2020年7月12日唐山MS5.1地震前后視應(yīng)力變化

王 寧，楊春利，王亞玲，王莉嬋，李冬圣，蔡玲玲

（1. 河北省地震局，石家莊 050021；2. 中移建設(shè)有限公司河北分公司，石家莊 050091）

0 引言

地震視應(yīng)力[1]是用來表示震源區(qū)應(yīng)力水平變化的物理量，可用于估計區(qū)域絕對應(yīng)力水平的變化[2]。Frank等發(fā)現(xiàn)1984年發(fā)生的艾德克島Mb5.8地震前，震中附近Adak斷裂帶上視應(yīng)力有升高的現(xiàn)象[3]；Choy和Boatwright討論了全球視應(yīng)力分布特征[4]；吳忠良等分析了中國大陸地震視應(yīng)力空間分布規(guī)律[2]；陳學(xué)忠等提出視應(yīng)力可能作為判定震后趨勢的一個參考[5]；秦嘉政等論證了云南地區(qū)高視應(yīng)力集中區(qū)與中小地震活動性相關(guān)[6]；楊志高等研究了紫坪鋪水庫地區(qū)蓄水前后視應(yīng)力標(biāo)度率變化特征，發(fā)現(xiàn)其變化可能是蓄水后地震物理源物理過程逐漸變化的直接反映[7]；岳曉媛等分析了2012年河北唐山MS4.8地震前首都圈東部地區(qū)出現(xiàn)視應(yīng)力高值集中區(qū)的現(xiàn)象[8]。

2020年7月12日6時38分25秒，河北省唐山市古冶區(qū)發(fā)生MS5.1地震，震中位置為唐山老震區(qū)。自40多年前1976年7月28日河北唐山發(fā)生7.8級地震（距主震震中約28 km）后，時間和空間上據(jù)此次地震最近的MS5.0以上地震為1995年10月6日河北唐山古冶區(qū)5.0級地震（距主震震中約6 km）。唐山老震區(qū)斷裂構(gòu)造及其地震的破裂過程極為復(fù)雜，斷裂構(gòu)造上發(fā)生的地震受區(qū)域應(yīng)力場控制[9]。趙建濤等反演唐山地震余震震源機(jī)制解[10]，并分析唐山地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力值；李軼群等對唐山地震及其余震區(qū)小震綜合節(jié)面解進(jìn)行分區(qū)分析[11]，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域應(yīng)力場有細(xì)微差別；楊雅瓊等使用唐山地區(qū)255個震源機(jī)制解對唐山地震序列寧河、昌黎、灤縣、唐山幾個子段的應(yīng)力場進(jìn)行反演[12]，發(fā)現(xiàn)他們的最大主壓應(yīng)力方向均呈近EW向，且唐山地區(qū)地震活動有一定的繼承性。

本文通過分析唐山地區(qū)ML≥2.5地震視應(yīng)力變化特征，研究MS5.1地震前后震源區(qū)應(yīng)力調(diào)整狀態(tài)，并結(jié)合震源機(jī)制解、地震地質(zhì)初步分析發(fā)震構(gòu)造，以期為震后趨勢研判提供一種依據(jù)。

1 地震序列特征及震源參數(shù)計算

1.1 地震序列

據(jù)河北區(qū)域地震臺網(wǎng)測定，自2020年7月12日唐山MS5.1地震開始，截止到12月24日24時，本次唐山地震序列共記錄到0級以上地震218次，最大余震為12月24日ML3.4地震。ML0～0.9地震有123條，ML1.0～1.9地 震 有79條，ML2.0～2.9地震15條，ML≥3.0地震1條，7月16日前后余震震級、頻度都有小幅回升，7月19日后又迅速衰減（圖1）。根據(jù)吳開統(tǒng)等[13]以及蔣海昆等[14]地震類型判別標(biāo)準(zhǔn)，主震與最大余震震級相差1.7，則判別地震類型為主余型。

圖1 2020年7月12日至12月24日期間唐山MS5.1地震序列日頻次N-T圖

1.2 資料選取

唐山MS5.1地震發(fā)生在首都圈地震監(jiān)測能力較好的區(qū)域，唐山地區(qū)監(jiān)測能力更是達(dá)到ML0.5，臺站分布呈現(xiàn)較好的方位覆蓋。本文以唐山MS5.1地震為中心，選取唐山老震區(qū)39.0°～40.3°N、117.5°～119.5°E）區(qū) 域（圖2）、2006—2020年間唐山地區(qū)ML≥2.5地震，開展視應(yīng)力時空特征研究。通過遺傳算法反演震源參數(shù)，分析唐山地區(qū)視應(yīng)力值變化特征。地震波形盡量滿足選取距震中150 km以內(nèi)、波形記錄清晰、信噪比較高的條件，反演結(jié)果排除了參與計算臺站小于3個、臺站分布參數(shù)deltaU小于0.35的地震。

圖2 河北唐山MS5.1地震及其附近ML≥2.5地震震中分布圖

1.3 計算方法

視應(yīng)力的定義[1]：

式中：σa為視應(yīng)力；η為地震效率；＜σ＞為平均應(yīng)力；μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量，通常取值3.0×104MPa；ES為地震輻射能量；M0為地震矩。

