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2020年7月12日唐山MS5.1地震构造环境特征

边庆凯 吕国军 冉志杰 温超 李皓 李姜 范志伟

边庆凯,吕国军,冉志杰,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震构造环境特征[J]. 华北地震科学,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001
引用本文: 边庆凯,吕国军,冉志杰,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震构造环境特征[J]. 华北地震科学,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001
BIAN Qingkai,LYU Guojun,RAN Zhijie,et al. Characteristics of Tectonic Environment of Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001
Citation: BIAN Qingkai,LYU Guojun,RAN Zhijie,et al. Characteristics of Tectonic Environment of Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001

2020年7月12日唐山MS5.1地震构造环境特征

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2022.01.001
基金项目: 唐山市滦县-乐亭、卢龙断裂活动性鉴定及定位项目;唐山断裂北段构造特征及其与地震的关系(DZ20190424079);河北省地震局强震发震构造与机理研究(DZ20180319009)
详细信息
    作者简介:

    边庆凯(1965—),男,河北乐亭人,高级工程师,现主要从事的活动构造研究. E-mail:1370896458@qq.com

  • 中图分类号: P315.2

Characteristics of Tectonic Environment of Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020

  • 摘要: 2020年7月12日唐山5.1级地震发生后,河北省地震局迅速派出现场工作队奔赴地震现场,开展烈度和震害调查工作。从河北唐山老震区地震构造环境、MS5.1地震震源机制解、烈度和震害、唐山老震区地震活动水平及震前蠕滑异常等5个方面进行了综合分析,并建议沿唐山断裂带布设水化学和形变连续观测台阵,为短临预报提供重要的观测数据。
  • 图  1  唐山老震区地震构造图

    图  2  河北唐山5.1级地震烈度图(据河北省地震局)

    图  3  震区房屋地震破坏情况

    图  4  唐山老震区ML4.0地震衰减过程图[6]

    图  5  无水庄附近窨坑裂缝、墙体裂缝

    图  6  无水庄附近路面陷坑、墙体倒塌后重修

    表  1  唐山MS 5.1地震震源机制解

    (°)
    节面Ⅰ节面ⅡPTB
    走向倾角滑动角走向倾角滑动角走向倾伏角走向倾伏角走向倾伏角
    238.6976.76−172.58146.9882.78−13.35102.2814.53193.364.19299.0774.85
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-11
  • 网络出版日期:  2022-07-03
  • 刊出日期:  2022-01-15

2020年7月12日唐山MS5.1地震构造环境特征

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2022.01.001
    基金项目:  唐山市滦县-乐亭、卢龙断裂活动性鉴定及定位项目;唐山断裂北段构造特征及其与地震的关系(DZ20190424079);河北省地震局强震发震构造与机理研究(DZ20180319009)
    作者简介:

    边庆凯(1965—),男,河北乐亭人,高级工程师,现主要从事的活动构造研究. E-mail:1370896458@qq.com

  • 中图分类号: P315.2

摘要: 2020年7月12日唐山5.1级地震发生后,河北省地震局迅速派出现场工作队奔赴地震现场,开展烈度和震害调查工作。从河北唐山老震区地震构造环境、MS5.1地震震源机制解、烈度和震害、唐山老震区地震活动水平及震前蠕滑异常等5个方面进行了综合分析,并建议沿唐山断裂带布设水化学和形变连续观测台阵,为短临预报提供重要的观测数据。

English Abstract

边庆凯,吕国军,冉志杰,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震构造环境特征[J]. 华北地震科学,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001
引用本文: 边庆凯,吕国军,冉志杰,等. 2020年7月12日唐山MS5.1地震构造环境特征[J]. 华北地震科学,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001
BIAN Qingkai,LYU Guojun,RAN Zhijie,et al. Characteristics of Tectonic Environment of Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001
Citation: BIAN Qingkai,LYU Guojun,RAN Zhijie,et al. Characteristics of Tectonic Environment of Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020[J]. North China Earthquake Sciences,2022, 40(1):1-6. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2022.01.001
    • 2020年7月12日6时38分,河北唐山古冶塔山营发生5.1级地震,震源深度10 km。震区最高烈度V度,震感强烈,无人员伤亡。这次地震有感范围广,其中V度区之外的唐山各区县,承德兴隆,秦皇岛卢龙、青龙和昌黎震感也较为强烈,沧州、廊坊、雄安新区、保定易县等地有震感,张家口赤城、蔚县有轻微震感;北京市东部的平谷、顺义、通州等地区震感较为强烈,仪器记录的最大地震烈度为Ⅲ度;天津市滨海新区、宁河区震感较为强烈[1-5]

