2021, Vol. 42
2. 中国北京 100049 中国科学院大学地球与行星科学学院;
3. 中国北京 100045 中国地震台网中心
2. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
据中国地震台网中心测定，2020年7月12日6时38分，河北省唐山市古冶区发生5.1级地震，震源深度10 km，震中位于（39.78°N，118.44°E）。此次地震距唐山市区约28 km，距天津市区约132 km，距北京市区约177 km。唐山市中心震感强烈，北京、天津和河北部分地区震感明显。古冶MS 5.1地震发生后，当日7时2分、7时26分相继发生2次较大余震，震级分别为2.2、2.0。截至2020年7月30日24时，共发生109次余震，其中2.0—2.9级地震2次，1.0—1.9级地震7次，1.0级以下地震100次。
此次MS 5.1地震发生在1976年唐山MS 7.8地震老震区，距1976年唐山MS 7.8主震约28.7 km，震中位置较为敏感。2次地震的发震构造是否相同，二者是否有成因联系，均是值得关注的问题。确定MS 5.1地震的震源参数和发震构造，对未来可能的地震发展趋势以及该区域构造活动等具有重要的科学意义。
1 地震活动背景2020年7月12日，继1976年唐山MS 7.8地震，老震区再次发生5.1级中强地震。此次古冶MS5.1地震是近年来该区规模最大的一次地震，距1995年10月6日唐山古冶MS 5.0地震发生已有25年。据统计，2020年7月12日以前，即此次古冶MS 5.0地震发生前，唐山MS 7.8地震序列中4级及以上余震332次，其中4.0—4.9级地震300次，5.0—5.9级地震29次，6.0—6.9级地震2次，7.0级以上地震1次（图 1，图中实心圆表示地震，其大小表示地震大小）。
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图 1 研究区构造背景及M ≥ 4.0地震分布 Fig.1 Tectonics and major earthquakes in the study areas |
此次古冶MS 5.1地震发生在张渤地震带东端，NE向唐山断裂与NE向滦县—乐亭断裂交汇处（图 1），其震源性质如何，与唐山MS 7.8地震发震断层是否密切相关，是否该地震序列的余震，值得思考和研究。据梁姗姗等(2017, 2018)、徐志国等（2019）的分析，余震序列的空间分布特征和震源机制解，有助于探讨发震模式及破裂延展特征。因此，利用河北区域地震台网以及邻近区域地震台网记录的震相和波形数据，采用HypoDD双差定位方法（Waldhauser et al，2000），分析古冶MS 5.1地震序列空间分布特征，并使用ISOLA近震全波形方法（Sokos et al，2008）反演震源机制解，探讨其发震构造。
2 数据选取选取中国地震台网中心统一观测报告，收集整理2020年7月12日至30日古冶MS 5.1地震序列震相数据，据以下原则：至少被3个地震台站记录，且走时均方根残差在2 s之内，选定80次地震事件、震中距250 km以内47个地震台站记录进行地震重定位，其中P波到时记录796条，S波到时记录737条，采用HypoDD双差定位法（Waldhauser et al，2000），利用奇异值分解（SVD）算法方程（参与定位事件相对较少），将P波和S波权重分别设为1.0和0.5，事件对最大距离设为5 km，对选定地震进行重定位。
收集河北、天津、北京和辽宁区域记录的此次地震序列波形资料，考虑到波形质量和台站方位角的影响，筛选震中距400 km以内14个地震台站[图 2(a)]记录，使用ISOLA近震全波形反演方法（Sokos et al，2008），对此次MS 5.1地震进行震源机制解反演。具体步骤如下：以震中位置（39.78°N，118.44°E）为原点，沿震源深度方向，设步长1 km，在1—20 km范围内进行网格搜索。反演时14个地震台滤波频带范围为0.03—0.05 Hz，采样间隔设为5 s，采用离散波数（discrete wave number）法计算格林函数（Bouchon，1981）。
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图 2 地震台站分布和一维地壳结构速度模型 (a) 地震台站及震中分布；(b) -维度速度模型 Fig.2 The seismic station distribution and 1D velocity model used in this study |
