0 引言

测量一个地区地震的震源参数, 是了解该地区地震破裂过程和深部构造应力的一种方法, 因而可应用于地震预报(陈运泰等, 1976)。现有观测技术无法直接探测地下深部构造状态, 一般通过震源机制、应力降、地震矩等来研究局部应力场的情况(陈学忠, 2005)。“八五”期间, 地震波频谱特征的研究是预报方法研究中的一个重要方面, 通过纵波和横波的频谱特征, 发现峰值频率等7个参数在较大地震前均有不同程度的变化(冯德益等, 1994)。1976年唐山7.8级地震的发生导致了断层所在地区的应力大部分得到释放, 使得该地剩余应力水平变低, 而主震的破裂带至余震区两端, 即滦县卢龙地区和宁河地区, 可能不属于主震的应力释放区, 而主要属于由主震引起的应力增高区, 小震的高应力降说明这些地区主震后有较高的应力水平(靳雅敏等, 1982)。大地震发生后, 通过跟踪余震区中小地震应力降的变化, 可以了解震源区应力状态, 为后续震情跟踪和地震预报提供参考资料。2020年7月12日6时38分25秒, 河北省唐山市古冶区(118.46°E, 39.77°N)发生M5.1地震(简称唐山M5.1地震), 震源深度10km, 统一快报目录显示截至2020年7月30日, 本次唐山地震序列共记录到M_L＞0地震163次(图 1), 其中, 0≤M_L≤0.9地震114次, 1.0≤M_L≤1.9地震42次, 2.0≤M_L≤2.9地震6次, 5.0≤M_L≤5.9地震1次, 即7月12日唐山M5.1地震。主震与次大地震之间的震级差为3.1, 且主震占整个序列的能量比为99.99%, 表明本次唐山M5.1地震为孤立型地震。

2019年12月5日河北丰南发生M4.5地震, 7个月后2020年7月12日河北唐山发生M5.1地震, 这是继1995年10月6日唐山古冶M5.0地震后, 时隔25年唐山老震区发生的最大的一次地震。唐山老震区在短短7个月内相继发生M4.5和M5.1地震, 说明区域应力水平有较大变化。本文基于2016—2020年唐山老震区的地震资料, 使用Brune圆盘位错模型(Brune, 1970)和遗传算法(Moya et al, 2000), 通过多台地震波形记录, 在频率域中反演地震事件震源参数, 探索河北唐山M5.1地震前小震震源参数的变化。

1 资料和方法

河北省测震台网实时接收省内和周边山西省、山东省、河南省、内蒙古自治区168个台站的数据, 省内大部分地区监测能力达到M_L1.5, 唐山老震区2012年地震监控能力为M_L0.9(李冬圣等, 2015), 2014年新建滦县地震台(LUX), 使得该区地震监测能力得到进一步提高。唐山M5.1地震震中100km范围内有21个测震台站, 距离本次地震最近的测震台站为陡河地震台(DOH), 震中距约为15km。

本文重点研究唐山老震区(117.5°~119.5°E, 39°~41°N)在唐山M5.1地震前M_L≥2.5地震活动的震源参数特征。唐山老震区地震活动可以分为3个区, 分别为西区、中区和东区, 如图 2所示, 从震中分布图上看, 2016年1月—2020年7月M_L≥2.5地震大部分集中在中区, 唐山老震区40年地震时空演化显示, 唐山断裂的东端小震集中, 强度高, 未来有发生中强地震的危险(张素欣等, 2017), 本次唐山M5.1地震就发生在该区域。鉴于2019年12月河北丰南刚发生M4.5地震, 而且近2年满足计算震源参数的地震事件较少, 故将研究时段提前至2016年。

计算这一地区地震波衰减特征和所使用台站场地响应, 是计算震源参数的第一步, 本文使用河北省测震台网2009—2014年M_L≥2.5地震事件反演得到河北地区的Q值以及各个台站的场地响应结果。从地震波形记录中扣除仪器响应、场地响应和传播路径效应, 使用信噪比超过2的台站参与计算, 得到每个台站对同一地震的震源谱, 再对多个台站得到的震源谱求平均值, 得到该地震的震源位移谱, 利用遗传算法对震源位移谱进行拟合, 依据Brune圆盘震源模型, 得到震源谱参数零频极限Ω₀和拐角频率f_c。采用下式计算地震矩M₀、震源半径r和应力降Δσ等震源参数(赵英萍等, 2004；华卫, 2007)

