2012年天津?qū)氎?次有感地震的力學(xué)機制研究

劉雙慶 高原 張磊 汪翠枝 馬建英

1)天津市地震局，天津市河西區(qū)友誼路19號 300201

2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

3)中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083

0 引言

繼2012年5月28日唐山市區(qū)東部發(fā)生MS4.8地震后，6月18日、8月26日在距離唐山70km的天津?qū)氎娴貐^(qū)東部相繼發(fā)生了MS4.0、3.5有感地震，2次地震震中間距≤15km，震中連線呈北東東向。雖然2次地震震級不大，但北京城區(qū)、天津北部、河北玉田等地普遍有感。這2次地震震中位于1976年唐山7.8級地震玉田縣低烈度異常區(qū)西邊緣，此處除1976年8月和12月發(fā)生2次MS4.0以上地震外，1993年、2003年的2次有感地震都未超過MS4.0，并且同時期唐山斷裂附近未有MS4.5以上地震發(fā)生，其他時間段內(nèi)該處地震震級都較小。2012年寶坻的2次有感地震發(fā)生時間間隔比較短，空間間距小，震前半年，距震中20km的位于井下253m白云巖層中的寶坻臺體應(yīng)變儀出現(xiàn)由壓縮轉(zhuǎn)為加速拉張的變化過程。2次地震期間離震中10km的王3井(1072m深井，屬奧陶紀(jì)灰?guī)r層)氣氦出現(xiàn)多批次顯著逸出現(xiàn)象。這2個顯著前兆觀測異常是否與這2次地震有關(guān)?是否反映了同一個動力過程?對這2個有感地震的前兆判定是否可信?這些都需要給予細(xì)致探討。事實上，歷史地震震例分析及巖石物理實驗都支持地震前發(fā)生的前兆異常之間具有某種統(tǒng)計優(yōu)勢分布特征和物理機理聯(lián)系。姚孝新(1976)、陳颙(1977)等通過玻璃與巖石破裂實驗發(fā)現(xiàn)，在主破裂發(fā)生前存在微破裂與聲發(fā)射現(xiàn)象，其中不同的應(yīng)力加載路徑或介質(zhì)內(nèi)部是否存在先期裂隙對破裂過程有重要的影響。差應(yīng)力變化條件下大理巖的破裂臨界狀態(tài)的剪切波分裂研究也表明，巖石破碎(崩潰)前存在裂隙生長，而觀測到的剪切波分裂特征的變化反映了差應(yīng)力的變化(高原等，1999;高原，2000)。而主震前震中區(qū)附近地區(qū)波速比異?？赡軄碓从诘貧?nèi)部的微裂隙開合過程(馮德益等，1976;龍海英等，2011)。對比大地測量資料反演與地震波形反演的結(jié)果則顯示，唐山7.8級地震前可能已經(jīng)發(fā)生了比主震規(guī)模還要大一些的無震滑動(陳運泰等，1979)。因此，本文擬利用近場地震序列Sg震相剪切波分裂技術(shù)，結(jié)合地震記錄初動極性分布、地震儀器烈度分布特征等，并利用前人已有的研究成果，對寶坻這2次有感地震的力學(xué)機制進(jìn)行分析，探討2次地震的孕育、發(fā)展、發(fā)生、結(jié)束過程。

1 局部構(gòu)造力學(xué)背景

天津?qū)氎孢@2次地震所發(fā)生的區(qū)域，位于華北平原拗陷帶北段與陰山-燕山南緣斷裂帶東段的結(jié)合部，其中華北平原拗陷帶新生代以來地殼強烈下沉，局部地區(qū)形成了10000m厚的堆積物。燕山南緣斷裂帶除具張性外，還兼有左旋扭動性質(zhì)(國家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組，1982)。2個地震位于寶坻、薊運河2級斷裂交匯處以西(圖1中 E2、E3)，寶坻斷裂為斷面傾向南的傾角較陡的正斷裂。薊運河斷裂為唐山塊陷和滄縣塊隆的分界線，第四紀(jì)時斷裂東北盤抬升，西南盤下降，斷裂兩盤第四系底界落差大于100m。在淺層的薊運河斷裂下方，有寶坻-寧河地殼基底斷裂，兩者在平面位置和延長方向上基本一致。這是一條較大的北西向地殼基底斷裂，根據(jù)穿過該斷裂的塘沽-密云人工地震測深剖面數(shù)據(jù)判定，該斷裂從地殼基底一直斷到地殼上部，斷距3～4km，為正斷層，西南盤下降，與淺層的薊運河斷裂產(chǎn)狀基本一致(國家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組，1982)。據(jù)許忠淮(2001)給出的1966～1999年該地區(qū)MS4.0以上地震的震源機制解可知，該區(qū)域主要表現(xiàn)為走滑型地震，主壓應(yīng)力軸為北東東向，主張應(yīng)力軸為北北西向(圖2(a))。而基于地殼各向異性推斷的首都圈地區(qū)地殼主壓應(yīng)力方向為85.7°，為北東東至近東-西方向(高原等，2008)。圖2(b)、(c)為高原等(2010)利用SKS分裂和近震Sg分裂獲取的首都圈地區(qū)的快波偏振方向，從中可以看出穿透殼幔深度的快波優(yōu)勢方向偏向南東東，平均值為111.2°，而上地殼快波優(yōu)勢方向接近東西，平均值為95.1°。

