唐山老震區(qū)ML≥2.0地震發(fā)震時刻與固體潮極值時刻之時差分布特征

劉雙慶，薛 艷

(1.天津市地震局，天津 300201； 2.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

唐山老震區(qū)ML≥2.0地震發(fā)震時刻與固體潮極值時刻之時差分布特征

劉雙慶1，薛 艷2

(1.天津市地震局，天津 300201； 2.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

以固體潮極值時刻與地震發(fā)震時刻的時間差為參數(shù)，統(tǒng)計了唐山老震區(qū)ML≥2.0地震的時差在月、半月、日、半日尺度下的各時間分段內的頻度分布。結果顯示唐山地區(qū)的地震活動高頻度時段與固體潮極值時刻有對應性，表明其在一定程度上受到了固體潮作用的影響。其中唐山斷裂中東段的地震落入觸發(fā)時段內的幾率更大，似乎意味著唐山地區(qū)的應力集中區(qū)主要還是集中在唐山斷裂中東段。另外，強震之后1～3周余震受固體潮極值的影響顯著，所以此時間內應更加注意在固體潮接近極值時發(fā)生強余震的可能性。

固體潮極值；發(fā)震時刻；時間差；頻度分布

0 引言

轉眼已距1976年7月28日河北唐山MS7.8地震40年，在當年那場慘痛的地震災難中，唐山及鄰區(qū)失去了24萬多群眾的生命。毛澤東主席為此次地震，做了生前最后一次政府文件批示，即《關于唐山豐南一帶抗震救災的通報》批示，要求華國鋒同志“盡快去唐山，代表我慰問災區(qū)的人民，安置好災民的生活”。在此后40年的時間里，中國第一代、第二代地震分析預報工作者是帶著沉重的心情，將強烈的使命感注入到地震預報攻關的各個領域的。雖然1975年海城MS7.3地震成功預報曾給地震工作者帶來了短暫的歡欣和鼓舞，但唐山大地震的短臨預測失敗使人刻骨銘心。2008年汶川MS8.0地震又在沒有任何預警情況下發(fā)生的嚴酷事實，更是引起了地震學界和社會的巨大震驚、困惑甚至質疑[1]。地震預測日常工作是去是留的社會言論陰云不散。50多年的地震科學實踐取得的基本認識是：地震是有前兆的、前兆是復雜的，并有部分成功預報的實例。我們翻閱了關于唐山地震的大量文獻或材料發(fā)現(xiàn)，對唐山地區(qū)的深部孕震環(huán)境，到中部的震源分布，再到淺部的大地形變，很多專家學者從不同方面、不同途徑上分別對地質構造、地球化學、深部地球物理、地震序列、斷層運動屬性等都做了大量的研究工作[2-5]，甚至一些外太空環(huán)境對其的影響分析[6]。這些工作揭示了唐山地區(qū)特殊的地質構造及應力積累環(huán)境，其與周圍地區(qū)的差異化地質活動特征是大地震發(fā)生的根本原因。

經(jīng)過40來年的應力釋放，唐山老震區(qū)記錄了1.5萬多次ML≥1.0地震。經(jīng)過1976—1977年快速地釋放之后，在最近30年，又有幾個時間段內出現(xiàn)中小地震或震群活躍。從地震力學來說，早期的余震序列，主要受2種形成機制的影響。一種是地震導致的下地殼和上地幔應力松弛；一種是非平穩(wěn)態(tài)的速率—狀態(tài)摩擦效應[7]。但距主震時間較長的“晚期”余震活躍，常常被當作其它地區(qū)的震情窗口。唐山老震區(qū)豐富的余震活動，既是自身應力場不同級次、不同規(guī)模的斷層失穩(wěn)的反映，同時也可能隱藏著在準臨界狀態(tài)下，外力觸發(fā)對其的影響。而外力觸發(fā)因素中，最有規(guī)律的則是固體潮所起的作用。國內外在這方面，除了上述丁中一等人的工作外，Knopoff[8]利用固體潮高低潮之間的地震頻度分布，研究了南加州ML≥2.0的9 000多次地震與重力固體潮的相關性，認為二者沒有關系；而Ryall 等[9]研究加州Truckee地區(qū)的微震序列發(fā)現(xiàn)，地震頻度與重力固體潮的互相關系數(shù)可達99%。也就是說，固體潮對地震的觸發(fā)就地震序列而言就存在著相左的結論。1980年以來，唐山地區(qū)的地震定位精度基本可以控制15 km以內，發(fā)震時刻控制在若干秒級，利用J2000.0歷元所對應的固體潮解析公式，我們可以精確計算出每次地震時，震中位置所對應的重力值及其與兩側極值的時間差，從而確定發(fā)震時刻所處的引潮力相位。利用這個結果，則可以對唐山大地震前后的地震活動，以及后期的一些顯著地震起伏現(xiàn)象進行固體潮觸發(fā)分析，從而可以對唐山老震區(qū)快速應力釋放與緩慢應力釋放的不同時段內，固體潮應力觸發(fā)差異特征進行研究，這將作為本文的主要研究內容。

