2020年7月12日河北唐山M5.1 地震破裂方向性快速测定

杨彦明，范 强，王 磊，黄瑞滨，贾君鹏，贾彦杰

（1. 内蒙古自治区地震局, 呼和浩特 010010；2. 河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站,河北 邢台 055350；3. 河北省地震局, 石家庄 050021）

0 引言

据中国地震台网中心测定，北京时间2020年7月12日6 时38 分24 秒在河北省唐山市古冶区（118.44°E，39.78°N）发生M5.1 地震，震源深度10 km[1]。本次地震发生于冀渤拗陷与燕山隆起交汇地区，地处唐山菱形块体内部。研究表明，地震的孕育和发生与活动断层紧密相关，中国大陆绝大多数中强地震均发生在活动断裂发育的地区[2]。唐山地区构造活动强烈，中等强度地震频发。继1976年唐山M7.8地震序列发生以后，在余震区又发生了1979年9月2日Ms5.0、1991年5月30日MS5.1、1995年10月6日MS5.0 等3 次影响较大的中强地震（图1）。本次地震是间隔近25年在该地区发生的又一次5 级左右的地震活动，震中距北京市区177 km，距天津市区132 km，地震造成北京、天津、河北震感明显[3]。极震区烈度为V 度，等震线长轴呈NEE 走向，长轴约29 km，短轴约19 km[4]，距离震中最近的断裂为唐山断裂带的分支断裂（唐山-古冶断裂），相距仅为6 km[1]。

图1 研究区域主要地质构造及地震分布图Fig. 1 geological structures and located epicenter of earthquakes

通常将震源近似为点源模型，利用地震波形数据反演获得矩心矩张量解。震源机制解包含两组节面，由于结果不包含震源破裂的空间信息[5]，无法直接判断两组节面哪个为真实的断层面。一般情况下，需要通过地震现场地质调查、卫星测量地表形变以及地面强震动信息、烈度等震线资料、余震空间分布特征等地震学方法进行综合分析来判断真实破裂断层面。因此，当破坏性地震发生后，无法快速测定地震破裂方向性。需要寻求新的方法，通过对地震破裂方向的研究，能够在地震发生后快速测定震源机制解中真实的破裂断层节面，对震区地震危险性评估和灾后重建起到关键作用[6]，也为认识地震的发震机理提供重要指导[7]。

唐山隶属于首都圈地区，地震台站分布密集，地震监测能力较强，为本次地震积累了大量的观测数据。本文利用国家测震台网数据备份中心提供的河北、北京、天津、辽宁、内蒙、山东等区域地震台网宽频带固定台站近震数字波形资料[8]，采用gCAP 全波形反演方法[9-11]对唐山M5.1 地震的震源机制解进行反演计算。利用“先粗后细”的网格搜索算法[12]，在三维空间上获得地震的矩心位置，再采用基于几何学的震源-矩心（hypocenter-centroid，H-C）地震破裂方向性快速测定方法[13]推断发震断层面。最后，结合区域地质构造、余震序列的空间展布特征和等震线分布特点，综合分析唐山M5.1地震可能的发震构造，同时对发震机制进行初步探讨。

1 地质构造背景

本次地震震中位于阴山—燕山纬向构造带东段的燕山隆起和NNE 向的冀鲁坳陷的交汇部位。在阴山—燕山纬向构造带内，主要由一系列东西向断裂带构成，而在冀鲁坳陷内，以NE 向断裂为主[14]。

震区位于燕山—渤海地震带上，该地震带是一条复合型构造带，地震活动频繁，西起鄂尔多斯块体北缘，沿燕山南缘进入渤海[15]。自有地震观测资料以来，张北-大同、唐山和渤海等3 个震区一直是燕渤地震带内M4 以上地震高频度、高强度发震的集中区，M5 以上地震主要集中分布在唐山震区，M7 以上地震仅发生在渤海和唐山两震区[16]。震区所在唐山坳陷为NEE 走向的菱形块体，四周被4 条深大断裂所围限，菱形块体中央展布NE 走向的唐山断裂带，唐山断裂带东段为本次唐山地震震中所在位置。块体南、北界分别为NEE 走向的宁河-昌黎断裂和丰台-野鸡坨断裂，东、西界分别为NE 走向滦县-乐亭断裂和蓟运河断裂[17]。该地区也是1976年7月28日唐山MS7.8 地震的主要余震区，余震区沿北东方向绵延展布近200 km。两条NW 走向深大断裂（蓟运河断裂和滦县-乐亭断裂）将唐山余震区分为3 个部分，分别分为东部区、中部区和西部区，本次唐山地震正处于唐山余震区的中部区。

