2024, Vol. 44
2. 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站，上海市兰溪路87号，200062
唐山地区位于燕山-渤海地震带上，是我国东部地震活动非常强烈的地区之一。地区内NE向的丰台-野鸡坨断层和宁河-昌黎断层与NW向的蓟运河断层和滦县-乐亭断层共轭，构成了唐山菱形块体[1]。该块体在历史上曾发生多次中强震，如MW7.8唐山大地震、MS7.1滦县地震和MS6.9宁河地震，且自2018年以来平均每年发生不少于一次M3.0以上地震。因此，该地区成为众多学者研究的热点地区之一[2-5]。
总体来说，不同学者获得的唐山地区应力场总体特征一致，但对一些局部区域应力场的认识仍存在差异。如李瑞莎等[5]认为当前唐山地区为走滑型应力场，而王晓山等[4]和黄骥超等[6]则认为唐山地区包括走滑型应力场和正断型应力场，且以走滑型应力场为主；Qu等[7]的研究表明，2011年MW9.0日本东北地震对唐山地区GPS主应变方向产生显著影响，而丰成君等[8]则认为该地震对唐山地区构造应力场的影响较为有限。这些应力场研究结果的差异将会影响到该地区地壳动力学和断层稳定性分析，因此有必要继续深入研究唐山地区应力场变化特征。
对唐山地区地壳应力场时空变化的进一步研究，可具体分为以下2个方面：1)在空间上，前人在应力场反演中多采用经验性划分子区域或平均划分经纬度等方法划分应力场反演空间网格，缺乏对各断裂应力状态的细致研究[4-6, 9]；2)在时间上，前人在应力场反演中未考虑中强震对唐山地区应力场的影响[10]，如2011年日本东北MW9.0地震。为了解决上述问题，本文首先收集前人研究所得的唐山地区断层位置[11]、速度结构[12]和震源机制解数据[4]，并划分应力场反演空间网格；其次，采用网格搜索法[13]反演2011年MW9.0日本东北地震发生前后，唐山地区整体区域应力状态和数据最为丰富的巍山-丰南断裂段应力状态；最后，分析日本东北地震发生后唐山地区主要断裂的应力状态。本研究可为唐山地区的孕震环境、地震危险性和区域动力学分析提供更精细的应力场数据。
1 数据和方法 1.1 震源机制解数据研究区范围为39°~40 °N、117.2°~119.2°E。从王晓山等[4]的研究中获得该地区2008-10-28~2022-08-01期间292个震源机制解，震级区间2.5≤ML≤5.5。参照Zoback[14]的分类标准(表 1)，将292个震源机制解划分为正断型、正走滑型、走滑型、逆走滑型、逆冲型和不确定型(过渡型)。其中，走滑型地震有125个，占全部地震的42.8%；正断型和正走滑型地震有121个，占全部地震的41.4%；逆走滑型地震和逆冲型有17个，占全部地震的5.8%；不确定型地震有29个，占全部地震的9.9%。可见，唐山地区震源机制解类型主要以正断型和走滑型为主，与前人研究结果总体一致[15]。本文所用震源机制解数据的多样性，在一定程度上反映了该研究区构造活动和应力场的空间差异性。
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表 1 震源机制解类型 Tab. 1 Focal mechanism solution types |
基于地震活动通常集中在断层附近[16]，张苏祥等[11]提出改进的DBSCAN算法，可自动识别断层并给出断层参数。本文将该方法应用于唐山地区，识别出8个断层段及其参数。8个断层段分别为：巍山-丰南断裂段、陡河断裂段、滦县-乐亭断裂段、卢龙断裂段、徐家楼-王喜庄断裂段、滦县断裂北段、雷庄断裂段和陈官屯断裂段，且这些断裂得到地质构造和震源机制的验证。本研究基于上述断裂段的空间分布，选取各断裂上的震源机制解数据[17]，数量分别为120个、26个、27个、15个、4个、24个、20个和22个。
采用不同深度范围的震源机制解反演所得的应力状态不同[18]。为此，本文采用段永红等[12]的唐山地区地壳速度结构，将各断裂划分为不同深度范围的多个应力场反演空间网格。根据唐山地区地壳速度结构变化，将陡河断裂段划分为0~10 km、11~20 km和21~35 km三个深度区间，其他断裂段划分为0~5 km、6~20 km和21~35 km三个深度区间。
