2020年7月12日河北唐山M5.1 地震破裂方向性快速測定

楊彥明，范 強，王 磊，黃瑞濱，賈君鵬，賈彥杰

（1. 內蒙古自治區地震局, 呼和浩特 010010；2. 河北紅山巨厚沉積與地震災害國家野外科學觀測研究站,河北 邢臺 055350；3. 河北省地震局, 石家莊 050021）

0 引言

據中國地震臺網中心測定，北京時間2020年7月12日6 時38 分24 秒在河北省唐山市古冶區（118.44°E，39.78°N）發生M5.1 地震，震源深度10 km[1]。本次地震發生于冀渤拗陷與燕山隆起交匯地區，地處唐山菱形塊體內部。研究表明，地震的孕育和發生與活動斷層緊密相關，中國大陸絕大多數中強地震均發生在活動斷裂發育的地區[2]。唐山地區構造活動強烈，中等強度地震頻發。繼1976年唐山M7.8地震序列發生以后，在余震區又發生了1979年9月2日Ms5.0、1991年5月30日MS5.1、1995年10月6日MS5.0 等3 次影響較大的中強地震（圖1）。本次地震是間隔近25年在該地區發生的又一次5 級左右的地震活動，震中距北京市區177 km，距天津市區132 km，地震造成北京、天津、河北震感明顯[3]。極震區烈度為V 度，等震線長軸呈NEE 走向，長軸約29 km，短軸約19 km[4]，距離震中最近的斷裂為唐山斷裂帶的分支斷裂（唐山-古冶斷裂），相距僅為6 km[1]。

圖1 研究區域主要地質構造及地震分布圖Fig. 1 geological structures and located epicenter of earthquakes

通常將震源近似為點源模型，利用地震波形數據反演獲得矩心矩張量解。震源機制解包含兩組節面，由于結果不包含震源破裂的空間信息[5]，無法直接判斷兩組節面哪個為真實的斷層面。一般情況下，需要通過地震現場地質調查、衛星測量地表形變以及地面強震動信息、烈度等震線資料、余震空間分布特征等地震學方法進行綜合分析來判斷真實破裂斷層面。因此，當破壞性地震發生后，無法快速測定地震破裂方向性。需要尋求新的方法，通過對地震破裂方向的研究，能夠在地震發生后快速測定震源機制解中真實的破裂斷層節面，對震區地震危險性評估和災后重建起到關鍵作用[6]，也為認識地震的發震機理提供重要指導[7]。

唐山隸屬于首都圈地區，地震臺站分布密集，地震監測能力較強，為本次地震積累了大量的觀測數據。本文利用國家測震臺網數據備份中心提供的河北、北京、天津、遼寧、內蒙、山東等區域地震臺網寬頻帶固定臺站近震數字波形資料[8]，采用gCAP 全波形反演方法[9-11]對唐山M5.1 地震的震源機制解進行反演計算。利用“先粗后細”的網格搜索算法[12]，在三維空間上獲得地震的矩心位置，再采用基于幾何學的震源-矩心（hypocenter-centroid，H-C）地震破裂方向性快速測定方法[13]推斷發震斷層面。最后，結合區域地質構造、余震序列的空間展布特征和等震線分布特點，綜合分析唐山M5.1地震可能的發震構造，同時對發震機制進行初步探討。

1 地質構造背景

本次地震震中位于陰山—燕山緯向構造帶東段的燕山隆起和NNE 向的冀魯坳陷的交匯部位。在陰山—燕山緯向構造帶內，主要由一系列東西向斷裂帶構成，而在冀魯坳陷內，以NE 向斷裂為主[14]。

