2020年7月12日唐山MS5.1地震構(gòu)造環(huán)境特征

邊慶凱，呂國軍，冉志杰，溫 超，李 皓，李 姜，范志偉

（河北省地震局，石家莊 050021）

0 引言

2020年7月12日6時38分，河北唐山古冶塔山營發(fā)生5.1級地震，震源深度10 km。震區(qū)最高烈度V度，震感強(qiáng)烈，無人員傷亡。這次地震有感范圍廣，其中V度區(qū)之外的唐山各區(qū)縣，承德興隆，秦皇島盧龍、青龍和昌黎震感也較為強(qiáng)烈，滄州、廊坊、雄安新區(qū)、保定易縣等地有震感，張家口赤城、蔚縣有輕微震感；北京市東部的平谷、順義、通州等地區(qū)震感較為強(qiáng)烈，儀器記錄的最大地震烈度為Ⅲ度；天津市濱海新區(qū)、寧河區(qū)震感較為強(qiáng)烈[1-5]。

本次5.1級地震是在唐山老震區(qū)ML5.0地震平靜近8年的背景下發(fā)生的[6]，地質(zhì)構(gòu)造上位于燕山隆起橫嶺子造山帶南緣。本文根據(jù)地震發(fā)生后地震現(xiàn)場震害調(diào)查的實(shí)際情況，從大震構(gòu)造環(huán)境的巖土水熱構(gòu)造帶因素、震源機(jī)制解和淺表構(gòu)造、震害特征、老震區(qū)地震活動水平、唐山斷裂蠕滑現(xiàn)象入手，對5.1級地震的地震構(gòu)造環(huán)境提出了一些看法。

1 唐山斷裂帶及周邊的地震構(gòu)造環(huán)境

唐山斷裂是1976年唐山7.8級地震的發(fā)震斷裂，大致分為3段：中段穿過唐山市區(qū)，從南湖經(jīng)鳳凰山—大城山—東湖到開平馬家溝；北段從馬家溝—古樓莊—小笪莊—崔尹莊—趙各莊—萬山南麓到雷莊；南段從王家河向西南方向，經(jīng)鄭家莊—望馬臺—董各莊—王蘭莊到寧河。1976年唐山7.8級大震發(fā)生時，董各莊—南湖—小山（復(fù)興路西）一帶出現(xiàn)了大量的粘滑地裂縫[7-11]。唐山斷裂各段的研究程度差異很大，中段研究程度較高，南段和北段的研究程度都很低（圖1）。

圖1 唐山老震區(qū)地震構(gòu)造圖

據(jù)大地構(gòu)造資料，唐山斷裂帶是在新構(gòu)造運(yùn)動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。唐山斷裂北段的一部分，即崔尹莊—白道子—趙各莊—萬山南麓—雷莊一帶，是Ⅳ級構(gòu)造單元的結(jié)合部位，北側(cè)是橫嶺子造山帶，南側(cè)是開平盆地。唐山斷裂大致呈弧形分布，從寧河經(jīng)唐山市區(qū)，到小笪莊基本呈NE走向，之后開始轉(zhuǎn)向變成近EW向，經(jīng)趙各莊、萬山南麓到雷莊的沙河附近，截止斷裂是徐家樓-王喜莊斷裂[12-13]。

唐山斷裂中段的西側(cè)是地壘，小山（復(fù)興路西）—大城山—小山（馬家溝）連成一線，像一根砥柱，直抵燕山隆起馬蘭峪背斜南緣，橫嶺子造山帶橫亙在這一地壘前，地壘的東側(cè)是開平向斜，形成開平盆地，地壘的西側(cè)是車軸山向斜[14]。位于唐山斷裂北段北側(cè)的馬蘭峪背斜，突兀成一片中低山脈，與其南側(cè)的平緩坡地形成鮮明對比。從造山帶內(nèi)部細(xì)分的角度看，馬蘭峪背斜南緣長山附近，把它稱為橫嶺子造山帶，由多排近NW向的山地和溝谷組成，向東北方向依次排列長山、玻璃山-白云山、黑山-城山、青龍山-石馬山、橫嶺子-小團(tuán)山、龍馬頂-郝家山等。

