2020年7月12日唐山古冶MS 5.1地震震源參數(shù)

徐志國(guó) 梁姍姍 郭鐵龍 史健宇 李旭茂

1）中國(guó)北京 100081 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心

2）中國(guó)北京 100049 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院

3）中國(guó)北京 100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2020 年7 月12 日6 時(shí)38 分，河北省唐山市古冶區(qū)發(fā)生5.1 級(jí)地震，震源深度10 km，震中位于（39.78°N，118.44°E）。此次地震距唐山市區(qū)約28 km，距天津市區(qū)約132 km，距北京市區(qū)約177 km。唐山市中心震感強(qiáng)烈，北京、天津和河北部分地區(qū)震感明顯。古冶MS5.1 地震發(fā)生后，當(dāng)日7 時(shí)2 分、7 時(shí)26 分相繼發(fā)生2次較大余震，震級(jí)分別為2.2、2.0。截至2020 年7 月30 日24 時(shí)，共發(fā)生109 次余震，其中2.0—2.9 級(jí)地震2 次，1.0—1.9 級(jí)地震7 次，1.0 級(jí)以下地震100 次。

此次MS5.1 地震發(fā)生在1976 年唐山MS7.8 地震老震區(qū)，距1976 年唐山MS7.8 主震約28.7 km，震中位置較為敏感。2 次地震的發(fā)震構(gòu)造是否相同，二者是否有成因聯(lián)系，均是值得關(guān)注的問題。確定MS5.1 地震的震源參數(shù)和發(fā)震構(gòu)造，對(duì)未來可能的地震發(fā)展趨勢(shì)以及該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)等具有重要的科學(xué)意義。

1 地震活動(dòng)背景

2020 年7 月12 日，繼1976 年唐山MS7.8 地震，老震區(qū)再次發(fā)生5.1 級(jí)中強(qiáng)地震。此次古冶MS5.1 地震是近年來該區(qū)規(guī)模最大的一次地震，距1995 年10 月6 日唐山古冶MS5.0地震發(fā)生已有25 年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年7 月12 日以前，即此次古冶MS5.0 地震發(fā)生前，唐山MS7.8 地震序列中4 級(jí)及以上余震332 次，其中4.0—4.9 級(jí)地震300 次，5.0—5.9級(jí)地震29 次，6.0—6.9 級(jí)地震2 次，7.0 級(jí)以上地震1 次（圖1，圖中實(shí)心圓表示地震，其大小表示地震大小）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景及M ≥4.0 地震分布Fig.1 Tectonics and major earthquakes in the study areas

此次古冶MS5.1 地震發(fā)生在張渤地震帶東端，NE 向唐山斷裂與NE 向?yàn)纯h—樂亭斷裂交匯處（圖1），其震源性質(zhì)如何，與唐山MS7.8 地震發(fā)震斷層是否密切相關(guān)，是否該地震序列的余震，值得思考和研究。據(jù)梁姍姍等（2017，2018）、徐志國(guó)等（2019）的分析，余震序列的空間分布特征和震源機(jī)制解，有助于探討發(fā)震模式及破裂延展特征。因此，利用河北區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)以及鄰近區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)記錄的震相和波形數(shù)據(jù)，采用HypoDD 雙差定位方法（Waldhauser et al，2000），分析古冶MS5.1 地震序列空間分布特征，并使用ISOLA近震全波形方法（Sokos et al，2008）反演震源機(jī)制解，探討其發(fā)震構(gòu)造。

2 數(shù)據(jù)選取

選取中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一觀測(cè)報(bào)告，收集整理2020 年7 月12 日至30 日古冶MS5.1地震序列震相數(shù)據(jù)，據(jù)以下原則：至少被3 個(gè)地震臺(tái)站記錄，且走時(shí)均方根殘差在2 s 之內(nèi)，選定80 次地震事件、震中距250 km 以內(nèi)47 個(gè)地震臺(tái)站記錄進(jìn)行地震重定位，其中P 波到時(shí)記錄796 條，S 波到時(shí)記錄737 條，采用HypoDD 雙差定位法（Waldhauser et al，2000），利用奇異值分解（SVD）算法方程（參與定位事件相對(duì)較少），將P 波和S 波權(quán)重分別設(shè)為1.0 和0.5，事件對(duì)最大距離設(shè)為5 km，對(duì)選定地震進(jìn)行重定位。