2 兩次地震前后的觀測異常特征

2.1 Sg剪切波分裂快波方向變化

剪切波分裂又稱為剪切波雙折射，指橫向偏振的剪切波在通過某種形式的有效彈性各向異性固體傳播時分裂成2個近似互相垂直的偏振震相。這2個分裂的震相具有不同的傳播速度和不同的振動方向，這就意味著它們在粒子運動偏振圖上會有特征性的差別，并且快剪切波偏振近似平行于裂隙面，慢剪切波偏振近似垂直于裂隙面。由于本文使用Sg震相(地殼內(nèi)直達(dá)剪切波)進(jìn)行分析，要求射線出露地表時的入射角需小于導(dǎo)致平面波出現(xiàn)嚴(yán)重非均勻相移的臨界角，這個角度對于無限半空間泊松體模型約為35°。本文利用田玥等(2005)給出的多層模型射線追蹤算法(該算法利用射線穿越各層的速度比來提高射線追蹤的穩(wěn)定性)，并在滕吉文等(1979)的速度結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上增加近地表速度模型(沈偉森等，2010)，計算得出震源深度10km、震中距15km的地震地表入射角小于30°，特別因華北地區(qū)地表還存在低速覆蓋層，因此實際入射角可能更小。本文分析的地震樣本為圖1中E2、E3附近的洋紅色點，時間從2008年1月 ～2013年5月，共39條(ML≥0.5地震記錄完整)，CAD臺的震中距 ＜15km，呈叢集性分布并滿足剪切波分裂窗口的要求。利用SAM軟件(高原等，2010)中的偏振分析法，獲取的39個地震的快剪切波比慢剪切波快10～40ms且主要集中在20ms，快波方位角75°左右(整體均值為85.4°，中位數(shù)為80°，眾數(shù)為70°，標(biāo)準(zhǔn)差為28.8°)，顯示為北東東向(圖3(e))。圖3(a)、(b)為2012年6月18日03時17分ML1.9地震事件 CAD臺記錄的快慢剪切波及偏振特征(采樣率為100sps)，兩水平分量旋轉(zhuǎn)后，快慢波成分得到有效分離。圖3(c)、(d)為另一個事件，即2012年5月31日03時13分ML1.3地震事件的分析結(jié)果。圖3(e)中的標(biāo)號1、2、3豎線分別為唐山MS4.8、寶坻MS4.0、3.5有感地震發(fā)震時刻。圖中顯示，在3次地震前3個月，該地區(qū)的小震剪切波快波方向與統(tǒng)計平均值出現(xiàn)明顯差異，MS3.5地震前基本上都是向大角度偏離，而MS3.5地震后，余震的快剪切波偏振方向與平均方向差異減小，基本恢復(fù)到背景方向。這個過程可能顯示了2012年唐山MS4.8地震前幾個月到2012年8月底，在研究區(qū)的局部范圍內(nèi)，地下裂隙總體方向出現(xiàn)由北東東方向轉(zhuǎn)向東西及南南東向，之后又很快恢復(fù)的過程。

圖2 (a)區(qū)域歷史地震震源機制;P、T軸水平投影;(b)SKS反映的剪切波方向;(c)Sg直達(dá)剪切快波方向

圖3 (a)、(b)為2012年6月18日03:17分地震事件快慢波顯示。其中(b)圖的 A-B段對應(yīng)(a)圖中加了“+”的線段，顯示快波先到成分;(b)圖的實跡線由(a)圖中的2條實跡線繪制。(c)、(d)為2012年5月31日03:13分地震事件快慢波顯示;其中(d)圖的A-B段對應(yīng)(c)圖中加了“+”的線段;(d)圖的實跡線由(c)圖中的2條實跡線繪制。(e)為地震序列Sg快波方位角分布。其中實心圓大小表示不同震級;標(biāo)號1、2、3為文中所指的3次有感地震發(fā)震時刻

