据中国地震台网中心测定，北京时间2023年8月6日2时33分，山东德州市平原县发生M_S 5.5地震（116.34°E，37.16°N），震源深度10 km。截至2023年8月6日10时，此次地震共造成126处房屋倒塌，20人受伤（http://health.people.com.cn/n1/2023/0807/c14739-40051750.html），北京、天津、河北、河南等多地震感明显。1970年以来，震中50 km范围内共发生3次3.0级以上地震，100 km范围内共发生3.0级以上地震9次，本次地震为该区域历史最大地震。

本次地震发生地山东德州市是华北平原经济较发达地区，位于郯庐地震带西侧，历史上地震发生频度较低。对于这样一个发生在少震区的中等规模地震，为何引起大面积震感，地震动是否具有方向性效应，其发震断层是什么，是震后需要研究和回答的问题。

Benioff（1955）首次利用发生在加利福尼亚柯恩县的M_W 7.5地震的远场中长周期位移发现了地震动的方向性效应，即地震动辐射随方位角发生变化的现象，称为“多普勒效应”。之后的许多研究都证实了这一现象（Somerville et al，1997；刘启方等，2006；张令心等，2010），刘瑞丰等（2018）通过对比全球地震台站测定的2008年M_W 7.9汶川地震的震级和周期发现，地震存在明显的“多普勒效应”影响，破裂方向前缘震动加强，台站测定面波震级偏大。地震破裂的方向性效应不仅在远场有所体现，近场地震动的振幅、频谱和持续时间都有所响应。2008年汶川M_S 8.0地震极震区表现出明显的带状分布特征，在垂直于断裂的方向上地震破坏衰减很快（李志强等，2008）。胡进军等（2011）对2008年汶川M_S 8.0地震破裂前后方向上地震动的峰值、反应谱和持时进行了定量化对比分析，发现破裂前方场点峰值明显大于后方，周期大于2 s时反应谱比可达4倍。张斌等（2021）分析了2021年M_S 6.4漾濞地震近场地震动幅值，同样观测到方向性特征。

断层破裂的方向性不仅在大地震中有所体现，在许多中小地震中也常常能被观测到。Boatwright等（1980）对1980年美国加州M_W 5.8主震和M_W 5.4余震的强震加速度记录进行了方位角和台站位置变化的系统性分析，发现PGA和PGV随方位角存在明显的系统性变化，并证实这种变化主要受断层破裂的方向性控制。Kane等（2013）通过位移反应谱的比较，验证了圣安德烈斯断层附近450次小震（2＜M＜5）的破裂方向性特征，46个M＞3的地震中有70%均表现出明显的SE向破裂特征。

地震破裂的方向性与地质构造密切相关，绝大多数地震都发生在断层活动性较强的区域，其中部分断层未出露地表或是存在于地下深处的隐伏断层难以发现。破裂方向控制着地震动强度，在“多普勒效应”影响下，破裂传播前方地震动幅值较大。因此，对地震强度空间分布特征的研究有助于了解地震破裂传播方向，对发震断层的确定也有重要帮助。

本文收集整理了此次山东平原地震震中2° —10°范围内80个宽频带台站垂直向速度记录，计算宽频带面波震级M_S(BB)，利用我国烈度速报与预警工程项目建设的基本站、基准站和一般站的强震动记录，计算近场200 km范围内1 278个台站不同周期反应谱，分析宽频带面波震级和加速度反应谱的空间分布特征，进而分析本次地震的发震断层。

山东地区位于我国大陆东部，自中生代以来经历的复杂的地质构造运动，发育有沂沐断裂带、济阳凹陷、鲁西隆起、胶北隆起等构造单元，形成若干受伸展构造体控制的隆起、盆地、凸起和凹陷等上叠构造单元。接收函数、地壳三维纵横波速度和泊松比结构结果显示，山东地区地壳厚度在30.5—38.5 km，泊松比在0.21—0.33，表现出明显的横向不均匀性（郑宏等，2021；范建柯等，2022）。

本次地震发生在华北断陷区中部，河北平原带东支，位于郯庐断裂带西边缘。该区域尽管有多条断层，但地震活动较弱。据地震断层资料（邓起东，2007）显示，此次地震震中南侧发育有高唐断裂，北侧发育有陵县—阳信断裂，2个断裂带均呈NE走向，为早中更新世隐伏断裂，可能受控于同一构造应力场，有相连接的趋势（图 1）。

图 1(Fig.1)

图 1 研究区域构造环境和1970年以来3级以上地震活动分布 Fig.1 The tectonic environment and distribution of earthquakes above M 3 since 1970 in the study area

2023年平原M_S 5.5地震发生后，中国地震台网中心发布震源机制解，见图 1。可知，本次地震为一次高倾角走滑为主的事件，震级为M_S 5.5，质心深度约11 km，其中节面Ⅰ：123°/62°/-24°，节面Ⅱ：225°/69°/-150°。

震级是地震“三要素”之一，是衡量地震本身大小的一个量，震后快速且准确的测定震级，是一件意义重大的基础性工作。1945年，Gutenberg（1945）通过测量震中距15°—30°浅源地震，周期约20 s的面波水平位移的基础上，发展出面波震级M_S。目前，中国地震台网中心采用垂向LR波质点运动最大速度来测定宽频带面波震级，用M_S(BB)表示，计算公式为

