2020, Vol. 41
据中国地震台网中心（CENC）测定，2020年7月12日6时38分在河北唐山市古冶区（39.78°N，118.44°E）发生5.1级地震，震源深度10 km。截至7月31日，共记录ML 1.0以上余震35次，最大余震为7月12日7时2分ML 2.7（MS 2.2）地震。此次唐山5.1级地震位于1976年7月28日唐山7.8级地震余震区的中部地区，即唐山古冶区（国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组，1982），距1976年唐山7.8级和滦县7.1级地震震中分别为57 km和11 km。该5.1级地震位于2020年5—7月全国地震概率预测结果揭示的地震发生概率较高区域，是唐山7.8级地震序列自1995年10月6日唐山5.0级地震以来，时隔24.8年的又一次显著5级地震活动。
2020年7月12日唐山5.1级地震发生前，中国地震台网中心（下文简称台网中心）在2020年5月29日年中地震会商会和6月3日京津冀地区年中地震会商会上，针对1900年以来首都圈地区（38.5°—41°N；113°—120°E）最长5级以上地震平静，提出“存在发生5级左右地震的可能”的年度分析意见；电磁学科在2020年年中地震会商会中，根据地电场方位角、地磁加卸载等异常，提出“唐山地区关注5级左右地震”的年度预测意见；台网中心在2020年5月26日专题会商会中，针对地震活动与地球物理观测短期异常，提出“唐山、京西地区短期关注4级左右地震的可能”的分析意见。综上，此次唐山5.1级地震发生前，对震中及附近地区的年尺度到中短期异常有所察觉，但由于短期预测强度偏低，震前未给出有效的短临预测意见；地震发生后，通过对震前异常的全面梳理，发现地球物理观测异常占比明显偏低（约为4%），在震中100 km范围内以电磁、流体异常为主，且多与本次地震有关。
本研究统计分析了2020年唐山5.1级地震前地震活动异常在时间、空间和强度的实际预测意义，并分析了形变、电磁和流体等地球物理观测异常，对2020年河北唐山5.1级地震进行了系统回顾与总结，以期为京津冀地区5级地震积累震例资料。
1 地震活动特征与序列分析 1.1 唐山7.8级地震序列附近地质构造1976年唐山7.8级地震余震区位于冀渤拗陷与燕山隆起的结合部位（国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组，1982），地形北高南低，唐山市内有基岩残山分布，所在开平向斜大部分地域现今被第四系掩盖（郭慧等，2011）。唐山7.8级地震余震区断裂发育，按走向大致可分为NEE和NW两组（图 1），即NEE向的宁河—昌黎断裂、唐山断裂带和NW向蓟运河断裂、滦县—乐亭断裂（郭慧等，2011），唐山7.8级地震余震区沿NE向展布近200 km。
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图 1 1976年以来唐山序列MS ≥3.0地震震中分布、分区、震源机制解及断裂构造 Fig.1 Distribution, partition, focal mechanism solution, and tectonic map of Tangshan earthquakes with MS ≥ 3.0 since 1976 |
NE向唐山断裂位于2020年唐山5.1级地震震中以南6 km，属全新世活动断裂，全长约82 km，由3条平行断裂组成，自西向东分别为陡河断裂、长山—巍山断裂与古冶—唐山—王兰庄断裂（郭慧等，2011），均倾向NW。唐山断裂东侧发育NNW走向的滦县—乐亭断裂，更东侧发育NE走向的卢龙断裂，2条断裂均为全新世活动断裂，同样参与了1976年唐山地震的发生。蓟运河断裂和滦县—乐亭断裂将唐山余震区大致分为西区、中区和东区，此次唐山5.1级地震震中位于中区（图 1）。
2020年唐山5.1级地震发生在唐山断裂和滦县—乐亭断裂交汇区域，震后多家研究机构给出震源机制解（表 1），均显示地震具有走滑型破裂性质。文中采用中国地震台网中心的计算结果：最佳双力偶解节面Ⅰ走向236°，倾角49°，滑动角-164°；节面Ⅱ走向135°，倾角78°，滑动角-42°。此次5.1级地震与1976年7.8级地震及余震的震源机制解（1995年5.0级地震除外）基本一致（图 1，表 1）。万永革研究小组根据活动断层走向分布和中心震源机制解（https://mp.weixin.qq.com/s/UsLoE_TGsL09SK6Yy0sLuA），初步推测，走向SW—NE的节面为发震断层面，该发震断层倾向NW、高倾角、右旋走滑兼少许正断分量，与唐山断裂特征较吻合。
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表 1 1976年唐山地震序列中几次显著地震和2020年唐山5.1级地震的震源机制解 Table 1 Focal mechanism solutions for several significant earthquakes in the 1976 Tangshan earthquake sequence and the Tangshan MS 5.1 earthquake in 2020 |
