王 想,周 依,陳 婷,王 時(shí),李小軍

(河北省地震局,河北 石家莊 050021)

0 引言

2020年7月12日6時(shí)38分,在河北省唐山市古冶區(qū) (118.44°E,39.78°N)發(fā)生5.1級(jí)地震,位于唐山市與灤縣交界地區(qū)(圖1),震源深度為10 km。此次地震是繼河北省2006年7月4日文安5.1級(jí)地震以來(lái)的又一次5級(jí)以上地震。這次地震京、津、冀震感顯著,各級(jí)政府高度重視,媒體迅速發(fā)出大量報(bào)道,社會(huì)公眾反應(yīng)強(qiáng)烈。這次地震序列早期余震較小(ML<1.0),截到7月15日22時(shí)共發(fā)生2次2級(jí)余震;震區(qū)僅有部分房屋出現(xiàn)輕微裂縫,烈度偏低,最高烈度為Ⅴ度。

F1:豐臺(tái)—野雞索斷裂;F2:唐山斷裂帶;F3:薊運(yùn)河斷裂;F4:寧河—昌黎斷裂;F5:灤縣—樂(lè)亭斷裂;F6:盧龍斷裂圖1 1976—2020年唐山地區(qū)5級(jí)地震震中分布以及2020年7月12日唐山5.1級(jí)以上地震烈度分布圖Fig.1 Epicenter distribution of MS5.0 earthquakes in Tangshan area from 976 to 2020 and intensity distribution of MS>5.1 earthquakes in Tangshan on July 12,2020

1 此次地震與1976年唐山7.8級(jí)地震的相關(guān)性分析

1976年唐山7.8級(jí)地震屬于大陸板塊內(nèi)部地震,地震破裂開(kāi)始于NE向唐山斷裂的西南段,然后向NE及SW方向發(fā)展,破裂長(zhǎng)度各為70 km,其總破裂長(zhǎng)度約140 km。破裂速度約為2.5 km/s。唐山地震斷裂帶上主破裂——7.8級(jí)地震發(fā)生后,區(qū)域應(yīng)力急劇調(diào)整,在破裂端附近受到橫向斷裂—灤縣—樂(lè)亭斷裂和薊運(yùn)河斷裂的阻隔而形成兩個(gè)新的應(yīng)力集中區(qū),進(jìn)而也同時(shí)牽動(dòng)NW向斷裂的破裂。由于兩組斷裂的破裂,發(fā)生了7.8級(jí)地震兩側(cè)的若干次強(qiáng)余震,如在東北端發(fā)生的7.1級(jí)地震和西南側(cè)發(fā)生的6.9級(jí)地震等[1]。余震是主震之后應(yīng)力進(jìn)一步釋放的結(jié)果,在不同構(gòu)造環(huán)境下,余震事件的持續(xù)時(shí)間不同,其持續(xù)時(shí)間與滑動(dòng)速率成反比關(guān)系,板塊內(nèi)部地震形變速率非常低,低于每年1 mm,斷層重新加載緩慢,可以延續(xù)數(shù)百年甚至更久。根據(jù)斷層摩擦的速率-狀態(tài)模型預(yù)測(cè)地震之后的斷層性質(zhì)變化并用于余震研究,最終得出唐山地震余震持續(xù)時(shí)間可為100年左右[2]。低加載速率使得唐山地區(qū)余震持續(xù)時(shí)間系統(tǒng)性地增加,這個(gè)過(guò)程中余震是由應(yīng)力擾動(dòng)引起的。深部的黏彈松弛效應(yīng)也是造成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)余震的一種物理機(jī)制,唐山地震明顯加載了黏性的下地殼和上地幔,隨后下地殼和上地幔經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間將應(yīng)力傳遞回孕育地震的上地殼。唐山地震屬于板塊內(nèi)部地震比板塊邊界地震的過(guò)程持續(xù)得更久,下地殼和上地幔更為黏滯,也因此導(dǎo)致唐山余震序列持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