1.3 应力场反演方法及参数设置采用网格搜索法[13]反演唐山地区主要断裂应力状态，该方法采用全局网格搜索求取应力张量的最优解，能克服非线性问题易陷入局部极值的缺点，提高反演精度[19]。考虑到本研究所用震源机制解震级区间主要集中在2.5≤ML≤3.5，而小地震震源机制解信噪比较低，反演不确定范围相比ML3.5以上震源机制要大。因此，在应力场反演时对不同震级范围地震震源机制解采用不同权重进行计算：2.5≤ML＜3.0权重设为1.0，3.0≤ML＜4.0设为2.0，4.0≤ML＜5.0设为3.0，5.0≤ML＜5.5设为4.0。
鉴于唐山地区部分断裂活跃程度较低，导致部分应力场反演空间网格内震源机制解数量不足，为确保获得稳定且可靠的应力场反演结果，只对包含5个以上震源机制解的空间网格进行应力场计算。
2 整体区域应力场反演结果及分析前人将唐山地区作为整体区域计算应力场[2-6, 9]，但各研究所用震源机制数据、时间范围等均不同，为了方便将主要断裂应力场与整体区域应力场进行对比分析，本文将重新计算唐山地区整体区域应力场。
2011-03-11日本东北MW9.0大地震为太平洋板块西向俯冲，并与欧亚板块碰撞于日本海沟附近[20]，此次地震释放的应力-应变能量改变了华北地区中部与东部地区的GPS应变场[7]。为探究日本东北地震对唐山地区的具体影响，基于上述震源机制数据和参数设置，将震源机制数据划分为2008-10-28~2011-03-10和2011-05-11~2022-08-01两个部分分别反演地壳应力场，将2011-03-11~05-10期间定义为震后应力场调整时间。
2008-10-28~2011-03-10期间唐山地区共有60个震源机制解，其应力场特征表现为：σ1轴NEE-SWW向、σ3轴NWW-SEE向，为走滑型应力状态(图 1(a)、1(b)、表 2)。2011-05-11~2022-08-01期间共有232个震源机制解，应力场特征为：σ1轴NEE-SWW向、σ3轴近NS向，为正走滑型应力状态(图 1(c)、1(d)、表 2)。研究得出，日本东北地震发生前后，唐山地区构造应力场的95%置信区间范围均较为集中，且不存在重叠部分，表明了本文结果的可靠性。当划分不同时间域对唐山地区整体区域进行应力场反演时，唐山地区构造应力场发生较小的顺时针旋转，应力状态由走滑型变为正走滑型(图 1)。
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(a)和(c)黑色弧线为所选界面的下半球以等面积投影表示，红色大箭头为压轴(P)的最优方向，红色小箭头为计算得到的理论滑动方向，蓝色大箭头为张轴(T)的最优方向，蓝色小箭头为断层观测的实际滑动方向，绿色弧线为得到的95%置信度下应力场最大剪应力节面，黄色小箭头为该节面的最大剪应力方向，最优应力轴方向周围的封闭曲线代表 95%置信度下应力场P、T、B轴的范围；(b)和(d)字母U、D代表三维立体空间上、下，E、S、W、N代表东、南、西、北 图 1 唐山地区整体区域在2011年日本东北地震前后构造应力场的反演结果 Fig. 1 Inversion results of tectonic stress field in the Tangshan area before and after the 2011 Tohoku-Oki earthquake |
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表 2 唐山地区整体区域应力场反演结果及95%置信区间 Tab. 2 The inversion results and 95% confidence interval of the overall stress field in Tangshan area |
尽管前文获得了唐山地区在日本东北地震发生前后整体区域应力状态的变化，但检测到的变化较小，且未考虑震源机制解数据的空间位置变化对应力场的潜在影响。因此，为探讨震源机制解空间位置变化是否为造成该应力状态变化的主要原因，统计了不同时间段下各应力场反演空间网格内数据占整体数据的比例(表 3)。由表 3可见，不同时间段震源机制解空间位置变化较大。因此，本文所得唐山地区整体区域应力状态的变化可能主要由震源机制解空间位置变化所引起。