震區位于燕山—渤海地震帶上，該地震帶是一條復合型構造帶，地震活動頻繁，西起鄂爾多斯塊體北緣，沿燕山南緣進入渤海[15]。自有地震觀測資料以來，張北-大同、唐山和渤海等3 個震區一直是燕渤地震帶內M4 以上地震高頻度、高強度發震的集中區，M5 以上地震主要集中分布在唐山震區，M7 以上地震僅發生在渤海和唐山兩震區[16]。震區所在唐山坳陷為NEE 走向的菱形塊體，四周被4 條深大斷裂所圍限，菱形塊體中央展布NE 走向的唐山斷裂帶，唐山斷裂帶東段為本次唐山地震震中所在位置。塊體南、北界分別為NEE 走向的寧河-昌黎斷裂和豐臺-野雞坨斷裂，東、西界分別為NE 走向灤縣-樂亭斷裂和薊運河斷裂[17]。該地區也是1976年7月28日唐山MS7.8 地震的主要余震區，余震區沿北東方向綿延展布近200 km。兩條NW 走向深大斷裂（薊運河斷裂和灤縣-樂亭斷裂）將唐山余震區分為3 個部分，分別分為東部區、中部區和西部區，本次唐山地震正處于唐山余震區的中部區。

2 數據與方法

2.1 數據來源

通過中國地震臺網中心獲得唐山M5.1 地震事件目錄，利用國家測震臺網數據備份中心[8]收集震中距300 km 內的寬頻帶固定臺站近震波形資料（圖2），剔除數據質量較差、信噪比低的數據，最終選取臺站方位角分布良好的11 個臺站參與gCAP反演計算。研究區的平均地殼速度結構模型[18]如圖3b 所示。

圖2 地震震中和臺站分布圖Fig. 2 seismic epicenter and local stations

圖3 震源機制解擬合結果、速度模型及誤差分布圖Fig. 3 The result of focal mechanism, velocity model and RMS distribution

2.2 研究方法

采用Zhu 等[10]提出的gCAP（Generalized Cut and Paste）方法獲取主震震源機制解。其優勢在于反演時提高體波（Pnl）的權重，有效消除速度模型缺陷和地震定位誤差帶來的影響，計算理論地震圖和觀測波形之間的誤差函數，尋找最佳的震源機制參數，最終獲得主震震源機制解、質心深度和矩震級。

通常，利用臺站到時確定震源坐標表征地震破裂的開始位置；矩心由震源機制反演獲得，是斷層主要滑移區的點源近似，代表地震破裂斷層面的重心位置。對于中強地震，為了尋找更加準確的矩心坐標，以震源為中心，根據破裂尺度，在三維空間中劃分網格，采用網格搜索算法，在整個網格空間搜索獲得最小誤差的最優解，同時得到矩心的空間坐標[12，19]。最后，將震源機制解的2 個節面、矩心和震源同時投影到三維空間，利用H-C 方法[13]進行地震破裂方向性快速測定。該方法簡單、高效，在獲得較為可靠的地震破裂起始位置以及地震破裂斷層面的重心位置，能夠快速測定地震破裂方向性[12]。

2.3 數據處理

對篩選出的數據波形，將數據格式轉換為SAC 格式；以0.2 s 采樣率進行重采樣，經過去趨勢、去均值、去傾斜、去儀器響應等處理，截取P 波理論到時前10 s 至后900 s 的波形，用0.05～2.00 Hz的巴特沃茲帶通濾波器濾波，以降低高頻噪聲的影響；坐標轉換至大圓路徑，將三分量E（水平東西向）、N（水平南北向）、Z（垂直向）旋轉為R（徑向）、T（切向）、Z（垂直向）后，手動拾取P 波初動到時。

采用gCAP[10]進行震源機制反演時，設定體波時窗長度為30 s，面波時窗長度為60 s。為保證結果的可靠性，提高信噪比，將波形數據截斷為體波部分（Pnl）和面波（S）部分，分別采用0.05～0.15 和0.05～0.10 Hz 的4 階巴特沃茲帶通濾波器進行濾波，搜索步長分別為0.1°和5°，體波和面波的比例因子p分別為1 和0.5。