1 研究方法

1.1 固體潮計算方法簡介

地球整體在太陽和月亮引力作用下的變形稱為地球固體潮，它伴隨著一系列的物理現(xiàn)象，其中涉及重力變化的稱重力固體潮。由于在不同的觀測時間上，太陽、地球、月球的相對位置不一樣，因此重力固體潮是觀測點位置和觀測時間的函數(shù)。當保留勒讓德多項式2階截斷誤差時，重力固體潮G(t)表示為(本文對原公式作了修正)[10]：

(1)

計算式(1)需要以下幾步，核心步驟如下：

F(φ)=0.998 327+0.001 67cos(2φ) ,

(2)

②求出計算時刻的儒略世紀數(shù)T

(3)

其中：T為儒略世紀數(shù)；T0為儒略日；t為北京時間；tz為所在時區(qū)。

③根據(jù)計算所得的儒略世紀數(shù)T計算下列6個天文參數(shù)(基于J2000.0歷元),分別是月球平黃經(jīng)s，太陽平黃經(jīng)h，月球近地點黃經(jīng)p，月球升交點黃經(jīng)N，太陽近地點黃經(jīng)ps，黃赤交角ε：

s=218.316 43+481 267.881 28T-0.001 61T2+0.000 005T3，

h=280.466 07+36 000.769 80T+0.000 30T2，

p=83.353 45+4 069.013 88T-0.010 31T2-0.000 01T3，

N=125.044 52-1 934.136 26T+0.002 07T2+0.000 02T3，

數(shù)據(jù)庫由規(guī)劃目標與完成情況兩部分構成。其中，規(guī)劃目標來源于全國各省五年規(guī)劃綱要。規(guī)劃綱要中皆會回顧過去五年指標實現(xiàn)情況，并對未來五年的指標進行預測，對發(fā)展目標進行制定。

ps=282.938 35+1.719 46T+0.000 46T2+0.000 003T3，

ε=23.429 39-0.0130 0T-0.000 000 16T2+0.000 0005T3；

為保證理論數(shù)據(jù)的可靠性，作者對上述固體潮的計算結果與觀測站記錄進行了對比。選擇了天津薊縣、湖北蘄春、新疆庫爾勒這3個經(jīng)緯度坐標跨度較大的基巖臺站記錄。其中，天津取2003年4月的數(shù)據(jù)，蘄春、庫爾勒取2015年4月的數(shù)據(jù)(圖1)。圖1顯示，實測記錄和理論結果(未考慮當?shù)爻毕蜃右约坝嗑曅拚蛩?在波形相位和形態(tài)上都很一致，相關系數(shù)達99.2%以上。因此，本文的理論計算結果可以使用。特別是，理論結果較原始記錄光滑，在后續(xù)極值提取過程中可以減少儀器不穩(wěn)定性、地震干擾等因素的影響(圖1中，2015年4月25日蘄春、庫爾勒曲線上都可見尼泊爾MS8.1地震的同震響應)。

1.2 發(fā)震時刻及固體潮極值時差搜索

對天津薊縣臺站10年的固體潮曲線頻譜進行分析，顯示固體潮存在多個頻點的信息，其中，半日波(2個峰值對應時間0.499 d、0.518 d)、日波(0.997 d)、半月波(13.653 d)及月波(27.583 d，與近點月時間間隔最接近)周期成分所占比重最大。因此，此處提出如下的時間標度方法，考察這幾個周期上的極值與地震發(fā)震時間的關系，具體如下：

1)月尺度固體潮極值時刻與發(fā)震時刻的時間差

首先，根據(jù)震中的經(jīng)緯度和發(fā)震時刻信息，計算以該地震發(fā)震時刻(圖2中tE)為結尾的前28天時間內(tL)的理論固體潮各小時值，獲取最大小時值所在的小時值(Vmax對應的小時時間)。然后，將該小時值與發(fā)震時刻的時間間隔作為重力固體潮極值與發(fā)震時刻的時間差τ。

圖1 天津薊縣、湖北蘄春、新疆庫爾勒3個臺站的理論與實測固體潮對比

2)日尺度固體潮極值時刻與發(fā)震時刻的時間差

根據(jù)震中的經(jīng)緯度和發(fā)震時刻信息，計算以該發(fā)震時刻為結尾的前1天的理論固體潮各分鐘值，獲取最大固體潮值的分鐘時刻。將該分鐘時刻與發(fā)震時刻的時間間隔作為重力固體潮極值與發(fā)震時刻的時間差τ。