      本次5.1级地震是在唐山老震区ML5.0地震平静近8年的背景下发生的[6],地质构造上位于燕山隆起横岭子造山带南缘。本文根据地震发生后地震现场震害调查的实际情况,从大震构造环境的岩土水热构造带因素、震源机制解和浅表构造、震害特征、老震区地震活动水平、唐山断裂蠕滑现象入手,对5.1级地震的地震构造环境提出了一些看法。

    • 唐山断裂是1976年唐山7.8级地震的发震断裂,大致分为3段:中段穿过唐山市区,从南湖经凤凰山—大城山—东湖到开平马家沟;北段从马家沟—古楼庄—小笪庄—崔尹庄—赵各庄—万山南麓到雷庄;南段从王家河向西南方向,经郑家庄—望马台—董各庄—王兰庄到宁河。1976年唐山7.8级大震发生时,董各庄—南湖—小山(复兴路西)一带出现了大量的粘滑地裂缝[7-11]。唐山断裂各段的研究程度差异很大,中段研究程度较高,南段和北段的研究程度都很低(图1)。

      图  1  唐山老震区地震构造图

      据大地构造资料,唐山断裂带是在新构造运动基础上发展起来的。唐山断裂北段的一部分,即崔尹庄—白道子—赵各庄—万山南麓—雷庄一带,是Ⅳ级构造单元的结合部位,北侧是横岭子造山带,南侧是开平盆地。唐山断裂大致呈弧形分布,从宁河经唐山市区,到小笪庄基本呈NE走向,之后开始转向变成近EW向,经赵各庄、万山南麓到雷庄的沙河附近,截止断裂是徐家楼-王喜庄断裂[12-13]

      唐山断裂中段的西侧是地垒,小山(复兴路西)—大城山—小山(马家沟)连成一线,像一根砥柱,直抵燕山隆起马兰峪背斜南缘,横岭子造山带横亘在这一地垒前,地垒的东侧是开平向斜,形成开平盆地,地垒的西侧是车轴山向斜[14]。位于唐山断裂北段北侧的马兰峪背斜,突兀成一片中低山脉,与其南侧的平缓坡地形成鲜明对比。从造山带内部细分的角度看,马兰峪背斜南缘长山附近,把它称为横岭子造山带,由多排近NW向的山地和沟谷组成,向东北方向依次排列长山、玻璃山-白云山、黑山-城山、青龙山-石马山、横岭子-小团山、龙马顶-郝家山等。

      唐山断裂带两侧的耦合构造特征明显,一侧是造山带,一侧是活动盆地。耦合活动构造是指活动构造出现对立极端的情况,类似自然界中的阴阳两极,而造山带与盆地耦合,二者的结合部位往往是抗剪强度最薄弱的地带。另外从岩性看,是硬与软的耦合,造山带一侧往往发育杂岩体和火成岩,而盆地内部则是未成岩的土层;从干湿程度看,一侧容易形成干热岩区,另外一侧则是冷湿土层。从这方面分析,唐山大震构造环境具有鲜明的“岩土水热”构造带特征。

      岩指岩石,包括唐山地垒和横岭子造山带;土指土层,巨厚土层也是第四纪盆地发育的标志。冀东坳陷内部第四纪盆地与凸起形成的多堑垒耦合,形成了两山夹一盆的“硬软硬”三明治结构,这是大震发生的岩性环境条件。穿过唐山断裂的河流有陡河和沙河。陡河穿越唐山断裂,为地表水沿断裂缝隙向下渗流提供了便利条件;沙河几乎沿NNE向的徐家楼-王喜庄断裂发育,也为地表水向下渗流提供了便利通道,该断裂以东,杂岩体广布,并且在吕家坨煤矿发现侵入岩带[15]