利用Brune圓盤模型，由S波觀測譜，用msdp軟件計算唐山附近地震的拐角頻率、震源尺度、地震矩、應(yīng)力降、震源譜零頻極限值等震源參數(shù)。

用位移譜的拐角頻率和低頻水平來表示中小地震的震源位移振幅譜S（f）：

用遺傳算法計算震源譜S（?）、震源譜參數(shù)?c、Ω0[15]，從而得出標(biāo)量地震矩M0：

式中：vS為S波速度，取3.5 km/s；ρ為唐山地區(qū)介質(zhì)密度，取2.7 g/cm3；Rθφ是輻射花樣系數(shù)，取平均值。

經(jīng)過對場地儀器響應(yīng)校正、介質(zhì)衰減校正及其自由表面效應(yīng)校正，地震輻射能量ES[16]表示為

式中：v2（f）為校正后的速度功率譜。

然后，可得到中小地震的視應(yīng)力值即為

2 視應(yīng)力變化特征

2.1 視應(yīng)力隨時間變化過程

結(jié)合唐山地區(qū)2016—2020年ML≥2.5地震M-t（圖3）及視應(yīng)力隨時間變化曲線（圖4）可以看出，2016年年初視應(yīng)力值就有增高的趨勢，直到2016年8月唐山開平震群發(fā)生時視應(yīng)力值急劇變化，在9月10日唐山ML4.3地震發(fā)生時視應(yīng)力達(dá)到峰值。之后視應(yīng)力一直有下降的趨勢，但是震群發(fā)生時的整體視應(yīng)力水平還是較低的。經(jīng)歷此次震群，能量得到釋放，從震群結(jié)束直到2017年5月份經(jīng)歷了7個月的視應(yīng)力低值平靜區(qū)。5月份之后，應(yīng)力水平又開始不穩(wěn)定，時高時低。在2018年8月5日河北唐山ML3.9地震時視應(yīng)力水平達(dá)到一個小高峰，經(jīng)歷8月份幾次視應(yīng)力水平高值之后，能量再一次得到釋放。之后，唐山地區(qū)地震視應(yīng)力水平一直平穩(wěn)地維持著較低的狀態(tài)。2019年12月5日河北豐南發(fā)生了MS4.5地震，打破了歷經(jīng)16個月的視應(yīng)力低值狀態(tài)，之后視應(yīng)力值整體水平明顯高于背景值，表明此時區(qū)域應(yīng)力開始積累，直到2020年7月12日唐山MS5.1地震，視應(yīng)力值再一次驟增至1.41 MPa，這也是近幾年來視應(yīng)力的最大值。主破裂發(fā)生后，大量能量被釋放出來，應(yīng)力水平開始降低，這種現(xiàn)象與張國民總結(jié)的滑動弱化模型變化過程相一致[17]。

圖3 唐山地區(qū)ML≥2.5地震M-t圖（2016—2020年）

圖4 視應(yīng)力隨時間變化曲線（2016—2020年）

總體來說，2016—2020年視應(yīng)力變化過程可以分為3個階段（圖4）。第一個階段：2016年唐山開平震群發(fā)生前，區(qū)域應(yīng)力有開始積累的過程，能量經(jīng)過此次震群的發(fā)生得到釋放，后續(xù)短期內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)震的可能性不大；第二個階段：這段時間內(nèi)，視應(yīng)力值水平時高時低，且視應(yīng)力高值大于背景值，表明區(qū)域能量一直在釋放，后續(xù)一定時間段內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)震的可能性也不大；第三個階段：視應(yīng)力維持在平穩(wěn)狀態(tài)較長時間后有中等地震發(fā)生（MS4.5豐南地震），之后視應(yīng)力值仍然高于背景值，說明該區(qū)應(yīng)力狀態(tài)不穩(wěn)定，還存在發(fā)生中強(qiáng)地震的危險（MS5.1唐山）。

2.2 視應(yīng)力與震級關(guān)系

視應(yīng)力在一定程度上有能量釋放率的意義[5]，而震級又與能量大小息息相關(guān)。為了更直觀地分析震級與視應(yīng)力的關(guān)系，本文將所有地震的視應(yīng)力值與震級進(jìn)行擬合（圖5）。由圖5可見，唐山地區(qū)ML≥2.5地震的視應(yīng)力值與震級有呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢。一般來說，隨著震級的增大，視應(yīng)力值也有升高的趨勢；相反，震級越小，視應(yīng)力值越低，視應(yīng)力與震級變化趨勢線基本一致。唐山MS5.1地震的余震視應(yīng)力值隨震級的擬合關(guān)系良好，均在震級擬合趨勢線附近?？傮w來看，2016—2020年唐山地區(qū)中小地震的視應(yīng)力值分布范圍為0.02～0.4 MPa之間，占總數(shù)的95%。

