2020年河北唐山5.1級地震前震源參數變化

李冬圣 王想 蔡玲玲 賈炯 李小軍 王亞玲

河北省地震局，石家莊 050021

0 引言

圖1 唐山M5.1地震序列M-t圖

2019年12月5日河北豐南發生M4.5地震，7個月后2020年7月12日河北唐山發生M5.1地震，這是繼1995年10月6日唐山古冶M5.0地震后，時隔25年唐山老震區發生的最大的一次地震。唐山老震區在短短7個月內相繼發生M4.5和M5.1地震，說明區域應力水平有較大變化。本文基于2016—2020年唐山老震區的地震資料，使用Brune圓盤位錯模型(Brune，1970)和遺傳算法(Moya et al，2000)，通過多臺地震波形記錄，在頻率域中反演地震事件震源參數，探索河北唐山M5.1地震前小震震源參數的變化。

1 資料和方法

河北省測震臺網實時接收省內和周邊山西省、山東省、河南省、內蒙古自治區168個臺站的數據，省內大部分地區監測能力達到ML1.5，唐山老震區2012年地震監控能力為ML0.9(李冬圣等，2015)，2014年新建灤縣地震臺(LUX)，使得該區地震監測能力得到進一步提高。唐山M5.1地震震中100km范圍內有21個測震臺站，距離本次地震最近的測震臺站為陡河地震臺(DOH)，震中距約為15km。

圖2 研究區臺站及地震分布

本文重點研究唐山老震區(117.5°～119.5°E，39°～41°N)在唐山M5.1地震前ML≥2.5地震活動的震源參數特征。唐山老震區地震活動可以分為3個區，分別為西區、中區和東區，如圖2 所示，從震中分布圖上看，2016年1月—2020年7月ML≥2.5地震大部分集中在中區，唐山老震區40年地震時空演化顯示，唐山斷裂的東端小震集中，強度高，未來有發生中強地震的危險(張素欣等，2017)，本次唐山M5.1地震就發生在該區域。鑒于2019年12月河北豐南剛發生M4.5地震，而且近2年滿足計算震源參數的地震事件較少，故將研究時段提前至2016年。

計算這一地區地震波衰減特征和所使用臺站場地響應，是計算震源參數的第一步，本文使用河北省測震臺網2009—2014年ML≥2.5地震事件反演得到河北地區的Q值以及各個臺站的場地響應結果。從地震波形記錄中扣除儀器響應、場地響應和傳播路徑效應，使用信噪比超過2的臺站參與計算，得到每個臺站對同一地震的震源譜，再對多個臺站得到的震源譜求平均值，得到該地震的震源位移譜，利用遺傳算法對震源位移譜進行擬合，依據Brune圓盤震源模型，得到震源譜參數零頻極限Ω0和拐角頻率fc。采用下式計算地震矩M0、震源半徑r和應力降Δσ等震源參數(趙英萍等，2004；華衛，2007)

(1)

(2)

(3)

2 計算結果及分析

2.1 唐山震區臺站場地響應

影響震源參數計算結果的因素較多，如研究區介質密度、震源輻射因子、拐角頻率等。震源譜由多個臺站平均計算獲得，減弱了輻射因子對計算結果的影響，而區域介質密度不確定性所導致的應力降不確定性遠小于實際應力降隨時間的變化，亦可忽略其影響(周少輝等，2017)。拐角頻率和零頻極限計算涉及噪聲項、儀器項、傳播路徑效應和臺站場地響應等影響因素，由于使用的臺站固定、臺站周圍環境無較大改變，因此對計算結果影響不顯著(劉杰等，2003；周少輝等，2018)。場地響應受較多因素的影響，如臺基、地質構造等(張紅才等，2015)，計算唐山地區地震的震源參數主要使用河北省內秦皇島、唐山、承德等地的一些臺站。由于這些臺站中的部分臺站處于第四系沉積層或黃土層，對地震波信號放大作用較大，因此計算過程中盡量使用了基巖臺站，基巖臺站的場地響應在大部分頻段內較平坦，例如在計算震源參數中使用較多的青龍臺(QIL)、興隆臺(XIL)等臺站，由圖3 所示，這些臺站場地響應均在1附近，隨頻率變化較為穩定，無明顯的放大或縮小(蔡玲玲等，2020)，能較好地記錄不同頻段內的地震動，且場地響應取多震平均結果，減少了對計算結果的影響。

圖3 唐山老震區部分臺站場地響應藍線為單個地震計算結果；紅線為整體擬合結果

2.2 震源參數之間的相互關系

使用2016年1月—2020年7月河北省測震臺網記錄地震事件波形，最終計算得到85個地震的震源參數。應力降和震級之間存在復雜的關系，一些學者認為，應力降有隨震級增加而增大的趨勢(Mayeda et al，1996；趙翠萍等，2011；華衛等，2012)。從圖4(a)中可以看出，應力降隨震級分布離散，在2.5≤ML≤3.5之間應力降主要集中在2MPa以內，無明顯的對應關系，ML≥4.0地震較少，但應力降有隨震級增大而增大的趨勢，唐山M5.1地震應力降為10.3MPa，是計算時段內應力降值最高的事件。