3 結果

3.1 矩心深度

將震源機制解的反演誤差作為震源深度函數，比較誤差隨震源深度的變化關系，利用不同深度的最佳震源機制解結果，以波形最小擬合均方根誤差作為河北唐山M5.1 地震最佳質心深度。如圖3c 所示，除距離地表較近的深度（1～5 km）顯示為斜滑外，其余深度上震源機制解變化不明顯，均表現為以走滑型為主，地震最佳質心深度為18 km，震級為MW5.01。本文結果與GCMT 給出的質心深度結果（23 km）較為接近。

3.2 矩心位置及震源機制解

矩心相對于地震破裂的起始位置（震源），可能會發生偏移。為了尋找最佳矩心位置，在矩心深度18 km 的基礎上，以震中為中心，分別在17 km、18 km、19 km 深度上，參考震源斷層破裂長度建立網格，搜索矩心的精確位置。

通過不同震級對應最長斷層長度關系式[20]（公式（1））以及主震震級與余震區長軸統計關系[21]（公式（2））估算本次地震破裂長度。

式中：M為震級；L為長度。

根據式（1），估算震源斷層破裂長度為7.19 km，由式（2）估算余震區長軸范圍為5.38～8.15 km。根據斷層破裂尺度隨震級的經驗公式[22]可知，震級為5～6 級時，斷層破裂長度為3～15 km。通常選取理論破裂長度最大值作為震源斷層理論破裂長度，故初步設置本次地震的震源斷層破裂長度約為15 km，建立相應的網格。

本文采用“先粗后細”的網格搜索算法[12]，快速尋找到最佳矩心位置。以震中為中心，首先建立7×7 個“粗”網格，每個粗網格單元為5 km×5 km，利用格點搜索算法，將實際數據與理論地震圖進行波形擬合，尋找誤差最小的網格點CA-min；然后，以Cmin為中心，建立11×11“細”網格，每個細網格單元為1 km×1 km，再次采用格點搜索算法，尋找理論地震圖與實際波形擬合誤差最小的網格點位置CB-min；最終，采用“先粗后細”網格搜索算法確定唐山M5.1地震矩心的精確位置為（39.668°N，118.295°E，18 km），以及該地震最佳震源機制解（圖3a），其節面Ⅰ和節面Ⅱ分別為150°/76°/-14 和243°/76°/-166。

3.3 破裂方向性快速測定

利用本文測定的震源機制解以及矩心位置，使用基于幾何學H-C 方法[13]進行地震破裂方向性快速測定，震源位置來源于中國地震臺網中心（CENC）（表1）。將震源機制解中的2 個節面、震源和矩心同時投影到三維空間（圖4），分別計算震源與2 個節面以及震源和矩心之間的距離。CENC 的定位結果（39.78° N ，118.44°E，10 km）與節面Ⅰ（NNW 走向，綠色）距離為14.67 km，與節面Ⅱ（NEE 走向，紅色）距離為7.56 km，震源和矩心相距19.32 km。測定結果顯示，震源位置與節面Ⅱ的距離最小。因此，初步判斷節面Ⅱ為發震斷層面，破裂方向性為NEE 走向。

表1 主震震源參數Table 1 Source parameters of main event

圖4 H-C 方法結果Fig. 4 The H-C plot of the preferred solution

4 分析與討論

4.1 震源機制中心解及穩定性分析

不同影響因素下計算得到的震源機制解存在一定差異[23]。表2 顯示不同機構和學者給出的本次唐山M5.1 地震震源機制解，各震源機制解的節面參數存在一定差異，但均顯示以走滑型為主。為了在不同來源的震源機制解中確定一個合適的解進行后續分析，本文采用萬永革[23]的方法，分別以不同來源的震源機制解為初始值，計算中心震源機制解，得到標準差。如表3 所示，中心震源機制解的標準差最小值為12.510549，最終確定中心震源機制解的節面Ⅰ為145.63°/80.68°/-16.58°，節面Ⅱ為238.39°/73.65°/-170.28°。