從時(shí)間序列來(lái)看(圖2),1976年唐山7.8級(jí)地震后至1977年,余震活動(dòng)水平為6級(jí)左右;1978年至1995年余震活動(dòng)水平為5級(jí)左右;1996年之后地震活動(dòng)水平為4級(jí)左右,2004年至2014年這10年時(shí)間存在2年的發(fā)震韻律為成對(duì)發(fā)生的特征,這一現(xiàn)象基本符合余震衰減的大森定律,個(gè)數(shù)隨著時(shí)間迅速減少,同時(shí)震級(jí)越來(lái)越小。但大森定律是通過(guò)對(duì)一部分觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合而來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式,不能處處與實(shí)際觀測(cè)完美吻合,因此偶爾還有5級(jí)左右地震的發(fā)生。按1976年唐山余震的空間分布以及發(fā)震構(gòu)造特點(diǎn),此次5.1級(jí)地震位于唐山7.8級(jí)地震發(fā)震斷裂——唐山斷裂的東北端,屬于唐山1976年7～8級(jí)地震44年后的又一次顯著地震活動(dòng)。

圖2 1976年唐山余震序列Fig.2 Aftershock sequence of the 1976 Tangshan earthquake

唐山地區(qū)位于張渤地震帶和河北平原地震帶交匯部位,張家口—渤海地震帶西起晉冀蒙交界,向東南延伸到渤海,長(zhǎng)約700 km,寬數(shù)十公里。河北平原地震帶自灤州市向西南至河南新鄉(xiāng),長(zhǎng)達(dá)600 km,寬數(shù)十公里。唐山地區(qū)地震活動(dòng)水平明顯高于張渤地震帶和河北平原地震帶上的其他地區(qū),這一現(xiàn)象與該地區(qū)的地震屬于唐山地震長(zhǎng)余震序列是一致的。在這種情況下,這些小地震的發(fā)震位置并非隱含著未來(lái)大地震的時(shí)間和地點(diǎn)。大地震往往以地震幕的形式短暫地聚集發(fā)生,并在長(zhǎng)達(dá)幾千年的時(shí)間里在斷層間遷移[3-6]。華北地區(qū)大地震(M>7)一直很頻繁,但是自從公元1300年以來(lái)從未在同一個(gè)地點(diǎn)發(fā)生過(guò)兩次類似的大地震。

2 此次地震的發(fā)震構(gòu)造

唐山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,本區(qū)基底破碎,被多組斷裂切割,根據(jù)地震活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造的差異。1976年唐山地震中,唐山、灤縣、寧河是三個(gè)獨(dú)立的發(fā)震區(qū),亦即是三個(gè)不同的應(yīng)力集中區(qū)。每個(gè)應(yīng)力集中區(qū)有一個(gè)主震,并形成相對(duì)獨(dú)立的余震活動(dòng)區(qū),三個(gè)應(yīng)力集中區(qū)是由三組不同的構(gòu)造帶構(gòu)成的。三組淺層活動(dòng)性斷裂分別是:NE向的寧河—昌黎斷裂、豐臺(tái)—野雞坨斷裂、唐山斷裂帶,NW向的灤縣—樂(lè)亭斷裂、薊運(yùn)河斷裂和EW向的豐臺(tái)—豐南斷裂。此次地震發(fā)生在NE向斷裂與NW向斷層交而不匯的地區(qū)。震中附近有NE向的唐山—古冶斷裂,也有NW向的灤縣—樂(lè)亭斷裂。

采用雙差定位方法[7],基于河北測(cè)震臺(tái)網(wǎng)提供的2020年7月12日至7月16日的震相報(bào)告,對(duì)本次唐山M5.1地震序列進(jìn)行了重新定位。重定位結(jié)果表明,此次唐山M5.1地震震中位置為39.777°N、118.419°E,震源初始破裂深度為13.3 km,此次唐山地震余震序列主要沿NE向展布,震源深度主要集中在10～15 km范圍內(nèi),余震向淺層發(fā)育。相比于AB測(cè)線深度剖面,地震序列在CD測(cè)線深度剖面上分布更加集中,但優(yōu)勢(shì)傾角不突出(圖3),余震序列分布帶的走向與唐山斷裂帶一致。

F1:豐臺(tái)—野雞坨斷裂;F2:唐山斷裂帶;F3:薊運(yùn)河斷裂;F4:寧河—昌黎斷裂;F5:灤縣—樂(lè)亭斷裂圖3 唐山M5.1地震序列精定位震中分布圖(資料時(shí)段:2020-07-12—16)Fig.3 Epicenter distribution map of Tangshan MS5.1 earthquake sequence after precise location (2020-07-12—2020-07-16)

