shí)斷層面上所釋放的應(yīng)力，通過應(yīng)力降可以了解震前和震后的構(gòu)造狀態(tài)，在Brune圓盤震源模型下計(jì)算中小地震震源參數(shù)，在一些合理的假設(shè)條件下，應(yīng)力降約為視應(yīng)力的4.3倍(李艷娥等，2007)，視應(yīng)力是地震效率和平均應(yīng)力的乘積，可作為評(píng)估地殼應(yīng)力水平的重要參數(shù)(吳忠良等，2002)，因此，應(yīng)力降也可反映地殼應(yīng)力水平。按照應(yīng)力降分布統(tǒng)計(jì)，本文將應(yīng)力降超過2MPa的地震事件定為高應(yīng)力降事件。從圖6(c)中可以看出，在統(tǒng)計(jì)震級(jí)范圍內(nèi)，有6次高應(yīng)力降事件，其中在唐山M5.1地震前后有3次。

圖6 2.5≤ML≤2.8地震震源參數(shù)隨時(shí)間的變化

具體情況如下：

2020年1月2日河北灤州ML2.6地震，應(yīng)力降為2.547MPa，拐角頻率13.659Hz。此次事件距離2019年豐南M4.5地震70km，鑒于豐南地震序列衰減較快，12月8日序列基本結(jié)束，余震序列分布較集中(1)王亞茹等，2019，2019年12月5日河北唐山豐南4.5級(jí)地震序列及后續(xù)地震趨勢分析報(bào)告. 內(nèi)部資料.，因此不認(rèn)為該高應(yīng)力降事件是受豐南地震影響產(chǎn)生的。

2020年5月26日河北灤州ML2.8地震，應(yīng)力降為2.365MPa，拐角頻率12.179Hz。該事件是在唐山老震區(qū)ML3.0地震異常平靜220天、ML2.0地震異常平靜46天的背景下發(fā)生的，而且是ML2.0地震平靜被打破至唐山M5.1地震前僅發(fā)生的2次ML2.5以上地震中的1次。對地震活動(dòng)異常平靜的分析是地震學(xué)分析預(yù)報(bào)方法中比較基本的時(shí)間進(jìn)程分析方法，反映了平靜地區(qū)在一定時(shí)段內(nèi)應(yīng)變的積累(張國民等，2001)?！捌届o”降低了地震導(dǎo)致的應(yīng)力釋放率，按照平均構(gòu)造加載來估算，這里的應(yīng)力水平可能會(huì)增強(qiáng)，平靜后的小震應(yīng)力降值較高也證明了這一點(diǎn)。

2020年7月12日唐山ML2.6地震，是唐山M5.1地震的余震，應(yīng)力降為2.644MPa，拐角頻率為15Hz。此次事件應(yīng)力降值較高，考慮是由于主震發(fā)生后震源區(qū)應(yīng)力水平調(diào)整造成的。

如圖 6所示，高應(yīng)力降事件不但應(yīng)力降值較高且拐角頻也率較高，震源尺度較小，表明單位體積釋放能量較多。肖蔚文(1990)發(fā)現(xiàn)1982年盧龍地震前有高應(yīng)力降事件發(fā)生，認(rèn)為高應(yīng)力降事件的出現(xiàn)是震源區(qū)高構(gòu)造應(yīng)力和該地區(qū)可能發(fā)生較大地震的標(biāo)志。1996年陡河地震前有多次高拐角頻率地震事件，也被認(rèn)為是高應(yīng)力降事件(張?zhí)熘械龋?000)，2020年1月和2020年5月的高應(yīng)力降事件不但屬于高應(yīng)力降事件，同時(shí)也是高拐角頻率事件。

2.4 震源參數(shù)在空間的變化

唐山地區(qū)位于陰山-燕山斷褶帶和冀魯斷塊坳陷之間的菱形塊陷，被深大斷裂包圍，塊體中央有一條NE向唐山斷裂帶(圖7)，塊體東界為灤縣-樂亭大斷裂，西界為薊運(yùn)河深斷裂，兩條斷裂走向均為NW向(張素欣等，2017)。如圖7 所示，2016年17個(gè)地震事件位置比較集中(圖7 中方形圖標(biāo))，均在2016年9月唐山4.1級(jí)地震附近，應(yīng)力變化出現(xiàn)高低相間的波動(dòng)現(xiàn)象(王寧等，2018)。2017—2018年地震分布相對零散，但主要沿唐山斷裂帶分布，2019年1月—2020年7月，地震主要分布在唐山斷裂帶北段和灤縣-樂亭斷裂附近，相比2017—2018年地震活動(dòng)范圍更集中一些。

圖7 2.5≤ML≤2.8地震震源參數(shù)在空間上的變化

此次唐山M5.1地震靠近唐山斷裂與灤縣-樂亭斷裂，位于1976年唐山7.8級(jí)地震余震區(qū)內(nèi)。從圖7 可以看出，2次高應(yīng)力降事件均集中在唐山M5.1地震震中附近，其中2020年1月灤州ML2.6和2020年5月26日灤州ML2.8地震，分別距唐山M5.1地震震中17km和15km。