表2 不同機構給出的地震點源參數Table 2 Point source parameters from various sources

表3 不同震源機制解結果獲得的中心解及其誤差Table 3 central focal mechanism given by different focal mechanism solutions and residuals

中心震源機制解也可以測試震源機制反演結果的穩定性[23]，檢驗本文結果與其他機構和學者的震源機制解之間的總體偏差。最小三維空間旋轉角（minimum rotation angle ，MRA）用來表達2 個震源機制之間的差別，測定不同來源的震源機制解之間的一致性[24]。選取本文得到的震源機制中心解為參考值，獲得其與各初始震源機制的MRA，如表3第5 列所示。除4 個結果的MRA 大于10°外，其余大部分MRA 均在10°以內，表明不同的研究結構和學者的震源機制結果基本一致，標準差均在萬分位出現差異，也表明各震源機制解較穩定。

將初始震源機制解和中心震源機制解繪于同一震源球上。由圖5 可知，除序號10 外，其余各震源機制解分布較為集中，結果較為一致。本文反演的震源機制解處于中心解的不確定范圍之內，也表明震源機制解結果是穩定的，可信度較高。本文gCAP 反演震源機制解與震源機制中心解之間MRA 僅為5.90°，偏差較小。綜合分析認為，本文結果是可靠的。各機構的震源機制解之間存在的偏差在可接受的范圍內。造成偏差的原因與臺站波形資料、速度結構模型、反演方法有關。

圖5 中心震源機制解Fig. 5 Central focal mechanism

4.2 破裂方向測定結果的可靠性驗證

利用本文測定的震源機制解以及矩心位置，使用H-C 方法[13]進行地震破裂方向性快速測定，判斷節面Ⅱ為發震斷層面。為進一步驗證結果的可靠性，分別利用HBENC、USGS 和GCMT 給出的震源參數（表1）進行地震破裂方向性快速測定。矩心數據來源于本文結果和GCMT，分別設置矩心三維空間坐標為A（39.668°N，118.295°E，18 km）和B（39.770°N，118.520°E，23 km）。

首先，當矩心為A位置時，結果顯示（表4），HBENC 的震源位置與節面Ⅰ、節面Ⅱ和矩心的距離分別為53.43 km，39.12 km 和60.84 km；USGS 的震源位置與節面Ⅰ、節面Ⅱ和矩心的距離分別為13.10 km，6.97 km 和17.84 km；GCMT 的震源位置與節面Ⅰ、節面Ⅱ和矩心的距離分別為13.41 km，6.84 km 和18.06 km。不同機構給出的震源位置均與節面Ⅱ的距離最短，雖然震源位置存在一定偏差，但3 組測定結果均顯示節面Ⅱ（243°/76°/-166°）為發震斷層面。

表4 H-C 方法測定結果Table 4 computed result using H-C method

其次，當矩心為B位置時，CENC 的定位結果與節面Ⅰ和節面Ⅱ的距離分別為7.52 km 和 6.92 km，震源和矩心相距14.74 km；HBENC 的定位結果與節面Ⅰ和節面Ⅱ的距離分別為30.56 km 和25.31 km，震源和矩心相距41.81 km；USGS 的定位結果與節面Ⅰ的距離為10.00 km，與節面Ⅱ距離為7.25 km，震源和矩心相距15.29 km；GCMT 的定位結果與節面Ⅰ距離為9.74 km，與節面Ⅱ距離為7.03 km，震源和矩心相距15.11 km。4 組測定結果均顯示，與節面Ⅱ的距離最小，判斷節面Ⅱ為發震斷層面。