收集河北、天津、北京和遼寧區(qū)域記錄的此次地震序列波形資料，考慮到波形質(zhì)量和臺(tái)站方位角的影響，篩選震中距400 km 以內(nèi)14 個(gè)地震臺(tái)站[圖2(a)]記錄，使用ISOLA近震全波形反演方法（Sokos et al，2008），對(duì)此次MS5.1 地震進(jìn)行震源機(jī)制解反演。具體步驟如下：以震中位置（39.78°N，118.44°E）為原點(diǎn)，沿震源深度方向，設(shè)步長(zhǎng)1 km，在1—20 km 范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格搜索。反演時(shí)14 個(gè)地震臺(tái)濾波頻帶范圍為0.03—0.05 Hz，采樣間隔設(shè)為5 s，采用離散波數(shù)（discrete wave number）法計(jì)算格林函數(shù)（Bouchon，1981）。

選用適用于華北地區(qū)的一維地殼速度結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行震源機(jī)制解反演，見表1、圖2(b)。該模型綜合了深地震測(cè)深結(jié)果，與張廣偉等（2011）在華北地區(qū)小震精定位研究中所用速度模型相同。

表1 本研究所使用地殼速度結(jié)構(gòu)模型Table 1 The crustal velocity model used in this study

圖2 地震臺(tái)站分布和一維地殼結(jié)構(gòu)速度模型(a)地震臺(tái)站及震中分布；(b)一維度速度模型Fig.2 The seismic station distribution and 1D velocity model used in this study

3 地震序列重定位分析

采用HypoDD 相對(duì)定位方法，對(duì)古冶MS5.1 地震序列80 個(gè)地震事件重新定位，最終獲取72 個(gè)地震的重定位結(jié)果，其中，沿緯度、經(jīng)度和深度的平均相對(duì)誤差分別為0.34 km、0.4 km 和0.5 km，平均走時(shí)均方根殘差為0.13 s（圖3）。重定位前后震源深度分布見圖4。重定位前，地震序列深度分布呈分散的條狀，無法辨別優(yōu)勢(shì)發(fā)震斷層面[圖4(a)]；重定位后，地震序列分布與唐山斷裂NE 端關(guān)聯(lián)更為密切，震源深度集中在10—18 km，表明地震集中分布在中地殼，符合該地區(qū)震源深度分布特點(diǎn)（朱艾斕等，2005）。據(jù)于湘?zhèn)サ龋?010）對(duì)京津唐地區(qū)地震層析成像的研究，在地下15 km 深度處，震源區(qū)位于P 波低速異常區(qū)與高速異常區(qū)對(duì)比強(qiáng)烈地帶，而此次地震序列重定位后，震源深度修正為14.7 km[圖4(b)]，表明重定位后震源深度更符合該區(qū)孕震構(gòu)造環(huán)境。

圖3 古冶地震序列重定位誤差(a)沿緯度方向的相對(duì)誤差；(b)沿經(jīng)度方向的相對(duì)誤差；(c)沿深度方向的相對(duì)誤差；(d)走時(shí)均方根殘差Fig.3 Statistics of relocation results of Guye earthquake sequence

圖4 地震重定位前后對(duì)比（a）重定位前；（b）重定位后Fig.4 Comparison of seismic sequences before and after relocation

沿余震優(yōu)勢(shì)展布方向AA′及穿過主震垂直方向BB′繪制地震分布剖面圖，直觀展示斷層面的破裂延展范圍，見圖5，其中(a)圖為重定位平面分布圖，(b)圖為沿AA′剖面的余震序列深度分布，(c)圖為沿BB′剖面的余震序列深度分布。圖中：BB′剖面穿過主震垂直于AA′剖面，剖面比例1:1；五角星代表MS5.1 古冶地震，圓代表余震，圓的大小表示地震大??；五角星與圓的顏色代表不同的發(fā)震日期；(c)圖中的黑色虛線代表由余震展布得到的發(fā)震斷層，震源球取自本研究結(jié)果，震源球中的紅色虛線代表由震源機(jī)制節(jié)面得到的發(fā)震斷層面。