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表 3 唐山地区整体区域在日本东北地震前后各应力场反演空间网格内数据比例变化 Tab. 3 The variation of the data proportion in the spatial grid for the inversion of stress fields in Tangshan area before and after the Tohoku-Oki earthquake |
本文所得唐山地区整体区域应力场特征与前人对唐山地区应力场[5, 9, 21]、GPS主应变方向[22]和快剪切波偏振优势方位[23]结果均一致。唐山地区在1976年唐山MW7.8地震前应力场特征为NEE向挤压、NNW向拉张；唐山地震后应力场特征为EW向挤压、NS向拉张；唐山地震前后，应力场顺时针旋转约20°[3]。本研究所得日本东北地震前唐山地区整体区域应力场特征(图 1(a)、1(b))与1976年唐山MW7.8地震前应力场特征基本一致，表明2011年前唐山地区应力场已基本恢复至唐山地震前的水平。
3 当前唐山地区主要断裂应力状态2008-10-28~2011-03-10唐山地区各断裂的震源机制解数量未达到计算应力场的最低要求，为了获取当前唐山地区主要断裂应力状态及探讨日本东北地震对唐山地区的具体影响，本研究仅计算数据较为丰富的巍山-丰南断裂段在日本东北地震前后的应力状态，以及其他主要断裂在日本东北地震发生后的应力状态。
巍山-丰南断裂段为唐山地区最活跃断裂，2008~2011年该断裂内共有12个震源机制解，震级范围为2.5≤ML≤3.4，均位于6~20 km深度范围内。其中，正断型地震6个、走滑型3个、逆断型1个、不确定型1个，即以正断型地震为主。采用网格搜索法反演得到该区域应力场特征为：σ1轴近EW向、σ3轴SSE-NNW向，为正断型应力状态(图 2(a)、2(b))，95%置信区间见表 4。
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图 2 巍山-丰南断裂段6~20 km在日本东北地震前后的应力场反演结果 Fig. 2 Inversion results of stress field at 6-20 km of Weishan-Fengnan fault section before and after the Tohoku-Oki earthquake |
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表 4 巍山-丰南断裂段6~20 km处应力场反演结果及95%置信区间 Tab. 4 Inversion results of stress field at 6-20 km of Weishan-Fengnan fault section and 95% confidence interval |
2012~2022年巍山-丰南断裂段内共有96个震源机制解，其中0~5 km深度范围内15个、6~20 km范围内79个、21~35 km范围内2个(图 3)。因此，仅计算巍山-丰南断裂段0~5 km及6~20 km区域地壳应力场。巍山-丰南断裂段0~5 km震级范围为2.5≤ML≤3.9，其中，正断型和正走滑型地震7个、走滑型7个，即以正断型和走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴NEE-SWW向、σ3轴近NS向，为正断型应力状态(图 4)，95%置信区间见表 5。巍山-丰南断裂段6~20 km震级范围为2.5≤ML≤5.5，其中，正断型和正走滑型地震39个、走滑型32个，即以正断型和走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴NEE-SWW向、σ3轴近NS向，为走滑型应力状态(图 2(c)、2(d))。
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图(a)中所用地震目录和断层位置来自张苏祥等[11]；图(b)中绿色震源机制解为0~5 km应力场反演网格内数据，红色震源机制解为6~20 km应力场反演网格内数据，黑色震源机制解为21~30 km应力场反演网格内数据 图 3 2011-05-11~2022-08-01巍山-丰南断裂段震源机制解空间分布及其垂直剖面图 Fig. 3 Spatial distribution and vertical profile of focal mechanism solutions of Weishan-Fengnan fault section from 2011-05-11 to 2022-08-01 |