唐山斷裂帶兩側(cè)的耦合構(gòu)造特征明顯，一側(cè)是造山帶，一側(cè)是活動盆地。耦合活動構(gòu)造是指活動構(gòu)造出現(xiàn)對立極端的情況，類似自然界中的陰陽兩極，而造山帶與盆地耦合，二者的結(jié)合部位往往是抗剪強(qiáng)度最薄弱的地帶。另外從巖性看，是硬與軟的耦合，造山帶一側(cè)往往發(fā)育雜巖體和火成巖，而盆地內(nèi)部則是未成巖的土層；從干濕程度看，一側(cè)容易形成干熱巖區(qū)，另外一側(cè)則是冷濕土層。從這方面分析，唐山大震構(gòu)造環(huán)境具有鮮明的“巖土水熱”構(gòu)造帶特征。

巖指巖石，包括唐山地壘和橫嶺子造山帶；土指土層，巨厚土層也是第四紀(jì)盆地發(fā)育的標(biāo)志。冀東坳陷內(nèi)部第四紀(jì)盆地與凸起形成的多塹壘耦合，形成了兩山夾一盆的“硬軟硬”三明治結(jié)構(gòu)，這是大震發(fā)生的巖性環(huán)境條件。穿過唐山斷裂的河流有陡河和沙河。陡河穿越唐山斷裂，為地表水沿斷裂縫隙向下滲流提供了便利條件；沙河幾乎沿NNE向的徐家樓-王喜莊斷裂發(fā)育，也為地表水向下滲流提供了便利通道，該斷裂以東，雜巖體廣布，并且在呂家坨煤礦發(fā)現(xiàn)侵入巖帶[15]；

熱指地?zé)?，反映幔枝?gòu)造和熱動力背景。幔枝構(gòu)造形成的火成巖，其周圍容易形成熱液富集區(qū)，特別是與雜巖體相伴的火成巖，又是障礙體的重要組成部分，為大震應(yīng)變能的蓄積提供了重要條件和場所。徐家樓-王喜莊斷層?xùn)|側(cè)是雜巖體和火成巖，這是障礙體內(nèi)的典型巖性組合，等于阻止了唐山斷裂整體東移。為增加構(gòu)造應(yīng)力、積蓄構(gòu)造應(yīng)變能創(chuàng)造了條件。

構(gòu)造帶這里指唐山斷裂帶。唐山斷裂帶從剖面上看是一個花狀構(gòu)造[16]，唐山斷裂呈弧形，而古冶斷裂呈直線展布，二者在震源層匯聚成一條斷裂帶，而不是像在地表出露時的花狀散開狀態(tài)。因此，提高唐山老震區(qū)的抗震設(shè)防烈度，要把花狀構(gòu)造覆蓋區(qū)作為一個整體提高抗震設(shè)防烈度，而不是以單一的斷裂破碎帶緩沖區(qū)為唯一依據(jù)。斷裂破碎帶緩沖區(qū)的重要性在于，它是建筑物避讓的主要依據(jù)。

2 震源機(jī)制解

根據(jù)seismology測震小組的分析結(jié)果[17]，震源機(jī)制解顯示，震源斷層是走滑型兼具正斷分量，其中一個斷層面走向NE，傾角73°，傾向NW（表1）。震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)震源斷層沒有出露地表證據(jù)。

表1 唐山MS 5.1地震震源機(jī)制解 （°）

微觀震中附近區(qū)域，褶皺和斷裂均很發(fā)育。震區(qū)地貌特征顯示，橫嶺子造山帶內(nèi)部，山間溝谷和山脈走向與震源共軛斷層走向一致，地表有燕山期斷層出露—白云山斷層。該斷層沿溝谷展布，走向NW，塔山營位于斷層的東南端。

