2020年7月12日唐山古冶MS 5.1地震震源參數

徐志國 梁姍姍 郭鐵龍 史健宇 李旭茂

1）中國北京 100081 國家海洋環境預報中心

2）中國北京 100049 中國科學院大學地球與行星科學學院

3）中國北京 100045 中國地震臺網中心

0 引言

據中國地震臺網中心測定，2020 年7 月12 日6 時38 分，河北省唐山市古冶區發生5.1 級地震，震源深度10 km，震中位于（39.78°N，118.44°E）。此次地震距唐山市區約28 km，距天津市區約132 km，距北京市區約177 km。唐山市中心震感強烈，北京、天津和河北部分地區震感明顯。古冶MS5.1 地震發生后，當日7 時2 分、7 時26 分相繼發生2次較大余震，震級分別為2.2、2.0。截至2020 年7 月30 日24 時，共發生109 次余震，其中2.0—2.9 級地震2 次，1.0—1.9 級地震7 次，1.0 級以下地震100 次。

此次MS5.1 地震發生在1976 年唐山MS7.8 地震老震區，距1976 年唐山MS7.8 主震約28.7 km，震中位置較為敏感。2 次地震的發震構造是否相同，二者是否有成因聯系，均是值得關注的問題。確定MS5.1 地震的震源參數和發震構造，對未來可能的地震發展趨勢以及該區域構造活動等具有重要的科學意義。

1 地震活動背景

2020 年7 月12 日，繼1976 年唐山MS7.8 地震，老震區再次發生5.1 級中強地震。此次古冶MS5.1 地震是近年來該區規模最大的一次地震，距1995 年10 月6 日唐山古冶MS5.0地震發生已有25 年。據統計，2020 年7 月12 日以前，即此次古冶MS5.0 地震發生前，唐山MS7.8 地震序列中4 級及以上余震332 次，其中4.0—4.9 級地震300 次，5.0—5.9級地震29 次，6.0—6.9 級地震2 次，7.0 級以上地震1 次（圖1，圖中實心圓表示地震，其大小表示地震大小）。

圖1 研究區構造背景及M ≥4.0 地震分布Fig.1 Tectonics and major earthquakes in the study areas

此次古冶MS5.1 地震發生在張渤地震帶東端，NE 向唐山斷裂與NE 向灤縣—樂亭斷裂交匯處（圖1），其震源性質如何，與唐山MS7.8 地震發震斷層是否密切相關，是否該地震序列的余震，值得思考和研究。據梁姍姍等（2017，2018）、徐志國等（2019）的分析，余震序列的空間分布特征和震源機制解，有助于探討發震模式及破裂延展特征。因此，利用河北區域地震臺網以及鄰近區域地震臺網記錄的震相和波形數據，采用HypoDD 雙差定位方法（Waldhauser et al，2000），分析古冶MS5.1 地震序列空間分布特征，并使用ISOLA近震全波形方法（Sokos et al，2008）反演震源機制解，探討其發震構造。

2 數據選取

選取中國地震臺網中心統一觀測報告，收集整理2020 年7 月12 日至30 日古冶MS5.1地震序列震相數據，據以下原則：至少被3 個地震臺站記錄，且走時均方根殘差在2 s 之內，選定80 次地震事件、震中距250 km 以內47 個地震臺站記錄進行地震重定位，其中P 波到時記錄796 條，S 波到時記錄737 條，采用HypoDD 雙差定位法（Waldhauser et al，2000），利用奇異值分解（SVD）算法方程（參與定位事件相對較少），將P 波和S 波權重分別設為1.0 和0.5，事件對最大距離設為5 km，對選定地震進行重定位。

收集河北、天津、北京和遼寧區域記錄的此次地震序列波形資料，考慮到波形質量和臺站方位角的影響，篩選震中距400 km 以內14 個地震臺站[圖2(a)]記錄，使用ISOLA近震全波形反演方法（Sokos et al，2008），對此次MS5.1 地震進行震源機制解反演。具體步驟如下：以震中位置（39.78°N，118.44°E）為原點，沿震源深度方向，設步長1 km，在1—20 km 范圍內進行網格搜索。反演時14 個地震臺濾波頻帶范圍為0.03—0.05 Hz，采樣間隔設為5 s，采用離散波數（discrete wave number）法計算格林函數（Bouchon，1981）。

選用適用于華北地區的一維地殼速度結構模型進行震源機制解反演，見表1、圖2(b)。該模型綜合了深地震測深結果，與張廣偉等（2011）在華北地區小震精定位研究中所用速度模型相同。