1976年唐山7.8级地震余震区至今共发生4级以上余震336次，其中4.0—4.9级地震302次，5.0—5.9级地震31次，6.0—6.9级地震2次，7.0级以上地震1次，最大余震为1976年7月28日滦县7.1级地震，最后一次6级以上余震为1977年5月12日天津汉沽6.2级地震，1978年以来共发生4次5级以上余震，分别为1979年9月2日河北唐山5.0级地震、1991年5月30日河北唐山丰南附近5.1级地震、1995年10月6日河北唐山古冶5.0级地震和2020年7月12日河北唐山古冶5.1级地震。
唐山7.8级地震余震区地震活动在空间上呈现分区特征，西、中、东区地震频次与强度差异较大（图 1），其中：中区地震活动最强，3级、4级和5级地震频次最高，远高于其他两区，5级以上地震发生13次，1976年7月28日河北唐山7.8级地震的主震震中即位于中区；东区地震活动次之，3、4级地震频次约为中区的一半，5级以上地震发生8次，最大地震为1976年7月28日河北滦县7.1级地震；西区地震活动最弱，3、4级地震频次最少，5级以上地震发生11次，最大为1976年11月15日天津宁河西6.9级地震（图 2）。
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图 2 唐山7.8级余震区各分区地震频次统计柱状图 Fig.2 Histogram of the seismic frequency of each partition in the aftershock area with the Tangshan MS 7.8 earthquake |
唐山7.8级地震余震区的地震活动在时间上呈非均匀衰减特征（图 3），历经快速衰减（1976年7月—1977年7月）、中速衰减（1977年8月—1992年12月）和波动期（1993年1月至今），其中：快速衰减期余震震级和频次快速衰减，平均约12天发生1次5级以上地震，平均1天发生1次4级以上地震[图 4(a)]；中速衰减期余震活动总体衰减减弱，强度减弱不显著，地震活动水平为5级左右，3、4级地震频次衰减明显，随时间流逝，4级地震时间间隔逐渐增大，平均约3.7个月发生1次4级以上地震[图 4(b)]；波动期余震活动平稳，4级地震呈现周期活动特征，平均2.5年发生1次4级以上地震，地震活动水平为4—5级[图 4(c)]。2020年唐山5.1地震是1995年10月6日河北唐山古冶5.0级地震后，唐山7.8级地震序列的又一次5级地震波动起伏活动。
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图 3 1976年7月至今唐山MS 3.0以上地震M—t图 Fig.3 The M-t diagram of the ML≥3.0 earthquakes between 1976.7 and 2020.7 |
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图 4 唐山7.8级地震余震区不同阶段地震M—t图 （a）快速衰减期（1976年7月—1977年7月）MS 3.0以上地震；（b）中速衰减期（1977年8月— 1992年12月）MS 3.0以上地震；（c）波动期（1993年1月—2020年7月）MS 3.0以上地震 Fig.4 The M-t diagram of the MS 7.8 Tangshan earthquake sequence |
截至2020年7月31日，唐山5.1级地震震区共记录ML≥0.0余震107次，其中ML 0.0—0.9地震72次，ML 1.0—1.9地震30次，ML 2.0—2.9地震5次，最大余震为7月12日发生的ML 2.7（MS 2.2）地震，距主震约2 km。由此次地震序列的M—t图和频次图（图 5）分析可知，余震集中发生在主震后2天内，共计70次ML≥0.0地震，之后余震频次有一定起伏，但总体呈衰减趋势。此外，2020年唐山5.1级地震序列主震与最大余震的震级差为ML 2.8，主震释放能量较充分，占序列比例超99.99%。
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图 5 唐山5.1级地震序列M—t（ML≥0.0）图和每日地震频次（ML≥0.0） (a) M—t图（ML≥0.0）；(b)每日地震频次（ML≥0.0） Fig.5 The M-t diagram of ML≥0.0 earthquakes and daily frequency of ML≥0.0 earthquakes of the MS 5.1 Tangshan earthquake sequence |
地震b值反映了地震大小的比例关系，与地震活动规律较为密切（Mogi，1967；史海霞等，2018）。基于最大曲率法（MAXC），加上修正系数，得到序列最小完整性震级为ML 0.4 ± 0.2，进而可得序列b值时序曲线，见图 6，可见本次地震序列早期b值较低，后续b值随时间震荡变化，7月16日后在0.72附近变化。结合G—R关系，可以外推最大余震震级，计算结果显示，地震序列外推最大余震震级为ML 3.0，与目前记录的最大余震震级ML 2.7相差不大（图 7）。从全序列的G—R关系拟合情况看，实际观测数据和G—R关系的拟合值较为一致，且ML 1.5左右与ML 2.5—3.0地震的个数明显小于拟合值，表明目前2组地震可能存在缺失，而最大余震应已发生。