唐山老震區(qū)中強(qiáng)震活動主要集中在開平盆地一側(cè)，造山帶內(nèi)部發(fā)生破壞性地震是極少出現(xiàn)的情況。此次河北唐山5.1級地震是造山帶內(nèi)部發(fā)生的一次破壞性地震。其微觀震中距離唐山斷裂北段直線距離約2.6 km，位于燕山隆起橫嶺子造山帶南緣。它不是唐山斷裂上發(fā)生的地震，而是次生斷裂活動產(chǎn)生的地震，也是構(gòu)造應(yīng)力場局部調(diào)整的結(jié)果。

3 烈度與震害

2020年7月12日河北唐山古冶5.1級地震是繼2012年河北唐山4.8級地震后，唐山老震區(qū)發(fā)生的又一次有強(qiáng)烈震感的地震，波及唐山市大部分地區(qū)及相鄰地區(qū)。此次地震有感范圍廣，無人員傷亡[18-19]。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，震中區(qū)烈度V度，V度區(qū)長軸NEE向，長29 km，短軸長19 km。 V度區(qū)內(nèi)震害較重的村莊包括：西無水莊、后水峪、趙百戶營、前巍峰山村等（圖2）。V度區(qū)內(nèi)能聽到明顯地聲，人員驚慌外逃，個別老舊房屋出現(xiàn)墻體裂縫、吊頂塌落、貨架物品掉落等現(xiàn)象，一些房屋屋頂灰塵震落冒煙，墻瓦掉落摔碎、墻頭掉落（圖3），地表未見地裂縫，無滑坡，未見路面損壞。

圖2 河北唐山5.1級地震烈度圖（據(jù)河北省地震局）

此次5.1級地震震害相對較輕，可能的因素包括以下2個方面：震中的構(gòu)造部位和震區(qū)房屋抗震能力。

唐山5.1級地震發(fā)生在橫嶺子造山帶內(nèi)部，結(jié)合動能公式可以進(jìn)行粗略的估計。同等能量條件下，造山帶平均海拔高度超過盆地地區(qū)一兩百米，其內(nèi)部單位面積的質(zhì)量要高于盆地內(nèi)部，由此推斷其動能速度要小于盆地內(nèi)部，而與之對應(yīng)的PGA也會偏小。造山帶內(nèi)部震中附近是基巖區(qū)，較少出現(xiàn)盆地內(nèi)部第四系土層的放大效應(yīng)。另外造山帶抬升勢能增加，基巖抗剪強(qiáng)度大也是PGA偏小的因素。

震區(qū)房屋抗震能力明顯增強(qiáng)，2000年后再建的房屋由于十分重視抗震結(jié)構(gòu)，普遍采用圈梁-構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)，這類房屋占比六到七成，在本次地震中基本沒有破壞，房屋完好無損。而1976年唐山地震后再建的房屋，抗震能力弱，有些房屋出現(xiàn)墻體裂縫，這些房屋占比一到兩成。從村莊整體震害的角度看，總體震害明顯偏弱（圖3）。

圖3 震區(qū)房屋地震破壞情況

4 地震活動水平的粗略估計

1976年唐山7.8級地震發(fā)生后，震區(qū)強(qiáng)余震經(jīng)歷了強(qiáng)烈的衰減過程，直至1983年頻繁4級地震的衰減過程基本結(jié)束。1984—1993年4級地震的時間間隔明顯變長，年平均3次；1994—2004年期間4級地震年平均1.4次；2005—2019年4級地震年平均0.65次，4級地震平均間隔1年半（圖4）。從整體上看，地震活動水平長期衰減的特征十分明顯[20]。

圖4 唐山老震區(qū)ML4.0地震衰減過程圖[6]

結(jié)合地震活動震級大小的層次性，足夠多的中小震產(chǎn)生一次破壞性地震，4級地震平均間隔拉長，也使5級地震的平均間隔拉長[21]。1993—2012年期間發(fā)生4次5.0級以上地震，平均間隔4年9個月。其中，2004年和2012年的5級地震，其間隔時間是8年，而2020年7月12日的5.1級地震與2012年的5級地震間隔時間也是8年。從中長期地震活動背景看，2020年7月12日5.1級地震是唐山老震區(qū)在長期衰減背景上發(fā)生的一次正常地震活動。