圖4 震源參數之間的關系

描述地震波譜的主要特征參數是拐角頻率，其反映了地震波不同頻率能量的分布。拐角頻率的變化對其他震源參數影響較大，使用遺傳算法搜索得到拐角頻率避免了目視誤差，多臺震源譜取平均值消除了震源的方向性效應(蔡玲玲等，2016)，保證了其他震源參數的可靠性。從圖4(b)中可以看出，拐角頻率與震級無明顯的關系，但有隨震級增大而減小的趨勢，唐山M5.1地震拐角頻率為1.965Hz，是計算時段內拐角頻率最低的事件。

3.2 患者版目標管理對冠心病患者二級預防知識及行為的影響 有效的二級預防行為管理，將有助于減少冠心病多種危險因素，改善冠心病患者心功能，促進患者預后，提高患者生活質量[9]。本研究結果顯示，觀察組干預后二級預防知識及二級預防行為評分均高于對照組(P<0.01)，考慮可能由于患者版目標管理手冊讓患者參與了目標及相關措施的制訂，并結合自身具體現狀對最終進行階段性規劃，使當前目標及措施符合患者，提高患者健康意識，促使患者建立健康行為，進而提高患者二級預防行為及知識水平。

地震矩是表示地震釋放能量的物理量，標志地震的大小，數值相當于斷層面錯動面積、地震錯距與切變模量三者的乘積。圖4(c)為地震矩與震級的關系圖，由圖可知，lgM0與ML有較好的線性關系，其相關系數為0.96。震源尺度是一個與地震強度、震源區地下結構等相關的量(趙英萍等，2004)，圖4(d)顯示震源尺度與地震矩之間存在半對數的關系。

圖5 應力降數值分布統計

85個地震的震源深度在20km以內，有研究表明中小地震釋放的應力降與震源機制解無明顯相關性，震源深度小于20km時，應力降對深度的依賴不明顯(趙翠萍等，2011)。圖5 為應力降數值分布統計，應力降的變化范圍為0.1～10.3MPa，且主要集中在0.1～1.0MPa， 應力降小于2MPa的地震68個，占研究地震總數的81%。

2.3 震源參數隨時間變化分析

2019年12月5日河北豐南M4.5地震后至2020年7月12日唐山M5.1地震前，唐山老震區共發生7次2.5≤ML≤2.8地震，其中豐南M4.5地震當天發生1次ML2.5余震，由于沒有滿足信噪比的臺站，無法進行震源參數計算。應力降與震級之間關系復雜，為了避免震級影響，提取85個樣本中震級范圍為2.5≤ML≤2.8的震源參數進行分析。

應力降是可以從震源譜中得到的一個重要參數。通常認為，地震是區域應力積累到一定程度，在超過局部臨界強度時發生的。應力降為地震時斷層面上所釋放的應力，通過應力降可以了解震前和震后的構造狀態，在Brune圓盤震源模型下計算中小地震震源參數，在一些合理的假設條件下，應力降約為視應力的4.3倍(李艷娥等，2007)，視應力是地震效率和平均應力的乘積，可作為評估地殼應力水平的重要參數(吳忠良等，2002)，因此，應力降也可反映地殼應力水平。按照應力降分布統計，本文將應力降超過2MPa的地震事件定為高應力降事件。從圖6(c)中可以看出，在統計震級范圍內，有6次高應力降事件，其中在唐山M5.1地震前后有3次。

圖6 2.5≤ML≤2.8地震震源參數隨時間的變化

具體情況如下：

2020年1月2日河北灤州ML2.6地震，應力降為2.547MPa，拐角頻率13.659Hz。此次事件距離2019年豐南M4.5地震70km，鑒于豐南地震序列衰減較快，12月8日序列基本結束，余震序列分布較集中(1)王亞茹等，2019，2019年12月5日河北唐山豐南4.5級地震序列及后續地震趨勢分析報告. 內部資料.，因此不認為該高應力降事件是受豐南地震影響產生的。

2020年5月26日河北灤州ML2.8地震，應力降為2.365MPa，拐角頻率12.179Hz。該事件是在唐山老震區ML3.0地震異常平靜220天、ML2.0地震異常平靜46天的背景下發生的，而且是ML2.0地震平靜被打破至唐山M5.1地震前僅發生的2次ML2.5以上地震中的1次。對地震活動異常平靜的分析是地震學分析預報方法中比較基本的時間進程分析方法，反映了平靜地區在一定時段內應變的積累(張國民等，2001)。“平靜”降低了地震導致的應力釋放率，按照平均構造加載來估算，這里的應力水平可能會增強，平靜后的小震應力降值較高也證明了這一點。

2020年7月12日唐山ML2.6地震，是唐山M5.1地震的余震，應力降為2.644MPa，拐角頻率為15Hz。此次事件應力降值較高，考慮是由于主震發生后震源區應力水平調整造成的。