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图 4 当前唐山地区主要断裂应力状态 Fig. 4 Current stress state of main faults in Tangshan area |
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表 5 当前唐山地区主要断裂应力场反演结果及95%置信区间 Tab. 5 The inversion results and 95% confidence interval of the main faults in Tangshan area |
巍山-丰南断裂段6~20 km深度范围内应力场在日本东北地震前后存在显著变化，σ1轴倾伏角降低约40°，应力场顺时针旋转且由正断型变为走滑型(图 2)。巍山-丰南断裂段6~20 km范围内应力场在不同时间域下95%置信区间范围均较为集中，且σ1倾伏角、σ3轴方位角置信区间不存在重叠部分(表 4)，表明本研究结果可靠。因此可以推断出，日本东北地震的发生导致唐山部分地区σ1轴倾伏角从陡倾斜变为水平，且应力场发生较小的顺时针旋转。
本文所得当前巍山-丰南断裂段2个部分空间(0~5 km和6~20 km)的95%置信区间范围均较为集中，且σ1轴与σ3轴倾伏角置信区间不存在重叠部分，表明本文结果可靠。考虑到巍山-丰南断裂段震源机制解个数占整体区域内数量的41.4%，因此，如果将唐山地区作为整体区域进行应力场反演，其应力场反演结果会受到巍山-丰南断裂段应力场的较大影响。当前唐山地区整体区域为正走滑型应力状态，这可能是由巍山-丰南断裂段0~5 km的正断型应力状态和6~20 km的走滑型应力状态叠加所致。
陡河断裂段内共有18个震源机制解，其中0~10 km深度6个、11~20 km深度9个、21~35 km深度3个。因此，仅计算0~10 km和11~20 km区域应力场。陡河断裂段0~10 km震级范围为2.7≤ML≤4.9，其中，正断型地震3个、走滑型2个，不确定型1个，即以正断型和走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴近EW向、σ3轴NNW-SSE向，为正走滑型应力状态(图 4(a))，95%置信区间见表 5。陡河断裂段11~20 km震级范围为2.5≤ML≤4.0，其中，正断型和正走滑型地震2个、走滑型6个，即以走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴NEE-SWW向、σ3轴NNW-SSE向，为走滑型应力状态(图 4(b))。
陡河断裂段2个部分空间网格(0~10 km和11~20 km)95%置信区间范围均较为集中，且σ1与σ3轴95%置信区间不重叠，表明本文结果可靠。陡河断裂段0~10 km和11~20 km应力场特征与巍山-丰南断裂段0~20 km和唐山地区整体区域应力场特征基本一致。
滦县-乐亭断裂段内共有22个震源机制解，其中，0~10 km深度2个、6~20 km深度20个。因此，仅计算6~20 km深度的应力场。滦县-乐亭断裂段6~20 km深度处震级范围为2.5≤ML≤4.8，其中，有正断型地震5个、走滑型12个，不确定型3个，即以走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴NEE-SWW向、σ3轴NNW-SSE向，为走滑型应力状态(图 4(b))。滦县-乐亭断裂段6~20 km深度的应力场特征与唐山地区整体区域应力场特征基本一致。
卢龙断裂段内共有10个震源机制解，均集中在6~20 km深度。因此，仅计算6~20 km深度的应力场。卢龙断裂段6~20 km深度震级范围为2.5≤ML≤3.5，其中，正断型和正走滑型地震2个、走滑型7个，不确定型1个，即以走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴SEE-NWW向、σ3轴NNE-SSW向，为正断型应力状态(图 4(b))。卢龙断裂段6~20 km深度的应力场特征与相邻的滦县-乐亭断裂段6~20 km深度和唐山地区整体区域应力场相比存在顺时针旋转。
