2020年7月12日唐山5.1级地震分析

王 想,周 依,陈 婷,王 时,李小军

(河北省地震局,河北 石家庄 050021)

0 引言

2020年7月12日6时38分,在河北省唐山市古冶区 (118.44°E,39.78°N)发生5.1级地震,位于唐山市与滦县交界地区(图1),震源深度为10 km。此次地震是继河北省2006年7月4日文安5.1级地震以来的又一次5级以上地震。这次地震京、津、冀震感显著,各级政府高度重视,媒体迅速发出大量报道,社会公众反应强烈。这次地震序列早期余震较小(ML<1.0),截到7月15日22时共发生2次2级余震;震区仅有部分房屋出现轻微裂缝,烈度偏低,最高烈度为Ⅴ度。

F1:丰台—野鸡索断裂;F2:唐山断裂带;F3:蓟运河断裂;F4:宁河—昌黎断裂;F5:滦县—乐亭断裂;F6:卢龙断裂图1 1976—2020年唐山地区5级地震震中分布以及2020年7月12日唐山5.1级以上地震烈度分布图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 此次地震与1976年唐山7.8级地震的相关性分析

1976年唐山7.8级地震属于大陆板块内部地震,地震破裂开始于NE向唐山断裂的西南段,然后向NE及SW方向发展,破裂长度各为70 km,其总破裂长度约140 km。破裂速度约为2.5 km/s。唐山地震断裂带上主破裂——7.8级地震发生后,区域应力急剧调整,在破裂端附近受到横向断裂—滦县—乐亭断裂和蓟运河断裂的阻隔而形成两个新的应力集中区,进而也同时牵动NW向断裂的破裂。由于两组断裂的破裂,发生了7.8级地震两侧的若干次强余震,如在东北端发生的7.1级地震和西南侧发生的6.9级地震等[1]。余震是主震之后应力进一步释放的结果,在不同构造环境下,余震事件的持续时间不同,其持续时间与滑动速率成反比关系,板块内部地震形变速率非常低,低于每年1 mm,断层重新加载缓慢,可以延续数百年甚至更久。根据断层摩擦的速率-状态模型预测地震之后的断层性质变化并用于余震研究,最终得出唐山地震余震持续时间可为100年左右[2]。低加载速率使得唐山地区余震持续时间系统性地增加,这个过程中余震是由应力扰动引起的。深部的黏弹松弛效应也是造成长时间持续余震的一种物理机制,唐山地震明显加载了黏性的下地壳和上地幔,随后下地壳和上地幔经过相当长的时间将应力传递回孕育地震的上地壳。唐山地震属于板块内部地震比板块边界地震的过程持续得更久,下地壳和上地幔更为黏滞,也因此导致唐山余震序列持续时间更长。

从时间序列来看(图2),1976年唐山7.8级地震后至1977年,余震活动水平为6级左右;1978年至1995年余震活动水平为5级左右;1996年之后地震活动水平为4级左右,2004年至2014年这10年时间存在2年的发震韵律为成对发生的特征,这一现象基本符合余震衰减的大森定律,个数随着时间迅速减少,同时震级越来越小。但大森定律是通过对一部分观测数据拟合而来的经验公式,不能处处与实际观测完美吻合,因此偶尔还有5级左右地震的发生。按1976年唐山余震的空间分布以及发震构造特点,此次5.1级地震位于唐山7.8级地震发震断裂——唐山断裂的东北端,属于唐山1976年7～8级地震44年后的又一次显著地震活动。

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

唐山地区位于张渤地震带和河北平原地震带交汇部位,张家口—渤海地震带西起晋冀蒙交界,向东南延伸到渤海,长约700 km,宽数十公里。河北平原地震带自滦州市向西南至河南新乡,长达600 km,宽数十公里。唐山地区地震活动水平明显高于张渤地震带和河北平原地震带上的其他地区,这一现象与该地区的地震属于唐山地震长余震序列是一致的。在这种情况下,这些小地震的发震位置并非隐含着未来大地震的时间和地点。大地震往往以地震幕的形式短暂地聚集发生,并在长达几千年的时间里在断层间迁移[3-6]。华北地区大地震(M>7)一直很频繁,但是自从公元1300年以来从未在同一个地点发生过两次类似的大地震。

2 此次地震的发震构造

唐山地区地质构造复杂,本区基底破碎,被多组断裂切割,根据地震活动、地质构造的差异。1976年唐山地震中,唐山、滦县、宁河是三个独立的发震区,亦即是三个不同的应力集中区。每个应力集中区有一个主震,并形成相对独立的余震活动区,三个应力集中区是由三组不同的构造带构成的。三组浅层活动性断裂分别是:NE向的宁河—昌黎断裂、丰台—野鸡坨断裂、唐山断裂带,NW向的滦县—乐亭断裂、蓟运河断裂和EW向的丰台—丰南断裂。此次地震发生在NE向断裂与NW向断层交而不汇的地区。震中附近有NE向的唐山—古冶断裂,也有NW向的滦县—乐亭断裂。