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图 6 唐山5.1级地震序列的b值 Fig.6 b value for the MS 5.1 Tangshan earthquake sequence |
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图 7 唐山5.1级地震序列的累积频度—震级分布 Fig.7 The cumulative frequency-magnitude distribution for the MS 5.1 Tangshan earthquake sequence |
利用所得最小完整性震级，绘制序列h值的时序曲线，见图 8。由图 8可见，h值随时间流逝持续减小，但始终大于1。通常认为，当地震序列h＞1时，一般为主余型地震序列，而当h≤1时，则可能为前震序列（刘正荣等, 1979, 1986；刘正荣，1984；蒋海昆等，2007）。目前，唐山5.1级地震序列衰减较为正常，地震能量释放较为充分。
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图 8 唐山5.1级地震序列的h值 Fig.8 h value for the MS 5.1 Tangshan earthquake sequence |
2020年唐山5.1级地震前，京津冀地区地震活动异常存在以下特点：首都圈地区ML 1.8以上地震月频次高值、首都圈地区ML 4.0地震短期成组、唐山余震区ML 2.0以上地震平静打破短期异常、首都圈中部ML 2.0地震活跃、北京地区ML 1.0频次高值中期异常以及首都圈地区5级以上地震平静背景异常，这些异常预测的震级水平多为4—5级。其中，首都圈地区ML 1.8以上地震月频次高值和ML 4.0地震短期成组与此次地震有关，但仍需跟踪分析，其他异常均可作为本次唐山5.1级地震的映震异常。
（1）首都圈地区5级以上地震显著平静。唐山5.1级地震在首都圈地区2006年7月4日河北文安5.1级地震后5级地震平静13.9年的背景下发生（图 9）。统计结果显示，1900年以来，统计区5级以上地震存在11年左右的周期活动特征，5级以上地震平均平静时间约2.9年，而此次5级地震平静已超平均值加2倍均方差（11.9年），为1900年以来最长平静。
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图 9 北京及邻区MS≥5.0地震M—t图 Fig.9 The M-t diagram of MS≥5.0 earthquakes around Beijing |
（2）唐山余震区ML 2.0地震平静打破。唐山5.1级地震前唐山余震区ML 2.0地震平静显著。2020年4月6日河北滦州ML 2.0地震发生后，唐山余震区ML 2.0以上地震出现长达46天的平静，并于5月22日被河北滦州ML 2.0地震打破。据统计，2005年以来，唐山余震区ML 2.0以上地震出现超32天的平静被打破后，该地区4个月内（优势发震时间）发生ML 4.0以上地震的可能性较大（R＞R0，R = 0.47，R0 = 0.34，见图 10，文中R值均采用国家地震局科技监测司（1990）推出的计算方法计算）。本次唐山5.1级地震于唐山余震区ML 2.0地震平静打破后51天发生，应为此次唐山5.1级地震的映震异常。
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图 10 唐山7.8级地震余震区ML≥2.0地震dt—t图与唐山ML 4.0以上地震 Fig.10 The dt-t diagram of ML≥2.0 earthquakes of the MS 7.8 Tangshan earthquake sequence and ML≥4.9 earthquakes of the MS 7.8 Tangshan earthquake sequence |
（3）北京地区ML 1.0地震高频次异常。2019年8月1日以来北京地区ML≥1.0地震出现高频现象。根据以往震例统计，北京行政区半年内发生ML 1.0以上地震超过46次，对后续1.2年内唐山余震区内ML 4.9—5.1地震的发生具有指示意义（图 11），可通过R值检验（R = 0.72，R0 = 0.52）。本次唐山5.1级地震为该异常对应的唯一MS 5.0以上地震，应为此次地震异常。
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图 11 北京ML 1.0以上地震频次（180日窗长，1日滑动步长）与唐山ML 4.9以上地震 Fig.11 The relation between the frequency of ML≥1.0 earthquakes in Beijing (window length: 180 days, slide step length: 1 day) and ML≥4.9 earthquakes of the MS 7.8 Tangshan earthquake sequence |
