唐山老震區(qū)40年地震時(shí)空演化特征分析

張素欣， 王曉山， 陳 婷， 宮 猛， 單連君

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

唐山老震區(qū)40年地震時(shí)空演化特征分析

張素欣， 王曉山， 陳 婷， 宮 猛， 單連君

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

基于唐山老震區(qū)40年的小震目錄，利用傳統(tǒng)的余震時(shí)序分析法，分析了余震序列的時(shí)間演化特征；依據(jù)強(qiáng)度分級(jí)原則，分析了不同強(qiáng)度的地震空間圖像的時(shí)間演化特征?；谛≌鹉夸?，分析了1996年以來(lái)的小震密集圖像特征。參考多年來(lái)唐山地震的研究成果，對(duì)余震時(shí)空演化特征與構(gòu)造關(guān)系進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明：1976年唐山7.8級(jí)地震的余震序列，隨著時(shí)間推移，其地震強(qiáng)度逐步減弱，地震頻度逐漸降低；余震強(qiáng)度的起伏明顯，主震發(fā)生后36年仍有5.0級(jí)地震發(fā)生；地震空間分布圖像在1996年前后具有明顯的差異分布特征。

唐山大震；余震序列；時(shí)空演化

0 引言

唐山老震區(qū)的地震活動(dòng)自1976年7.8級(jí)地震以來(lái)已經(jīng)持續(xù)了40年?？v觀40年來(lái)小震活動(dòng)在時(shí)間序列和空間分布的圖像，唐山余震序列衰減基本正常，余震強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸減弱，頻度也逐漸降低，地震序列在主震發(fā)生后2年內(nèi)快速衰減，強(qiáng)度衰減到ML5.0級(jí)以下。但序列衰減持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度起伏大，5.0級(jí)平靜持續(xù)10多年后，于1991年和1995年分別發(fā)生強(qiáng)度較大的5.6級(jí)和5.4級(jí)地震；之后又平靜了10多年，于2012年5月28日發(fā)生ML5.2地震，該現(xiàn)象是大震衰減40年少有的情況。1976年唐山7.8級(jí)地震以來(lái)，老震區(qū)共發(fā)生ML4.0以上余震963次，其中5.0級(jí)以上97次，5.0級(jí)以上地震絕大部分發(fā)生在1984年1月7日之前，1984年1月8日以來(lái)的32年間共發(fā)生ML5.1以上地震4次。1991年5月29日ML5.2、5月30日ML5.6和1995年10月6日ML5.4，這3次地震均發(fā)生在7.8級(jí)地震震中附近，而相隔10多年的2012年5月28日ML5.2地震則發(fā)生在唐山—古冶斷裂的東北端部，且震源深度較深。ML4.0以上地震空間分布隨時(shí)間演化圖像顯示，地震空間分布圖像在1996年前后具有明顯的差異分布特征，主要表現(xiàn)為：①唐山7.8級(jí)地震震中附近20年以來(lái)沒(méi)有發(fā)生4.0級(jí)以上地震；②唐山—古冶斷裂東北端呈現(xiàn)4.0級(jí)地震密集圖像；③1976年灤縣7.1級(jí)地震震中南部也呈現(xiàn)相對(duì)密集現(xiàn)象。

按照唐山主震和其觸發(fā)的灤縣和寧河地震[1]以及余震的分布情況，唐山老震區(qū)基本上覆蓋唐山7.8級(jí)、灤縣7.1級(jí)和寧河6.9級(jí)地震的小震密集區(qū)，1976—1995年余震在唐山老震區(qū)廣泛分布，1996年以來(lái)小震活動(dòng)存在向東轉(zhuǎn)移的跡象，主要集中在唐山—古冶斷裂的東北端部。這種現(xiàn)象對(duì)未來(lái)地震危險(xiǎn)地點(diǎn)和強(qiáng)度是否具有指示意義？本文基于不同震級(jí)分檔的地震空間圖像的時(shí)間演化特征進(jìn)行分析，并參考多年來(lái)有關(guān)唐山地震的研究成果，對(duì)余震時(shí)空演化特征與區(qū)域構(gòu)造特征相結(jié)合，分析該地區(qū)未來(lái)的地震危險(xiǎn)性。