圖5 地震視應(yīng)力與震級關(guān)系曲線

2.3 視應(yīng)力空間變化

分析唐山老震區(qū)2016—2020年ML≥2.5地震的視應(yīng)力空間分布（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，無論主震發(fā)生前后，視應(yīng)力高值區(qū)域都主要分布在唐山斷裂、寧河-昌黎斷裂中部、灤縣-樂亭斷裂西北部及其三者交叉形成的三角區(qū)域地帶。2019年12月5日豐南MS4.5地震（39.33°N，118.00°E）就發(fā)生于寧河-昌黎斷 裂 的 高 值 區(qū) 域，7月12日 唐 山MS5.1（39.77°N，118.46°E）也發(fā)生于唐山斷裂附近高值區(qū)域。綜上所述，大斷裂及其斷裂交匯部位地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定，中強(qiáng)震的發(fā)生幾率很高。

圖6b箭頭部位為主震發(fā)生后MS5.1地震發(fā)生的高值區(qū)域。結(jié)合圖4可看出，主震發(fā)生前，應(yīng)力狀態(tài)及其不穩(wěn)定；主震發(fā)生后，視應(yīng)力仍然處于高值區(qū)。未來仍需關(guān)注此地區(qū)中強(qiáng)地震危險性。

圖6 震源區(qū)ML≥2.5地震的視應(yīng)力空間分布

3 震源機(jī)制解

首先用雙差方法對7月12日至12月24日唐山地震序列做精定位，速度模型采用的是郭蕾等使用的一維P波速度模型[18]。再用CAP方法及新近發(fā)展的GPAT方法計算河北唐山7月12日MS5.1地震震源機(jī)制解（圖7，表1），兩種方法得到的結(jié)果基本一致。GPAT軟件是近幾年發(fā)展起來的用于反演震源機(jī)制解的一種新型方法，王寧等曾用此方法成功計算出2016年唐山開平震群震源機(jī)制解[19]。

圖7清晰展示精定位后MS5.1地震序列震中分布圖，地震序列主要分布在唐山斷裂帶中NE向唐山-古冶斷裂附近，序列優(yōu)勢分布方向?yàn)镹E向，與唐山-古冶斷裂東北段的走向、傾角大體一致，分析節(jié)面Ⅰ為發(fā)震斷層面，初步推測MS5.1地震發(fā)震構(gòu)造為唐山-古冶斷裂。根據(jù)發(fā)震斷層走向分析其為右旋走滑斷層，以剪切拉張為主要應(yīng)力狀態(tài)，主壓力軸方向?yàn)榻麰W向，與許忠淮等[20]對此唐山老震區(qū)余震應(yīng)力場的研究結(jié)果基本一致，震源區(qū)域應(yīng)力場受華北應(yīng)力場控制。吳忠良等[21]總結(jié)出走滑型地震的余震視應(yīng)力值都低于主震，結(jié)合圖4可見，本次序列余震視應(yīng)力變化也符合這一結(jié)論。

圖7 地震序列精定位后震中分布圖

4 結(jié)論和討論

唐山老震區(qū)構(gòu)造條件復(fù)雜，地震頻發(fā)，目前獲取地下應(yīng)力變化過程的手段還不完善，大部分研究都是通過計算震群震源參數(shù)及震源機(jī)制解來分析。本文通過近5年來河北唐山ML≥2.5地震視應(yīng)力的變化特征的分析，得到視應(yīng)力隨時間、震級及其空間分布變化規(guī)律，結(jié)合主震的震源機(jī)制解及構(gòu)造地質(zhì)進(jìn)一步分析震源區(qū)應(yīng)力調(diào)整過程，得出以下結(jié)論：

4）主震發(fā)震斷層面為節(jié)面Ⅰ，其為右旋走滑斷層，主壓力軸方向?yàn)榻麰W向，結(jié)合地震地質(zhì)背景，推測主震發(fā)震構(gòu)造為唐山-古冶斷裂。

自2016年唐山震群發(fā)生開始，唐山區(qū)域應(yīng)力水平一直處于調(diào)整狀態(tài)，跟蹤一定時間段內(nèi)的地震視應(yīng)力變化過程，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震活動背景等綜合分析，可以作為地震趨勢判定的一種有效手段。另外，唐山MS5.1地震發(fā)生后，視應(yīng)力值雖有初步下降的趨勢，但ML2.5以上余震較少，數(shù)據(jù)不足，不能更好地分析主震后視應(yīng)力變化，應(yīng)加強(qiáng)后續(xù)應(yīng)力分析，持續(xù)關(guān)注震源區(qū)應(yīng)力變化過程。

1）唐山MS5.1地震視應(yīng)力變化過程為震前增高—震時達(dá)到峰值—震后趨勢下降的變化過程，視應(yīng)力能較好地反映出區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整過程，也可作為地震趨勢追蹤的一種方法；

2）唐山地區(qū)ML≥2.5地震的視應(yīng)力與震級呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，唐山MS5.1地震的余震的視應(yīng)力值隨震級的擬合關(guān)系良好；

3）斷裂交匯部位容易出現(xiàn)視應(yīng)力高值異常區(qū)，有發(fā)生中強(qiáng)震的危險；