$ \begin{array}{c} M_{0}=\frac{4 \pi \rho v_{\mathrm{s}}^{3} \varOmega_{0}}{2 R_{\theta \phi}} \end{array} $

(1)

$ r=\frac{2.34 v_{\mathrm{s}}}{2 \pi f_{c}} $

(2)

$ \Delta \sigma=\frac{7 M_{0}}{16 r^{3}} $

(3)

式中：ρ为密度, v_S为S波速度, 根据河北地区地壳一维速度模型, v_S取值3.55km/s(王莉婵等, 2016)；$R_{\theta \phi} $为SH波的辐射花样系数, 取值$ \sqrt{2 / 5}$。

2 计算结果及分析 2.1 唐山震区台站场地响应

影响震源参数计算结果的因素较多, 如研究区介质密度、震源辐射因子、拐角频率等。震源谱由多个台站平均计算获得, 减弱了辐射因子对计算结果的影响, 而区域介质密度不确定性所导致的应力降不确定性远小于实际应力降随时间的变化, 亦可忽略其影响(周少辉等, 2017)。拐角频率和零频极限计算涉及噪声项、仪器项、传播路径效应和台站场地响应等影响因素, 由于使用的台站固定、台站周围环境无较大改变, 因此对计算结果影响不显著(刘杰等, 2003；周少辉等, 2018)。场地响应受较多因素的影响, 如台基、地质构造等(张红才等, 2015), 计算唐山地区地震的震源参数主要使用河北省内秦皇岛、唐山、承德等地的一些台站。由于这些台站中的部分台站处于第四系沉积层或黄土层, 对地震波信号放大作用较大, 因此计算过程中尽量使用了基岩台站, 基岩台站的场地响应在大部分频段内较平坦, 例如在计算震源参数中使用较多的青龙台(QIL)、兴隆台(XIL)等台站, 由图 3所示, 这些台站场地响应均在1附近, 随频率变化较为稳定, 无明显的放大或缩小(蔡玲玲等, 2020), 能较好地记录不同频段内的地震动, 且场地响应取多震平均结果, 减少了对计算结果的影响。

2.2 震源参数之间的相互关系

使用2016年1月—2020年7月河北省测震台网记录地震事件波形, 最终计算得到85个地震的震源参数。应力降和震级之间存在复杂的关系, 一些学者认为, 应力降有随震级增加而增大的趋势(Mayeda et al, 1996；赵翠萍等, 2011；华卫等, 2012)。从图 4(a)中可以看出, 应力降随震级分布离散, 在2.5≤M_L≤3.5之间应力降主要集中在2MPa以内, 无明显的对应关系, M_L≥4.0地震较少, 但应力降有随震级增大而增大的趋势, 唐山M5.1地震应力降为10.3MPa, 是计算时段内应力降值最高的事件。

描述地震波谱的主要特征参数是拐角频率, 其反映了地震波不同频率能量的分布。拐角频率的变化对其他震源参数影响较大, 使用遗传算法搜索得到拐角频率避免了目视误差, 多台震源谱取平均值消除了震源的方向性效应(蔡玲玲等, 2016), 保证了其他震源参数的可靠性。从图 4(b)中可以看出, 拐角频率与震级无明显的关系, 但有随震级增大而减小的趋势, 唐山M5.1地震拐角频率为1.965Hz, 是计算时段内拐角频率最低的事件。

地震矩是表示地震释放能量的物理量, 标志地震的大小, 数值相当于断层面错动面积、地震错距与切变模量三者的乘积。图 4(c)为地震矩与震级的关系图, 由图可知, lgM₀与M_L有较好的线性关系, 其相关系数为0.96。震源尺度是一个与地震强度、震源区地下结构等相关的量(赵英萍等, 2004), 图 4(d)显示震源尺度与地震矩之间存在半对数的关系。