1 唐山7.8級(jí)地震及其序列概況

1976年7月28日唐山7.8級(jí)大地震發(fā)生在近EW向陰山—燕山南緣活動(dòng)構(gòu)造帶與NNE向華北平原活動(dòng)構(gòu)造帶交匯處菱形塊體內(nèi)部的NE向唐山斷裂帶上[2-3](唐山斷裂帶包括陡河斷裂、唐山—巍山—長(zhǎng)山南坡斷裂和唐山—古冶斷裂)，其為傾向NW的逆右旋走滑斷層[4]。唐山主震破裂面是N30°E的震源機(jī)制解節(jié)面[5]。主震造成的破裂很快觸發(fā)了相鄰斷裂段上的3次強(qiáng)震[2]，主震后約3.5小時(shí)和15小時(shí)，分別在薊運(yùn)河斷裂和灤縣—樂(lè)亭斷裂上發(fā)生了寧河6.2級(jí)和灤縣7.1級(jí)地震(圖1)，灤縣7.1級(jí)地震的破裂面為N25°E的節(jié)面。1976年11月15日，即主震后大約3.5個(gè)月，在主震破裂的南西延伸斷裂部位發(fā)生了天津?qū)幒?6.9 級(jí)地震[1]， 它們與主震破裂共同構(gòu)成了一次復(fù)雜的板內(nèi)地震破裂序列[6-9]。大量余震發(fā)生在主破裂面附近，尤其集中在主破裂端部，在端部形成與主破裂面偏離80°左右的2個(gè)擴(kuò)展分支，即薊運(yùn)河斷裂和灤縣—樂(lè)亭斷裂[10]。

39 香河—寶坻斷裂；56 盧龍斷裂；57 灤縣—樂(lè)亭斷裂；58 榛子鎮(zhèn)斷裂；59 陡河斷裂；60 唐山—巍山—長(zhǎng)山南坡斷裂；62 寧河—昌黎斷裂；63 薊運(yùn)河斷裂；65 滄東斷裂；66 柏各莊斷裂圖1 唐山地震余震分布范圍示意圖

圖1為1976年7月28日—1977年12月31日期間ML4.0以上的地震分布圖，紅色實(shí)心圓從上向下分別為1976年灤縣7.1級(jí)、1976年唐山7.8級(jí)、1976年寧河6.2級(jí)和6.9級(jí)地震，地震的空間分布范圍基本厘定了余震的范圍，小震活動(dòng)在空間上沿唐山7.8級(jí)地震的發(fā)震斷裂——唐山—古冶斷裂、灤縣7.1級(jí)地震的發(fā)震斷裂——灤縣—樂(lè)亭斷裂和寧河6.9級(jí)地震的發(fā)震斷裂——薊運(yùn)河斷裂分布。唐山7.8級(jí)地震余震豐富，40年以來(lái)，其余震序列衰減基本正常，其強(qiáng)度逐漸減弱，頻度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但地震強(qiáng)度衰減較慢且存在起伏，1991年和1995年發(fā)生了唐山7.8級(jí)地震快速衰減后10多年來(lái)強(qiáng)度最大的地震，2012年5月28日又發(fā)生了ML5.2地震。

2 老震區(qū)小震圖像時(shí)空演化特征分析

2.1 余震時(shí)間序列分析

1976年7月28日唐山7.8級(jí)地震以來(lái)共發(fā)生ML4.0～4.9地震884次，5.0級(jí)以上地震97次。利用傳統(tǒng)的余震時(shí)序分析法對(duì)唐山地震序列進(jìn)行余震強(qiáng)度和發(fā)震時(shí)間間隔分析(圖2)。