（4）北京及邻区中部ML 2.0以上地震活跃。2020年4月13日至2020年5月2日，北京及邻区发生6次ML 2.0以上地震，最大地震为2020年4月13日河北任丘ML 3.8地震，符合20天内地震频次超5次为高频异常的标准。统计结果显示，2001年以来北京及邻区中部共出现7次高频（N＞5）异常现象，其中5次在津冀交界东侧及附近后续8个月内发生ML 4.0以上地震，以往对应最大地震震级为ML 4.9（图 12），此次唐山5.1级地震发生在异常出现后71天，应为此次地震的异常。
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图 12 2000年以来北京及邻区中部ML 2.0以上地震20天发生频次 Fig.12 The 20-day frequency N-t diagram of ML≥2.0 earthquakes around Beijing Since 2000 |
（5）首都圈地区ML 1.8地震月频度高值异常。2020年5月18日至6月16日，北京及邻区发生30次ML≥1.8地震，达到ML 1.8地震月频度高值异常阈值。1996年以来震例统计结果显示，首都圈地区1个月内ML 1.0以上地震发生30次以上，对后续130天统计区内ML 4.5以上地震的发生具有预测意义（R＞R0，R = 0.39，R0 = 0.16），对应最大地震为1999年11月1日山西阳高5.4级地震。因此，该异常与此次5.1级地震有关，但以往有震例表明，预测期内存在发生多次ML 4.5以上地震的现象，需继续跟踪分析。
（6）首都圈地区ML 4.0以上地震短期成组。2006年以来首都圈地区ML 4.0以上地震具有短期成组的特征，即3个月内发生2—3次ML 4.0以上地震（表 2）。2020年5月26日北京门头沟发生ML 4.1地震，47天后在唐山余震区发生了唐山5.1级地震。首都圈地区存在短期内发生3次ML 4.0以上地震的情况，因此该异常仍需跟踪。
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表 2 北京及邻区ML 4.0以上地震短期成组 Table 2 The ML≥4.0 earthquakes around Beijing formed a group in 3 months |
2020年7月12日唐山5.1级地震前，震中200 km范围内存在地球物理观测异常25项，其中形变12项、电磁6项、流体7项，且短期异常6项，100 km范围内分布异常5项（表 3）。在震中100 km范围内，地球物理观测异常主要分布在唐山5.1级地震震中以西区域，以电磁和流体的短期异常为主；在震中100—200 km范围内，地球物理观测异常集中分布在北京地区，以形变和流体趋势异常为主（图 13）。
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表 3 唐山5.1级地震前地球物理观测异常统计 Table 3 A list of geophysical anomalies before the Tangshan MS 5.1 earthquake |
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图 13 唐山5.1级地震前周边300 km范围内地球物理异常空间分布 Fig.13 Geophysical anomalies before the Tangshan MS 5.1 earthquake within 300 km of the epicenter |
此次唐山5.1级地震震中位于首都圈东区，地震监测密度较高，震中100 km、200 km、300 km范围内地球物理观测项分别为145项、421项和621项，相对应范围内异常占比分别为4%（6/145）、5%（23/421）和7%（42/621），整体异常占比较低，明显低于2006年7月4日文安5.1级地震200 km范围内的异常占比17%（张跃刚等，2018a）。通过分析总结，认为与此次唐山5.1级地震前有关地球物理观测异常共计7项（表 3中第1—7项），其中电磁5项、流体2项；短期异常3项，趋势异常4项。以下分别对唐山5.1级地震前的地球物理观测趋势、短期异常特征及预测意义进行梳理、分析与总结。
3.1 趋势异常分析2020年唐山5.1级地震震中200 km范围内震前地球物理观测异常特征及与此次地震的关系，认为震中附近地磁加卸载响应比和地磁逐日比以及平谷、丰宁地磁测深视电阻率为震前趋势异常，其他趋势异常与此次5.1级地震无明显相关性。
（1）形变趋势异常。震中100 km范围内形变学科无趋势异常；震中200 km范围内趋势异常包括墙子路斜交基线EN—WS、张家台直交水准WE、古北口水准NS、密云水准4-3、八宝山直交水准SN、大灰厂直交水准EN、大灰厂直交基线EN、京西试验场水准1-10、德胜口斜交基线EW等跨断层异常，以及赤峰水管倾斜NS定点异常。上述形变趋势异常均非此次唐山5.1级地震前异常。
（2）地磁加卸载响应比。2020年5月4日地磁加卸载响应比异常为2020年5月电磁学科年中地震会商提出的异常（图 14），异常线经过华北地区，预测区为异常线曲率变化较大段，即唐山地区附近（图 14中灰色阴影区），预测发震时间为异常后9个月内（2021年2月4日之前），预测震级约4.5。此次唐山5.1级地震于异常后70天发生在预测区内，震中距预测区中心约110 km，符合异常指标的预测时空强要素，表明该异常为此次地震前异常。