2.2 震中區(qū)體應(yīng)變及氣氦顯著異常

距離2次地震震中約20km的BAD臺站(圖1)體應(yīng)變儀和王3井深井氣氦分別在震前和發(fā)震期間出現(xiàn)顯著異常，經(jīng)多次現(xiàn)場落實、樣本重復(fù)采樣檢測并與臺站人員核實干擾情況后，認(rèn)定異常存在。體應(yīng)變從2008年6月呈長趨勢壓性變化，累計壓縮量約0.00012(圖4中B段)，至2011年3月11日日本MS9.0地震后，趨勢轉(zhuǎn)平。2011年末開始出現(xiàn)持續(xù)拉張，2012年3～4月份有拉張加速現(xiàn)象(不同于往年同期曲線抬升形態(tài))，拉張累計量約0.00015(圖 4中 D 段)。5月底發(fā)震(圖 4中 E1、E2、E3分別對應(yīng)MS4.8、4.0、3.5等 3次地震)，震后曲線趨勢轉(zhuǎn)平(圖4中A2段)。1072m王3深井在2012年7月初開始出現(xiàn)氣氦增強式逸出，增大的峰值約為0.025%，持續(xù)到7月底(圖5)。8月初～9月上旬氣氦背景曲線有較大的波動，可能受7月下旬～8月中旬長時段強降雨影響(圖5)。上述2種觀測手段都表現(xiàn)出張性，其中體應(yīng)變異常發(fā)生在主震前，氣氦顯著逸出異常出現(xiàn)在3.5級地震前。另外，距離4.0級地震震中以北40km的薊縣臺站(圖1中JIX臺 )水平擺NS向整點值在2012年3月8日、5月19～20日、8月1～2日分別出現(xiàn)62、66、64ms類似階躍特征的明顯固體潮畸變(圖6)。經(jīng)4階demy小波函數(shù)分解取低頻成分后，再經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)到薊運河斷裂的垂直與平行分量上，可明顯看出2個分量的異常變化是同步的。特別是“異常起伏3”的變化與往年同期強降水會導(dǎo)致連續(xù)曲線下降不同，該變化發(fā)生在下降過程的中途。經(jīng)核查，其間儀器工作正常。這些異常起伏特征表現(xiàn)為以JIX臺點為分界點，東南部相對西北部有抬升變化。

圖4 寶坻體應(yīng)變原始記錄(縱軸值向上為壓縮)

3 兩次地震發(fā)震過程

3.1 基于測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)得到的震源機制

圖5 寶坻王3井氣氦原始記錄曲線

圖6 薊縣(JIX)臺站水平擺整點值

前文提及的3次有感地震在天津強震動臺網(wǎng)都獲得加速度記錄(強震動臺網(wǎng)含110個強震臺，平均臺間距約14km，采樣率200sps)，4.0級地震獲35個臺良好數(shù)據(jù)記錄，利用日本同行常規(guī)的處理方式(劉雙慶等，2012)，對兩水平通道的加速度記錄搜索出各自的絕對加速度域值，要求大于該域值的記錄點數(shù)為20個，以克服儀器脈沖異常及保證計算結(jié)果相對穩(wěn)定。將兩水平通道的域值求平均，并利用烈度參考表內(nèi)插出儀器烈度(圖7(a))。天津測震速報臺網(wǎng)含首都圈部分臺站共138個臺，平均間距約35km(天津臺網(wǎng)臺間距更小些)，記錄到清晰初動的臺站分布見圖7(b)、(c)，其中實心點初動向上。為避免地殼速度模型以及本地區(qū)井下短周期儀器帶寬對體波震源機制反演的影響，本文參考郭增建(1958a、1958b)給出的震源機制作圖法，直接給出地表面初動分布結(jié)果及極性分界線。結(jié)果顯示寶坻2次地震的4象限分布非常明顯，震源機制基本一致，考慮該地斷層傾角較陡，故2次地震都是傾角較陡的走滑型地震。MS4.0地震儀器烈度顯示北西向為烈度長軸方向，即地震主破裂方向為北西，左旋走滑。MS4.8、MS3.5地震的處理過程一樣，不再贅述。其中MS4.8地震為北東東向破裂，右旋走滑(圖1中E1、E2的單肩箭頭)。MS3.5地震主破裂方向為北西，左旋走滑。

3.2 地震發(fā)震過程分析

以上震源機制分析表明，4.8級地震與1976年7.8級地震的震源機制(王景明，1990)基本一致。唐山斷裂的右旋與薊運河斷裂的左旋顯示2012年的3次地震產(chǎn)生的效應(yīng)為:以唐山斷裂延長線以及寶坻-薊運河斷裂延長線交錯的4象限分布區(qū)，北南2區(qū)拉張，東西2區(qū)壓縮(圖1)。除1976年連續(xù)發(fā)生2次MS4.0以上地震外，本區(qū)地震的發(fā)生相對孤立且震級較小。而2012年的2次有感地震與5月28日的唐山4.8級地震在時間上非?？拷?，空間上相距不超過80km，這3次地震似乎表現(xiàn)為受同一背景應(yīng)力場作用的應(yīng)力釋放特征。由于東西走向的寶坻斷裂以正斷為主，南部保持繼承性沉降，而北部可出現(xiàn)恢復(fù)性抬升。