2 数据与方法

2.1 数据来源

通过中国地震台网中心获得唐山M5.1 地震事件目录，利用国家测震台网数据备份中心[8]收集震中距300 km 内的宽频带固定台站近震波形资料（图2），剔除数据质量较差、信噪比低的数据，最终选取台站方位角分布良好的11 个台站参与gCAP反演计算。研究区的平均地壳速度结构模型[18]如图3b 所示。

图2 地震震中和台站分布图Fig. 2 seismic epicenter and local stations

图3 震源机制解拟合结果、速度模型及误差分布图Fig. 3 The result of focal mechanism, velocity model and RMS distribution

2.2 研究方法

采用Zhu 等[10]提出的gCAP（Generalized Cut and Paste）方法获取主震震源机制解。其优势在于反演时提高体波（Pnl）的权重，有效消除速度模型缺陷和地震定位误差带来的影响，计算理论地震图和观测波形之间的误差函数，寻找最佳的震源机制参数，最终获得主震震源机制解、质心深度和矩震级。

通常，利用台站到时确定震源坐标表征地震破裂的开始位置；矩心由震源机制反演获得，是断层主要滑移区的点源近似，代表地震破裂断层面的重心位置。对于中强地震，为了寻找更加准确的矩心坐标，以震源为中心，根据破裂尺度，在三维空间中划分网格，采用网格搜索算法，在整个网格空间搜索获得最小误差的最优解，同时得到矩心的空间坐标[12，19]。最后，将震源机制解的2 个节面、矩心和震源同时投影到三维空间，利用H-C 方法[13]进行地震破裂方向性快速测定。该方法简单、高效，在获得较为可靠的地震破裂起始位置以及地震破裂断层面的重心位置，能够快速测定地震破裂方向性[12]。

2.3 数据处理

对筛选出的数据波形，将数据格式转换为SAC 格式；以0.2 s 采样率进行重采样，经过去趋势、去均值、去倾斜、去仪器响应等处理，截取P 波理论到时前10 s 至后900 s 的波形，用0.05～2.00 Hz的巴特沃兹带通滤波器滤波，以降低高频噪声的影响；坐标转换至大圆路径，将三分量E（水平东西向）、N（水平南北向）、Z（垂直向）旋转为R（径向）、T（切向）、Z（垂直向）后，手动拾取P 波初动到时。

采用gCAP[10]进行震源机制反演时，设定体波时窗长度为30 s，面波时窗长度为60 s。为保证结果的可靠性，提高信噪比，将波形数据截断为体波部分（Pnl）和面波（S）部分，分别采用0.05～0.15 和0.05～0.10 Hz 的4 阶巴特沃兹带通滤波器进行滤波，搜索步长分别为0.1°和5°，体波和面波的比例因子p分别为1 和0.5。

3 结果

3.1 矩心深度

将震源机制解的反演误差作为震源深度函数，比较误差随震源深度的变化关系，利用不同深度的最佳震源机制解结果，以波形最小拟合均方根误差作为河北唐山M5.1 地震最佳质心深度。如图3c 所示，除距离地表较近的深度（1～5 km）显示为斜滑外，其余深度上震源机制解变化不明显，均表现为以走滑型为主，地震最佳质心深度为18 km，震级为MW5.01。本文结果与GCMT 给出的质心深度结果（23 km）较为接近。

3.2 矩心位置及震源机制解

矩心相对于地震破裂的起始位置（震源），可能会发生偏移。为了寻找最佳矩心位置，在矩心深度18 km 的基础上，以震中为中心，分别在17 km、18 km、19 km 深度上，参考震源断层破裂长度建立网格，搜索矩心的精确位置。

通过不同震级对应最长断层长度关系式[20]（公式（1））以及主震震级与余震区长轴统计关系[21]（公式（2））估算本次地震破裂长度。

式中：M为震级；L为长度。

根据式（1），估算震源断层破裂长度为7.19 km，由式（2）估算余震区长轴范围为5.38～8.15 km。根据断层破裂尺度随震级的经验公式[22]可知，震级为5～6 级时，断层破裂长度为3～15 km。通常选取理论破裂长度最大值作为震源断层理论破裂长度，故初步设置本次地震的震源断层破裂长度约为15 km，建立相应的网格。