雷庄断裂段内共有17个震源机制解，其中，0~5 km深度1个、6~20 km深度15个、21~35 km深度1个。因此，仅计算6~20 km深度的应力场。雷庄断裂段6~20 km深度的震级范围为2.5≤ML≤3.5，其中，正断型和正走滑型地震11个、走滑型2个，不确定型2个，即以正断型和正走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴SEE-NWW向、σ3轴SEE-NWW向，为正断型应力状态(图 4(b))。
尽管本文所得雷庄断裂段6~20 km深度的σ1轴方位角95%置信区间较为离散(表 5)，但σ1轴倾伏角、σ3轴方位角和倾伏角95%置信区间范围均较为集中，表明本研究结果可靠。雷庄断裂段的σ1轴95%置信区间包含NEE-SWW向和SEE-NWW向2种可能性，但根据σ3轴为SEE-NWW向，相比相邻的巍山-丰南断裂段和唐山地区整体区域应力场存在逆时针旋转，推测雷庄断裂段σ1轴更可能为NEE-SWW向。
陈官屯断裂段内共有19个震源机制解，其中，0~5 km深度5个、6~20 km深度14个。因此，仅计算6~20 km区域应力场。陈官屯断裂段6~20 km深度的震级范围为2.5≤ML≤4.1，其中，正断型和正走滑型地震4个、走滑型8个，不确定型2个，即以走滑型地震为主。其应力场特征为：σ1轴NW-SE向、σ3轴NE-SW向，为正断型应力状态(图 4(b))。陈官屯断裂段6~20 km深度的σ1轴相比唐山整体区域应力场存在顺时针旋转。
综上所述，当前巍山-丰南、陡河、滦县-乐亭断裂段6~20 km、陡河断裂段11~20 km为走滑型应力状态；陡河断裂段0~10 km为正走滑型应力状态；雷庄、陈官屯和卢龙断裂段6~20 km、巍山-丰南断裂段0~5 km为正断型应力状态。唐山地区1999~2007年GPS主应变研究结果显示，该地区同时受到NE向的主压应变和NW向的主张应变影响[22]，这与本研究中唐山地区整体区域应力场特征基本一致。唐山地区2008~2012年GPS主应变结果显示，40°N附近、117.2°~119.2°E区域内，唐山地区的主压应变方向由西部的NEE向顺时针旋转至东部的SEE向，其主压应变方向与本研究所得该区域断裂的σ1轴方向(陈官屯断裂段σ1轴方位角SE-NW向)一致；39°~39.5°N、117.2°~119.2°E区域内，唐山地区的主压应变方向由西部的NEE向顺时针旋转至中部的EW向，再逆时针旋转至东部的NE向，其主应变方向与本研究所得相应区域断裂的σ1轴方向一致。以上对比分析表明，本研究所得唐山地区主要断裂应力场特征与前人研究结果基本一致[23-24]。
本研究所得唐山地区主要断裂中，除雷庄断裂段6~20 km形状比R为0.9、应力状态为压性性质外，其余断裂R值均小于0.5(图 5)，应力状态均偏张性性质[25]。因此，推断唐山地区整体处于一个相对统一的NNW-SSE向的拉张作用控制，但古冶、滦县地区[1]处于NEE-SWW向的挤压作用控制，这与韩冰[26]所得华北地区面膨胀率分布特征一致。根据本研究所得唐山地区主要断裂应力场特征(图 4)，可以推断出该地区存在顺时针旋转的水平地壳形变、西升东降的垂直地壳形变，与GNSS观测到的唐山地区水平、垂直位移方向相同[27]，进一步证明了本研究所得唐山地区主要断裂应力场的可靠性。
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图 5 当前唐山地区主要断裂形状比 Fig. 5 Shape ratio of the main faults in Tangshan area |
唐山地区整体区域震源机制类型以走滑型和正断型为主，占比约84.2%；在同一断裂处，根据速度结构划分的不同深度范围所产生的震源机制解主要类型的比例略有差异，如陡河断裂段0~10 km和11~20 km处，反映出中小地震受局部介质和应力场的影响[7, 19]。