采用双差定位方法[7],基于河北测震台网提供的2020年7月12日至7月16日的震相报告,对本次唐山M5.1地震序列进行了重新定位。重定位结果表明,此次唐山M5.1地震震中位置为39.777°N、118.419°E,震源初始破裂深度为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范围内,余震向浅层发育。相比于AB测线深度剖面,地震序列在CD测线深度剖面上分布更加集中,但优势倾角不突出(图3),余震序列分布带的走向与唐山断裂带一致。

F1:丰台—野鸡坨断裂;F2:唐山断裂带;F3:蓟运河断裂;F4:宁河—昌黎断裂;F5:滦县—乐亭断裂图3 唐山M5.1地震序列精定位震中分布图(资料时段:2020-07-12—16)Fig.3 Epicenter distribution map of Tangshan MS5.1 earthquake sequence after precise location (2020-07-12—2020-07-16)

取唐山地震近震台站波形资料,利用CAP方法得到本次唐山M5.1地震的震源机制(图4)对比11个台站体波部分和面波部分的理论合成波形和实测波形可以看出,超过80%的分量拟合相关系数大于80%,其中超过60%的分量大于90%,显示理论波形与实际波形具有较好的拟合关系。深度拟合残差显示,拟合深度为13 km时残差最小,此深度即为最佳震源深度,此结果与双差定位的结果一致。NNE向的节面属于直立(倾角76°)。震源机制解中的第一节面走向为NEE、其形态和分布与精定位的结果地震序列小震展布走向相符,也与唐山断裂带相对应。故取NEE向近直立的节面作为断层面。震源断层面的滑动角180°,为右旋走滑类型。

图4 唐山M5.1地震波形拟合和反演误差Fig.4 Waveform fitting and inversion error of Tangshan M5.1 earthquake

唐山地震的有感范围的长轴方向是NEE向,长轴约29 km,短轴约19 km。最高烈度为Ⅴ度,Ⅴ度等震线沿唐山断裂带中的唐山—古冶断裂分布,其长轴走向与唐山断裂带的走向和位置一致,烈度线的长、短轴之比为二比一,显示了NEE向构造作用的优势(图3)。

滦县—乐亭断裂断面走向NW、倾向NE,为高角度逆冲断层。唐山断裂带主要由北东走向的三条平行断裂:唐山—古冶断裂、陡河断裂、唐山—巍山—长山南坡断裂组成,这三条断裂向西南延伸后,在丰南附近合并成一条,全长约40 km。其中唐山—古冶断裂西南段走向NE30°,东北段走向NE50°,断面倾向NW,倾角70°～80°的正断层。根据定位结果、震源机制解以及烈度分布,推测SW-NE走向的节面为本次唐山M5.1地震的发震断层面,该地震为发生在倾向NW、高倾角、右旋走滑的断层上的地震,唐山断裂可能为其控震断层。

3 地震前存在的地震活动性异常

3.1 华北地区ML3缺震

分析华北地区(33°～43°N,108°～125°E)ML3以上地震的缺震曲线,选取资料时间窗为12个月,滑动频长1个月,曲线的负异常与华北ML5以上地震对应较好。2000年以来共出现异常6次,地震6组,实际对应地震5组(图5)。此外,华北ML3缺震异常对应地震具有成组性,除此次唐山地震外,对应的5组地震中,其中有3组都连续发生了多次ML5以上地震(表1)。

表1 华北地区ML3地震缺震曲线异常对应地震统计表Table 1 Statistical table of earthquakes corresponding to the lack anomaly of ML3 earthquake curve in North China

图5 华北地区ML3地震缺震曲线Fig.5 Lack of ML3 earthquake curve in North China

3.2 华北北部5级地震活动规律

7月12日唐山5.1级地震发生在华北北部地区(38.5°～41.5°N,114°～120°E),该区位于华北地块的北部,即张家口—渤海地震带、华北平原地震带和山西地震带的交汇部位。该地区由于东部受到西太平洋板块侧面俯冲的影响,西部受到青藏高原隆起所引起的深部塑性流动致使浅部物质侧压挤出的影响,形成了一个主压应力为NEE—SWW向的水平应力场[8-10]。按照地震间隔时间划分11个地震丛震(图6),其中1978年唐山地震的多次5级以上强余震与唐山主震归为1组,1991—1999年发生4次地震由于间隔时间较短划分为同1组(表2)。统计表明从百年尺度来看,该区地震活动表现出明显的周期性,10组地震中有8次地震的时间间隔为10±2年,最长时间为1991年唐山上一次5.0级地震之前,最短间隔为8年。此次唐山地震前,该区5级以上地震平静14年。

表2 唐山地区ML2地震平静对应地震统计表Table 2 Statistical table of earthquakes corresponding to the quiet anomalies of ML2 earthquakes in Tangshan