取唐山地震近震臺(tái)站波形資料,利用CAP方法得到本次唐山M5.1地震的震源機(jī)制(圖4)對(duì)比11個(gè)臺(tái)站體波部分和面波部分的理論合成波形和實(shí)測(cè)波形可以看出,超過(guò)80%的分量擬合相關(guān)系數(shù)大于80%,其中超過(guò)60%的分量大于90%,顯示理論波形與實(shí)際波形具有較好的擬合關(guān)系。深度擬合殘差顯示,擬合深度為13 km時(shí)殘差最小,此深度即為最佳震源深度,此結(jié)果與雙差定位的結(jié)果一致。NNE向的節(jié)面屬于直立(傾角76°)。震源機(jī)制解中的第一節(jié)面走向?yàn)镹EE、其形態(tài)和分布與精定位的結(jié)果地震序列小震展布走向相符,也與唐山斷裂帶相對(duì)應(yīng)。故取NEE向近直立的節(jié)面作為斷層面。震源斷層面的滑動(dòng)角180°,為右旋走滑類型。

圖4 唐山M5.1地震波形擬合和反演誤差Fig.4 Waveform fitting and inversion error of Tangshan M5.1 earthquake

唐山地震的有感范圍的長(zhǎng)軸方向是NEE向,長(zhǎng)軸約29 km,短軸約19 km。最高烈度為Ⅴ度,Ⅴ度等震線沿唐山斷裂帶中的唐山—古冶斷裂分布,其長(zhǎng)軸走向與唐山斷裂帶的走向和位置一致,烈度線的長(zhǎng)、短軸之比為二比一,顯示了NEE向構(gòu)造作用的優(yōu)勢(shì)(圖3)。

灤縣—樂(lè)亭斷裂斷面走向NW、傾向NE,為高角度逆沖斷層。唐山斷裂帶主要由北東走向的三條平行斷裂:唐山—古冶斷裂、陡河斷裂、唐山—巍山—長(zhǎng)山南坡斷裂組成,這三條斷裂向西南延伸后,在豐南附近合并成一條,全長(zhǎng)約40 km。其中唐山—古冶斷裂西南段走向NE30°,東北段走向NE50°,斷面傾向NW,傾角70°～80°的正斷層。根據(jù)定位結(jié)果、震源機(jī)制解以及烈度分布,推測(cè)SW-NE走向的節(jié)面為本次唐山M5.1地震的發(fā)震斷層面,該地震為發(fā)生在傾向NW、高傾角、右旋走滑的斷層上的地震,唐山斷裂可能為其控震斷層。

3 地震前存在的地震活動(dòng)性異常

3.1 華北地區(qū)ML3缺震

分析華北地區(qū)(33°～43°N,108°～125°E)ML3以上地震的缺震曲線,選取資料時(shí)間窗為12個(gè)月,滑動(dòng)頻長(zhǎng)1個(gè)月,曲線的負(fù)異常與華北ML5以上地震對(duì)應(yīng)較好。2000年以來(lái)共出現(xiàn)異常6次,地震6組,實(shí)際對(duì)應(yīng)地震5組(圖5)。此外,華北ML3缺震異常對(duì)應(yīng)地震具有成組性,除此次唐山地震外,對(duì)應(yīng)的5組地震中,其中有3組都連續(xù)發(fā)生了多次ML5以上地震(表1)。

表1 華北地區(qū)ML3地震缺震曲線異常對(duì)應(yīng)地震統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of earthquakes corresponding to the lack anomaly of ML3 earthquake curve in North China

圖5 華北地區(qū)ML3地震缺震曲線Fig.5 Lack of ML3 earthquake curve in North China

3.2 華北北部5級(jí)地震活動(dòng)規(guī)律

7月12日唐山5.1級(jí)地震發(fā)生在華北北部地區(qū)(38.5°～41.5°N,114°～120°E),該區(qū)位于華北地塊的北部,即張家口—渤海地震帶、華北平原地震帶和山西地震帶的交匯部位。該地區(qū)由于東部受到西太平洋板塊側(cè)面俯沖的影響,西部受到青藏高原隆起所引起的深部塑性流動(dòng)致使淺部物質(zhì)側(cè)壓擠出的影響,形成了一個(gè)主壓應(yīng)力為NEE—SWW向的水平應(yīng)力場(chǎng)[8-10]。按照地震間隔時(shí)間劃分11個(gè)地震叢震(圖6),其中1978年唐山地震的多次5級(jí)以上強(qiáng)余震與唐山主震歸為1組,1991—1999年發(fā)生4次地震由于間隔時(shí)間較短劃分為同1組(表2)。統(tǒng)計(jì)表明從百年尺度來(lái)看,該區(qū)地震活動(dòng)表現(xiàn)出明顯的周期性,10組地震中有8次地震的時(shí)間間隔為10±2年,最長(zhǎng)時(shí)間為1991年唐山上一次5.0級(jí)地震之前,最短間隔為8年。此次唐山地震前,該區(qū)5級(jí)以上地震平靜14年。