唐山地区整体区域地壳应力场反演结果显示，2011年日本东北MW9.0地震发生前后，唐山地区整体区域应力场发生较小的顺时针旋转，由走滑型应力状态变为正走滑型应力状态，该变化可能主要由震源机制解空间位置变化引起。日本东北地震前后，唐山地区整体区域形状比R均小于0.5，表明整体区域应力状态偏张性性质，这意味着唐山地区整体处于一个相对统一的NNW-SSE向的拉张作用控制，与华北地区应力场研究结果一致[28]。
巍山-丰南断裂段6~20 km深度处应力场反演结果显示，日本东北地震发生前后，该断裂段6~20 km深度的σ1轴倾伏角降低约40°，应力场顺时针旋转且由正断型变为走滑型。该研究结果表明，日本东北地震的发生主要造成了唐山部分地区σ1轴倾伏角由陡倾斜变为水平，且应力场发生较小的顺时针旋转。
唐山地区主要断裂应力场反演结果显示，当前巍山-丰南、陡河、滦县-乐亭断裂段6~20 km深度、陡河断裂段11~20 km深度为走滑型应力状态；陡河断裂段0~10 km深度为正走滑型应力状态；雷庄、陈官屯和卢龙断裂段6~20 km深度、巍山-丰南断裂段0~5 km深度为正断型应力状态。以上断裂中除雷庄断裂段6~20 km深度形状比R为0.9、应力状态为压性性质外，其余断裂处R值均小于0.5，应力状态均偏张性性质[25]。因此，推断唐山地区整体处于一个相对统一的NNW-SSE向的拉张作用控制，但古冶、滦县地区[1]处于NEE-SWW向的挤压作用控制，该分布特征与韩冰[26]所得华北地区面膨胀率分布特征一致；唐山地区存在顺时针旋转的水平地壳形变、西升东降的垂直地壳形变，这与GNSS观测到的唐山地区水平、垂直位移方向相同[27]，以上对比分析证明了本研究结果的可靠性。
本研究所得唐山地区主要断裂应力场存在以下两种差异：一是在垂直向，即巍山-丰南断裂段和陡河断裂段，σ1轴倾伏角从浅层到深层存在由陡倾斜(正走滑型或正断型应力状态)向水平(走滑型应力状态)旋转的现象(图 4)，这主要是由于华北地区地壳上部显现出较大的正断层倾滑分量所致[29]。王椿镛等[30]提出在华北地区地下约10 km处存在一个滑脱(拆离)层，用于解释该现象。但本研究发现，不同断裂所产生正断层倾滑分量的深度范围存在显著差异，且与时间存在相关性(例如，巍山-丰南断裂段6~20 km在日本东北地震前后分别为正断型应力状态和走滑型应力状态)，因此，推测造成该差异的主要原因可能与唐山地区深部流体、地幔物质上涌，导致中下地壳发震层的部分熔融与弱化过程[31]和中强震对唐山地区应力场的影响有关。孙君秀等[32]通过数值模拟认为，地下流体使唐山地区中下地壳孕震过程加剧，因此，各断裂中下地壳地震活动明显高于上地壳。二是在水平向，即唐山地区地理西南区域至东北区域，σ1轴顺时针旋转，且倾伏角有所抬升(图 4)。其中，唐山地区西南部与华北地区地壳应力场特征一致，表现为NNW-SSE向的拉张作用，为走滑型应力状态。东北部主要表现为NNE-SSW向的拉张作用，为正断型应力状态，且应力场从西向东存在顺时针旋转。考虑到唐山地区东北部与燕山块体相接，且燕山块体东南部(40~41°N，119~120°E)存在NE-SW向挤压作用[4, 26]。因此，推测唐山地区西南部构造应力场与华北地区相同，可能是由青藏高原东北缘物质挤出造成NE-SW向挤压，与菲律宾板块在琉球群岛下方的海沟后撤作用造成的NW-SE向拉张综合作用的结果[33]。东北部受到燕山块体NE-SW向局部挤压作用，且由东北向西南挤压作用逐渐减弱，表现为σ1轴明显的逆时针旋转(若为雷庄断裂段区域地幔物质上涌导致[15]，则σ1轴应存在从东北向西南的顺时针旋转)。其中，雷庄断裂段为连接东北部与西南部的中间区域，并表现出明显的地震活动分区特征和较为离散的σ1轴95%置信区间。考虑到古冶、滦县地区位于不同局部应力场的交界整合区域，可能导致该地区地震活动频繁且震级较大，如2012-05-28 MW4.7地震、2020-07-11 MW5.0地震和2020-07-11 MW5.1地震。
本研究在前人的研究基础上，获得了唐山地区主要断裂处应力状态，但受限于可用震源机制解数量及其空间分布，未能详细揭示各断裂在日本东北地震前的应力状态。若要进一步研究唐山地区各断裂应力状态的动态演化，则需要充分利用较小地震的震源机制解。
致谢: 感谢盛书中教授、王晓山研究员、万永革研究员和崔华伟工程师提供帮助。
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