表1 本研究所使用地殼速度結構模型Table 1 The crustal velocity model used in this study

圖2 地震臺站分布和一維地殼結構速度模型(a)地震臺站及震中分布；(b)一維度速度模型Fig.2 The seismic station distribution and 1D velocity model used in this study

3 地震序列重定位分析

采用HypoDD 相對定位方法，對古冶MS5.1 地震序列80 個地震事件重新定位，最終獲取72 個地震的重定位結果，其中，沿緯度、經度和深度的平均相對誤差分別為0.34 km、0.4 km 和0.5 km，平均走時均方根殘差為0.13 s（圖3）。重定位前后震源深度分布見圖4。重定位前，地震序列深度分布呈分散的條狀，無法辨別優勢發震斷層面[圖4(a)]；重定位后，地震序列分布與唐山斷裂NE 端關聯更為密切，震源深度集中在10—18 km，表明地震集中分布在中地殼，符合該地區震源深度分布特點（朱艾斕等，2005）。據于湘偉等（2010）對京津唐地區地震層析成像的研究，在地下15 km 深度處，震源區位于P 波低速異常區與高速異常區對比強烈地帶，而此次地震序列重定位后，震源深度修正為14.7 km[圖4(b)]，表明重定位后震源深度更符合該區孕震構造環境。

圖3 古冶地震序列重定位誤差(a)沿緯度方向的相對誤差；(b)沿經度方向的相對誤差；(c)沿深度方向的相對誤差；(d)走時均方根殘差Fig.3 Statistics of relocation results of Guye earthquake sequence

圖4 地震重定位前后對比（a）重定位前；（b）重定位后Fig.4 Comparison of seismic sequences before and after relocation

沿余震優勢展布方向AA′及穿過主震垂直方向BB′繪制地震分布剖面圖，直觀展示斷層面的破裂延展范圍，見圖5，其中(a)圖為重定位平面分布圖，(b)圖為沿AA′剖面的余震序列深度分布，(c)圖為沿BB′剖面的余震序列深度分布。圖中：BB′剖面穿過主震垂直于AA′剖面，剖面比例1:1；五角星代表MS5.1 古冶地震，圓代表余震，圓的大小表示地震大小；五角星與圓的顏色代表不同的發震日期；(c)圖中的黑色虛線代表由余震展布得到的發震斷層，震源球取自本研究結果，震源球中的紅色虛線代表由震源機制節面得到的發震斷層面。

由圖5 可見：在時間尺度上，余震序列自主震震中沿SW 方向展布，說明在主震后15天內，地震破裂面主要由NE 向SW 擴展，地震序列延展范圍約8 km；震源深度沿剖面AA′變化明顯，整體呈SW 向淺、NE 向深的特征；從穿過主震的BB′剖面序列分布可知，發震斷層面近乎直立，略有向ES 傾斜的趨勢。

圖5 地震序列重定位分布及沿剖面的深度分布（a）重定位平面分布；（b）沿余震展布方向的AA′剖面；（c）穿過主震垂直于余震展布方向的BB′剖面Fig.5 Plan and vertical cross-sections of the relocated earthquakes

4 震源機制解反演

采用14 個固定地震臺站波形記錄，反演古冶MS5.1 地震震源機制解，得到斷層面幾何參數、矩震級、矩心深度和震源區應力狀態等震源參數：①節面Ⅰ：走向142°，傾角86°，滑動角-21°；②節面Ⅱ：走向233°，傾角69°，滑動角-176°；③震級：MW4.8；④最佳矩心深度11 km；⑤震源區主壓力軸P方位角95°，傾角18°，主張力軸T方位角189°，傾角12°。為驗證計算結果的精確性，計算不同深度上震源機制解的波形互相關系數，并對14 個地震臺MS5.1 地震原始波形進行擬合，結果見圖6、圖7。

圖6 2020 年7 月12 日MS 5.1 地震震源機制解在不同深度的波形互相關擬合Fig.6 Waveform cross-correlation fitting for the focal mechanism solutions at various depths of the MS 5.1 earthquake on July 12,2020

由圖6 可見：震源機制解變化不大，均顯示為走滑型地震；在矩心深度11 km 處，波形互相關系數最大。由圖7（圖中紅色曲線代表理論波形，黑色或灰色曲線代表實際波形，波形上方數字表示波形擬合方差，右側大寫字母表示臺站名）可見，在固定震中位置，沿垂直深度方向搜索MS5.1 地震震源機制解對應的理論波形，與實際觀測波形平均擬合方差為0.86，表明理論波形與實際波形一致性較好。