表2 唐山地區(qū)ML2地震平靜對(duì)應(yīng)地震統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of earthquakes corresponding to the quiet anomalies of ML2 earthquakes in Tangshan

圖6 首都圈地區(qū)5級(jí)地震M-t圖Fig.6 M-t diagram of MS≥5 earthquakes in China Capital region

按照斷裂走向及地震分布,沿張家口—渤海地震帶把華北北部地區(qū)劃分為3個(gè)分區(qū),分別稱為西區(qū)、中區(qū)、東區(qū)(圖7)。其中,東區(qū)主要包括唐山老震區(qū)及部分渤海地區(qū)的平谷—三河—廊坊構(gòu)造帶以及滄東構(gòu)造帶;中區(qū)主要包括懷柔—北京—涿縣(現(xiàn)為涿州)構(gòu)造帶;西區(qū)主要包括延慶—懷來(lái)構(gòu)造帶。地震活動(dòng)表現(xiàn)出明顯的自西向東遷移、再跳轉(zhuǎn)到西區(qū)開(kāi)始一個(gè)新輪回的特征,具有遷移性、重復(fù)性和輪回性[11]。至今共經(jīng)歷了2個(gè)完整的輪回,唐山地震的發(fā)生完成了該區(qū)的第3個(gè)輪回。

圖7 華北北部地震遷移圖Fig.7 Earthquake migration in the northern region of North China

3.3 華北地區(qū)ML4地震平靜

華北構(gòu)造區(qū)受到來(lái)自歐亞板塊和太平洋板塊共同的外力作用,唐山地區(qū)和華北其他地區(qū)共同經(jīng)歷著地殼應(yīng)力積累過(guò)程。2000年以來(lái),華北地區(qū)(33°～43°N,108°～125°E)進(jìn)入地震活動(dòng)相對(duì)平靜時(shí)段,ML4地震平靜超過(guò)3個(gè)月被打破后,該區(qū)域半年內(nèi)存在發(fā)生ML5.2以上地震的可能。2000年以來(lái),共對(duì)應(yīng)了6次(組)。自2018年2月12河北永清ML4.7地震后華北地區(qū)出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)14個(gè)月的ML4地震平靜,這次平靜達(dá)到了2000年以來(lái)的最長(zhǎng)平靜時(shí)間。另外3次顯著的平靜事件分別發(fā)生在2006年文安5.1級(jí)地震、2008年汶川8.1級(jí)地震、2013年燈塔5.1等4次5級(jí)地震發(fā)生后,華北應(yīng)力場(chǎng)處于應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整階段。而此次顯著地震平靜前華北本區(qū)以及外圍均沒(méi)有大地震發(fā)生。此次顯著平靜并不是應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整,而是地震前的能量積累。該長(zhǎng)期平靜被2019年4月21日河北臨漳ML4.1地震打破,隨后又出現(xiàn)了7個(gè)月的平靜,被12月3日河北張家口懷安ML4.0地震打破。這兩次連續(xù)ML4平靜異常結(jié)束后7個(gè)月發(fā)生了本次唐山ML5.5地震(圖8)。

圖8 2000年后華北地震ML4以上地震M-t及Δt-tFig.8 M-t and Δt-t diagram of ML>4 earthquakes in North China after 2000

3.4 唐山地區(qū)ML3地震平靜

唐山地區(qū)(39°～41°N,117.5°～119.5°E)ML3地震的平靜與該區(qū)ML4以上的地震存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖9)。以唐山地區(qū)ML3地震平靜120天為異常指標(biāo),2005年以來(lái)共出現(xiàn)14次,有5次在異常結(jié)束后6個(gè)月內(nèi)對(duì)應(yīng)了ML4以上地震,其中4次異常是被ML4以上地震直接打破,1次是在異常結(jié)束后3個(gè)月內(nèi)對(duì)應(yīng)了ML4以上地震。自2019年12月5日河北豐南ML4.9地震后,唐山地區(qū)ML3地震平靜超7個(gè)月,發(fā)生本次唐山M5.1地震,直接打破了唐山地區(qū)ML3地震平靜,認(rèn)為該項(xiàng)異常對(duì)應(yīng)了唐山M5.1地震。