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图 14 2020年5月4日地磁加卸载响应比异常 Fig.14 The anomaly of geomagnetic loading / unloading response ratio on May 4, 2020 |
（3）地磁逐日比。2020年5月31日地磁逐日比异常为2020年6月电磁学科周地震会商提出的异常（图 15），异常线经过华北地区，预测区为异常线曲率变化较大段，该异常中东侧的预测区，即唐山地区附近和晋冀蒙交界地区（图 15灰色阴影区），预测发震时间为异常后9个月（2021年2月28日之前），预测震级为4.5级左右。此次唐山5.1级地震于异常后43天发生在预测区内，符合唐山地区预测区的预测目标，因此该异常为此次5.1级地震前异常。
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图 15 2020年5月31日逐日比异常 Fig.15 The anomaly of the daily ratio of geomagnetic daily variation amplitude on May 31, 2020 |
（4）磁测深视电阻率（地磁谐波振幅比）。平谷和丰宁磁测深视电阻率为2020年度地震会商（2019年11月）提出的异常。平谷台距震中127 km，2017年9月开始磁测深视电阻率出现异常，异常特征为20 min、30 min和40 min周期曲线的NS向和EW向变化不同步（图 16），预测2020年9月前该台站附近300 km范围内有5级左右地震发生的可能。2019年12月5日河北唐山4.5级地震后异常持续，说明台站附近仍有发生更大地震的可能，此次唐山5.1级地震符合该异常的预测目标。丰宁台距震中221 km，2018年3月开始磁测深视电阻率出现异常，异常特征为20 min、30 min和40 min周期曲线的NS向和EW向变化不同步（图 17），预测2021年3月前该台站附近200 km范围内有5级左右地震发生的可能。此次唐山5.1级地震距离超出预报区，基本符合该异常的预测目标。因此，以上2项可能为唐山5.1级地震前异常，且异常目前仍未恢复，有待继续跟踪。
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图 16 平谷磁测深视电阻率异常 Fig.16 The anomaly of apparent resistivity of geomagnetic sounding in Pinggu |
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图 17 丰宁磁测深视电阻率异常 Fig.17 The anomaly of apparent resistivity of geomagnetic sounding in Fengning |
（5）唐山矿井水位。唐山矿井位于燕山褶断带与华北平原沉降带的结合部，井深207 m，观测层为奥陶系灰岩岩溶裂隙水。该井水位2013年出现破年变，异常跟踪至今（图 18）。震例研究表明，水位破年变异常对唐山老震区中等地震有短期指示意义，唐山矿井距唐山5.1级地震29 km，但水位破年变异常持续时间超7年，期间发生丰南4.5级等中等地震，且此次地震前无短期变化，据此认为该异常与此次5.1级地震的关联性不大。
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图 18 唐山矿井水位观测曲线 Fig.18 Water level changes in the Tangshankuang well |
（6）左家庄井水温和水位异常。左家庄井位于顺义—前门—良乡隐伏断裂附近，井深2 600 m，观测层为震旦亚界雾迷山组，水温探头置于井下75 m处。震例研究表明，该井水温短期波动变化与北京及附近地区ML 3.0以上地震有较好的对应关系。2020年3月该井水温出现波动异常变化，5月26日在距观测井44 km处的门头沟地区发生3.6级（ML 4.1）地震，符合异常的震例研究指标，应为门头沟3.6级地震异常，震后水温变化平稳，并于唐山5.1级地震发生前恢复[图 19(a)]，因此该异常与此次唐山5.1级地震无关；与往年井水位变化动态相比，该井水位2020年3月以来上升速率偏大[图 19(b)]，由于该井水位无5级以上震例资料积累，且唐山5.1级地震后异常仍在持续，因此无法明确该异常是否与唐山5.1级地震有关。
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图 19 左家庄水温、水位异常观测曲线 Fig.19 Water level and water temperature changes in the Zuojiazhuang well |
（7）良乡井水位。良乡井位于华北平原北京凹陷，完钻井深258 m，观测层为蓟县系硅质石灰岩岩溶承压水，该井水位自1994年观测以来无震例积累。2020年水位年动态变化与往年相比提前至2月，北京市地震局开展异常核实工作，认为同层热水开采减少对水位有影响，据此认为，该水位变化非此次唐山5.1级地震前异常。
