2020年7月12日唐山5.1級地震分析

王 想,周 依,陳 婷,王 時,李小軍

(河北省地震局,河北 石家莊 050021)

0 引言

2020年7月12日6時38分,在河北省唐山市古冶區 (118.44°E,39.78°N)發生5.1級地震,位于唐山市與灤縣交界地區(圖1),震源深度為10 km。此次地震是繼河北省2006年7月4日文安5.1級地震以來的又一次5級以上地震。這次地震京、津、冀震感顯著,各級政府高度重視,媒體迅速發出大量報道,社會公眾反應強烈。這次地震序列早期余震較小(ML<1.0),截到7月15日22時共發生2次2級余震;震區僅有部分房屋出現輕微裂縫,烈度偏低,最高烈度為Ⅴ度。

F1:豐臺—野雞索斷裂;F2:唐山斷裂帶;F3:薊運河斷裂;F4:寧河—昌黎斷裂;F5:灤縣—樂亭斷裂;F6:盧龍斷裂圖1 1976—2020年唐山地區5級地震震中分布以及2020年7月12日唐山5.1級以上地震烈度分布圖Fig.1 Epicenter distribution of MS5.0 earthquakes in Tangshan area from 976 to 2020 and intensity distribution of MS>5.1 earthquakes in Tangshan on July 12,2020

1 此次地震與1976年唐山7.8級地震的相關性分析

1976年唐山7.8級地震屬于大陸板塊內部地震,地震破裂開始于NE向唐山斷裂的西南段,然后向NE及SW方向發展,破裂長度各為70 km,其總破裂長度約140 km。破裂速度約為2.5 km/s。唐山地震斷裂帶上主破裂——7.8級地震發生后,區域應力急劇調整,在破裂端附近受到橫向斷裂—灤縣—樂亭斷裂和薊運河斷裂的阻隔而形成兩個新的應力集中區,進而也同時牽動NW向斷裂的破裂。由于兩組斷裂的破裂,發生了7.8級地震兩側的若干次強余震,如在東北端發生的7.1級地震和西南側發生的6.9級地震等[1]。余震是主震之后應力進一步釋放的結果,在不同構造環境下,余震事件的持續時間不同,其持續時間與滑動速率成反比關系,板塊內部地震形變速率非常低,低于每年1 mm,斷層重新加載緩慢,可以延續數百年甚至更久。根據斷層摩擦的速率-狀態模型預測地震之后的斷層性質變化并用于余震研究,最終得出唐山地震余震持續時間可為100年左右[2]。低加載速率使得唐山地區余震持續時間系統性地增加,這個過程中余震是由應力擾動引起的。深部的黏彈松弛效應也是造成長時間持續余震的一種物理機制,唐山地震明顯加載了黏性的下地殼和上地幔,隨后下地殼和上地幔經過相當長的時間將應力傳遞回孕育地震的上地殼。唐山地震屬于板塊內部地震比板塊邊界地震的過程持續得更久,下地殼和上地幔更為黏滯,也因此導致唐山余震序列持續時間更長。

從時間序列來看(圖2),1976年唐山7.8級地震后至1977年,余震活動水平為6級左右;1978年至1995年余震活動水平為5級左右;1996年之后地震活動水平為4級左右,2004年至2014年這10年時間存在2年的發震韻律為成對發生的特征,這一現象基本符合余震衰減的大森定律,個數隨著時間迅速減少,同時震級越來越小。但大森定律是通過對一部分觀測數據擬合而來的經驗公式,不能處處與實際觀測完美吻合,因此偶爾還有5級左右地震的發生。按1976年唐山余震的空間分布以及發震構造特點,此次5.1級地震位于唐山7.8級地震發震斷裂——唐山斷裂的東北端,屬于唐山1976年7～8級地震44年后的又一次顯著地震活動。