本文采用“先粗后细”的网格搜索算法[12]，快速寻找到最佳矩心位置。以震中为中心，首先建立7×7 个“粗”网格，每个粗网格单元为5 km×5 km，利用格点搜索算法，将实际数据与理论地震图进行波形拟合，寻找误差最小的网格点CA-min；然后，以Cmin为中心，建立11×11“细”网格，每个细网格单元为1 km×1 km，再次采用格点搜索算法，寻找理论地震图与实际波形拟合误差最小的网格点位置CB-min；最终，采用“先粗后细”网格搜索算法确定唐山M5.1地震矩心的精确位置为（39.668°N，118.295°E，18 km），以及该地震最佳震源机制解（图3a），其节面Ⅰ和节面Ⅱ分别为150°/76°/-14 和243°/76°/-166。

3.3 破裂方向性快速测定

利用本文测定的震源机制解以及矩心位置，使用基于几何学H-C 方法[13]进行地震破裂方向性快速测定，震源位置来源于中国地震台网中心（CENC）（表1）。将震源机制解中的2 个节面、震源和矩心同时投影到三维空间（图4），分别计算震源与2 个节面以及震源和矩心之间的距离。CENC 的定位结果（39.78° N ，118.44°E，10 km）与节面Ⅰ（NNW 走向，绿色）距离为14.67 km，与节面Ⅱ（NEE 走向，红色）距离为7.56 km，震源和矩心相距19.32 km。测定结果显示，震源位置与节面Ⅱ的距离最小。因此，初步判断节面Ⅱ为发震断层面，破裂方向性为NEE 走向。

表1 主震震源参数Table 1 Source parameters of main event

图4 H-C 方法结果Fig. 4 The H-C plot of the preferred solution

4 分析与讨论

4.1 震源机制中心解及稳定性分析

不同影响因素下计算得到的震源机制解存在一定差异[23]。表2 显示不同机构和学者给出的本次唐山M5.1 地震震源机制解，各震源机制解的节面参数存在一定差异，但均显示以走滑型为主。为了在不同来源的震源机制解中确定一个合适的解进行后续分析，本文采用万永革[23]的方法，分别以不同来源的震源机制解为初始值，计算中心震源机制解，得到标准差。如表3 所示，中心震源机制解的标准差最小值为12.510549，最终确定中心震源机制解的节面Ⅰ为145.63°/80.68°/-16.58°，节面Ⅱ为238.39°/73.65°/-170.28°。

表2 不同机构给出的地震点源参数Table 2 Point source parameters from various sources

表3 不同震源机制解结果获得的中心解及其误差Table 3 central focal mechanism given by different focal mechanism solutions and residuals

中心震源机制解也可以测试震源机制反演结果的稳定性[23]，检验本文结果与其他机构和学者的震源机制解之间的总体偏差。最小三维空间旋转角（minimum rotation angle ，MRA）用来表达2 个震源机制之间的差别，测定不同来源的震源机制解之间的一致性[24]。选取本文得到的震源机制中心解为参考值，获得其与各初始震源机制的MRA，如表3第5 列所示。除4 个结果的MRA 大于10°外，其余大部分MRA 均在10°以内，表明不同的研究结构和学者的震源机制结果基本一致，标准差均在万分位出现差异，也表明各震源机制解较稳定。

将初始震源机制解和中心震源机制解绘于同一震源球上。由图5 可知，除序号10 外，其余各震源机制解分布较为集中，结果较为一致。本文反演的震源机制解处于中心解的不确定范围之内，也表明震源机制解结果是稳定的，可信度较高。本文gCAP 反演震源机制解与震源机制中心解之间MRA 仅为5.90°，偏差较小。综合分析认为，本文结果是可靠的。各机构的震源机制解之间存在的偏差在可接受的范围内。造成偏差的原因与台站波形资料、速度结构模型、反演方法有关。

图5 中心震源机制解Fig. 5 Central focal mechanism

4.2 破裂方向测定结果的可靠性验证

利用本文测定的震源机制解以及矩心位置，使用H-C 方法[13]进行地震破裂方向性快速测定，判断节面Ⅱ为发震断层面。为进一步验证结果的可靠性，分别利用HBENC、USGS 和GCMT 给出的震源参数（表1）进行地震破裂方向性快速测定。矩心数据来源于本文结果和GCMT，分别设置矩心三维空间坐标为A（39.668°N，118.295°E，18 km）和B（39.770°N，118.520°E，23 km）。