唐山老震區(qū)地震活動的準(zhǔn)周期特征明顯，近20年來的地震活動水平從中長期看容易把握，包括4級地震的平均間隔和5級地震的平均間隔。但地震活動的準(zhǔn)周期特性卻陡然增加了短臨預(yù)報的難度，短臨預(yù)報的困境凸顯。中強(qiáng)震活動準(zhǔn)周期，如果按平均周期進(jìn)行預(yù)報，那么虛報漏報成為必然，減少漏報虛報則成為目前最突出的老大難問題，突破短臨預(yù)報瓶頸，道路漫長。

5 重視中強(qiáng)震前的斷裂蠕滑異常

唐山老震區(qū)地震活動的長期性十分突出，同時唐山斷裂帶的長期活動性也十分明顯，沿唐山斷裂帶一個顯著的現(xiàn)象是斷層蠕滑。雖然蠕滑的產(chǎn)生存在多方面的因素，但斷層的長期活動性是其重要因素之一。沿唐山斷裂帶存在多點(diǎn)蠕滑，從南湖的路面錯開，到市內(nèi)多點(diǎn)的墻體裂縫和路面變形，再到古樓莊地裂縫、趙各莊地裂縫，這些蠕滑錯動貫穿唐山斷裂的各個段落[22-24]。

近幾年，無水莊—趙各莊附近的斷裂蠕滑特征明顯，2019年7月沿唐山斷裂北段走向，野外地質(zhì)考察發(fā)現(xiàn)路面地裂縫、陷坑、墻體裂縫、墻體倒塌后再重建的情況都有發(fā)生（圖5～6）。據(jù)當(dāng)?shù)鼐用裰v，無水莊-趙各莊地裂縫曾反復(fù)出現(xiàn)，路面補(bǔ)修后反復(fù)錯開再建，個別地方有5～6次。另外，有剛建好的窨坑內(nèi)水泥墻壁，還未干透，即被錯出裂縫。如果能在中強(qiáng)震前建立連續(xù)基線觀測臺陣，記錄各觀測點(diǎn)跨斷裂蠕滑的變動情況，我們就可能捕捉到震前蠕滑的異常信息，為中強(qiáng)震短臨預(yù)報服務(wù)。

圖5 無水莊附近窨坑裂縫、墻體裂縫

圖6 無水莊附近路面陷坑、墻體倒塌后重修

6 認(rèn)識和討論

2020年7月12日唐山5.1級地震是發(fā)生在橫嶺子造山帶內(nèi)部的一次破壞性地震，震源機(jī)制解顯示為走滑兼正斷分量型錯動，震后考察沒有發(fā)現(xiàn)出露地表破裂證據(jù)。震區(qū)地貌特征顯示，山間溝谷和山脈走向與震源機(jī)制解的其中一個節(jié)面走向一致，地表有燕山期斷層出露，沿溝谷展布，塔山營就位于該斷裂的東南端。5.1級地震震區(qū)震感強(qiáng)烈，無人員傷亡，其最高烈度V度，且V度分布范圍較廣，震害較重的村莊有西無水莊和前巍峰山村。唐山老震區(qū)2005—2019年ML4.0以上地震年平均0.65次，平均間隔1年半，2005—2020年7月5.0級以上平均間隔7年9個月。2020年唐山5.1級地震前連續(xù)多年，唐山斷裂持續(xù)蠕滑，斷裂附近蠕滑地裂縫發(fā)育，錯斷路面、墻體等。建議沿唐山斷裂帶布設(shè)水化學(xué)和形變連續(xù)觀測臺陣，為短臨預(yù)報提供重要的觀測數(shù)據(jù)。

致謝感謝審稿人提出的寶貴建議。