图6 首都圈地区5级地震M-t图Fig.6 M-t diagram of MS≥5 earthquakes in China Capital region

按照断裂走向及地震分布,沿张家口—渤海地震带把华北北部地区划分为3个分区,分别称为西区、中区、东区(图7)。其中,东区主要包括唐山老震区及部分渤海地区的平谷—三河—廊坊构造带以及沧东构造带;中区主要包括怀柔—北京—涿县(现为涿州)构造带;西区主要包括延庆—怀来构造带。地震活动表现出明显的自西向东迁移、再跳转到西区开始一个新轮回的特征,具有迁移性、重复性和轮回性[11]。至今共经历了2个完整的轮回,唐山地震的发生完成了该区的第3个轮回。

图7 华北北部地震迁移图Fig.7 Earthquake migration in the northern region of North China

3.3 华北地区ML4地震平静

华北构造区受到来自欧亚板块和太平洋板块共同的外力作用,唐山地区和华北其他地区共同经历着地壳应力积累过程。2000年以来,华北地区(33°～43°N,108°～125°E)进入地震活动相对平静时段,ML4地震平静超过3个月被打破后,该区域半年内存在发生ML5.2以上地震的可能。2000年以来,共对应了6次(组)。自2018年2月12河北永清ML4.7地震后华北地区出现了长达14个月的ML4地震平静,这次平静达到了2000年以来的最长平静时间。另外3次显著的平静事件分别发生在2006年文安5.1级地震、2008年汶川8.1级地震、2013年灯塔5.1等4次5级地震发生后,华北应力场处于应力状态的调整阶段。而此次显著地震平静前华北本区以及外围均没有大地震发生。此次显著平静并不是应力状态的调整,而是地震前的能量积累。该长期平静被2019年4月21日河北临漳ML4.1地震打破,随后又出现了7个月的平静,被12月3日河北张家口怀安ML4.0地震打破。这两次连续ML4平静异常结束后7个月发生了本次唐山ML5.5地震(图8)。

图8 2000年后华北地震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 唐山地区ML3地震平静

唐山地区(39°～41°N,117.5°～119.5°E)ML3地震的平静与该区ML4以上的地震存在一定的对应关系(图9)。以唐山地区ML3地震平静120天为异常指标,2005年以来共出现14次,有5次在异常结束后6个月内对应了ML4以上地震,其中4次异常是被ML4以上地震直接打破,1次是在异常结束后3个月内对应了ML4以上地震。自2019年12月5日河北丰南ML4.9地震后,唐山地区ML3地震平静超7个月,发生本次唐山M5.1地震,直接打破了唐山地区ML3地震平静,认为该项异常对应了唐山M5.1地震。

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

3.5 唐山地区ML2.0地震平静打破

2005年之来,当唐山地区(39°～41°N,117.5°～119.5°E)发生超过30天的ML2地震平静打破异常后,未来3个月唐山余震区存在发生ML4左右地震的可能(图10)。2020年4月6日河北滦州ML2.0地震至5月22日河北滦州ML2.1地震,唐山地区ML2.0地震平静时间达到46天,超过该指标的异常阈值。平静打破后51天发生本次唐山M5.1地震。

图10 唐山地区ML2地震Δt-tFig.10 Δt-t diagram of ML2 earthquakes in Tangshan

3.6 地震预报能力评分

地震前兆是一种弱讯号,我们对以上分析的3种具有短临预报意义的资料使用R值作为鉴定指标。公式如下:

(1)

式中:R值表示扣除了占时率的报准率,即扣除了随机概率的预报成功率。对其结果作出置信度的估计,与按二项式分布原则编制的保证97.5%信度的最低R值表进行对比,如果R值大于表中所列数值R0,即认为这个R值至少有97.5%的置信度。随着时间的演变,累积资料的丰富,预报能力R值是一个动态变化的值,2020年使用最新资料统计计算的3种资料的预报能力如下表,唐山地区的2级平静被打破具有一定的预报价值。

表3 预报能力统计表Table 3 Statistical table of forecasting ability

4 结论

本文分析2020年7月12日唐山5.1级地震的发震特点以及震前唐山本区和所处的华北构造区的地震活动性异常,对此次地震的性质以及发震构造背景、破裂机制进行初步分析。认为2020年7月12日唐山5.1级地震属于1976年7月28日唐山7.8级地震老震区的一次地震起伏活动;该次地震序列并不丰富,震区烈度偏低、有感范围大;唐山地区地震构造复杂,根据精定位结果、震源机制解以及烈度分布,推测SW-NE走向的节面为此次地震的发震断层面,唐山断裂可能为其控震断裂。华北构造区受到来自欧亚板块和太平洋板块共同的外力作用,唐山地区和华北其他地区共同经历着地壳应力积累的过程。唐山地区因为1976年唐山7.8级地震的作用,地壳较之华北其他地区的介质更为破碎,其地壳闭锁段的静摩擦强度较小,不易积累较大地壳应力。此次地震的活动时间和地点符合华北北部5级地震的活动规律,地震前的地震活动性异常以显著平静为主,唐山地区出现3级地震显著平静、2级地震平静被打破的短临异常,震前华北地区4级地震平静背景尤为突出,3级地震缺震现象明显。唐山地震前的地震活动性异常表明,此次地震前唐山地区以及所处的华北构造区地壳应力都积累到了一定程度。