圖2 1976年唐山余震序列Fig.2 Aftershock sequence of the 1976 Tangshan earthquake

唐山地區位于張渤地震帶和河北平原地震帶交匯部位,張家口—渤海地震帶西起晉冀蒙交界,向東南延伸到渤海,長約700 km,寬數十公里。河北平原地震帶自灤州市向西南至河南新鄉,長達600 km,寬數十公里。唐山地區地震活動水平明顯高于張渤地震帶和河北平原地震帶上的其他地區,這一現象與該地區的地震屬于唐山地震長余震序列是一致的。在這種情況下,這些小地震的發震位置并非隱含著未來大地震的時間和地點。大地震往往以地震幕的形式短暫地聚集發生,并在長達幾千年的時間里在斷層間遷移[3-6]。華北地區大地震(M>7)一直很頻繁,但是自從公元1300年以來從未在同一個地點發生過兩次類似的大地震。

2 此次地震的發震構造

唐山地區地質構造復雜,本區基底破碎,被多組斷裂切割,根據地震活動、地質構造的差異。1976年唐山地震中,唐山、灤縣、寧河是三個獨立的發震區,亦即是三個不同的應力集中區。每個應力集中區有一個主震,并形成相對獨立的余震活動區,三個應力集中區是由三組不同的構造帶構成的。三組淺層活動性斷裂分別是:NE向的寧河—昌黎斷裂、豐臺—野雞坨斷裂、唐山斷裂帶,NW向的灤縣—樂亭斷裂、薊運河斷裂和EW向的豐臺—豐南斷裂。此次地震發生在NE向斷裂與NW向斷層交而不匯的地區。震中附近有NE向的唐山—古冶斷裂,也有NW向的灤縣—樂亭斷裂。

采用雙差定位方法[7],基于河北測震臺網提供的2020年7月12日至7月16日的震相報告,對本次唐山M5.1地震序列進行了重新定位。重定位結果表明,此次唐山M5.1地震震中位置為39.777°N、118.419°E,震源初始破裂深度為13.3 km,此次唐山地震余震序列主要沿NE向展布,震源深度主要集中在10～15 km范圍內,余震向淺層發育。相比于AB測線深度剖面,地震序列在CD測線深度剖面上分布更加集中,但優勢傾角不突出(圖3),余震序列分布帶的走向與唐山斷裂帶一致。

F1:豐臺—野雞坨斷裂;F2:唐山斷裂帶;F3:薊運河斷裂;F4:寧河—昌黎斷裂;F5:灤縣—樂亭斷裂圖3 唐山M5.1地震序列精定位震中分布圖(資料時段:2020-07-12—16)Fig.3 Epicenter distribution map of Tangshan MS5.1 earthquake sequence after precise location (2020-07-12—2020-07-16)

取唐山地震近震臺站波形資料,利用CAP方法得到本次唐山M5.1地震的震源機制(圖4)對比11個臺站體波部分和面波部分的理論合成波形和實測波形可以看出,超過80%的分量擬合相關系數大于80%,其中超過60%的分量大于90%,顯示理論波形與實際波形具有較好的擬合關系。深度擬合殘差顯示,擬合深度為13 km時殘差最小,此深度即為最佳震源深度,此結果與雙差定位的結果一致。NNE向的節面屬于直立(傾角76°)。震源機制解中的第一節面走向為NEE、其形態和分布與精定位的結果地震序列小震展布走向相符,也與唐山斷裂帶相對應。故取NEE向近直立的節面作為斷層面。震源斷層面的滑動角180°,為右旋走滑類型。

圖4 唐山M5.1地震波形擬合和反演誤差Fig.4 Waveform fitting and inversion error of Tangshan M5.1 earthquake

唐山地震的有感范圍的長軸方向是NEE向,長軸約29 km,短軸約19 km。最高烈度為Ⅴ度,Ⅴ度等震線沿唐山斷裂帶中的唐山—古冶斷裂分布,其長軸走向與唐山斷裂帶的走向和位置一致,烈度線的長、短軸之比為二比一,顯示了NEE向構造作用的優勢(圖3)。