圖2 唐山老震區(qū)ML 4.0以上余震時(shí)序和發(fā)震時(shí)間間隔圖

圖2a顯示，主震初期余震衰減很快，2年內(nèi)基本衰減到5.0級(jí)以下，屬于正常的衰減過(guò)程。隨著時(shí)間的推移，余震強(qiáng)度逐漸降低，但衰減速率較慢，1991年以來(lái)強(qiáng)度起伏較大，老震區(qū)在5.0級(jí)地震平靜5年半的背景下，1991年5月29日和30日分別發(fā)生了5.2級(jí)和5.6級(jí)地震。之后又平靜了4年多，于1995年10月6日發(fā)生了5.4級(jí)地震。在唐山地震發(fā)生36年后的2012年5月25日又發(fā)生了ML5.2地震。余震強(qiáng)度衰減較慢的現(xiàn)象在板緣地震中幾乎是不存在的，在板內(nèi)地震也是很少見(jiàn)的；而唐山地震屬于板內(nèi)地震，存在余震強(qiáng)度衰減較慢的少見(jiàn)現(xiàn)象。圖2b顯示，4.0級(jí)以上的余震發(fā)震時(shí)間間隔隨時(shí)間的推移起伏較大，最大發(fā)震時(shí)間間隔也逐漸加大。

2.2 4.0級(jí)以上余震圖像演化

依據(jù)板內(nèi)地震的衰減規(guī)律，其強(qiáng)度逐漸降低，發(fā)震時(shí)間間隔隨時(shí)間推移在不斷加長(zhǎng)，需要反復(fù)作圖對(duì)比分析。本文選取不同的震級(jí)(ML4.0、1.5和5.0)通過(guò)逐月作圖，分析小震空間活動(dòng)圖像，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整窗長(zhǎng)，對(duì)比頻度、強(qiáng)度綜合分析，確定了作圖的時(shí)間窗長(zhǎng)(圖3)。所得圖像具有一定的可對(duì)比性和代表性，能夠反映圖像隨時(shí)間的演化特征。主震發(fā)生后到1977年12月31日的早期圖像顯示，余震豐富，活動(dòng)強(qiáng)烈，空間分布廣泛，幾乎覆蓋了菱形塊體內(nèi)的唐山斷裂(圖3a)。1978年1月1日至1980年12月31日3年的余震活動(dòng)圖像，總體上看余震分布在唐山7.8級(jí)、灤縣7.1級(jí)和寧河6.9級(jí)3個(gè)不同震源區(qū)的較小范圍內(nèi)，頻度明顯大幅降低，但主震7.8級(jí)震中以南的附近區(qū)域基本沒(méi)有4.0級(jí)以上地震(圖3b)。1981年1月1日至1985年12月31日5年的地震圖像與其之前的3年圖像相比，地震活動(dòng)明顯減弱，頻度降低，但空間分布仍位于3個(gè)地震的附近區(qū)域，灤縣地震震中附近地震活動(dòng)明顯高于寧河地震震中附近區(qū)域(圖3c)，這種地震分布圖像格局到1995年大約持續(xù)了15年(圖3d)。1996年1月1日至2015年12月31日的余震圖像與之前的圖像比較，發(fā)生了明顯的空間變化，20年間的地震活動(dòng)雖然衰減明顯，但空間上主要集中在老震區(qū)東部的2個(gè)區(qū)域，一個(gè)是灤縣7.1級(jí)地震附近，另一個(gè)位于7.8級(jí)地震發(fā)震斷裂的東部端點(diǎn)，且呈線性有序排列(圖3e)。2012年5月28日的ML5.2地震就發(fā)生在該區(qū)域，與序列強(qiáng)度衰減趨勢(shì)相比震級(jí)明顯偏高，是在老震區(qū)5.0級(jí)地震平靜17年背景下發(fā)生的。綜上所述，唐山7.8級(jí)地震發(fā)震斷裂的東部端點(diǎn)區(qū)域新形成的小震有序分布，加之2010年的4.8級(jí)地震、2012年5.2級(jí)地震均發(fā)生于此，表明該局部區(qū)域地殼應(yīng)力水平較高。