由圖5 可見：在時(shí)間尺度上，余震序列自主震震中沿SW 方向展布，說明在主震后15天內(nèi)，地震破裂面主要由NE 向SW 擴(kuò)展，地震序列延展范圍約8 km；震源深度沿剖面AA′變化明顯，整體呈SW 向淺、NE 向深的特征；從穿過主震的BB′剖面序列分布可知，發(fā)震斷層面近乎直立，略有向ES 傾斜的趨勢(shì)。

圖5 地震序列重定位分布及沿剖面的深度分布（a）重定位平面分布；（b）沿余震展布方向的AA′剖面；（c）穿過主震垂直于余震展布方向的BB′剖面Fig.5 Plan and vertical cross-sections of the relocated earthquakes

4 震源機(jī)制解反演

采用14 個(gè)固定地震臺(tái)站波形記錄，反演古冶MS5.1 地震震源機(jī)制解，得到斷層面幾何參數(shù)、矩震級(jí)、矩心深度和震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)等震源參數(shù)：①節(jié)面Ⅰ：走向142°，傾角86°，滑動(dòng)角-21°；②節(jié)面Ⅱ：走向233°，傾角69°，滑動(dòng)角-176°；③震級(jí)：MW4.8；④最佳矩心深度11 km；⑤震源區(qū)主壓力軸P方位角95°，傾角18°，主張力軸T方位角189°，傾角12°。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的精確性，計(jì)算不同深度上震源機(jī)制解的波形互相關(guān)系數(shù)，并對(duì)14 個(gè)地震臺(tái)MS5.1 地震原始波形進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 2020 年7 月12 日MS 5.1 地震震源機(jī)制解在不同深度的波形互相關(guān)擬合Fig.6 Waveform cross-correlation fitting for the focal mechanism solutions at various depths of the MS 5.1 earthquake on July 12,2020

由圖6 可見：震源機(jī)制解變化不大，均顯示為走滑型地震；在矩心深度11 km 處，波形互相關(guān)系數(shù)最大。由圖7（圖中紅色曲線代表理論波形，黑色或灰色曲線代表實(shí)際波形，波形上方數(shù)字表示波形擬合方差，右側(cè)大寫字母表示臺(tái)站名）可見，在固定震中位置，沿垂直深度方向搜索MS5.1 地震震源機(jī)制解對(duì)應(yīng)的理論波形，與實(shí)際觀測(cè)波形平均擬合方差為0.86，表明理論波形與實(shí)際波形一致性較好。

圖7 2020 年7 月12 日MS 5.1 地震理論與實(shí)際波形擬合Fig.7 The well-fitting of the three-component synthetic waveforms corresponding to the double-couple mechanism solution and the observed waveforms for the MS 5.1 earthquake on July 12,2020

采用大折刀法（Jack knifing method）對(duì)反演參數(shù)進(jìn)行不確定度分析（Sokos et al，2008）?？紤]到不同方位和震中距的地震記錄對(duì)反演結(jié)果的影響，從所選14 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)中去除1 個(gè)不同臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次反演，得到反演參數(shù)直方圖，并將反演結(jié)果投影到震源球上，結(jié)果見圖8。由圖8 可見，各反演參數(shù)分布相對(duì)集中，且本次地震斷層面節(jié)面線分布均較集中，表明反演結(jié)果比較穩(wěn)定。

圖8 斷層面參數(shù)的不確定度估計(jì)Fig.8 Estimation of uncertainty of fault plane parameters