3.2 短期异常震前提出6项短期异常，其中：塘沽汉1井水温、宝坻王3井水位、唐山附近地电场方位角为唐山5.1级地震前异常；唐山台水准1-2和3-2尽管距震中较近（约27 km），但其短期变化并非此次地震前异常。
（1）唐山水准1-2与3-2。2020年7月6日，观测到唐山水准1-2与3-2测段出现约0.20 mm的突跳。中国地震局第一监测中心经核实，发现除7月5日晚有较大降雨外无其他干扰，7月7日该突跳恢复正常，认为降雨影响的可能性较小，突跳异常基本确立；唐山5.1级地震后，该中心认为2项异常对应此次地震。中国地震台网中心形变预测研究室在2项异常提出后，利用一阶差分方法对原始曲线进行处理，结果显示，2个测项自1984年观测以来，类似突跳较多，且与唐山老震区周边4.0级以上地震无较好的对应关系（图 20，图 21）。因此，2项水准的短期异常对唐山及附近4.0级以上地震无明确预测意义，非此次唐山5.1级地震前异常。
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图 20 唐山水准1-2与一阶差分结果 Fig.20 Tangshan levelling 1-2 and first-order difference results |
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图 21 唐山水准3-2与一阶差分结果 Fig.21 Tangshan levelling 3-2 and first-order difference results |
（2）地电场优势方位角。2019年11月下旬，延庆台地电场优势方位角α出现偏转异常，可能体现了孕震过程中应力变化导致的岩体裂隙结构变化（谭大诚等，2019），与宝坻台11月初的异常恢复有准同步现象，2019年12月5日唐山丰南发生4.5级地震（异常时段为图 22中矩形框），2020年4月中旬后延庆异常恢复[图 22(a)]，但恢复后3个月内异常仍有效；4月初后宝坻有挤压偏转异常[图 22(b)]。这2个地震台观测场地附近长期存在一些干扰因素，但这些干扰可能不是导致此次异常的原因，预测唐山地区附近在2020年下半年具有发生4级左右地震的可能。此次唐山5.1级地震发生在预测区内，震中距预测区中心43 km，符合异常预测目标，故地电场优势方位角变化为此次地震异常。
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图 22 延庆和宝坻地电场优势方位角异常 Fig.22 The anomaly of the dominant azimuth of the geoelectric field |
（3）塘沽汉1井水温。汉1井位于天津北塘凹陷，井深3 303 m，观测层为古近系河街组砂砾岩孔隙与裂隙承压水，水温探头置于井下245 m处，观测数据存在畸变现象。震例研究表明，水温畸变现象增多，与天津及附近地区3个月内4级左右地震有较好的对应关系（图 23）。2020年4—7月，汉1井水温出现日畸变频次高值异常，异常出现79天后，在距观测井90 km处发生唐山5.1级地震，符合异常的震例研究指标。据此认为，该异常为此次唐山5.1级地震前异常，也是自观测以来首次对应的5级以上地震。
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图 23 塘沽汉1井水温畸变日频次曲线 Fig.23 Daily frequency of water temperature abnormal changes in the Han #1 well near Tanggu |
（4）宝坻王3井水位。王3井位于天津周良庄地热田，井深1 077 m，观测层为奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水，该井水位正常动态为每年1—3月上旬供暖期水位下降，3月15日前后供暖停止后水位小幅回升，4月底至5月初开始下降。震例研究表明，该井水位破年变异常的出现，与6个月内天津及附近地区的4级左右地震有较好的对应关系（图 24，王熠熙等，2019）。2020年5—7月王3井水位持续上升，天津市地震局开展异常核实工作，排除同层地热回灌注水的影响，异常出现58天后，在距观测井96 km处发生唐山5.1级地震，符合异常的震例研究指标。因此，该项异常为此次唐山5.1级地震前异常，也是2011年以来首次对应5级以上地震。
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图 24 宝坻王3井水位观测曲线 Fig.24 Water level changes in the Wang #3 well near Baodi |
（5）赵各庄井水温。赵各庄井位于平谷盆地，完钻井深556 m，观测层为第四系孔隙水，水温探头位置于井下43 m处，自2001年观测以来无震例积累。2020年4月15日、25日水温出现突升、突降变化，随后日变幅度增大，北京市地震局开展异常核实工作，认为降雨对水温有影响，异常信度较低。因此，该异常与唐山5.1级地震无明确相关性。
