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2020年7月12日唐山MS5.1地震前后视应力变化

王宁 杨春利 王亚玲 王莉婵 李冬圣 蔡玲玲

王宁,杨春利,王亚玲,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震前后视应力变化[J]. 华北地震科学,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015
引用本文: 王宁,杨春利,王亚玲,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震前后视应力变化[J]. 华北地震科学,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015
WANG Ning,YANG Chunli,WANG Yaling,et al. Apparent Stress Changes before and after the Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015
Citation: WANG Ning,YANG Chunli,WANG Yaling,et al. Apparent Stress Changes before and after the Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015

2020年7月12日唐山MS5.1地震前后视应力变化

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.03.015
基金项目: 河北省地震局三结合课题(DZ20190422039);河北省地震局星火计划面上项(DZ20190422038);河北省地震局星火项目(DZ20180319008)
详细信息
    作者简介:

    王宁(1988-),女,河北馆陶人,工程师,主要从事地震监测和大震速报工作. E-mail:819087955@qq.com

  • 中图分类号: P315.63

Apparent Stress Changes before and after the Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020

图(7) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-28
  • 网络出版日期:  2021-08-10
  • 刊出日期:  2021-07-20

2020年7月12日唐山MS5.1地震前后视应力变化

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.03.015
    基金项目:  河北省地震局三结合课题(DZ20190422039);河北省地震局星火计划面上项(DZ20190422038);河北省地震局星火项目(DZ20180319008)
    作者简介:

    王宁(1988-),女,河北馆陶人,工程师,主要从事地震监测和大震速报工作. E-mail:819087955@qq.com

  • 中图分类号: P315.63

摘要: 2020年7月12日河北唐山发生MS5.1地震,震中位置位于唐山老震区,是1995年之后唐山地区最大地震。选取河北台网监测到的2016年1月1日至2020年12月24日期间河北唐山地区ML≥2.5地震,利用Brune模型,计算出震源区相应地震的视应力值,分析震源区应力调整过程;利用CAP和GPAT两种方法计算河北唐山MS5.1地震震源机制解,并结合震源区附近地质构造分析其发震构造,结果显示:①地震前后视应力变化过程为主震前趋势升高—震时达到峰值—震后趋势下降;②主震发震断层为唐山-古冶断裂,错动方式为右旋走滑型。

English Abstract

王宁,杨春利,王亚玲,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震前后视应力变化[J]. 华北地震科学,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015
引用本文: 王宁,杨春利,王亚玲,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震前后视应力变化[J]. 华北地震科学,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015
WANG Ning,YANG Chunli,WANG Yaling,et al. Apparent Stress Changes before and after the Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015
Citation: WANG Ning,YANG Chunli,WANG Yaling,et al. Apparent Stress Changes before and after the Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(3):99-104. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.03.015
    • 地震视应力[1]是用来表示震源区应力水平变化的物理量,可用于估计区域绝对应力水平的变化[2]。Frank等发现1984年发生的艾德克岛Mb5.8地震前,震中附近Adak断裂带上视应力有升高的现象[3];Choy和Boatwright讨论了全球视应力分布特征[4];吴忠良等分析了中国大陆地震视应力空间分布规律[2];陈学忠等提出视应力可能作为判定震后趋势的一个参考[5];秦嘉政等论证了云南地区高视应力集中区与中小地震活动性相关[6];杨志高等研究了紫坪铺水库地区蓄水前后视应力标度率变化特征,发现其变化可能是蓄水后地震物理源物理过程逐渐变化的直接反映[7];岳晓媛等分析了2012年河北唐山MS4.8地震前首都圈东部地区出现视应力高值集中区的现象[8]