首先，当矩心为A位置时，结果显示（表4），HBENC 的震源位置与节面Ⅰ、节面Ⅱ和矩心的距离分别为53.43 km，39.12 km 和60.84 km；USGS 的震源位置与节面Ⅰ、节面Ⅱ和矩心的距离分别为13.10 km，6.97 km 和17.84 km；GCMT 的震源位置与节面Ⅰ、节面Ⅱ和矩心的距离分别为13.41 km，6.84 km 和18.06 km。不同机构给出的震源位置均与节面Ⅱ的距离最短，虽然震源位置存在一定偏差，但3 组测定结果均显示节面Ⅱ（243°/76°/-166°）为发震断层面。

表4 H-C 方法测定结果Table 4 computed result using H-C method

其次，当矩心为B位置时，CENC 的定位结果与节面Ⅰ和节面Ⅱ的距离分别为7.52 km 和 6.92 km，震源和矩心相距14.74 km；HBENC 的定位结果与节面Ⅰ和节面Ⅱ的距离分别为30.56 km 和25.31 km，震源和矩心相距41.81 km；USGS 的定位结果与节面Ⅰ的距离为10.00 km，与节面Ⅱ距离为7.25 km，震源和矩心相距15.29 km；GCMT 的定位结果与节面Ⅰ距离为9.74 km，与节面Ⅱ距离为7.03 km，震源和矩心相距15.11 km。4 组测定结果均显示，与节面Ⅱ的距离最小，判断节面Ⅱ为发震断层面。

由于各个机构给出的震源机制解之间均存在一定差异，为此，利用震源机制中心解的两个节面参数以及本文和GCMT 给出的矩心位置，再次利用H-C 方法进行破裂方向测定。如表4 所示，当矩心分别为A和B位置时，不同机构给出的震源位置存在一定偏差，但8 组测定结果均显示与节面Ⅱ的距离最小，节面Ⅱ为发震断层面。

根据全部16 组H-C 方法测定结果（表4），各个机构给出的震源位置与NEE 走向的节面Ⅱ距离最短，与NNW 走向的节面I 距离较远，可靠性验证的测定结果与破裂方向性快速测定结果均一致。综合分析认为，距离小的节面为发震断层面，因此本文推测NEE 走向的节面Ⅱ为本次唐山M5.1 地震的发震断层面。

4.3 发震构造分析

构造地震的发生主要受区域应力作用的方式和规模、发震断层的产状以及复杂断层系统相互作用方式等的约束[30]。唐山M5.1 地震震源机制获得两组节面参数，节面Ⅰ为150°/76°/-14°，节面Ⅱ为243°/76°/-166°。使用基于几何学H-C 方法进行地震破裂方向性快速测定，显示节面Ⅱ为发震断层面。为保证测定结果的准确性，实际的发震构造需要根据震源区域的地质构造特征、余震分布以及地震烈度等震线等信息进行综合验证。

余震序列的分布趋势能直观地揭示发震断层面的破裂延伸方向。多位研究者对唐山M5.1 地震序列进行重定位研究[26-28，31]均表明，余震主要分布在唐山-古冶断裂的东北部，重定位后的地震序列优势分布方向明显，沿NEE 向展布。余震序列优势分布方向与本文获得的震源机制解中节面Ⅱ走向一致，均为NE 向。

此外，地震烈度等震线的特征也是判断发震构造的重要参考因素之一。根据河北省地震局发布的本次地震烈度调查结果显示，极震区烈度为V 度，等震线长轴呈NEE 走向，长轴约29 km，短轴约19 km[4]，等震线长轴基本沿唐山-古冶断裂分布。等震线长、短轴之比为近似为2:1，NEE 向构造作用优势明显[31]。烈度圈中极震区的长轴方向与主震的断层面走向基本一致，与震源机制解的节面Ⅱ走向吻合。

唐山断裂带整体走向为NE 向，其中唐山-古冶断裂为正断层性质，其东北段走向为北偏东50°，倾向NW，倾角约为70°～80°[32]。本文测定的震源机制解显示为右旋走滑为主，略带正断分量，节面Ⅱ属性显示为走向NEE，倾向NW，具有高倾角的性质，与唐山-古冶断裂基本吻合。综合分析认为，唐山-古冶断裂的属性、余震序列空间分布特征、极震区烈度圈长轴方向，均与节面Ⅱ的性质基本一致。节面Ⅱ为地震断层面，NW 向唐山-古冶断裂是控制本次地震的发震断层。