震源機(jī)制結(jié)果顯示，此次地震為一次高傾角走滑型事件，結(jié)合前述余震精定位結(jié)果和震源區(qū)整體斷層走向，推斷其發(fā)震斷層為右旋走滑型斷層。結(jié)合余震展布形態(tài)，認(rèn)為與震源機(jī)制解節(jié)面Ⅱ的性質(zhì)較為一致（走向233°，傾角69°），推測(cè)節(jié)面Ⅱ?yàn)榘l(fā)震斷層面，節(jié)面Ⅰ為輔助面（圖5）。對(duì)比劉桂萍等（2000）的研究結(jié)果：唐山MS7.8 主震斷層走向?yàn)?29°，傾角為80°，可見2 次地震的發(fā)震斷層性質(zhì)基本一致。而且，本次地震序列發(fā)生在1976年唐山MS7.8 地震余震序列上（圖9），故認(rèn)為二者發(fā)震構(gòu)造相同，均為帶有右旋分量的走滑斷裂。天然地震層析成像研究表明，唐山地震震源區(qū)中上地殼速度結(jié)構(gòu)具有顯著的非均勻性，唐山MS7.8 地震和本次古冶MS5.1 地震震源區(qū)上方均存在高速和低速陡變帶（賴曉玲等，2013；黃雪源等，2021）。此次古冶MS5.1 地震發(fā)生在高低速及泊松比異常交界區(qū)域，表明唐山斷裂帶仍具有較強(qiáng)的構(gòu)造活動(dòng)性。

圖9 古冶MS 5.1 地震序列和唐山地區(qū)歷史地震平面及深度剖面展布Fig.9 The top-view and depth cross-section for Guye MS 5.1 earthquake sequence and historical earthquakes in Tangshan focal region

2020 年古冶MS5.1 地震距1976 年唐山MS7.8 地震發(fā)生已有44 年，那么此次地震是否仍為唐山MS7.8 地震的余震呢？Liu 等（2020）基于有限元進(jìn)行余震序列模擬，結(jié)果表明，唐山斷裂帶新近發(fā)生的地震為余震活動(dòng)到背景地震活動(dòng)的過渡，盡管唐山地區(qū)余震序列活動(dòng)仍處于活躍狀態(tài)，但受背景地震活動(dòng)的影響較大。判斷一次地震是否屬于余震，可從地震發(fā)生的空間、時(shí)間及破裂機(jī)制等進(jìn)行研究（朱音杰等，2017）。此次古冶地震發(fā)生在1976年7 月唐山MS7.8 地震的老震區(qū)內(nèi)，唐山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造加載速率緩慢，導(dǎo)致唐山MS7.8 地震的余震持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能達(dá)上百年。此外，本次古冶MS5.1 地震震源機(jī)制與唐山MS7.8主震基本一致。因此，推斷2020 年7 月12 日古冶MS5.1 地震為唐山MS7.8 地震的余震，是唐山老震區(qū)一次正常的地震起伏活動(dòng)。

5 結(jié)論

利用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心所產(chǎn)出的首都圈地區(qū)震相數(shù)據(jù)，采用雙差定位方法，對(duì)2020年7 月12 日古冶MS5.1 地震序列進(jìn)行精定位，利用河北及鄰近地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)波形數(shù)據(jù)，對(duì)MS5.1 主震進(jìn)行震源機(jī)制解反演，得出以下結(jié)論。

（1）重定位結(jié)果顯示，主震震源深度為14.7 km；余震展布方向?yàn)镹E—SW，長(zhǎng)度約8 km，震源深度優(yōu)勢(shì)分布在10—18 km，發(fā)震斷層面較陡，傾向SE。

（2）震源機(jī)制結(jié)果顯示，此次地震為走滑型地震事件，由不同深度的震源機(jī)制反演得到主震最佳矩心深度為11 km，矩震級(jí)為MW4.8。

（3）結(jié)合余震展布形態(tài)，認(rèn)為節(jié)面Ⅱ?yàn)榘l(fā)震斷層面，即發(fā)震斷層走向233°，傾角69°。

（4）從震源位置來看，本次地震位于1976 年唐山MS7.8 地震的余震序列上。且其主震震源機(jī)制節(jié)面與唐山MS7.8 地震的主震斷層性質(zhì)基本一致。結(jié)合余震定位和周邊地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，認(rèn)為2 次地震發(fā)震構(gòu)造一致，均為帶有右旋分量的走滑斷裂。

（5）唐山MS7.8 地震距今已40 余年，但余震序列活動(dòng)仍在持續(xù)，此次古冶MS5.1 地震是唐山老震區(qū)近期一次新的起伏活動(dòng)。