圖9 唐山地區(qū)ML3地震M-t及Δt-t圖Fig.9 M-t and Δt-t diagram of ML>3 earthquakes in Tangshan

3.5 唐山地區(qū)ML2.0地震平靜打破

2005年之來(lái),當(dāng)唐山地區(qū)(39°～41°N,117.5°～119.5°E)發(fā)生超過(guò)30天的ML2地震平靜打破異常后,未來(lái)3個(gè)月唐山余震區(qū)存在發(fā)生ML4左右地震的可能(圖10)。2020年4月6日河北灤州ML2.0地震至5月22日河北灤州ML2.1地震,唐山地區(qū)ML2.0地震平靜時(shí)間達(dá)到46天,超過(guò)該指標(biāo)的異常閾值。平靜打破后51天發(fā)生本次唐山M5.1地震。

圖10 唐山地區(qū)ML2地震Δt-tFig.10 Δt-t diagram of ML2 earthquakes in Tangshan

3.6 地震預(yù)報(bào)能力評(píng)分

地震前兆是一種弱訊號(hào),我們對(duì)以上分析的3種具有短臨預(yù)報(bào)意義的資料使用R值作為鑒定指標(biāo)。公式如下:

(1)

式中:R值表示扣除了占時(shí)率的報(bào)準(zhǔn)率,即扣除了隨機(jī)概率的預(yù)報(bào)成功率。對(duì)其結(jié)果作出置信度的估計(jì),與按二項(xiàng)式分布原則編制的保證97.5%信度的最低R值表進(jìn)行對(duì)比,如果R值大于表中所列數(shù)值R0,即認(rèn)為這個(gè)R值至少有97.5%的置信度。隨著時(shí)間的演變,累積資料的豐富,預(yù)報(bào)能力R值是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的值,2020年使用最新資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算的3種資料的預(yù)報(bào)能力如下表,唐山地區(qū)的2級(jí)平靜被打破具有一定的預(yù)報(bào)價(jià)值。

表3 預(yù)報(bào)能力統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of forecasting ability

4 結(jié)論

本文分析2020年7月12日唐山5.1級(jí)地震的發(fā)震特點(diǎn)以及震前唐山本區(qū)和所處的華北構(gòu)造區(qū)的地震活動(dòng)性異常,對(duì)此次地震的性質(zhì)以及發(fā)震構(gòu)造背景、破裂機(jī)制進(jìn)行初步分析。認(rèn)為2020年7月12日唐山5.1級(jí)地震屬于1976年7月28日唐山7.8級(jí)地震老震區(qū)的一次地震起伏活動(dòng);該次地震序列并不豐富,震區(qū)烈度偏低、有感范圍大;唐山地區(qū)地震構(gòu)造復(fù)雜,根據(jù)精定位結(jié)果、震源機(jī)制解以及烈度分布,推測(cè)SW-NE走向的節(jié)面為此次地震的發(fā)震斷層面,唐山斷裂可能為其控震斷裂。華北構(gòu)造區(qū)受到來(lái)自歐亞板塊和太平洋板塊共同的外力作用,唐山地區(qū)和華北其他地區(qū)共同經(jīng)歷著地殼應(yīng)力積累的過(guò)程。唐山地區(qū)因?yàn)?976年唐山7.8級(jí)地震的作用,地殼較之華北其他地區(qū)的介質(zhì)更為破碎,其地殼閉鎖段的靜摩擦強(qiáng)度較小,不易積累較大地殼應(yīng)力。此次地震的活動(dòng)時(shí)間和地點(diǎn)符合華北北部5級(jí)地震的活動(dòng)規(guī)律,地震前的地震活動(dòng)性異常以顯著平靜為主,唐山地區(qū)出現(xiàn)3級(jí)地震顯著平靜、2級(jí)地震平靜被打破的短臨異常,震前華北地區(qū)4級(jí)地震平靜背景尤為突出,3級(jí)地震缺震現(xiàn)象明顯。唐山地震前的地震活動(dòng)性異常表明,此次地震前唐山地區(qū)以及所處的華北構(gòu)造區(qū)地殼應(yīng)力都積累到了一定程度。