      热指地热,反映幔枝构造和热动力背景。幔枝构造形成的火成岩,其周围容易形成热液富集区,特别是与杂岩体相伴的火成岩,又是障碍体的重要组成部分,为大震应变能的蓄积提供了重要条件和场所。徐家楼-王喜庄断层东侧是杂岩体和火成岩,这是障碍体内的典型岩性组合,等于阻止了唐山断裂整体东移。为增加构造应力、积蓄构造应变能创造了条件。

      构造带这里指唐山断裂带。唐山断裂带从剖面上看是一个花状构造[16],唐山断裂呈弧形,而古冶断裂呈直线展布,二者在震源层汇聚成一条断裂带,而不是像在地表出露时的花状散开状态。因此,提高唐山老震区的抗震设防烈度,要把花状构造覆盖区作为一个整体提高抗震设防烈度,而不是以单一的断裂破碎带缓冲区为唯一依据。断裂破碎带缓冲区的重要性在于,它是建筑物避让的主要依据。

    • 根据seismology测震小组的分析结果[17],震源机制解显示,震源断层是走滑型兼具正断分量,其中一个断层面走向NE,倾角73°,倾向NW(表1)。震后调查发现震源断层没有出露地表证据。

      表 1  唐山MS 5.1地震震源机制解

      (°)
      节面Ⅰ节面ⅡPTB
      走向倾角滑动角走向倾角滑动角走向倾伏角走向倾伏角走向倾伏角
      238.6976.76−172.58146.9882.78−13.35102.2814.53193.364.19299.0774.85

      微观震中附近区域,褶皱和断裂均很发育。震区地貌特征显示,横岭子造山带内部,山间沟谷和山脉走向与震源共轭断层走向一致,地表有燕山期断层出露——白云山断层。该断层沿沟谷展布,走向NW,塔山营位于断层的东南端。

      唐山老震区中强震活动主要集中在开平盆地一侧,造山带内部发生破坏性地震是极少出现的情况。此次河北唐山5.1级地震是造山带内部发生的一次破坏性地震。其微观震中距离唐山断裂北段直线距离约2.6 km,位于燕山隆起横岭子造山带南缘。它不是唐山断裂上发生的地震,而是次生断裂活动产生的地震,也是构造应力场局部调整的结果。

    • 2020年7月12日河北唐山古冶5.1级地震是继2012年河北唐山4.8级地震后,唐山老震区发生的又一次有强烈震感的地震,波及唐山市大部分地区及相邻地区。此次地震有感范围广,无人员伤亡[18-19]

      据现场调查,震中区烈度V度,V度区长轴NEE向,长29 km,短轴长19 km。 V度区内震害较重的村庄包括:西无水庄、后水峪、赵百户营、前巍峰山村等(图2)。V度区内能听到明显地声,人员惊慌外逃,个别老旧房屋出现墙体裂缝、吊顶塌落、货架物品掉落等现象,一些房屋屋顶灰尘震落冒烟,墙瓦掉落摔碎、墙头掉落(图3),地表未见地裂缝,无滑坡,未见路面损坏。

      图  2  河北唐山5.1级地震烈度图(据河北省地震局)

      图  3  震区房屋地震破坏情况

      此次5.1级地震震害相对较轻,可能的因素包括以下2个方面:震中的构造部位和震区房屋抗震能力。

      唐山5.1级地震发生在横岭子造山带内部,结合动能公式可以进行粗略的估计。同等能量条件下,造山带平均海拔高度超过盆地地区一两百米,其内部单位面积的质量要高于盆地内部,由此推断其动能速度要小于盆地内部,而与之对应的PGA也会偏小。造山带内部震中附近是基岩区,较少出现盆地内部第四系土层的放大效应。另外造山带抬升势能增加,基岩抗剪强度大也是PGA偏小的因素。

