2022, Vol. 42
据中国地震台网中心测定，北京时间2020-07-12 06:38河北省唐山市古冶区发生MS5.1地震，震源深度13 km，震中与1976年唐山MS7.8地震相距约28 km，唐山及周边地区震感明显。本次地震发生在唐山老震区范围内，是1991年唐山MS5.1地震后该区发生的最大地震事件，与区域地震序列强度衰减趋势相比，本次地震震级明显偏高，表明老震区中等地震活动出现活跃态势，开展地震的发震构造分析有助于了解唐山老震区的地震活动特征。本文利用河北区域数字地震台网提供的地震资料，采用CAP波形反演方法求取主震震源机制解，同时利用近震sPL深度震相波形拟合方法，得到精确的主震震源深度，进而探讨唐山MS5.1地震的发震构造。
1 地质构造背景唐山老震区位于阴山-燕山褶皱带与冀鲁断块拗陷的交汇处，被NE向的宁河-昌黎断裂、丰台-野鸡坨断裂及NW向的蓟运河断裂、滦县-乐亭断裂围限，中间发育唐山断裂带(图 1)。研究区基底为下古生界变质岩系，盖层为古生界沉积岩系，地表发育第四系松散层[1-2]。地震活动图像显示，唐山老震区的主要地震构造为唐山断裂带、蓟运河断裂、滦县-乐亭断裂和卢龙断裂[3]。2000年以来的小震精定位结果显示，在唐山断裂带北侧，沿徐家楼断裂出现了NNE向密集的小震活动，被认为是由徐家楼断裂的深部活动引起，且推测该断裂可能为近年来该区多次MS4.0以上中等强度地震的发震断层[4]。张素欣等[5]根据1996年以来唐山老震区ML4.0以上地震的空间分布推测，在唐山断裂带北段存在NW向断裂活动，可能为未来中等强度以上地震的发震场所。本次唐山MS5.1地震发生在丰台-野鸡坨断裂、唐山断裂带和徐家楼断裂的围空区域，该区域可能存在未探明的隐伏断裂，地质结构复杂。
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图 1 唐山MS5.1地震区域构造背景 Fig. 1 Regional tectonic settings of the Tangshan MS5.1 earthquake |
本文采用CAP波形反演方法[6]，利用近震波形数据计算唐山MS5.1地震的震源机制解。基于郭蕾等[7]对唐山地区进行速度结构分析时使用的一维速度模型(表 1)，选取震中距250 km范围内有较好方位角覆盖的12个宽频带数字地震台站数据。首先将去除仪器响应的三分量地震波形旋转至大圆路径，得到径向、切向和垂向的位移记录；然后将实际观测数据截断为Pnl波和S波2个部分，并分别在0.05~0.17 Hz和0.05~0.1 Hz频率范围对其进行带通滤波；最后计算各台站的格林函数，以5°的网格步长搜索不同震源深度的最佳双力偶解。通过不同深度下的拟合误差分布(图 2)可以看出，拟合深度在14 km处的误差最小，该深度即为反演得到的矩心深度。对比最佳拟合深度14 km处的理论地震波形和实际观测波形(图 3)发现，超过80%分量的拟合相关系数大于80%，其中接近70%分量的拟合相关系数大于90%，表明拟合程度较高。此次地震的最佳双力偶震源机制解的节面Ⅰ走向143°、倾角83°、滑动角-14°，节面Ⅱ走向235°、倾角76°、滑动角-173°。为检验结果的准确性，本文同时采用P波初动方法计算震源机制解，得到节面Ⅰ走向245°、倾角79°、滑动角-158°，节面Ⅱ走向151°、倾角69°、滑动角-11°。P波初动方法与CAP波形反演方法计算得到的震源机制解参数大致相同，表明结果较为可靠。
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表 1 一维速度模型 Tab. 1 1-D velocity model |
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图 2 唐山MS5.1地震震源机制反演误差随深度的变化 Fig. 2 Variation of fitting error with depth during the focal mechanism inversion for the Tangshan MS5.1 earthquake |
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红线为理论地震波形，黑线为实际观测波形；波形左侧上方为台站名，下方数字表示震中距（单位km）和相对偏移时间（单位s）；波形下方的两行数字为理论地震波形相对实际观测波形的位移时间（单位s）及相关系数（单位%） 图 3 唐山MS5.1地震震源机制解 Fig. 3 Focal mechanism solution of the Tangshan MS5.1 earthquake |
从震源机制解结果来看，节面Ⅰ走向NW，呈左旋走滑运动性质，节面Ⅱ走向NE，为右旋走滑，2个节面均表现为高倾角，表明唐山MS5.1地震发生在具有高倾角并以走滑为主的断层上。