4 讨论与结论 4.1 唐山5.1级地震后异常总结在2020年唐山5.1级地震前，对中短期异常有所察觉，但这些异常判定的地震强度与实际震级相比偏低。因此，震后总结中加强了唐山地区地震发生率、加卸载响应比和多参数概率谱等方法的研究，认为在唐山5.1级地震前存在地震发生率、加卸载响应比和多参数概率谱等中期异常，对地震强度估计提供了辅助依据，具体分析结果及认识总结如下。
（1）地震发生率。采用10年背景窗长，6个月计算窗长对地震发生率进行时空扫描，基于泊松分布，将地震发生率的显著增强或显著减弱变化统一映射为0—1之间的概率值，并以色标显示，红色表示地震发生率显著增强，蓝色表示地震发生率显著减弱。2020年7月12日河北唐山5.1级地震前9个月，在晋冀蒙交界附近出现地震发生率高值异常，震前6个月异常区域向震中方向扩展，异常持续至地震发生前10天，于前述显著高值异常区东侧发生唐山古冶5.1级地震（图 25）。
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图 25 7月12日唐山5.1级地震前的地震发生率异常演化 (a)震前9个月异常分布；(b)震前6个月异常分布；(c)震前2个月异常分布；(d)震前10天异常分布 Fig.25 Anomaly evolution of earthquake rate before the Tangshan MS 5.1 earthquake |
（2）加卸载响应比异常。此次唐山5.1级地震发生后，对该地区加卸载响应比（LURR）异常进行震后跟踪分析。LURR是由Yin等（1995）提出的反映地壳介质损伤程度的地震预测方法。根据LURR理论，当孕震区介质处于稳定阶段时，LURR值会在1附近波动，而进入损伤阶段时，LURR比值会大于1，说明该地区存在发生地震的可能。计算起始时间为1970年1月1日，截止时间为2020年7月12日，空间范围为震中周边150 km。根据LURR异常曲线结果（图 26），该地区LURR比值仍处在大于1的区间，目前位于高值回返阶段，异常幅度和之前的震例相比，略低于2011年。由于LURR异常幅度、异常持续时间与震级正相关（Yu et al，2020），因此近期该地区发生更大地震的可能性不大。
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图 26 唐山5.1地震源震区LURR曲线 Fig.26 The curve of LURR for Tangshan MS 5.1 earthquake |
（3）多参数概率谱计算结果。根据王海涛等（2008）提出的基于多种地震学参数的地震对应相关谱识别地震前兆异常的方法，主要选择以下7个参数进行综合计算：①描述地震活动震级和频度关系：b值、缺震、η值；②描述地震危险性：D值；③描述地震活动自身强度变化：Mf值、频度N值；④环境因子调制参数：Rm值。提取唐山地区1991年1月至2010年12月MS≥4.0地震前小震活动多种地震学参数的综合异常特征，外推预测2011年1月之后的震情形势。时间跟踪研究结果表明，目标地震均在震前出现多参数的综合高值异常，此次地震发生于综合指数上升阶段，2020年该区域仍有发生4级以上地震的可能（图 27）。
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图 27 唐山地区多参数概率变化曲线 Fig.27 The earthquake corresponding probability spectrum change of multi-parameter |
（4）地球物理观测频次异常。在监测能力较好地区，地球物理观测异常月频次高值可以作为地震预测的中短期至短期指标（张永仙等，2004）。近年来，中国地震局加强全国宏微观异常零报告制度，尤其是2015年以来地球物理观测异常基本完备，异常频次的时间演化为预测强度提供了依据。在此次唐山5.1级震前，首都圈地区异常月频次高值与MS ≥ 4.0地震有一定关系（图 28），但无法通过R值检验。因此，仅作为预测强度的参考依据，对比震例认为，唐山5.1级地震发生前地震活动水平为4级左右（图 28）。首都圈地区短期异常月频次高值与2018年河北永清4.3级和2019年唐山丰南4.5级地震有较好的短期对应关系，总体来看震例偏少，且在对应的2次4级地震后异常仍持续数月。因此，唐山5.1级地震前出现的该异常现象应为2019年唐山4.5级地震的映震异常（图 28）。震后对短期异常月频次高值重新进行预测效能评价，认为达到阈值（18次）便可作为异常，可预测震级为MS 4.0—5.1，优势预测时间为80天，且能通过R值检验（R = 0.72，R0 = 0.71）。目前的唐山5.1级地震是首次对应5级地震，该指标有待在震情跟踪中不断积累震例、检验与完善。
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图 28 首都圈地区地球物理观测异常月频次与短期异常月频次 Fig.28 Monthly frequencies of geophysical anomalies and short-term anomalies in the Capital region |