灤縣—樂亭斷裂斷面走向NW、傾向NE,為高角度逆沖斷層。唐山斷裂帶主要由北東走向的三條平行斷裂:唐山—古冶斷裂、陡河斷裂、唐山—巍山—長山南坡斷裂組成,這三條斷裂向西南延伸后,在豐南附近合并成一條,全長約40 km。其中唐山—古冶斷裂西南段走向NE30°,東北段走向NE50°,斷面傾向NW,傾角70°～80°的正斷層。根據定位結果、震源機制解以及烈度分布,推測SW-NE走向的節面為本次唐山M5.1地震的發震斷層面,該地震為發生在傾向NW、高傾角、右旋走滑的斷層上的地震,唐山斷裂可能為其控震斷層。

3 地震前存在的地震活動性異常

3.1 華北地區ML3缺震

分析華北地區(33°～43°N,108°～125°E)ML3以上地震的缺震曲線,選取資料時間窗為12個月,滑動頻長1個月,曲線的負異常與華北ML5以上地震對應較好。2000年以來共出現異常6次,地震6組,實際對應地震5組(圖5)。此外,華北ML3缺震異常對應地震具有成組性,除此次唐山地震外,對應的5組地震中,其中有3組都連續發生了多次ML5以上地震(表1)。

表1 華北地區ML3地震缺震曲線異常對應地震統計表Table 1 Statistical table of earthquakes corresponding to the lack anomaly of ML3 earthquake curve in North China

圖5 華北地區ML3地震缺震曲線Fig.5 Lack of ML3 earthquake curve in North China

3.2 華北北部5級地震活動規律

7月12日唐山5.1級地震發生在華北北部地區(38.5°～41.5°N,114°～120°E),該區位于華北地塊的北部,即張家口—渤海地震帶、華北平原地震帶和山西地震帶的交匯部位。該地區由于東部受到西太平洋板塊側面俯沖的影響,西部受到青藏高原隆起所引起的深部塑性流動致使淺部物質側壓擠出的影響,形成了一個主壓應力為NEE—SWW向的水平應力場[8-10]。按照地震間隔時間劃分11個地震叢震(圖6),其中1978年唐山地震的多次5級以上強余震與唐山主震歸為1組,1991—1999年發生4次地震由于間隔時間較短劃分為同1組(表2)。統計表明從百年尺度來看,該區地震活動表現出明顯的周期性,10組地震中有8次地震的時間間隔為10±2年,最長時間為1991年唐山上一次5.0級地震之前,最短間隔為8年。此次唐山地震前,該區5級以上地震平靜14年。

表2 唐山地區ML2地震平靜對應地震統計表Table 2 Statistical table of earthquakes corresponding to the quiet anomalies of ML2 earthquakes in Tangshan

圖6 首都圈地區5級地震M-t圖Fig.6 M-t diagram of MS≥5 earthquakes in China Capital region

按照斷裂走向及地震分布,沿張家口—渤海地震帶把華北北部地區劃分為3個分區,分別稱為西區、中區、東區(圖7)。其中,東區主要包括唐山老震區及部分渤海地區的平谷—三河—廊坊構造帶以及滄東構造帶;中區主要包括懷柔—北京—涿縣(現為涿州)構造帶;西區主要包括延慶—懷來構造帶。地震活動表現出明顯的自西向東遷移、再跳轉到西區開始一個新輪回的特征,具有遷移性、重復性和輪回性[11]。至今共經歷了2個完整的輪回,唐山地震的發生完成了該區的第3個輪回。

圖7 華北北部地震遷移圖Fig.7 Earthquake migration in the northern region of North China

3.3 華北地區ML4地震平靜

華北構造區受到來自歐亞板塊和太平洋板塊共同的外力作用,唐山地區和華北其他地區共同經歷著地殼應力積累過程。2000年以來,華北地區(33°～43°N,108°～125°E)進入地震活動相對平靜時段,ML4地震平靜超過3個月被打破后,該區域半年內存在發生ML5.2以上地震的可能。2000年以來,共對應了6次(組)。自2018年2月12河北永清ML4.7地震后華北地區出現了長達14個月的ML4地震平靜,這次平靜達到了2000年以來的最長平靜時間。另外3次顯著的平靜事件分別發生在2006年文安5.1級地震、2008年汶川8.1級地震、2013年燈塔5.1等4次5級地震發生后,華北應力場處于應力狀態的調整階段。而此次顯著地震平靜前華北本區以及外圍均沒有大地震發生。此次顯著平靜并不是應力狀態的調整,而是地震前的能量積累。該長期平靜被2019年4月21日河北臨漳ML4.1地震打破,隨后又出現了7個月的平靜,被12月3日河北張家口懷安ML4.0地震打破。這兩次連續ML4平靜異常結束后7個月發生了本次唐山ML5.5地震(圖8)。