      震区房屋抗震能力明显增强,2000年后再建的房屋由于十分重视抗震结构,普遍采用圈梁-构造柱结构,这类房屋占比六到七成,在本次地震中基本没有破坏,房屋完好无损。而1976年唐山地震后再建的房屋,抗震能力弱,有些房屋出现墙体裂缝,这些房屋占比一到两成。从村庄整体震害的角度看,总体震害明显偏弱(图3)。

    • 1976年唐山7.8级地震发生后,震区强余震经历了强烈的衰减过程,直至1983年频繁4级地震的衰减过程基本结束。1984—1993年4级地震的时间间隔明显变长,年平均3次;1994—2004年期间4级地震年平均1.4次;2005—2019年4级地震年平均0.65次,4级地震平均间隔1年半(图4)。从整体上看,地震活动水平长期衰减的特征十分明显[20]

      图  4  唐山老震区ML4.0地震衰减过程图[6]

      结合地震活动震级大小的层次性,足够多的中小震产生一次破坏性地震,4级地震平均间隔拉长,也使5级地震的平均间隔拉长[21]。1993—2012年期间发生4次5.0级以上地震,平均间隔4年9个月。其中,2004年和2012年的5级地震,其间隔时间是8年,而2020年7月12日的5.1级地震与2012年的5级地震间隔时间也是8年。从中长期地震活动背景看,2020年7月12日5.1级地震是唐山老震区在长期衰减背景上发生的一次正常地震活动。

      唐山老震区地震活动的准周期特征明显,近20年来的地震活动水平从中长期看容易把握,包括4级地震的平均间隔和5级地震的平均间隔。但地震活动的准周期特性却陡然增加了短临预报的难度,短临预报的困境凸显。中强震活动准周期,如果按平均周期进行预报,那么虚报漏报成为必然,减少漏报虚报则成为目前最突出的老大难问题,突破短临预报瓶颈,道路漫长。

    • 唐山老震区地震活动的长期性十分突出,同时唐山断裂带的长期活动性也十分明显,沿唐山断裂带一个显著的现象是断层蠕滑。虽然蠕滑的产生存在多方面的因素,但断层的长期活动性是其重要因素之一。沿唐山断裂带存在多点蠕滑,从南湖的路面错开,到市内多点的墙体裂缝和路面变形,再到古楼庄地裂缝、赵各庄地裂缝,这些蠕滑错动贯穿唐山断裂的各个段落[22-24]

      近几年,无水庄—赵各庄附近的断裂蠕滑特征明显,2019年7月沿唐山断裂北段走向,野外地质考察发现路面地裂缝、陷坑、墙体裂缝、墙体倒塌后再重建的情况都有发生(图56)。据当地居民讲,无水庄-赵各庄地裂缝曾反复出现,路面补修后反复错开再建,个别地方有5~6次。另外,有刚建好的窨坑内水泥墙壁,还未干透,即被错出裂缝。如果能在中强震前建立连续基线观测台阵,记录各观测点跨断裂蠕滑的变动情况,我们就可能捕捉到震前蠕滑的异常信息,为中强震短临预报服务。

      图  5  无水庄附近窨坑裂缝、墙体裂缝

      图  6  无水庄附近路面陷坑、墙体倒塌后重修

    • 2020年7月12日唐山5.1级地震是发生在横岭子造山带内部的一次破坏性地震,震源机制解显示为走滑兼正断分量型错动,震后考察没有发现出露地表破裂证据。震区地貌特征显示,山间沟谷和山脉走向与震源机制解的其中一个节面走向一致,地表有燕山期断层出露,沿沟谷展布,塔山营就位于该断裂的东南端。5.1级地震震区震感强烈,无人员伤亡,其最高烈度V度,且V度分布范围较广,震害较重的村庄有西无水庄和前巍峰山村。唐山老震区2005—2019年ML4.0以上地震年平均0.65次,平均间隔1年半,2005—2020年7月5.0级以上平均间隔7年9个月。2020年唐山5.1级地震前连续多年,唐山断裂持续蠕滑,断裂附近蠕滑地裂缝发育,错断路面、墙体等。建议沿唐山断裂带布设水化学和形变连续观测台阵,为短临预报提供重要的观测数据。

      致谢 感谢审稿人提出的宝贵建议。

参考文献 (24)

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