85个地震的震源深度在20km以内, 有研究表明中小地震释放的应力降与震源机制解无明显相关性, 震源深度小于20km时, 应力降对深度的依赖不明显(赵翠萍等, 2011)。图 5为应力降数值分布统计, 应力降的变化范围为0.1~10.3MPa, 且主要集中在0.1~1.0MPa, 应力降小于2MPa的地震68个, 占研究地震总数的81%。

2.3 震源参数随时间变化分析

2019年12月5日河北丰南M4.5地震后至2020年7月12日唐山M5.1地震前, 唐山老震区共发生7次2.5≤M_L≤2.8地震, 其中丰南M4.5地震当天发生1次M_L2.5余震, 由于没有满足信噪比的台站, 无法进行震源参数计算。应力降与震级之间关系复杂, 为了避免震级影响, 提取85个样本中震级范围为2.5≤M_L≤2.8的震源参数进行分析。

应力降是可以从震源谱中得到的一个重要参数。通常认为, 地震是区域应力积累到一定程度, 在超过局部临界强度时发生的。应力降为地震时断层面上所释放的应力, 通过应力降可以了解震前和震后的构造状态, 在Brune圆盘震源模型下计算中小地震震源参数, 在一些合理的假设条件下, 应力降约为视应力的4.3倍(李艳娥等, 2007), 视应力是地震效率和平均应力的乘积, 可作为评估地壳应力水平的重要参数(吴忠良等, 2002), 因此, 应力降也可反映地壳应力水平。按照应力降分布统计, 本文将应力降超过2MPa的地震事件定为高应力降事件。从图 6(c)中可以看出, 在统计震级范围内, 有6次高应力降事件, 其中在唐山M5.1地震前后有3次。

具体情况如下：

2020年1月2日河北滦州M_L2.6地震, 应力降为2.547MPa, 拐角频率13.659Hz。此次事件距离2019年丰南M4.5地震70km, 鉴于丰南地震序列衰减较快, 12月8日序列基本结束, 余震序列分布较集中^①, 因此不认为该高应力降事件是受丰南地震影响产生的。

① 王亚茹等, 2019, 2019年12月5日河北唐山丰南4.5级地震序列及后续地震趋势分析报告. 内部资料.

2020年5月26日河北滦州M_L2.8地震, 应力降为2.365MPa, 拐角频率12.179Hz。该事件是在唐山老震区M_L3.0地震异常平静220天、M_L2.0地震异常平静46天的背景下发生的, 而且是M_L2.0地震平静被打破至唐山M5.1地震前仅发生的2次M_L2.5以上地震中的1次。对地震活动异常平静的分析是地震学分析预报方法中比较基本的时间进程分析方法, 反映了平静地区在一定时段内应变的积累(张国民等, 2001)。“平静”降低了地震导致的应力释放率, 按照平均构造加载来估算, 这里的应力水平可能会增强, 平静后的小震应力降值较高也证明了这一点。

2020年7月12日唐山M_L2.6地震, 是唐山M5.1地震的余震, 应力降为2.644MPa, 拐角频率为15Hz。此次事件应力降值较高, 考虑是由于主震发生后震源区应力水平调整造成的。

如图 6所示, 高应力降事件不但应力降值较高且拐角频也率较高, 震源尺度较小, 表明单位体积释放能量较多。肖蔚文(1990)发现1982年卢龙地震前有高应力降事件发生, 认为高应力降事件的出现是震源区高构造应力和该地区可能发生较大地震的标志。1996年陡河地震前有多次高拐角频率地震事件, 也被认为是高应力降事件(张天中等, 2000), 2020年1月和2020年5月的高应力降事件不但属于高应力降事件, 同时也是高拐角频率事件。

2.4 震源参数在空间的变化

唐山地区位于阴山-燕山断褶带和冀鲁断块坳陷之间的菱形块陷, 被深大断裂包围, 块体中央有一条NE向唐山断裂带(图 7), 块体东界为滦县-乐亭大断裂, 西界为蓟运河深断裂, 两条断裂走向均为NW向(张素欣等, 2017)。如图 7所示, 2016年17个地震事件位置比较集中(图 7中方形图标), 均在2016年9月唐山4.1级地震附近, 应力变化出现高低相间的波动现象(王宁等, 2018)。2017—2018年地震分布相对零散, 但主要沿唐山断裂带分布, 2019年1月—2020年7月, 地震主要分布在唐山断裂带北段和滦县-乐亭断裂附近, 相比2017—2018年地震活动范围更集中一些。

