2020-07-12河北唐山MS5.1地震震源參數及發震構造分析

周 依 王 想 孫麗娜

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號，050021

據中國地震臺網中心測定，北京時間2020-07-12 06:38河北省唐山市古冶區發生MS5.1地震，震源深度13 km，震中與1976年唐山MS7.8地震相距約28 km，唐山及周邊地區震感明顯。本次地震發生在唐山老震區范圍內，是1991年唐山MS5.1地震后該區發生的最大地震事件，與區域地震序列強度衰減趨勢相比，本次地震震級明顯偏高，表明老震區中等地震活動出現活躍態勢，開展地震的發震構造分析有助于了解唐山老震區的地震活動特征。本文利用河北區域數字地震臺網提供的地震資料，采用CAP波形反演方法求取主震震源機制解，同時利用近震sPL深度震相波形擬合方法，得到精確的主震震源深度，進而探討唐山MS5.1地震的發震構造。

1 地質構造背景

唐山老震區位于陰山-燕山褶皺帶與冀魯斷塊拗陷的交匯處，被NE向的寧河-昌黎斷裂、豐臺-野雞坨斷裂及NW向的薊運河斷裂、灤縣-樂亭斷裂圍限，中間發育唐山斷裂帶(圖1)。研究區基底為下古生界變質巖系，蓋層為古生界沉積巖系，地表發育第四系松散層[1-2]。地震活動圖像顯示，唐山老震區的主要地震構造為唐山斷裂帶、薊運河斷裂、灤縣-樂亭斷裂和盧龍斷裂[3]。2000年以來的小震精定位結果顯示，在唐山斷裂帶北側，沿徐家樓斷裂出現了NNE向密集的小震活動，被認為是由徐家樓斷裂的深部活動引起，且推測該斷裂可能為近年來該區多次MS4.0以上中等強度地震的發震斷層[4]。張素欣等[5]根據1996年以來唐山老震區ML4.0以上地震的空間分布推測，在唐山斷裂帶北段存在NW向斷裂活動，可能為未來中等強度以上地震的發震場所。本次唐山MS5.1地震發生在豐臺-野雞坨斷裂、唐山斷裂帶和徐家樓斷裂的圍空區域，該區域可能存在未探明的隱伏斷裂，地質結構復雜。

圖1 唐山MS5.1地震區域構造背景Fig.1 Regional tectonic settings of the Tangshan MS5.1 earthquake

2 主震震源參數測定

2.1 CAP波形反演方法測定震源機制

本文采用CAP波形反演方法[6]，利用近震波形數據計算唐山MS5.1地震的震源機制解。基于郭蕾等[7]對唐山地區進行速度結構分析時使用的一維速度模型(表1)，選取震中距250 km范圍內有較好方位角覆蓋的12個寬頻帶數字地震臺站數據。首先將去除儀器響應的三分量地震波形旋轉至大圓路徑，得到徑向、切向和垂向的位移記錄；然后將實際觀測數據截斷為Pnl波和S波2個部分，并分別在0.05～0.17 Hz和0.05～0.1 Hz頻率范圍對其進行帶通濾波；最后計算各臺站的格林函數，以5°的網格步長搜索不同震源深度的最佳雙力偶解。通過不同深度下的擬合誤差分布(圖2)可以看出，擬合深度在14 km處的誤差最小，該深度即為反演得到的矩心深度。對比最佳擬合深度14 km處的理論地震波形和實際觀測波形(圖3)發現，超過80%分量的擬合相關系數大于80%，其中接近70%分量的擬合相關系數大于90%，表明擬合程度較高。此次地震的最佳雙力偶震源機制解的節面Ⅰ走向143°、傾角83°、滑動角-14°，節面Ⅱ走向235°、傾角76°、滑動角-173°。為檢驗結果的準確性，本文同時采用P波初動方法計算震源機制解，得到節面Ⅰ走向245°、傾角79°、滑動角-158°，節面Ⅱ走向151°、傾角69°、滑動角-11°。P波初動方法與CAP波形反演方法計算得到的震源機制解參數大致相同，表明結果較為可靠。

表1 一維速度模型

圖2 唐山MS5.1地震震源機制反演誤差隨深度的變化Fig.2 Variation of fitting error with depth during the focal mechanism inversion for the TangshanMS5.1 earthquake

紅線為理論地震波形，黑線為實際觀測波形；波形左側上方為臺站名，下方數字表示震中距(單位km)和相對偏移時間(單位s)；波形下方的兩行數字為理論地震波形相對實際觀測波形的位移時間(單位s)及相關系數(單位%)圖3 唐山MS5.1地震震源機制解Fig.3 Focal mechanism solution of the Tangshan MS5.1 earthquake

從震源機制解結果來看，節面Ⅰ走向NW，呈左旋走滑運動性質，節面Ⅱ走向NE，為右旋走滑，2個節面均表現為高傾角，表明唐山MS5.1地震發生在具有高傾角并以走滑為主的斷層上。