由于各個機構給出的震源機制解之間均存在一定差異，為此，利用震源機制中心解的兩個節面參數以及本文和GCMT 給出的矩心位置，再次利用H-C 方法進行破裂方向測定。如表4 所示，當矩心分別為A和B位置時，不同機構給出的震源位置存在一定偏差，但8 組測定結果均顯示與節面Ⅱ的距離最小，節面Ⅱ為發震斷層面。

根據全部16 組H-C 方法測定結果（表4），各個機構給出的震源位置與NEE 走向的節面Ⅱ距離最短，與NNW 走向的節面I 距離較遠，可靠性驗證的測定結果與破裂方向性快速測定結果均一致。綜合分析認為，距離小的節面為發震斷層面，因此本文推測NEE 走向的節面Ⅱ為本次唐山M5.1 地震的發震斷層面。

4.3 發震構造分析

構造地震的發生主要受區域應力作用的方式和規模、發震斷層的產狀以及復雜斷層系統相互作用方式等的約束[30]。唐山M5.1 地震震源機制獲得兩組節面參數，節面Ⅰ為150°/76°/-14°，節面Ⅱ為243°/76°/-166°。使用基于幾何學H-C 方法進行地震破裂方向性快速測定，顯示節面Ⅱ為發震斷層面。為保證測定結果的準確性，實際的發震構造需要根據震源區域的地質構造特征、余震分布以及地震烈度等震線等信息進行綜合驗證。

余震序列的分布趨勢能直觀地揭示發震斷層面的破裂延伸方向。多位研究者對唐山M5.1 地震序列進行重定位研究[26-28，31]均表明，余震主要分布在唐山-古冶斷裂的東北部，重定位后的地震序列優勢分布方向明顯，沿NEE 向展布。余震序列優勢分布方向與本文獲得的震源機制解中節面Ⅱ走向一致，均為NE 向。

此外，地震烈度等震線的特征也是判斷發震構造的重要參考因素之一。根據河北省地震局發布的本次地震烈度調查結果顯示，極震區烈度為V 度，等震線長軸呈NEE 走向，長軸約29 km，短軸約19 km[4]，等震線長軸基本沿唐山-古冶斷裂分布。等震線長、短軸之比為近似為2:1，NEE 向構造作用優勢明顯[31]。烈度圈中極震區的長軸方向與主震的斷層面走向基本一致，與震源機制解的節面Ⅱ走向吻合。

唐山斷裂帶整體走向為NE 向，其中唐山-古冶斷裂為正斷層性質，其東北段走向為北偏東50°，傾向NW，傾角約為70°～80°[32]。本文測定的震源機制解顯示為右旋走滑為主，略帶正斷分量，節面Ⅱ屬性顯示為走向NEE，傾向NW，具有高傾角的性質，與唐山-古冶斷裂基本吻合。綜合分析認為，唐山-古冶斷裂的屬性、余震序列空間分布特征、極震區烈度圈長軸方向，均與節面Ⅱ的性質基本一致。節面Ⅱ為地震斷層面，NW 向唐山-古冶斷裂是控制本次地震的發震斷層。

4.4 發震機制分析

總體NE 走向唐山斷裂帶圍限于唐山菱形塊體中央部位，構成菱形塊體的短對角線，活動制約于周圍4 條深大斷裂帶，容易形成相對閉鎖段[14]。根據相關學者的研究成果，在本次地震的震源區存在NW 走向的活動隱伏斷層[33-34]，NE 走向的唐山斷裂帶和NW 走向的隱伏斷層的走向與本次地震震源機制解中的兩組節面的走向基本一致。從平面上（圖6）看，在震源區附近，NE 走向的兩組斷裂為唐山斷裂帶和塊體北界豐臺-野雞坨斷裂，NW 走向的兩組斷裂分別為活動隱伏斷層和塊體東界灤縣-樂亭大斷裂。這4 組斷裂在唐山菱形塊體東北部相交匯，交匯區易形成應力集中區，也正因為不同走向的斷裂相交匯，其連貫性較差，在區域上容易造成應力閉鎖。隨著應力的累積，當其超過巖層所能承受的強度時，最終在NE 向斷層上產生應力突然釋放，從而引發地震。