式中，V_max为垂向面波质点运动速度最大值，单位为μm/s，Δ为震中距，单位为°。

收集记录到山东平原M_S 5.5地震波形的宽频带台站数据，利用P波到时信息对地震进行定位，保证震中位置与中国地震台网中心发布震中位置完全一致，尽可能减小因位置偏差带来的震级测定误差。使用震中距2°—10°内，80个台站记录到的面波数据，测定M_S(BB)震级[图 2(a)]。测定震级最大的台站是AGL台，M_S(BB)为5.9；测定震级最小的台站是BJT台，M_S(BB)震级为4.9，平均震级为M_S(BB) 5.5。图 3展示了平面极坐标上80个测震台站及对应宽频带面波震级分布示意图。

图 2(Fig.2)

图 2 山东平原MS 5.5地震震中(a)和台站分布(b)示意 Fig.2 Distribution of stations near MS 5.5 Pingyuan earthquake

图 3(Fig.3)

图 3 测震台站对应震级分布 图中红色五角星表示震中位置，黑色线段表示震源机制解节面Ⅱ走向 Fig.3 Magnitude distribution correspondingto seismic stations

图 3显示，测得的台站震级中，偏小的台站（红点）基本位于震中的西南方向，虽然在渤海地区缺少台站观测数据，但在震中距5°范围内，同等震中距条件下，震中NE方向的台站测定震级普遍偏大（绿色）。根据地震“多普勒效应”，若地震破裂传播以NE向为主，那么在震中的NE向振幅应呈现加强趋势，而震中西南方向应呈现减弱趋势，即理论上位于震中NE方向的台站测得震级可能偏大，位于西南方向的台站测得震级可能偏小，实际观测结果与该特征基本一致。此外，中国地震台网中心利用迭代反褶积和叠加方法（Iterative Deconvolution and Stacking，IDS）方法（Zhang et al，2014；郑绪君等，2018），使用近场强震动数据反演了该地震的震源破裂过程。反演结果也显示出NE向单侧破裂为主的特征，破裂长度约16 km，破裂面积约400 km²，最大位移量出现在初始破裂点NE方向约8.2 km处（戴丹青等，2023）。

我国在2018年正式启动烈度速报与预警工程项目建设，2022年已经建成集速度计、加速度计和简易烈度计于一体的综合地震观测网络，观测台站总数超15 000个。预警项目建成后在华北、南北地震带、东南沿海、新疆天山中段和拉萨周边地区极大的加密了台网，形成秒级预警能力（孙丽，2023）。

山东平原地震发生后，山东台网记录到大量强震加速度数据，为近断层地震动特征研究的开展提供了宝贵资料。收集震中200 km范围内1 278个基准站、基本站和一般站三分量强震记录[图 2(b)]，通过对原始的加速度数据分析发现，部分强震记录存在基线偏移的情况，为保证数据的可靠性，对近场强震动台站波形进行基线校正和巴特沃斯2阶带通滤波（低通截止频率为10 Hz）处理。地震动反应谱是反映地震动特性的重要参数之一，为更加直观地展示水平向地震动强度的方向性变化特征，计算周期0.1 s、0.5 s和1.0 s水平向加速度反应谱值（SA）的几何平均值，并将其插值为1 km的网格点，绘制地震动强度空间分布图（图 4）。

图 4(Fig.4)

图 4 水平向SA（T = 0.1 s、0.5 s、1.0 s）空间分布和地震烈度分布（引自中国地震局） 图中红色五角星表示震中，白色实线圈代表断层破裂面 Fig.4 Spatial distribution of horizontal SA (T = 0.1 s, 0.5 s, 1.0 s) and seismic intensity distribution map (quoted from China Earthquake Administration)

由图 4可见，极震区加速度反应谱（SA）整体呈现出NE—SW走向的条带状分布特征，且由震源向四周幅值逐渐减小。在断层破裂方向上，SA较大，衰减较慢，而垂直于断层的方向，SA较小，衰减快。周期为0.1 s时，震中东北侧SA幅值较大。随着周期的增大（T = 0.5 s、1.0 s），SA的空间分布特征逐渐清晰，受本次走滑型地震震源破裂方向性效应控制，条带状特征逐渐显现。地震发生之后，中国地震局组织山东省地震局开展应急处置工作，于2023年8月8日编制完成《山东平原5.5级地震烈度图》[图 4(d)]。结果显示，此次地震最高烈度为Ⅶ度，等震线长轴呈NE走向，长轴24 km，短轴12 km，与水平向SA空间分布图走向基本一致。

利用2°—10°震中距范围宽频带测震台站和近场200 km强震记录数据分别获取了山东平原地震宽频带面波震级和不同周期反应谱特征值，分析其空间分布特征。宽频带面波震级与加速度反应谱空间分布均表现出明显的方向性特征，与本次走滑型地震断层多普勒效应影响结果基本吻合。本文取得了如下研究结果：

（1）测定的80个台站的宽频带面波震级M_S(BB)平均值为5.5，震级空间分布显示，震级偏大的台站多出现在震中的NE方向，与山东平原地震总体呈NE向单侧破裂引起的地震“多普勒效应”相符，各台站M_S(BB)震级的大小受到断层破裂的方向性影响。

（2）水平向加速度反应谱在空间上呈条带状分布，与断层走向基本一致，随着周期的增加，SA的空间条带状特征逐渐明显。

（3）根据地震宽频带面波震级与加速度反应谱的空间分布特征，结合地震构造背景，推断本次地震的发震构造可能属于高唐和陵县—阳信隐伏断裂体系。

据刘瑞丰等的初步研究结果（https://www.zhihu.com/question/615880829），本次地震的能量震级大于矩震级，视应力高于全球平均水平，地震辐射能量效率较高。结合本研究得到的宽频带面波震级与加速度反应谱空间分布特征均表现出明显的方向性特征，这2方面原因造成了本次地震震感范围大，震感强烈。