圖7 2020 年7 月12 日MS 5.1 地震理論與實際波形擬合Fig.7 The well-fitting of the three-component synthetic waveforms corresponding to the double-couple mechanism solution and the observed waveforms for the MS 5.1 earthquake on July 12,2020

采用大折刀法（Jack knifing method）對反演參數進行不確定度分析（Sokos et al，2008）。考慮到不同方位和震中距的地震記錄對反演結果的影響，從所選14 個臺站數據中去除1 個不同臺站的數據進行多次反演，得到反演參數直方圖，并將反演結果投影到震源球上，結果見圖8。由圖8 可見，各反演參數分布相對集中，且本次地震斷層面節面線分布均較集中，表明反演結果比較穩定。

圖8 斷層面參數的不確定度估計Fig.8 Estimation of uncertainty of fault plane parameters

震源機制結果顯示，此次地震為一次高傾角走滑型事件，結合前述余震精定位結果和震源區整體斷層走向，推斷其發震斷層為右旋走滑型斷層。結合余震展布形態，認為與震源機制解節面Ⅱ的性質較為一致（走向233°，傾角69°），推測節面Ⅱ為發震斷層面，節面Ⅰ為輔助面（圖5）。對比劉桂萍等（2000）的研究結果：唐山MS7.8 主震斷層走向為229°，傾角為80°，可見2 次地震的發震斷層性質基本一致。而且，本次地震序列發生在1976年唐山MS7.8 地震余震序列上（圖9），故認為二者發震構造相同，均為帶有右旋分量的走滑斷裂。天然地震層析成像研究表明，唐山地震震源區中上地殼速度結構具有顯著的非均勻性，唐山MS7.8 地震和本次古冶MS5.1 地震震源區上方均存在高速和低速陡變帶（賴曉玲等，2013；黃雪源等，2021）。此次古冶MS5.1 地震發生在高低速及泊松比異常交界區域，表明唐山斷裂帶仍具有較強的構造活動性。

圖9 古冶MS 5.1 地震序列和唐山地區歷史地震平面及深度剖面展布Fig.9 The top-view and depth cross-section for Guye MS 5.1 earthquake sequence and historical earthquakes in Tangshan focal region

2020 年古冶MS5.1 地震距1976 年唐山MS7.8 地震發生已有44 年，那么此次地震是否仍為唐山MS7.8 地震的余震呢？Liu 等（2020）基于有限元進行余震序列模擬，結果表明，唐山斷裂帶新近發生的地震為余震活動到背景地震活動的過渡，盡管唐山地區余震序列活動仍處于活躍狀態，但受背景地震活動的影響較大。判斷一次地震是否屬于余震，可從地震發生的空間、時間及破裂機制等進行研究（朱音杰等，2017）。此次古冶地震發生在1976年7 月唐山MS7.8 地震的老震區內，唐山地區地質構造加載速率緩慢，導致唐山MS7.8 地震的余震持續時間較長，可能達上百年。此外，本次古冶MS5.1 地震震源機制與唐山MS7.8主震基本一致。因此，推斷2020 年7 月12 日古冶MS5.1 地震為唐山MS7.8 地震的余震，是唐山老震區一次正常的地震起伏活動。

5 結論

利用中國地震臺網中心所產出的首都圈地區震相數據，采用雙差定位方法，對2020年7 月12 日古冶MS5.1 地震序列進行精定位，利用河北及鄰近地區地震臺網波形數據，對MS5.1 主震進行震源機制解反演，得出以下結論。

（1）重定位結果顯示，主震震源深度為14.7 km；余震展布方向為NE—SW，長度約8 km，震源深度優勢分布在10—18 km，發震斷層面較陡，傾向SE。

（2）震源機制結果顯示，此次地震為走滑型地震事件，由不同深度的震源機制反演得到主震最佳矩心深度為11 km，矩震級為MW4.8。

（3）結合余震展布形態，認為節面Ⅱ為發震斷層面，即發震斷層走向233°，傾角69°。

（4）從震源位置來看，本次地震位于1976 年唐山MS7.8 地震的余震序列上。且其主震震源機制節面與唐山MS7.8 地震的主震斷層性質基本一致。結合余震定位和周邊地質構造環境，認為2 次地震發震構造一致，均為帶有右旋分量的走滑斷裂。

（5）唐山MS7.8 地震距今已40 余年，但余震序列活動仍在持續，此次古冶MS5.1 地震是唐山老震區近期一次新的起伏活動。