3)半月波影響的分析，除搜索時間長度改變?yōu)榘朐峦猓鲜鎏幚眍愃啤?/p>

4)半日波影響的分析，除搜索時間長度改變?yōu)榘胩焱?，也跟上述處理類似?/p>

本文將對這些搜索出的時間差分布進行統(tǒng)計分析。

圖2 實測固體潮極值時刻與發(fā)震時刻時間間隔τ的搜索示意圖

2 唐山老震區(qū)地震發(fā)震時刻及固體潮極值時刻間的關系

2.1 被挑選出的唐山老震區(qū)的地震活動特征

本文從中國現(xiàn)代地震目錄中選擇了117°～120°E，38.5°～41°N范圍內記錄的1970年以來的ML≥1.0地震(圖3a)進行分析，并按地震空間分布的叢集程度及邊界輪廓，挑出了唐山老震區(qū)內的地震(圖3a中的紅色地震)。從地震的M-t及不同震級下限統(tǒng)計的頻度圖(滑動步長1個月、窗長1個月)可以看出，1976—1977年間唐山地區(qū)的地震震級和頻度都處于高值。1987年前后，首都圈地區(qū)進行了一次較大規(guī)模的測震臺站加密及升級工程，使得該地區(qū)的微震數(shù)量出現(xiàn)階躍式上升，但ML≥2.0地震的頻度變化不明顯。因此，本文按ML2.0作為本區(qū)域的完備震級進行后續(xù)的工作。從圖3b的子圖(4)中還可以發(fā)現(xiàn)，除1976年主震帶來的高頻余震外，還有5組頻度達到20次，因此這5組地震將作為樣本進行對比。

2.2ML≥2.0地震在不同統(tǒng)計時段中的分布

考慮篇幅，本文對距離發(fā)震時刻24小時內的固體潮極值與發(fā)震時刻之間的時間差分布進行主要闡述。圖4～7分別從不同的側面進行展示。其中，圖4是扣除距離120°E的經(jīng)度差帶來的時差效應后，對發(fā)震時刻進行24小時統(tǒng)計的結果。由圖4發(fā)現(xiàn)，不管是ML≥2.0還是ML≥3.0地震，在24小時內發(fā)震的幾率差別不是很突出，主要在5—7時，20—21時地震頻度略大。而以固體潮極值與發(fā)震時刻的時差做統(tǒng)計，則在圖5中明顯發(fā)現(xiàn)唐山地區(qū)的地震，在月尺度上，最大固體潮當天(1天)或者距離最大值相差18天，發(fā)震所占的比重明顯增大。在天尺度上，距離當天固體潮極值1小時內的地震也較其它時段多。因此圖4～5對比，可以發(fā)現(xiàn)固體潮在唐山地震發(fā)震過程中有一定的增震效果。如果將統(tǒng)計窗長減半，這種效應則更為突出。圖6則是落入月固體潮極值當天以及位于天固體潮極值1小時內的地震震中分布，顯示唐山老震區(qū)落入這2個時段內的地震主要位于唐山斷裂的中東段。其中，1976年唐山MS7.1地震落入當天固體潮極值時刻附近。

a 空間分布圖 b M-t圖及不同震級下限的每月頻度分布圖3 唐山老震區(qū)1970.01—2016.10的地震分布情況

a ML≥2.0的地震發(fā)震時刻統(tǒng)計 b ML≥3.0的地震發(fā)震時刻統(tǒng)計圖4 唐山老震區(qū)ML≥2.0地震發(fā)震時間在24 h內的頻度分布

圖5 不同統(tǒng)計時長條件下落入不同分段時間內的地震頻度分布

a 與月極值時刻相差1 d內的地震分布 b 與日極值時刻相差1 h內的地震分布圖6 不同統(tǒng)計時長條件下落入固體潮極值時刻附近的地震分布(黃色地震)

a 唐山老震區(qū)1970—2016年ML≥2.0的所有地震和在觸發(fā)時段的地震

b 唐山老震區(qū)1976.07—1977.05期間ML≥2.0的所有地震和在觸發(fā)時段的地震

c 唐山老震區(qū)1987.06—1987.08期間ML≥2.0的所有地震和在觸發(fā)時段的地震

d 唐山老震區(qū)1988.07—1988.08期間ML≥2.0的所有地震和在觸發(fā)時段的地震

e 唐山老震區(qū)1991.05—1991.07期間ML≥2.0的所有地震和在觸發(fā)時段的地震

f 唐山老震區(qū)2010.02—2010.04期間ML≥2.0的所有地震和在觸發(fā)時段的地震

g 唐山老震區(qū)2016.08—2016.10期間ML≥2.0的所有地震和在觸發(fā)時段的地震圖7 幾個不同時間段中唐山老震區(qū)所有地震(黑虛線)和24 h統(tǒng)計條件下位于極值±1 h內的地震(紅實線)分布