      2020年7月12日6时38分25秒,河北省唐山市古冶区发生MS5.1地震,震中位置为唐山老震区。自40多年前1976年7月28日河北唐山发生7.8级地震(距主震震中约28 km)后,时间和空间上据此次地震最近的MS5.0以上地震为1995年10月6日河北唐山古冶区5.0级地震(距主震震中约6 km)。唐山老震区断裂构造及其地震的破裂过程极为复杂,断裂构造上发生的地震受区域应力场控制[9]。赵建涛等反演唐山地震余震震源机制解[10],并分析唐山地区现代构造应力场的主应力值;李轶群等对唐山地震及其余震区小震综合节面解进行分区分析[11],发现不同区域应力场有细微差别;杨雅琼等使用唐山地区255个震源机制解对唐山地震序列宁河、昌黎、滦县、唐山几个子段的应力场进行反演[12],发现他们的最大主压应力方向均呈近EW向,且唐山地区地震活动有一定的继承性。

      本文通过分析唐山地区ML≥2.5地震视应力变化特征,研究MS5.1地震前后震源区应力调整状态,并结合震源机制解、地震地质初步分析发震构造,以期为震后趋势研判提供一种依据。

    • 据河北区域地震台网测定,自2020年7月12日唐山MS5.1地震开始,截止到12月24日24时,本次唐山地震序列共记录到0级以上地震218次,最大余震为12月24日ML3.4地震。ML0~0.9地震有123条,ML1.0~1.9地震有79条,ML2.0~2.9地震15条,ML≥3.0地震1条,7月16日前后余震震级、频度都有小幅回升,7月19日后又迅速衰减(图1)。根据吴开统等[13]以及蒋海昆等[14]地震类型判别标准,主震与最大余震震级相差1.7,则判别地震类型为主余型。

      图  1  2020年7月12日至12月24日期间唐山MS5.1地震序列日频次N-T

    • 唐山MS5.1地震发生在首都圈地震监测能力较好的区域,唐山地区监测能力更是达到ML0.5,台站分布呈现较好的方位覆盖。本文以唐山MS5.1地震为中心,选取唐山老震区39.0°~40.3°N、117.5°~119.5°E)区域(图2)、2006—2020年间唐山地区ML≥2.5地震,开展视应力时空特征研究。通过遗传算法反演震源参数,分析唐山地区视应力值变化特征。地震波形尽量满足选取距震中150 km以内、波形记录清晰、信噪比较高的条件,反演结果排除了参与计算台站小于3个、台站分布参数deltaU小于0.35的地震。

      图  2  河北唐山MS5.1地震及其附近ML≥2.5地震震中分布图

    • 视应力的定义[1]

      $${\sigma _a} = \eta \left\langle \sigma \right\rangle = \mu \frac{{{{E}_{\rm{S}}}}}{{{{M}_0}}}$$ (1)

      式中:σa为视应力;η为地震效率;<σ>为平均应力;µ为震源区介质剪切模量,通常取值3.0×104 MPa;ES为地震辐射能量;M0为地震矩。

      利用Brune圆盘模型,由S波观测谱,用msdp软件计算唐山附近地震的拐角频率、震源尺度、地震矩、应力降、震源谱零频极限值等震源参数。

      用位移谱的拐角频率和低频水平来表示中小地震的震源位移振幅谱S(f):

      $$ {\rm{S(}}f{\rm{)}} = \frac{{\varOmega_{\rm{0}}}}{{1 + {{(f/f_{\rm{c}})}^2}}} $$ (2)

      用遗传算法计算震源谱Sƒ)、震源谱参数ƒc、Ω0[15],从而得出标量地震矩M0

      $${M_0} = \frac{{4{\text{π}}\rho v_{\rm{S}}^3{\varOmega _0}}}{{{R_{\vartheta \varphi }}}}$$ (3)

      式中:vS为S波速度,取3.5 km/s;ρ为唐山地区介质密度,取2.7 g/cm3Rθφ是辐射花样系数,取平均值${R_{\vartheta \varphi }} = \sqrt {2/5} $