2.2 sPL深度震相方法测定震源深度sPL深度震相对震源深度变化较为敏感，因此利用其求取震源深度可显著提高结果精度[8]。当从震源出发的SV波入射到自由表面下方时，有一部分能量会转换为P波；而当其临界入射时，转换P波将沿地表传播。崇加军等[9]将该波列及其经过多次反射折射形成的波列定义为sPL震相，该震相的径向分量及垂向分量的振幅较强，切向分量振幅很弱，且与直达P波(Pg)的到时差和震源深度呈线性关系[10]。因此，若将不同深度下理论地震波的Pg震相和sPL震相的到时差与实际观测波形进行对比，挑选出到时差吻合程度最高时的深度，该深度即为拟合的震源深度。
在唐山MS5.1地震记录中，QIX台和CLI台能够清晰地观测到sPL深度震相，因此本文基于由表 1一维速度模型及CAP波形反演方法计算得到的震源机制解结果，采用频率-波数(F-K)法模拟了这2个台站在不同深度下的理论地震波形，经过1 Hz低通滤波后，比较理论地震波形与实际观测波形的Pg震相和sPL震相到时差的拟合情况，以此确定震源深度。从图 4可以看出，2个台站观测到的sPL震相清晰，处于直达P波和S波之间，其能量主要集中在径向和垂向分量，切向分量振幅不明显。在径向和垂向分量的理论地震波形(图 4(a)、4(b)、4(d)及4(e))中，sPL震相和Pg震相之间的到时差与震源深度呈较好的线性关系，表现出sPL震相对震源深度变化敏感的特征。同时，当震源深度为14 km时，在径向和垂向分量的理论地震波形中，Pg震相和sPL震相之间的到时差与实际观测波形的到时差基本一致，由此判断唐山MS5.1地震的震源深度约为14 km。该结果与利用CAP波形反演方法得到的震源深度结果基本一致。
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黑线为理论地震波形，红线为实际观测波形 图 4 sPL震相确定唐山MS5.1地震震源深度 Fig. 4 Focal depth determination for Tangshan MS5.1 earthquake with sPL wave |
除震源机制外，地震序列的空间分布特征也是确定地震发震构造的重要依据[11]。唐山MS5.1地震发生后，截至2020-07-27共记录到ML0.0以上余震107次，利用双差定位方法[12]对余震序列进行重定位(图 5)，发现唐山MS5.1地震序列分布较为集中，优势展布方向为NE向。参考地震烈度等震线分布(图 1)发现，唐山MS5.1地震等震线呈近椭圆分布，长轴为NE向，与震源机制解节面Ⅱ的走向大致相符。因此判定该地震的发震断层面为节面Ⅱ，发震断层可能为走向NE、倾向NW的陡倾走滑断裂。
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图 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 |
重定位后发现，唐山MS5.1地震震中位于唐山断裂带北段东侧和徐家楼断裂西侧，北侧为丰台-野鸡坨断裂东段。唐山断裂带总体走向NE，徐家楼断裂走向近NS，丰台-野鸡坨断裂东段沿NE向逐渐弯折呈近EW向，唐山断裂带和丰台-野鸡坨断裂走向均与节面Ⅱ相符。研究显示，唐山断裂带为褶皱断裂带[13]，其北段断裂主要包括陡河断裂、巍山-长山南坡断裂和唐山-古冶断裂等，其中陡河断裂为倾向SE的逆断层，巍山-长山南坡断裂向NW陡倾并具有逆冲性质，唐山-古冶断裂为倾向NW的正断层[14]，而丰台-野鸡坨断裂东段倾向SE[1]。比对发现，唐山-古冶断裂的产状与唐山MS5.1地震的发震断层参数较为吻合。根据唐山地区深地震反射剖面可知，唐山-古冶断裂向W陡倾并延伸至18~20 km的上、下地壳分界面附近[15]，CAP波形反演和sPL深度震相方法确定的唐山MS5.1地震的震源深度为14 km，可能位于唐山-古冶断裂的中下段。此外，根据地质调查和小震活动分析结果可知，1976年唐山地震以来，陡河断裂和巍山-长山南坡断裂不活动或活动幅度较小，区域地震主要沿唐山-古冶断裂分布[16]。由此判断，本次唐山MS5.1地震的发震断层可能为唐山-古冶断裂。
4 结语为研究唐山MS5.1地震的发震构造，本文利用河北区域数字地震台网提供的地震资料，采用CAP波形反演和sPL深度震相方法得到了唐山MS5.1地震的震源参数。结果表明，唐山MS5.1地震的发震断层走向为235°，倾角为76°，滑动角为-173°，震源深度为14 km。综合地震序列分布特征、地震烈度等震线分布、区域地质构造、深地震反射剖面及区域地震活动特征等资料，判断此次地震的发震断层为唐山-古冶断裂。
致谢: 朱露培教授提供CAP和F-K程序及Waldhauser提供双差定位程序，文中图件使用GMT软件绘制，一并表示感谢。
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