此次唐山M5.1地震靠近唐山断裂与滦县-乐亭断裂, 位于1976年唐山7.8级地震余震区内。从图 7可以看出, 2次高应力降事件均集中在唐山M5.1地震震中附近, 其中2020年1月滦州M_L2.6和2020年5月26日滦州M_L2.8地震, 分别距唐山M5.1地震震中17km和15km。

唐山M5.1地震震中位置在2017年曾发生3次高应力降事件, 据河北省测震台网目录统计, 2018年8月5—14日该区曾发生M_L≥1.0地震31次, 最大地震为2018年8月5日河北唐山M_L3.9地震, 从发震时间和震中位置上来看, 认为这3次高应力降事件与2018年8月唐山震群活动有关, 是震群活动前该区应力集中的一个体现。

3 讨论和结论

(1) 对河北省测震台网2016年1月—2020年7月唐山老震区M_L≥2.5地震波形数据反演震源谱, 通过遗传算法对地震震源谱与理论震源谱进行了拟合, 得到了应力降、地震矩、震源半径等震源参数。得出唐山M5.1地震应力降为10.3MPa, 拐角频率为1.965Hz, 这是计算时段内应力降值最高、拐角频率最低的事件。应力降与震级的关系存在争议, 一些学者认为, 应力降呈现随震级增加而增大的趋势(Mayeda et al, 1996；赵翠萍等, 2011；华卫等, 2012)。本研究发现该时段内应力降随震级分布离散, 当震级在2.5≤M_L≤3.5, 应力降主要集中在2MPa以内, 未发现明显的对应关系, 当震级在M_L≥4.0时, 应力降有随震级增大而增大的趋势。

(2) 研究时段内应力降数值范围在0.1~10.3MPa, 且主要集中在0.1~1.0MPa, 应力降小于2MPa的地震68个, 占研究地震总数的81%, 根据应力降的分布和集中情况, 本文将应力降超过2MPa的地震事件定位为高应力降事件。

为了避免震级大小对应力降分析的影响, 结合唐山M5.1地震前M_L≥2.5地震活动情况, 提取震级范围为2.5≤M_L≤2.8的震源参数进行时空分析, 得出2019年丰南M4.5地震后有3次高应力降事件。2020年1月2日高应力降事件距2019年丰南M4.5地震震中70km, 不认为其是受丰南地震影响产生的, 2020年5月26日高应力降事件发生在唐山M5.1地震前, 2级地震平静46天、3级地震平静220天的背景下, 在地点和发震时间上均表明这2次高应力降事件可能是唐山M5.1地震前震源区构造应力较高的一个标志。2020年7月12日的高应力降事件, 是主震发生后震源区的应力水平调整的表现。

(3) 应力降随时间的变化与序列中强余震的发生有一定的关系, 应力降在空间的变化也与强余震发生地点有一定的相关, 跟踪余震应力降的时空变化, 可能为强余震判定提供一定的参考(周少辉等, 2017)。跟踪唐山M5.1地震序列, 发现0级以上余震最大日频次出现在主震当日, 达58次, 次日频度仅有20次, 其后余震频次衰减较快。M_L≥2.0地震发生6次, 有5次发生在7月12日, M_L≥2.5地震发生2次且均在主震当日, 由于数据较少, 无法通过震源参数来跟踪序列的发展。值得注意的是, 7月21—27日唐山老震区未发生M_L≥1.0地震, 统计2000年以来唐山老震区M_L≥4.0地震序列, 均未发生类似情况。唐山M5.1地震的发生, 打破了唐山老震区5级地震长时间平静, 该区在2019年12月5日发生丰南M4.5地震, 2020年7月12日发生唐山M5.1地震, 表明区域应力水平相对较高, 中强地震活动可能仍将持续。