选用适用于华北地区的一维地壳速度结构模型进行震源机制解反演，见表 1、图 2(b)。该模型综合了深地震测深结果，与张广伟等（2011）在华北地区小震精定位研究中所用速度模型相同。
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表 1 本研究所使用地壳速度结构模型 Table 1 The crustal velocity model used in this study |
采用HypoDD相对定位方法，对古冶MS 5.1地震序列80个地震事件重新定位，最终获取72个地震的重定位结果，其中，沿纬度、经度和深度的平均相对误差分别为0.34 km、0.4 km和0.5 km，平均走时均方根残差为0.13 s（图 3）。重定位前后震源深度分布见图 4。重定位前，地震序列深度分布呈分散的条状，无法辨别优势发震断层面[图 4(a)]；重定位后，地震序列分布与唐山断裂NE端关联更为密切，震源深度集中在10—18 km，表明地震集中分布在中地壳，符合该地区震源深度分布特点（朱艾斓等，2005）。据于湘伟等（2010）对京津唐地区地震层析成像的研究，在地下15 km深度处，震源区位于P波低速异常区与高速异常区对比强烈地带，而此次地震序列重定位后，震源深度修正为14.7 km[图 4(b)]，表明重定位后震源深度更符合该区孕震构造环境。
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图 3 古冶地震序列重定位误差 (a) 沿纬度方向的相对误差；(b) 沿经度方向的相对误差；(c) 沿深度方向的相对误差；(d) 走时均方根残差 Fig.3 Statistics of relocation results of Guye earthquake sequence |
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图 4 地震重定位前后对比 （a）重定位前；（b）重定位后 Fig.4 Comparison of seismic sequences before and after relocation |
沿余震优势展布方向AA′及穿过主震垂直方向BB′绘制地震分布剖面图，直观展示断层面的破裂延展范围，见图 5，其中(a)图为重定位平面分布图，(b)图为沿AA′剖面的余震序列深度分布，(c)图为沿BB′剖面的余震序列深度分布。图中：BB′剖面穿过主震垂直于AA′剖面，剖面比例1:1；五角星代表MS 5.1古冶地震，圆代表余震，圆的大小表示地震大小；五角星与圆的颜色代表不同的发震日期；(c)图中的黑色虚线代表由余震展布得到的发震断层，震源球取自本研究结果，震源球中的红色虚线代表由震源机制节面得到的发震断层面。
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图 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）穿过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 |
由图 5可见：在时间尺度上，余震序列自主震震中沿SW方向展布，说明在主震后15天内，地震破裂面主要由NE向SW扩展，地震序列延展范围约8 km；震源深度沿剖面AA′变化明显，整体呈SW向浅、NE向深的特征；从穿过主震的BB′剖面序列分布可知，发震断层面近乎直立，略有向ES倾斜的趋势。
4 震源机制解反演采用14个固定地震台站波形记录，反演古冶MS 5.1地震震源机制解，得到断层面几何参数、矩震级、矩心深度和震源区应力状态等震源参数：①节面Ⅰ：走向142°，倾角86°，滑动角-21°；②节面Ⅱ：走向233°，倾角69°，滑动角-176°；③震级：MW 4.8；④最佳矩心深度11 km；⑤震源区主压力轴P方位角95°，倾角18°，主张力轴T方位角189°，倾角12°。为验证计算结果的精确性，计算不同深度上震源机制解的波形互相关系数，并对14个地震台MS 5.1地震原始波形进行拟合，结果见图 6、图 7。
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图 6 2020年7月12日MS 5.1地震震源机制解在不同深度的波形互相关拟合 Fig.6 Waveform cross-correlation fitting for the focal mechanism solutions at various depths of the MS 5.1 earthquake on July 12, 2020 |