注：圖e中的綠色實(shí)心圓從下向上分別表示寧河6.9、唐山7.8和灤縣7.1級(jí)地震

2.3 小震圖像

1996年1月1日—2015年12月31日1.5級(jí)以上小震的震中分布圖顯示(圖4)，在唐山斷裂東部端點(diǎn)存在NE向密集帶，經(jīng)實(shí)地考察得知該處存在一條NE向的徐家樓—王喜莊斷裂，這與劉亢等的研究結(jié)果——“小震時(shí)空分布特征揭示出古冶東側(cè)新出現(xiàn)一個(gè)近NNE向的小震密集帶，2000年以后逐漸密集成帶”是一致的[11]。

對(duì)唐山斷裂東部端點(diǎn)NE向1.5級(jí)以上地震密集部分(圖5c選中部分)進(jìn)行時(shí)間尺度的定量分析，所用數(shù)據(jù)資料從1981年至2016年。1992年之前受7.8級(jí)主震的影響，4.0級(jí)以上地震年平均1次/年(圖5a)，ML3.0以上地震年平均約7次/年(圖5b)；1993—1997年4.0級(jí)以上地震活動(dòng)較弱，5年發(fā)生2次4.0級(jí)以上地震；2002年以來(lái)地震強(qiáng)度存在增強(qiáng)的趨勢(shì)，其中最大為2012年發(fā)生的ML5.2地震，而在2016年ML3.0以上地震則達(dá)到12次。

圖4 1996—2015年唐山震區(qū)1.5級(jí)以上地震震中分布圖

a ML 4.0以上地震M-t圖和頻度圖 b ML 3.0以上地震M-t圖和頻度圖 c 小震分布示意圖 圖5 唐山老震區(qū)ML 4.0(a)、3.0(b)以上地震M-t圖和年頻度圖和小震分布示意圖(c)

總之，1996年以來(lái)4.0級(jí)以上地震多發(fā)生在唐山斷裂東段的密集帶及其附近，3.0級(jí)以上地震增多，與唐山地震序列強(qiáng)度衰減特征對(duì)比，近年發(fā)生的地震強(qiáng)度較高，仍存在發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)。

唐山老震區(qū)1996年以來(lái)ML2.5以上地震的M-t圖及其深度分布圖顯示(圖6)，發(fā)生在唐山斷裂東端的2012年5.2級(jí)地震的震源深度較深，約25 km。而2009年以來(lái)，震源深度10～15 km之間很少有2.5級(jí)以上地震，在此深度上屬于小震稀疏段。

3 余震時(shí)空演化圖像解釋

圖3b顯示，余震大體分布在唐山7.8級(jí)、灤縣7.1級(jí)和寧河6.9級(jí)3個(gè)不同震源區(qū)的較小范圍內(nèi)，但主震7.8級(jí)震中以南的附近區(qū)域1996年以來(lái)基本沒(méi)有4.0級(jí)以上地震。分析認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因，一是主震南邊近EW向的豐南斷裂起到吸納能量和阻隔能量傳播的作用；二是主震附近區(qū)域地殼介質(zhì)較破碎，應(yīng)力不易積累到較高水平。

余震活動(dòng)主要集中在灤縣、盧龍地區(qū)及寧河一帶是主破裂發(fā)展到這2個(gè)地區(qū)后，被灤縣—樂(lè)亭斷裂及薊運(yùn)河斷裂阻擋的結(jié)果。表明主震發(fā)生后，主破裂面周圍及其兩端是應(yīng)力集中部位，尤其是兩端的擴(kuò)展分支更為明顯，所以大量余震都發(fā)生在其上或其附近[10]。圖3a清楚地呈現(xiàn)了余震活動(dòng)受東西兩支大斷裂的控制圖像，圖3b～3e的余震分布雖然仍在余震區(qū)范圍內(nèi)，但圖3e的震中分布明顯具有在唐山斷裂東端叢集活動(dòng)的局部特征。圖3隨時(shí)間演化的不同時(shí)段的震中分布圖像顯示了地震向東遷移的特征， 圖4顯示了在唐山斷裂東端NE向小震密集區(qū)圖像。雖然在唐山地震初期，唐山斷裂帶北東端存在一條近NS向的小震條帶[5]，但唐山地震后的40年與地震初期的應(yīng)力狀態(tài)不同，這種圖像應(yīng)屬于在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下以及唐山大震破裂調(diào)整作用在局部區(qū)域的表現(xiàn)，地震密集則反映出該構(gòu)造部位應(yīng)力水平較高的特點(diǎn)。