2.2 sPL深度震相方法測定震源深度

sPL深度震相對震源深度變化較為敏感，因此利用其求取震源深度可顯著提高結果精度[8]。當從震源出發的SV波入射到自由表面下方時，有一部分能量會轉換為P波；而當其臨界入射時，轉換P波將沿地表傳播。崇加軍等[9]將該波列及其經過多次反射折射形成的波列定義為sPL震相，該震相的徑向分量及垂向分量的振幅較強，切向分量振幅很弱，且與直達P波(Pg)的到時差和震源深度呈線性關系[10]。因此，若將不同深度下理論地震波的Pg震相和sPL震相的到時差與實際觀測波形進行對比，挑選出到時差吻合程度最高時的深度，該深度即為擬合的震源深度。

在唐山MS5.1地震記錄中，QIX臺和CLI臺能夠清晰地觀測到sPL深度震相，因此本文基于由表1一維速度模型及CAP波形反演方法計算得到的震源機制解結果，采用頻率-波數(F-K)法模擬了這2個臺站在不同深度下的理論地震波形，經過1 Hz低通濾波后，比較理論地震波形與實際觀測波形的Pg震相和sPL震相到時差的擬合情況，以此確定震源深度。從圖4可以看出，2個臺站觀測到的sPL震相清晰，處于直達P波和S波之間，其能量主要集中在徑向和垂向分量，切向分量振幅不明顯。在徑向和垂向分量的理論地震波形(圖4(a)、4(b)、4(d)及4(e))中，sPL震相和Pg震相之間的到時差與震源深度呈較好的線性關系，表現出sPL震相對震源深度變化敏感的特征。同時，當震源深度為14 km時，在徑向和垂向分量的理論地震波形中，Pg震相和sPL震相之間的到時差與實際觀測波形的到時差基本一致，由此判斷唐山MS5.1地震的震源深度約為14 km。該結果與利用CAP波形反演方法得到的震源深度結果基本一致。

黑線為理論地震波形，紅線為實際觀測波形圖4 sPL震相確定唐山MS5.1地震震源深度Fig.4 Focal depth determination for Tangshan MS5.1 earthquake with sPL wave

3 發震構造討論

除震源機制外，地震序列的空間分布特征也是確定地震發震構造的重要依據[11]。唐山MS5.1地震發生后，截至2020-07-27共記錄到ML0.0以上余震107次，利用雙差定位方法[12]對余震序列進行重定位(圖5)，發現唐山MS5.1地震序列分布較為集中，優勢展布方向為NE向。參考地震烈度等震線分布(圖1)發現，唐山MS5.1地震等震線呈近橢圓分布，長軸為NE向，與震源機制解節面Ⅱ的走向大致相符。因此判定該地震的發震斷層面為節面Ⅱ，發震斷層可能為走向NE、傾向NW的陡傾走滑斷裂。

圖5 唐山MS5.1地震序列重定位震中分布Fig.5 Relocated epicenters of the Tangshan MS5.1 earthquake sequence

重定位后發現，唐山MS5.1地震震中位于唐山斷裂帶北段東側和徐家樓斷裂西側，北側為豐臺-野雞坨斷裂東段。唐山斷裂帶總體走向NE，徐家樓斷裂走向近NS，豐臺-野雞坨斷裂東段沿NE向逐漸彎折呈近EW向，唐山斷裂帶和豐臺-野雞坨斷裂走向均與節面Ⅱ相符。研究顯示，唐山斷裂帶為褶皺斷裂帶[13]，其北段斷裂主要包括陡河斷裂、巍山-長山南坡斷裂和唐山-古冶斷裂等，其中陡河斷裂為傾向SE的逆斷層，巍山-長山南坡斷裂向NW陡傾并具有逆沖性質，唐山-古冶斷裂為傾向NW的正斷層[14]，而豐臺-野雞坨斷裂東段傾向SE[1]。比對發現，唐山-古冶斷裂的產狀與唐山MS5.1地震的發震斷層參數較為吻合。根據唐山地區深地震反射剖面可知，唐山-古冶斷裂向W陡傾并延伸至18～20 km的上、下地殼分界面附近[15]，CAP波形反演和sPL深度震相方法確定的唐山MS5.1地震的震源深度為14 km，可能位于唐山-古冶斷裂的中下段。此外，根據地質調查和小震活動分析結果可知，1976年唐山地震以來，陡河斷裂和巍山-長山南坡斷裂不活動或活動幅度較小，區域地震主要沿唐山-古冶斷裂分布[16]。由此判斷，本次唐山MS5.1地震的發震斷層可能為唐山-古冶斷裂。

4 結 語

為研究唐山MS5.1地震的發震構造，本文利用河北區域數字地震臺網提供的地震資料，采用CAP波形反演和sPL深度震相方法得到了唐山MS5.1地震的震源參數。結果表明，唐山MS5.1地震的發震斷層走向為235°，傾角為76°，滑動角為-173°，震源深度為14 km。綜合地震序列分布特征、地震烈度等震線分布、區域地質構造、深地震反射剖面及區域地震活動特征等資料，判斷此次地震的發震斷層為唐山-古冶斷裂。

致謝：朱露培教授提供CAP和F-K程序及Waldhauser提供雙差定位程序，文中圖件使用GMT軟件繪制，一并表示感謝。