唐山M5.1地震震中位置在2017年曾發(fā)生3次高應(yīng)力降事件，據(jù)河北省測震臺(tái)網(wǎng)目錄統(tǒng)計(jì)，2018年8月5—14日該區(qū)曾發(fā)生ML≥1.0地震31次，最大地震為2018年8月5日河北唐山ML3.9地震，從發(fā)震時(shí)間和震中位置上來看，認(rèn)為這3次高應(yīng)力降事件與2018年8月唐山震群活動(dòng)有關(guān)，是震群活動(dòng)前該區(qū)應(yīng)力集中的一個(gè)體現(xiàn)。

3 討論和結(jié)論

(1)對河北省測震臺(tái)網(wǎng)2016年1月—2020年7月唐山老震區(qū)ML≥2.5地震波形數(shù)據(jù)反演震源譜，通過遺傳算法對地震震源譜與理論震源譜進(jìn)行了擬合，得到了應(yīng)力降、地震矩、震源半徑等震源參數(shù)。得出唐山M5.1地震應(yīng)力降為10.3MPa，拐角頻率為1.965Hz，這是計(jì)算時(shí)段內(nèi)應(yīng)力降值最高、拐角頻率最低的事件。應(yīng)力降與震級(jí)的關(guān)系存在爭議，一些學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)力降呈現(xiàn)隨震級(jí)增加而增大的趨勢(Mayeda et al，1996；趙翠萍等，2011；華衛(wèi)等，2012)。本研究發(fā)現(xiàn)該時(shí)段內(nèi)應(yīng)力降隨震級(jí)分布離散，當(dāng)震級(jí)在2.5≤ML≤3.5，應(yīng)力降主要集中在2MPa以內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)明顯的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)震級(jí)在ML≥4.0時(shí)，應(yīng)力降有隨震級(jí)增大而增大的趨勢。

(2)研究時(shí)段內(nèi)應(yīng)力降數(shù)值范圍在0.1～10.3MPa，且主要集中在0.1～1.0MPa，應(yīng)力降小于2MPa的地震68個(gè)，占研究地震總數(shù)的81%，根據(jù)應(yīng)力降的分布和集中情況，本文將應(yīng)力降超過2MPa的地震事件定位為高應(yīng)力降事件。

為了避免震級(jí)大小對應(yīng)力降分析的影響，結(jié)合唐山M5.1地震前ML≥2.5地震活動(dòng)情況，提取震級(jí)范圍為2.5≤ML≤2.8的震源參數(shù)進(jìn)行時(shí)空分析，得出2019年豐南M4.5地震后有3次高應(yīng)力降事件。2020年1月2日高應(yīng)力降事件距2019年豐南M4.5地震震中70km，不認(rèn)為其是受豐南地震影響產(chǎn)生的，2020年5月26日高應(yīng)力降事件發(fā)生在唐山M5.1地震前，2級(jí)地震平靜46天、3級(jí)地震平靜220天的背景下，在地點(diǎn)和發(fā)震時(shí)間上均表明這2次高應(yīng)力降事件可能是唐山M5.1地震前震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力較高的一個(gè)標(biāo)志。2020年7月12日的高應(yīng)力降事件，是主震發(fā)生后震源區(qū)的應(yīng)力水平調(diào)整的表現(xiàn)。

(3)應(yīng)力降隨時(shí)間的變化與序列中強(qiáng)余震的發(fā)生有一定的關(guān)系，應(yīng)力降在空間的變化也與強(qiáng)余震發(fā)生地點(diǎn)有一定的相關(guān)，跟蹤余震應(yīng)力降的時(shí)空變化，可能為強(qiáng)余震判定提供一定的參考(周少輝等，2017)。跟蹤唐山M5.1地震序列，發(fā)現(xiàn)0級(jí)以上余震最大日頻次出現(xiàn)在主震當(dāng)日，達(dá)58次，次日頻度僅有20次，其后余震頻次衰減較快。ML≥2.0地震發(fā)生6次，有5次發(fā)生在7月12日，ML≥2.5地震發(fā)生2次且均在主震當(dāng)日，由于數(shù)據(jù)較少，無法通過震源參數(shù)來跟蹤序列的發(fā)展。值得注意的是，7月21—27日唐山老震區(qū)未發(fā)生ML≥1.0地震，統(tǒng)計(jì)2000年以來唐山老震區(qū)ML≥4.0地震序列，均未發(fā)生類似情況。唐山M5.1地震的發(fā)生，打破了唐山老震區(qū)5級(jí)地震長時(shí)間平靜，該區(qū)在2019年12月5日發(fā)生豐南M4.5地震，2020年7月12日發(fā)生唐山M5.1地震，表明區(qū)域應(yīng)力水平相對較高，中強(qiáng)地震活動(dòng)可能仍將持續(xù)。