      经过对场地仪器响应校正、介质衰减校正及其自由表面效应校正,地震辐射能量ES[16]表示为

      $$E_{\rm{S}} = 4{\text{π}}\rho v_{\rm{S}} \cdot 2\int_0^\infty {{v^2}(f){\rm{d}}f = } 4{\text{π}}\rho v_{\rm{S}} \cdot \frac{1}{4}{\varOmega _0}^2{(2{\text{π}}{f_{\rm{c}}})^3}$$ (4)

      式中:v2f)为校正后的速度功率谱。

      然后,可得到中小地震的视应力值即为

      $${\sigma _{\rm{a}}} = \frac{{2\mu {R_{\vartheta \varphi }}{\varOmega _0}{{({\text{π}}{f_{\rm{c}}})}^3}}}{{V^2_{{\rm{S}}}}}$$
    • 结合唐山地区2016—2020年ML≥2.5地震M-t图3)及视应力随时间变化曲线(图4)可以看出,2016年年初视应力值就有增高的趋势,直到2016年8月唐山开平震群发生时视应力值急剧变化,在9月10日唐山ML4.3地震发生时视应力达到峰值。之后视应力一直有下降的趋势,但是震群发生时的整体视应力水平还是较低的。经历此次震群,能量得到释放,从震群结束直到2017年5月份经历了7个月的视应力低值平静区。5月份之后,应力水平又开始不稳定,时高时低。在2018年8月5日河北唐山ML3.9地震时视应力水平达到一个小高峰,经历8月份几次视应力水平高值之后,能量再一次得到释放。之后,唐山地区地震视应力水平一直平稳地维持着较低的状态。2019年12月5日河北丰南发生了MS4.5地震,打破了历经16个月的视应力低值状态,之后视应力值整体水平明显高于背景值,表明此时区域应力开始积累,直到2020年7月12日唐山MS5.1地震,视应力值再一次骤增至1.41 MPa,这也是近几年来视应力的最大值。主破裂发生后,大量能量被释放出来,应力水平开始降低,这种现象与张国民总结的滑动弱化模型变化过程相一致[17]

      图  3  唐山地区ML≥2.5地震M-t图(2016—2020年)

      图  4  视应力随时间变化曲线(2016—2020年)

      总体来说,2016—2020年视应力变化过程可以分为3个阶段(图4)。第一个阶段:2016年唐山开平震群发生前,区域应力有开始积累的过程,能量经过此次震群的发生得到释放,后续短期内发生中强震的可能性不大;第二个阶段:这段时间内,视应力值水平时高时低,且视应力高值大于背景值,表明区域能量一直在释放,后续一定时间段内发生中强震的可能性也不大;第三个阶段:视应力维持在平稳状态较长时间后有中等地震发生(MS 4.5丰南地震),之后视应力值仍然高于背景值,说明该区应力状态不稳定,还存在发生中强地震的危险(MS5.1唐山)。

    • 视应力在一定程度上有能量释放率的意义[5],而震级又与能量大小息息相关。为了更直观地分析震级与视应力的关系,本文将所有地震的视应力值与震级进行拟合(图5)。由图5可见,唐山地区ML≥2.5地震的视应力值与震级有呈现正相关的趋势。一般来说,随着震级的增大,视应力值也有升高的趋势;相反,震级越小,视应力值越低,视应力与震级变化趋势线基本一致。唐山MS5.1地震的余震视应力值随震级的拟合关系良好,均在震级拟合趋势线附近。总体来看,2016—2020年唐山地区中小地震的视应力值分布范围为0.02~0.4 MPa之间,占总数的95%。

      图  5  地震视应力与震级关系曲线

    • 分析唐山老震区2016—2020年ML≥2.5地震的视应力空间分布(图6)可以发现,无论主震发生前后,视应力高值区域都主要分布在唐山断裂、宁河-昌黎断裂中部、滦县-乐亭断裂西北部及其三者交叉形成的三角区域地带。2019年12月5日丰南MS4.5地震(39.33°N,118.00°E)就发生于宁河-昌黎断裂的高值区域,7月12日唐山MS5.1(39.77°N,118.46°E)也发生于唐山断裂附近高值区域。综上所述,大断裂及其断裂交汇部位地质构造不稳定,中强震的发生几率很高。