圖6 唐山M5.1 地震發震構造圖Fig. 6 Seismogenic Structure of the Tangshan M5.1 Earthquake

此外，相關學者研究表明，中強地震易發生于地殼內高速與低速轉變的過渡區，絕大多數地震震源位于高速體一側[35-37]。唐山地區上地殼為15 km，康拉德界面連續性較好[38]。余震序列的震源深度主要分布在10～18 km[28，31]，顯示地震集中分布在中上地殼。地殼層析成像研究結果表明，在15 km 深度范圍，存在P 波低速異常區與高速異常區轉變的過渡區[39]，波速對比強烈。由于幔源物質上涌[40]，導致震源區廣泛存在的中、下地殼低速層。上地殼總體偏脆性，中下地殼由于流體存在，主要為韌性變形，兩部分的介質參數差異較大。在板塊內部各塊體之間相互作用以及運動過程中，具有低速、高導的韌性層可能會起到底部邊界作用和解耦作用，為應力集中、調整以及釋放提供必要條件[41]。因此認為，唐山M5.1 地震是在深、淺地質構造共同控制下發生的應力釋放事件。

5 結論

1）利用gCAP 反演方法，獲得2020年7月12日唐山M5.1 地震的最佳震源機制解，其節面Ⅰ和節面Ⅱ分別為150°/76°/-14°和243°/76°/-166°，矩震級MW5.01。采用“先粗后細”的網格搜索算法， 快速尋找到最佳矩心位置為39.668°N，118.295°E，深度18 km。

2）利用各機構和相關學者給出的震源機制解獲得中心震源機制解。結果顯示，此次地震為以右旋走滑為主的性質，中心震源機制解的節面Ⅰ為145.63°/80.68°/-16.58°， 節面Ⅱ為 238.39°/73.65°/-170.28°，震源機制解較穩定。

3）使用Hypocenter-Centroid 方法，進行地震破裂方向性快速測定。根據16 組H-C 方法測定結果，各個機構給出的震源位置與NEE 走向的節面Ⅱ的距離最小，與NW 走向的節面I 距離較遠，均顯示節面Ⅱ為發震斷層面。

4）綜合利用震源區的地質構造、余震序列分布、烈度等震線等有關研究成果，對地震破裂方向性快速測定結果進行綜合驗證，判斷此次地震斷層面為NEE 走向的節面Ⅱ，唐山-古冶斷裂是發震斷層，是一次以右旋走滑為主的地震事件。

5）本次地震發生于NE 走向斷裂和NW 走向斷裂的交匯地帶，易形成應力集中區，造成應力閉鎖，隨著應力的累積，最終在NE 向斷層上產生應力突然釋放，從而引發地震。同時，該地震也發生于地殼內低速異常區與高速異常區轉變的過渡區，位于高速體一側，是在深、淺地質構造共同控制下發生的一次應力釋放事件，屬于唐山斷裂帶強烈活動的響應。

致謝感謝中國地震臺網中心提供地震事件目錄，余震序列地震目錄從河北省地震臺網獲得，地震序列重定位所用震相數據來自中國地震臺網中心震相觀測報告。中國地震局地球物理研究所“ 國家數字測震臺網數據備份中心”（doi:10.11998/SeisDmc /SN）為本研究提供地震波形數據，美國圣路易斯大學地球與大氣科學系朱露培教授提供gCAP 程序包，防災科技學院萬永革教授提供震源機制中心解程序，部分圖件使用GMT（Generic Mapping Tools）進行繪制，斷層數據來源于2003年由鄧起東院士編制的斷裂資料，唐山斷裂帶數據來源于河北省震災風險防治中心。匿名審稿專家給予寶貴修改意見，他們的建議對提升本文質量具有重要幫助，在此一并表示衷心感謝。