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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。
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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)。
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。
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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Ⅱ P轴 T轴 B轴 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 238.69 76.76 −172.58 146.98 82.78 −13.35 102.28 14.53 193.36 4.19 299.07 74.85 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。
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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。
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)。
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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。
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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5~6)。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。
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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。
Characteristics of Tectonic Environment of Tangshan MS5.1 Earthquake on July 12, 2020
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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。Abstract: After the MS5.1 Tangshan Guye Tashanying earthquake occurred on July 12, 2020, Hebei Earthquake Agency organized a team to go to the earthquake site to carry out intensity and damage investigation. This paper makes a comprehensive analysis of the seismotectonic environment, focal mechanism solution of the MS5.1 earthquake, intensity and damage, seismicity level in the old Tangshan earthquake area, and the creep anomaly before the earthquake. The specific suggestions for short-term and impending prediction of moderate strong earthquakes in Tangshan old earthquake area are given.
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Key words:
- Tangshan MS5.1 earthquake /
- active fault /
- ground fissure /
- creep
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图 4 唐山老震区ML4.0地震衰减过程图[6]
表 1 唐山MS 5.1地震震源机制解
(°) 节面Ⅰ 节面Ⅱ P轴 T轴 B轴 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 238.69 76.76 −172.58 146.98 82.78 −13.35 102.28 14.53 193.36 4.19 299.07 74.85 -
[1] 中国地震台网中心. 2020年7月12日河北唐山古冶5.1级地震概况[EB/OL]. 2002-07-12. https://www.cenc.ac.cn/cenc/tpxw/362968/index.html. [2] 河北省地震局. 河北唐山5.1级地震 你关心的都在这里[EB/OL]. 2002-07-13. http://news.youth.cn/sh/202007/t20200713_12406383.htm. [3] 北京市地震局, 微博. 权威解答! 唐山5.1级地震的背景是什么?[EB/OL]. 2002-07-12. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1671997540837782719&wfr=spider&for=pc. [4] 天津市地震局. 唐山5.1级地震 我市普遍有感[N]. 天津日报, 2020-07-13. [5] 卢哲. 唐山发生5.1级地震, 你关心的都在这里[N]. 农村大众报, 2020-07-13. [6] 张素欣, 边庆凯, 张子广, 等. 唐山断裂北段地震分布特征及其构造意义[J]. 地震研究, 2020, 43(2): 270-277. [7] 国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组. 一九七六年唐山地震[M]. 北京: 地震出版社, 1982: 71-130. [8] 郭慧, 江娃利, 谢新生. 对1976年河北唐山MS7.8地震地表破裂带展布及位移特征的新认识[J]. 地震地质, 2011, 33(3): 506-524. [9] 虢顺民, 李志义, 程绍平, 等. 唐山地震区域构造背景和发震模式的讨论[J]. 地质科学, 1977, 12(4): 305-321. [10] 邱泽华, 马瑾, 刘国玺. 新发现的唐山地震大断层[J]. 地震地质, 2005, 27(4): 669-677. [11] 叶定衡. 唐山地震构造机理的探讨[C]//中国地质科学院562综合大队集刊. 北京: 地质出版社, 1986: 53-63. [12] 刘亢, 曲国胜, 房立华, 等. 唐山古冶、滦县地区中小地震活动与构造关系研究[J]. 地震, 2015, 35(2): 111-120. [13] 崔作舟, 杜春涛, 李学新, 等. 唐山地震与活动构造体系的关系[C]//中国地质科学院562综合大队集刊. 北京: 地质出版社, 1981: 69-80. [14] 闫庆磊, 朱炎铭, 袁伟, 等. 开平煤田构造发育规律对煤层赋存的影响[J]. 中国煤炭地质, 2009, 21(12): 38-41, 45. [15] 刘义生, 赵少磊. 开平向斜地质构造特征及其对瓦斯赋存的控制[J]. 煤炭学报, 2015, 40(增刊1): 164-169. [16] 刘保金, 曲国胜, 孙铭心, 等. 唐山地震区地壳结构和构造: 深地震反射剖面结果[J]. 地震地质, 2011, 33(4): 901-912. [17] Seismology小组. 2020年7月12日河北唐山5.1级地震的震源机制中心解[EB/OL]. 2020-07-13. https://mp.weixin.qq.com/s/UsLoE_TGsL09SK6Yy0sLuA. [18] 河北省地震局. 河北唐山古冶5.1级地震烈度图[EB/OL]. 2020-07-14. https://xw.qq.com/cmsid/20200714A0USCH00. [19] 程庆乐, 费一凡, 等. 陆新征课题组. 7月12日唐山5.1级地震 RED-ACT破坏力分析结果与实际震害对比[EB/OL]. 2020-07-13. https://mp.weixin.qq.com/s/PhUAEYVttA7RtEpF_NuMzw. [20] 张素欣, 王晓山, 陈婷, 等. 唐山老震区40年地震时空演化特征分析[J]. 华北地震科学, 2017, 35(1): 32-37. [21] 边庆凯, 孙华, 魏连生, 等. 唐山老震区地震活动时间间隔的一些特征[J]. 内陆地震, 2003, 17(3): 228-235. [22] 汪应亲. 唐山市古冶区赵各庄地裂缝发育机制分析[D]. 西安: 长安大学, 2014: 18-36. [23] 王欣宝, 王昕州, 赵雄英. 唐山市环境地质调查评价[C]//2004年海岸带地质环境与城市发展研讨会论文集. 天津: 中国地质调查局, 2004. [24] 王明格, 杜佳术, 李秀君, 等. 唐山市古楼庄地裂缝成因机制分析[J]. 世界地震工程, 2006, 22(2): 72-76. -