2019年12月5日唐山丰南4.5级地震后，北京及附近出现4项地震学中期、短期异常，综合各异常或预测指标的预测时间、空间和强度，此次唐山5.1级地震前分析认为，首都圈地区短期存在发生4级左右地震的可能。因预估震级强度较低，未在周、月震情专报中提出明确短临预测意见。此次地震后对通过R值检验的震前各项异常的预测震级再次分析，统计各指标不同震级对应震例次数，结果显示，4.0—4.6级是震前异常预测的震级优势区间（图 29），4—5级可以更好地涵盖震级优势区间，与震前认识相比，更接近实际发生地震的震级，更趋于客观。
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图 29 唐山5.1级地震前短期指标不同震级对应震例次数 Fig.29 Short-term anomalies before the Tangshan MS 5.1 earthquake corresponding to the number of earthquake cases for different magnitudes |
2005年以来唐山余震区发生3次4.5以上地震，其中2012年4.8级和2020年5.1级地震震中均位于唐山余震区的中区，2次地震相距12 km，而2019年4.5级地震震中位于唐山余震区的西区，距2020年5.1级地震震中约62 km。加上2000年以来首度圈地区5级以上地震，即2006年7月4日文安5.1级地震，对4次地震前的短期异常做横向对比分析，统计结果详见表 4。震例资料来源于《中国震例》、台网中心日常震情跟踪与总结资料（蒋海昆等，2012；张跃刚等, 2012, 2018a, 2018b）。由表 4可见，4次震例短期异常的共性特征是：①震前以地震活动、流体、电磁异常为主；②震级大小主要由地震活动异常支撑；③天津地区流体异常对唐山余震区4.5级以上地震有较好的短期指示。不同之处在于：①从异常数量来看，唐山古冶5.1级地震前地震活动短期异常数量比其他3次地震少，文安地震前异常数量是唐山余震区5级左右地震异常数量的2倍，是2020年唐山古冶5.1级地震异常的3倍，与2019年唐山丰南4.5级地震前相比，此次唐山古冶5.1级地震异常略少；②从唐山3次4.5级以上地震比较来看，2019和2020年2次地震前唐山地区流体测项无异常；③最近2次地震前未出现电磁波异常。
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表 4 4次地震前短期异常统计 Table 4 Short-term anomalies before the four earthquakes |
综合分析认为，唐山古冶5.1级地震前异常范围和数量明显小于一般地区5级地震前异常，2019年唐山丰南4.5级地震的发生对应了多数异常，对后续地震强度的判断造成了一定干扰影响。唐山5.1级地震前异常少，可能是因为唐山余震区有其独立的地震活动特征，引起异常的规模小、数量少。今后对唐山地区震情分析更应关注唐山7.8级余震区4级地震的周期活动特征，配合附近地震学和地球物理观测的短期异常，有助于该区域的震情研判。
4.4 结论2020年7月12日河北唐山5.1级地震发生，震后总结发现，地震加卸载响应比异常和地震发生率应为该地震异常，因此，震前应对应以下异常：①背景异常：5级地震平静；②中期异常：北京ML 1.0以上地震高频次、首都圈地区ML 1.8以上地震月高频、首都圈中部ML 2.0地震活跃、地磁逐日比、地磁加卸载响应比、平谷和丰宁地磁测深地电阻率；③短期异常：唐山ML 2.0以上地震平静打破、首都圈ML 4.0以上地震成组、天津汉1井水温、天津宝坻王3井水位。
分析认为，此次地震发生前地震活动短期、中期异常较显著，地球物理观测异常与2006年文安5.1级地震相比明显偏少，可能是由于唐山老震区的地震起伏活动对于地球物理观测异常的影响范围比正常5级地震影响范围小；震前对该区域出现的中期和短期异常有所察觉，但短期异常的预测强度偏低，震后总结认为，震前异常预测强度为4—5级，接近实际发生的地震强度。
此外，震中附近的唐山矿水位、唐山水准1-2、3-2，与本次地震相关性不大，对其映震、台站环境、机理等方面有待做深入研究。
5 结束语全面梳理显著地震前出现并捕捉到的地震活动和地球物理观测异常变化及地震序列演化、地质构造特征，对于地震预测的科学研究具有重要价值（孟令媛等，2020）。2020年7月12日河北唐山5.1级地震前地震活动中短期异常较显著。地球物理观测方面，异常占比与2006年文安5.1级地震前相比偏低，与2012年唐山4.8级地震前相比，有较好短临预测的电磁波和唐山地区的流体观测无短期异常。震前对该区域强度判定主要依赖地震活动的中短期异常，但短期异常的预测强度偏低，震后总结认为，震前这些异常的预测强度为4—5级，更接近实际发生地震的强度。因此，从对本次地震震前回顾、震后总结的过程表明，构造片区的预测指标体系建设在跟踪研判中起了重要作用，今后应完善优化预测指标及评价，为客观正确地研判震情奠定坚实的基础。
本文撰写得到王海涛研究员、刘杰研究员的指导和鼓励，蒋海昆研究员、晏锐研究员、孟令媛研究员和闫伟高级工程师亦给予帮助，中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http://data.earthquake.cn）提供数据支撑，在此对他们及中国地震台网中心预报部同事的辛苦工作，一并表示衷心感谢。
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