4.4 发震机制分析

总体NE 走向唐山断裂带围限于唐山菱形块体中央部位，构成菱形块体的短对角线，活动制约于周围4 条深大断裂带，容易形成相对闭锁段[14]。根据相关学者的研究成果，在本次地震的震源区存在NW 走向的活动隐伏断层[33-34]，NE 走向的唐山断裂带和NW 走向的隐伏断层的走向与本次地震震源机制解中的两组节面的走向基本一致。从平面上（图6）看，在震源区附近，NE 走向的两组断裂为唐山断裂带和块体北界丰台-野鸡坨断裂，NW 走向的两组断裂分别为活动隐伏断层和块体东界滦县-乐亭大断裂。这4 组断裂在唐山菱形块体东北部相交汇，交汇区易形成应力集中区，也正因为不同走向的断裂相交汇，其连贯性较差，在区域上容易造成应力闭锁。随着应力的累积，当其超过岩层所能承受的强度时，最终在NE 向断层上产生应力突然释放，从而引发地震。

图6 唐山M5.1 地震发震构造图Fig. 6 Seismogenic Structure of the Tangshan M5.1 Earthquake

此外，相关学者研究表明，中强地震易发生于地壳内高速与低速转变的过渡区，绝大多数地震震源位于高速体一侧[35-37]。唐山地区上地壳为15 km，康拉德界面连续性较好[38]。余震序列的震源深度主要分布在10～18 km[28，31]，显示地震集中分布在中上地壳。地壳层析成像研究结果表明，在15 km 深度范围，存在P 波低速异常区与高速异常区转变的过渡区[39]，波速对比强烈。由于幔源物质上涌[40]，导致震源区广泛存在的中、下地壳低速层。上地壳总体偏脆性，中下地壳由于流体存在，主要为韧性变形，两部分的介质参数差异较大。在板块内部各块体之间相互作用以及运动过程中，具有低速、高导的韧性层可能会起到底部边界作用和解耦作用，为应力集中、调整以及释放提供必要条件[41]。因此认为，唐山M5.1 地震是在深、浅地质构造共同控制下发生的应力释放事件。

5 结论

1）利用gCAP 反演方法，获得2020年7月12日唐山M5.1 地震的最佳震源机制解，其节面Ⅰ和节面Ⅱ分别为150°/76°/-14°和243°/76°/-166°，矩震级MW5.01。采用“先粗后细”的网格搜索算法， 快速寻找到最佳矩心位置为39.668°N，118.295°E，深度18 km。

2）利用各机构和相关学者给出的震源机制解获得中心震源机制解。结果显示，此次地震为以右旋走滑为主的性质，中心震源机制解的节面Ⅰ为145.63°/80.68°/-16.58°， 节面Ⅱ为 238.39°/73.65°/-170.28°，震源机制解较稳定。

3）使用Hypocenter-Centroid 方法，进行地震破裂方向性快速测定。根据16 组H-C 方法测定结果，各个机构给出的震源位置与NEE 走向的节面Ⅱ的距离最小，与NW 走向的节面I 距离较远，均显示节面Ⅱ为发震断层面。

4）综合利用震源区的地质构造、余震序列分布、烈度等震线等有关研究成果，对地震破裂方向性快速测定结果进行综合验证，判断此次地震断层面为NEE 走向的节面Ⅱ，唐山-古冶断裂是发震断层，是一次以右旋走滑为主的地震事件。

5）本次地震发生于NE 走向断裂和NW 走向断裂的交汇地带，易形成应力集中区，造成应力闭锁，随着应力的累积，最终在NE 向断层上产生应力突然释放，从而引发地震。同时，该地震也发生于地壳内低速异常区与高速异常区转变的过渡区，位于高速体一侧，是在深、浅地质构造共同控制下发生的一次应力释放事件，属于唐山断裂带强烈活动的响应。

致谢感谢中国地震台网中心提供地震事件目录，余震序列地震目录从河北省地震台网获得，地震序列重定位所用震相数据来自中国地震台网中心震相观测报告。中国地震局地球物理研究所“ 国家数字测震台网数据备份中心”（doi:10.11998/SeisDmc /SN）为本研究提供地震波形数据，美国圣路易斯大学地球与大气科学系朱露培教授提供gCAP 程序包，防灾科技学院万永革教授提供震源机制中心解程序，部分图件使用GMT（Generic Mapping Tools）进行绘制，断层数据来源于2003年由邓起东院士编制的断裂资料，唐山断裂带数据来源于河北省震灾风险防治中心。匿名审稿专家给予宝贵修改意见，他们的建议对提升本文质量具有重要帮助，在此一并表示衷心感谢。