圖7對唐山老震區(qū)全部ML≥2.0地震和圖3b中超過20次閾值的幾個明顯地震活動段進行分析。從圖7a顯示所有的這些地震，在MS7.8地震前后都有地震落入觸發(fā)時段，但地震后落入的地震數(shù)量明顯較多，特別是主震后3周內的地震，圖7b更清晰地反映這一點。而從圖7c～g對比顯示，序列中落入觸發(fā)時段內頻次明顯較多的e、g比起c、d、f，觸發(fā)段的地震震中位置還是以唐山斷裂中東段為主。

3 結論與認識

本文以固體潮極值時刻與地震發(fā)震時刻的時間差為分析角度，統(tǒng)計了唐山老震區(qū)ML≥2.0地震的時差在月、半月、日、半日尺度下的不同時間分段內的頻度分布。結果顯示出唐山地區(qū)的地震活動高頻度時段與固體潮極值時刻有對應性，表明其在一定程度上受到了固體潮作用的影響。其中，唐山斷裂中東段的地震落入觸發(fā)時段內的幾率更大。

由于固體潮觸發(fā)的應力值一般在hpa～kpa之間[12]，與一般MS5.0地震釋放的應力降Mpa級相比，只是一個千分數(shù)左右的量級。因此，這樣的應力觸發(fā)量級可能顯示這些處于觸發(fā)時段的地震事件，本身已接近該級次或該規(guī)模的介質破裂強度。從這個角度而言，再結合唐山地震活動則可以獲得以下2點認識：

1)早期余震，即強震后1～3周內的地震，受固體潮觸發(fā)的幾率很大。在固體潮臨近極值時刻，應注意強余震發(fā)生的可能。

2)唐山地區(qū)的應力集中區(qū)仍以唐山斷裂中東段為主。1987年以來，頻度較高的幾次地震活動中，落入觸發(fā)時段內較多地震的活動，都以唐山中東段的地震為主。2016年8月21日至10月5日，唐山開平地區(qū)出現(xiàn)了ML≥3.0較密集的地震活動現(xiàn)象，發(fā)生ML≥3.0地震達10次。在9月10日ML4.7地震前，落入觸發(fā)時段的地震較多，但該地震后落入天尺度觸發(fā)時段的地震顯著減少了。因此，我們推斷在ML4.7地震前，開平地區(qū)可引發(fā)ML4.0左右地震的應力積累并未消除，但ML4.7地震后該區(qū)的應力積累已得到了釋放。

致謝:非常感謝劉杰研究員在程序檢驗方面提供了最新的比對資料。

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The Characteristics of Time Residual betweenML≥2.0 Earthquake Occurrence and Its Corresponding Time of Solid Earth Tidal Maximum in Tangshan Old Seismic Region

LIU Shuang-qing1, XUE Yan2

(1.Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China;2.China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China)

Based on the time residual between earthquake occurrence and its corresponding time of solid earth tidal maximum, we analyzed the distribution of these time residuals in different statistics time span with the month, half month, day and half day for TangshanML≥2.0 earthquakes. The results reflect that the higher seismicity time in Tangshan is more or less synchronous with the earth tidal maximum, which maybe indicate these earthquakes had been triggered by tide to some extent. In space, those earthquakes with more chances to fall into the tidal triggering time mostly locate in the middle and eastern of Tangshan fault. This phenomenon maybe also indicates the remarkable area for the regional stress accumulating is still concentrated at this segment mentioned above. In addition, in 1-3 weeks after the main strong earthquake, the aftershocks are distinctly enhanced by earth tide. Thus it needs to put more attention on the occurrence of strong aftershock when the time is close to the tidal maximum.

solid earth tidal maximum; time of earthquake occurrence; time residual; dominant probability

劉雙慶，薛艷.唐山老震區(qū)ML≥2.0地震發(fā)震時刻與固體潮極值時刻之時差分布特征[J].華北地震科學，2017，35(1):24-31.

2016-11-15

中國地震局地震科技星火計劃(XH17003Y)；中國地震局震情跟蹤項目(2017010128)

劉雙慶(1982—)，男，廣西臨桂人，高級工程師，從事測震分析預報工作．E-mail：goodmorningabc@163.com

P315.728

A

1003-1375(2017)01-0024-08

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.004