圖7 寶坻MS4.0地震儀器烈度分布(a)及MS4.0(b)、(c)地震的清晰初動分布

但是，受該區(qū)域Moho面起伏及局部硬包體(周碩愚等，1997)的影響，即使假定應(yīng)力邊界條件具有定常特征(梅世蓉等，1989)，東西向壓縮形變過程仍存在步進(jìn)式的可能。從Sg分裂的快波分裂角度變化顯示，4.0級地震前半年，該區(qū)域的地下微裂隙主優(yōu)勢方向有向東南偏轉(zhuǎn)的趨勢，并與地殼下層的深斷裂走向及SKS計算的結(jié)果趨近。這可能顯示出在東西向壓應(yīng)力的作用下，深部斷裂局部出現(xiàn)一定程度的“活化”，即南南東向薊運河深部斷裂西南盤左旋南傾，并誘使淺部裂隙出現(xiàn)轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象。這些變化與BAD臺體應(yīng)變、JIX臺水平擺2分量的變化相互對應(yīng)。4.0級地震后至3.5級地震前，該區(qū)域的小震Sg分裂方向仍大于背景方向，即東西向壓縮、南北向拉張的增強的趨勢沒有減弱，再進(jìn)一步受到4.0級地震的同震影響，王3井深井氣氦出現(xiàn)多批次高值異常現(xiàn)象是可以解釋的。寶坻這2次地震初動4象限極性分布也與體應(yīng)變、氣氦、水平擺的變化相協(xié)調(diào)，顯示這2次地震是應(yīng)變變化過程中的極端突變情況。3.5級地震后，Sg分裂方向減弱，地下微裂隙主優(yōu)勢方向恢復(fù)到北東東向;該區(qū)域東西向壓縮和南北向拉張的加速現(xiàn)象弱化，氣氦終止快速逸出;體應(yīng)變、氣氦、水平擺進(jìn)入背景緩變過程。

因此，從2011年底本區(qū)域疑似出現(xiàn)了一次地下微裂隙分布主方向偏轉(zhuǎn)的過程，直到2012年9月結(jié)束，其間發(fā)生了3次有感地震，并出現(xiàn)了相應(yīng)的觀測異常。由于3次地震震級較小，時空間隔很近，位錯模式相互兼容，震前剪切波快波偏振方向趨向深部斷裂性質(zhì)，似可稍作進(jìn)一步推論如下:唐山斷裂與薊運河斷裂一定程度上受到深部斷裂的控制，2條斷裂的自身斷裂面相對平滑，近期可孕育強震的硬包體特征表現(xiàn)不明顯。但唐山斷裂與薊運河斷裂的交匯處，可能成為局部應(yīng)力的承載點，1976年11月15日MS6.9、1977年5月12日MS6.2即發(fā)生在此處。

4 結(jié)語

本文通過對測震、形變、流體觀測手段的記錄進(jìn)行了分析，分析結(jié)果在一定程度上表明雖然它們各自記錄寶坻2次有感地震的不同側(cè)面的信息，但卻具有較好的對應(yīng)性。Sg剪切波分裂顯示，震前半年東西向壓應(yīng)力增大，地下微裂隙向東南向偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)與寶坻-寧河地殼基底斷裂走向趨近的趨勢，地震后該趨勢消失。不同手段間的彼此印證，進(jìn)一步顯示了在距震中30km左右的形變觀測只要觀測場地與發(fā)震斷裂有關(guān)聯(lián)，則形變觀測手段對強有感的小震級(MS4.0左右)地震也有一定的前兆指示意義。

考慮受到觀測儀器質(zhì)量性能及對往次震例檢驗的影響，本文僅抽取了前兆觀測手段中形變、地下流體某些測項的顯著異常進(jìn)行分析，以突出測項的可信度。Sg剪切波分裂的分析受剪切波非均勻相移窗口的限制，同時因這2次寶坻地震震中區(qū)歷史地震較少，特別是近4年的地震數(shù)量太少，故對快波分裂計算結(jié)果的整體質(zhì)量估計有一定影響。

總體而言，2012年寶坻2次有感地震仍表現(xiàn)為北東東向背景應(yīng)力場加載過程中的應(yīng)變突跳(蠕滑-拉裂-剪斷)現(xiàn)象，唐山4.8級地震及這2次地震是一次由東向西遷移，呈現(xiàn)了震中以南區(qū)域在震前加劇拉張，至3.5級地震后拉張趨勢弱化的過程。

致謝:湖北省地震局趙凌云和安徽省地震局洪德全在SAM軟件操作過程中提供了幫助;中國地震臺網(wǎng)中心薛艷博士對論文撰寫提出了寶貴建議。