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图 7 2020年7月12日MS 5.1地震理论与实际波形拟合 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 |
由图 6可见：震源机制解变化不大，均显示为走滑型地震；在矩心深度11 km处，波形互相关系数最大。由图 7（图中红色曲线代表理论波形，黑色或灰色曲线代表实际波形，波形上方数字表示波形拟合方差，右侧大写字母表示台站名）可见，在固定震中位置，沿垂直深度方向搜索MS 5.1地震震源机制解对应的理论波形，与实际观测波形平均拟合方差为0.86，表明理论波形与实际波形一致性较好。
采用大折刀法（Jack knifing method）对反演参数进行不确定度分析（Sokos et al，2008）。考虑到不同方位和震中距的地震记录对反演结果的影响，从所选14个台站数据中去除1个不同台站的数据进行多次反演，得到反演参数直方图，并将反演结果投影到震源球上，结果见图 8。由图 8可见，各反演参数分布相对集中，且本次地震断层面节面线分布均较集中，表明反演结果比较稳定。
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图 8 断层面参数的不确定度估计 Fig.8 Estimation of uncertainty of fault plane parameters |
震源机制结果显示，此次地震为一次高倾角走滑型事件，结合前述余震精定位结果和震源区整体断层走向，推断其发震断层为右旋走滑型断层。结合余震展布形态，认为与震源机制解节面Ⅱ的性质较为一致（走向233°，倾角69°），推测节面Ⅱ为发震断层面，节面Ⅰ为辅助面（图 5）。对比刘桂萍等（2000）的研究结果：唐山MS 7.8主震断层走向为229°，倾角为80°，可见2次地震的发震断层性质基本一致。而且，本次地震序列发生在1976年唐山MS 7.8地震余震序列上（图 9），故认为二者发震构造相同，均为带有右旋分量的走滑断裂。天然地震层析成像研究表明，唐山地震震源区中上地壳速度结构具有显著的非均匀性，唐山MS 7.8地震和本次古冶MS 5.1地震震源区上方均存在高速和低速陡变带（赖晓玲等，2013；黄雪源等，2021）。此次古冶MS 5.1地震发生在高低速及泊松比异常交界区域，表明唐山断裂带仍具有较强的构造活动性。
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图 9 古冶MS 5.1地震序列和唐山地区历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MS 5.1地震距1976年唐山MS 7.8地震发生已有44年，那么此次地震是否仍为唐山MS 7.8地震的余震呢？Liu等（2020）基于有限元进行余震序列模拟，结果表明，唐山断裂带新近发生的地震为余震活动到背景地震活动的过渡，尽管唐山地区余震序列活动仍处于活跃状态，但受背景地震活动的影响较大。判断一次地震是否属于余震，可从地震发生的空间、时间及破裂机制等进行研究（朱音杰等，2017）。此次古冶地震发生在1976年7月唐山MS 7.8地震的老震区内，唐山地区地质构造加载速率缓慢，导致唐山MS 7.8地震的余震持续时间较长，可能达上百年。此外，本次古冶MS 5.1地震震源机制与唐山MS 7.8主震基本一致。因此，推断2020年7月12日古冶MS 5.1地震为唐山MS 7.8地震的余震，是唐山老震区一次正常的地震起伏活动。
5 结论利用中国地震台网中心所产出的首都圈地区震相数据，采用双差定位方法，对2020年7月12日古冶MS 5.1地震序列进行精定位，利用河北及邻近地区地震台网波形数据，对MS 5.1主震进行震源机制解反演，得出以下结论。
（1）重定位结果显示，主震震源深度为14.7 km；余震展布方向为NE—SW，长度约8 km，震源深度优势分布在10—18 km，发震断层面较陡，倾向SE。
（2）震源机制结果显示，此次地震为走滑型地震事件，由不同深度的震源机制反演得到主震最佳矩心深度为11 km，矩震级为MW 4.8。
（3）结合余震展布形态，认为节面Ⅱ为发震断层面，即发震断层走向233°，倾角69°。
（4）从震源位置来看，本次地震位于1976年唐山MS 7.8地震的余震序列上。且其主震震源机制节面与唐山MS 7.8地震的主震断层性质基本一致。结合余震定位和周边地质构造环境，认为2次地震发震构造一致，均为带有右旋分量的走滑断裂。
（5）唐山MS 7.8地震距今已40余年，但余震序列活动仍在持续，此次古冶MS 5.1地震是唐山老震区近期一次新的起伏活动。
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