圖8 2000年后華北地震ML4以上地震M-t及Δt-tFig.8 M-t and Δt-t diagram of ML>4 earthquakes in North China after 2000

3.4 唐山地區ML3地震平靜

唐山地區(39°～41°N,117.5°～119.5°E)ML3地震的平靜與該區ML4以上的地震存在一定的對應關系(圖9)。以唐山地區ML3地震平靜120天為異常指標,2005年以來共出現14次,有5次在異常結束后6個月內對應了ML4以上地震,其中4次異常是被ML4以上地震直接打破,1次是在異常結束后3個月內對應了ML4以上地震。自2019年12月5日河北豐南ML4.9地震后,唐山地區ML3地震平靜超7個月,發生本次唐山M5.1地震,直接打破了唐山地區ML3地震平靜,認為該項異常對應了唐山M5.1地震。

圖9 唐山地區ML3地震M-t及Δt-t圖Fig.9 M-t and Δt-t diagram of ML>3 earthquakes in Tangshan

3.5 唐山地區ML2.0地震平靜打破

2005年之來,當唐山地區(39°～41°N,117.5°～119.5°E)發生超過30天的ML2地震平靜打破異常后,未來3個月唐山余震區存在發生ML4左右地震的可能(圖10)。2020年4月6日河北灤州ML2.0地震至5月22日河北灤州ML2.1地震,唐山地區ML2.0地震平靜時間達到46天,超過該指標的異常閾值。平靜打破后51天發生本次唐山M5.1地震。

圖10 唐山地區ML2地震Δt-tFig.10 Δt-t diagram of ML2 earthquakes in Tangshan

3.6 地震預報能力評分

地震前兆是一種弱訊號,我們對以上分析的3種具有短臨預報意義的資料使用R值作為鑒定指標。公式如下:

(1)

式中:R值表示扣除了占時率的報準率,即扣除了隨機概率的預報成功率。對其結果作出置信度的估計,與按二項式分布原則編制的保證97.5%信度的最低R值表進行對比,如果R值大于表中所列數值R0,即認為這個R值至少有97.5%的置信度。隨著時間的演變,累積資料的豐富,預報能力R值是一個動態變化的值,2020年使用最新資料統計計算的3種資料的預報能力如下表,唐山地區的2級平靜被打破具有一定的預報價值。

表3 預報能力統計表Table 3 Statistical table of forecasting ability

4 結論

本文分析2020年7月12日唐山5.1級地震的發震特點以及震前唐山本區和所處的華北構造區的地震活動性異常,對此次地震的性質以及發震構造背景、破裂機制進行初步分析。認為2020年7月12日唐山5.1級地震屬于1976年7月28日唐山7.8級地震老震區的一次地震起伏活動;該次地震序列并不豐富,震區烈度偏低、有感范圍大;唐山地區地震構造復雜,根據精定位結果、震源機制解以及烈度分布,推測SW-NE走向的節面為此次地震的發震斷層面,唐山斷裂可能為其控震斷裂。華北構造區受到來自歐亞板塊和太平洋板塊共同的外力作用,唐山地區和華北其他地區共同經歷著地殼應力積累的過程。唐山地區因為1976年唐山7.8級地震的作用,地殼較之華北其他地區的介質更為破碎,其地殼閉鎖段的靜摩擦強度較小,不易積累較大地殼應力。此次地震的活動時間和地點符合華北北部5級地震的活動規律,地震前的地震活動性異常以顯著平靜為主,唐山地區出現3級地震顯著平靜、2級地震平靜被打破的短臨異常,震前華北地區4級地震平靜背景尤為突出,3級地震缺震現象明顯。唐山地震前的地震活動性異常表明,此次地震前唐山地區以及所處的華北構造區地殼應力都積累到了一定程度。