      图  6  震源区ML≥2.5地震的视应力空间分布

      图6b箭头部位为主震发生后MS5.1地震发生的高值区域。结合图4可看出,主震发生前,应力状态及其不稳定;主震发生后,视应力仍然处于高值区。未来仍需关注此地区中强地震危险性。

    • 首先用双差方法对7月12日至12月24日唐山地震序列做精定位,速度模型采用的是郭蕾等使用的一维P波速度模型[18]。再用CAP方法及新近发展的GPAT方法计算河北唐山7月12日MS5.1地震震源机制解(图7表1),两种方法得到的结果基本一致。GPAT软件是近几年发展起来的用于反演震源机制解的一种新型方法,王宁等曾用此方法成功计算出2016年唐山开平震群震源机制解[19]

      图  7  地震序列精定位后震中分布图

      表 1  2020年7月12日唐山MS5.1地震震源机制

      节面Ⅰ/(°)节面Ⅱ/(°)P轴/(°)T轴/(°)B轴/(°)
      走向倾向滑动角走向倾向滑动角方位角仰角方位角仰角方位角仰角方法
      236.077.0−170.0143.780.3−13.299.516.2190.22.3287.973.7CAP
      263.049.0−149.0151.067.0−46.0108.048.0211.011.0310.040.0GPAT

      图7清晰展示精定位后MS5.1地震序列震中分布图,地震序列主要分布在唐山断裂带中NE向唐山-古冶断裂附近,序列优势分布方向为NE向,与唐山-古冶断裂东北段的走向、倾角大体一致,分析节面Ⅰ为发震断层面,初步推测MS5.1地震发震构造为唐山-古冶断裂。根据发震断层走向分析其为右旋走滑断层,以剪切拉张为主要应力状态,主压力轴方向为近EW向,与许忠淮等[20]对此唐山老震区余震应力场的研究结果基本一致,震源区域应力场受华北应力场控制。吴忠良等[21]总结出走滑型地震的余震视应力值都低于主震,结合图4可见,本次序列余震视应力变化也符合这一结论。

    • 唐山老震区构造条件复杂,地震频发,目前获取地下应力变化过程的手段还不完善,大部分研究都是通过计算震群震源参数及震源机制解来分析。本文通过近5年来河北唐山ML≥2.5地震视应力的变化特征的分析,得到视应力随时间、震级及其空间分布变化规律,结合主震的震源机制解及构造地质进一步分析震源区应力调整过程,得出以下结论:

      1)唐山MS5.1地震视应力变化过程为震前增高—震时达到峰值—震后趋势下降的变化过程,视应力能较好地反映出区域应力场的调整过程,也可作为地震趋势追踪的一种方法;

      2)唐山地区ML≥2.5地震的视应力与震级呈现正相关的关系,唐山MS5.1地震的余震的视应力值随震级的拟合关系良好;

      3)断裂交汇部位容易出现视应力高值异常区,有发生中强震的危险;

      4)主震发震断层面为节面Ⅰ,其为右旋走滑断层,主压力轴方向为近EW向,结合地震地质背景,推测主震发震构造为唐山-古冶断裂。

      自2016年唐山震群发生开始,唐山区域应力水平一直处于调整状态,跟踪一定时间段内的地震视应力变化过程,并结合区域地质构造、地震活动背景等综合分析,可以作为地震趋势判定的一种有效手段。另外,唐山MS5.1地震发生后,视应力值虽有初步下降的趋势,但ML2.5以上余震较少,数据不足,不能更好地分析主震后视应力变化,应加强后续应力分析,持续关注震源区应力变化过程。

参考文献 (21)

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