圖6 唐山老震區(qū)1996—2015年2.5級(jí)以上地震M-t圖和震源深度分布圖

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，得到如下初步認(rèn)識(shí)：

1)唐山老震區(qū)的余震大體分布在唐山7.8級(jí)、灤縣7.1級(jí)和寧河6.9級(jí)3個(gè)不同震源區(qū)的較小范圍內(nèi)，但主震7.8級(jí)震中附近區(qū)域1996年以來(lái)沒(méi)有4級(jí)以上地震；1996年以來(lái)ML2.5以上地震主要發(fā)生在唐山斷裂的東端，且強(qiáng)度較高，2012年的5.2級(jí)地震就發(fā)生于此，說(shuō)明該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)較高，存在發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)。

2)1996年之前地震在余震區(qū)分布較均勻，1996年以來(lái)余震在唐山—古冶斷裂的東北端點(diǎn)附近較集中，地震強(qiáng)度較大，震源深度較深，可能與徐家樓—王喜莊基巖斷層存在一定的關(guān)系。1976年灤縣7.1級(jí)地震震中的南部也呈現(xiàn)相對(duì)密集現(xiàn)象，推測(cè)存在深部斷層持續(xù)活動(dòng)[12]。該新生地震帶與煤層分布一致，并與煤礦徐家樓—王喜莊基巖斷層吻合[11]。

3)鑒于唐山—古冶斷裂的東部端點(diǎn)頻繁發(fā)生中等強(qiáng)度地震，建議重點(diǎn)監(jiān)測(cè)該區(qū)域，并對(duì)徐家樓—王喜莊斷層開展地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等不同手段探測(cè)，做好震害防御工作。

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Seismic Space-time Evolution Characteristics in Tangshan old Seismic Region During the Past 40 Years

ZHANG Su-xin, WANG Xiao-shan, CHEN Ting, GONG Meng, SHAN Lian-jun

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

On basis of small earthquake catalog in Tanshan old seismic region during the past 40 years, using classic aftershock sequence analysis method, we analyze the time evolution characteristics of the Tanshan great earthquake aftershock sequence, and then, based on the principles of intensity scale, we analyze the time evolution characteristics of earthquake space image with different intensity of earthquake. On basis of accurate relocated small earthquake catalog, we study the small earthquakes intensive image characteristics since 1996. Referring to the research results of the Tangshan earthquake during the past 40 years, we thoroughly analyze the relationship between the aftershocks space-time evolution characteristics and tectonic. The results indicate that the activity of 1976 TangshanM7.8 great earthquake aftershock sequence become weaker as time goes by, its intensity gradually diminished and its frequency is gradually lower, but the intensity fluctuation is obvious. There is still M5.0 earthquake occurred 36 years after the main shock, spatial distribution of seismic images have significant different characteristic before and after 1996.

Tanshan great earthquake; aftershock sequence; space-time evolution

張素欣，王曉山，陳婷，等．唐山老震區(qū)40年地震時(shí)空演化特征分析[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(1):32-37.

2016-10-10

中國(guó)地震局2016年華北首都圈地區(qū)震情跟蹤工作任務(wù)資助(2017020104)

張素欣(1965—)，女，河北元氏人，研究員，主要從事地震活動(dòng)性綜合分析等研究.E-mail:zsx@eq-he.ac.cn

P315.2

A

1003-1375(2017)01-0032-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.005