如圖 6所示，高應力降事件不但應力降值較高且拐角頻也率較高，震源尺度較小，表明單位體積釋放能量較多。肖蔚文(1990)發現1982年盧龍地震前有高應力降事件發生，認為高應力降事件的出現是震源區高構造應力和該地區可能發生較大地震的標志。1996年陡河地震前有多次高拐角頻率地震事件，也被認為是高應力降事件(張天中等，2000)，2020年1月和2020年5月的高應力降事件不但屬于高應力降事件，同時也是高拐角頻率事件。

2.4 震源參數在空間的變化

唐山地區位于陰山-燕山斷褶帶和冀魯斷塊坳陷之間的菱形塊陷，被深大斷裂包圍，塊體中央有一條NE向唐山斷裂帶(圖7)，塊體東界為灤縣-樂亭大斷裂，西界為薊運河深斷裂，兩條斷裂走向均為NW向(張素欣等，2017)。如圖7 所示，2016年17個地震事件位置比較集中(圖7 中方形圖標)，均在2016年9月唐山4.1級地震附近，應力變化出現高低相間的波動現象(王寧等，2018)。2017—2018年地震分布相對零散，但主要沿唐山斷裂帶分布，2019年1月—2020年7月，地震主要分布在唐山斷裂帶北段和灤縣-樂亭斷裂附近，相比2017—2018年地震活動范圍更集中一些。

圖7 2.5≤ML≤2.8地震震源參數在空間上的變化

此次唐山M5.1地震靠近唐山斷裂與灤縣-樂亭斷裂，位于1976年唐山7.8級地震余震區內。從圖7 可以看出，2次高應力降事件均集中在唐山M5.1地震震中附近，其中2020年1月灤州ML2.6和2020年5月26日灤州ML2.8地震，分別距唐山M5.1地震震中17km和15km。

唐山M5.1地震震中位置在2017年曾發生3次高應力降事件，據河北省測震臺網目錄統計，2018年8月5—14日該區曾發生ML≥1.0地震31次，最大地震為2018年8月5日河北唐山ML3.9地震，從發震時間和震中位置上來看，認為這3次高應力降事件與2018年8月唐山震群活動有關，是震群活動前該區應力集中的一個體現。

3 討論和結論

(1)對河北省測震臺網2016年1月—2020年7月唐山老震區ML≥2.5地震波形數據反演震源譜，通過遺傳算法對地震震源譜與理論震源譜進行了擬合，得到了應力降、地震矩、震源半徑等震源參數。得出唐山M5.1地震應力降為10.3MPa，拐角頻率為1.965Hz，這是計算時段內應力降值最高、拐角頻率最低的事件。應力降與震級的關系存在爭議，一些學者認為，應力降呈現隨震級增加而增大的趨勢(Mayeda et al，1996；趙翠萍等，2011；華衛等，2012)。本研究發現該時段內應力降隨震級分布離散，當震級在2.5≤ML≤3.5，應力降主要集中在2MPa以內，未發現明顯的對應關系，當震級在ML≥4.0時，應力降有隨震級增大而增大的趨勢。

(2)研究時段內應力降數值范圍在0.1～10.3MPa，且主要集中在0.1～1.0MPa，應力降小于2MPa的地震68個，占研究地震總數的81%，根據應力降的分布和集中情況，本文將應力降超過2MPa的地震事件定位為高應力降事件。

為了避免震級大小對應力降分析的影響，結合唐山M5.1地震前ML≥2.5地震活動情況，提取震級范圍為2.5≤ML≤2.8的震源參數進行時空分析，得出2019年豐南M4.5地震后有3次高應力降事件。2020年1月2日高應力降事件距2019年豐南M4.5地震震中70km，不認為其是受豐南地震影響產生的，2020年5月26日高應力降事件發生在唐山M5.1地震前，2級地震平靜46天、3級地震平靜220天的背景下，在地點和發震時間上均表明這2次高應力降事件可能是唐山M5.1地震前震源區構造應力較高的一個標志。2020年7月12日的高應力降事件，是主震發生后震源區的應力水平調整的表現。

(3)應力降隨時間的變化與序列中強余震的發生有一定的關系，應力降在空間的變化也與強余震發生地點有一定的相關，跟蹤余震應力降的時空變化，可能為強余震判定提供一定的參考(周少輝等，2017)。跟蹤唐山M5.1地震序列，發現0級以上余震最大日頻次出現在主震當日，達58次，次日頻度僅有20次，其后余震頻次衰減較快。ML≥2.0地震發生6次，有5次發生在7月12日，ML≥2.5地震發生2次且均在主震當日，由于數據較少，無法通過震源參數來跟蹤序列的發展。值得注意的是，7月21—27日唐山老震區未發生ML≥1.0地震，統計2000年以來唐山老震區ML≥4.0地震序列，均未發生類似情況。唐山M5.1地震的發生，打破了唐山老震區5級地震長時間平靜，該區在2019年12月5日發生豐南M4.5地震，2020年7月12日發生唐山M5.1地震，表明區域應力水平相對較高，中強地震活動可能仍將持續。