由震源机制解推断唐山地震序列发震断层的分段特征*

杨雅琼 王晓山 万永革 盛书中 陈 婷

1) 中国石家庄050021河北省地震局 2) 中国北京100081中国地震局地球物理研究所3) 中国河北三河065201防灾科技学院



由震源机制解推断唐山地震序列发震断层的分段特征*

杨雅琼1)王晓山1,2),*万永革3,2)盛书中3)陈 婷1)

1) 中国石家庄050021河北省地震局 2) 中国北京100081中国地震局地球物理研究所3) 中国河北三河065201防灾科技学院

使用唐山地区2002年1月—2015年11月ML≥2.5地震的255个震源机制解，采用构造应力场均匀性的分段方法对唐山地震序列的发震断层进行分段．在已有唐山地区震源机制解分区特征的基础上，给出了5个参考应力张量，并通过差异显著性的z值检验计算将唐山地震序列的发震断层分为宁河、唐山、滦县和卢龙等4个子段，进而分别对4个子段的应力场进行反演．结果显示：4个子段的最大主压应力方向均呈近EW向，且唐山、宁河和卢龙子段的应力场均表现出较大的拉张分量；唐山、宁河子段的最佳应力张量与唐山主震对唐山断裂带两端点所产生的引张应力场的作用方式一致．此外，唐山子段的应力场符合基于接收函数给出的上地幔物质隆升模型，滦县子段走滑型的应力状态反映了该区的共轭构造运动，卢龙子段的最佳应力张量为正断兼右旋走滑．从当前唐山地震序列发震断层分段的应力场特征可以推断，现今唐山地区的地震活动具有继承性，主要受区域构造应力场和该区深、浅共存的断裂构造体系控制．

唐山地震序列 震源机制解 构造应力场 发震断层分段

引言

1976年7月28日河北唐山MS7.8地震发生在唐山菱形块体内部NE走向的唐山断裂带上(虢顺民等，1977)．该断裂带可划分为南、北两个段落，北段自西向东依次分布有陡河断裂、唐山—巍山—长山南坡断裂和唐山—古冶断裂，南段自西向东分布着唐山—丰南断裂和唐山—古冶断裂(尤惠川等，2002)；与NW向的蓟运河断裂、滦县—乐亭断裂和EW向的丰台—丰南断裂交汇，形成南北两段构造断裂闭锁和唐山、宁河、滦县等3个应力集中区(马瑾等，1980)．断裂破裂的有限元模拟结果(Xie，Yao，1991；Huang，Yeh，1997)显示，唐山地震发震断层的破裂起始于唐山断裂带南段的北端(唐山断裂带南北两段的交接点在唐山市附近)，然后沿走向为NE30°的南段扩展，5.9 s之后破裂开始沿走向约为NE50°—60°的北段传播(Náběleketal，1987)．郭慧等(2011a，b)根据唐山地震的最新地表破裂带的位移特征，将唐山地震地表破裂带分为南北两段：北段以右旋走滑为主，兼有西升东降的垂直位移；南段以东升西降的倾滑活动为主，兼有右旋走滑活动；且两段地表破裂带的重叠区与MS7.8地震的微观震中相近．Shedlock等(1987)关于唐山地震序列早期余震分布的研究也表明南北两段的交接点在唐山市附近．唐山主震发生后3.5小时和15小时左右，分别发生了宁河MS6.2和滦县MS7.1地震；主震后大约3.5个月，在主震破裂的SW延伸断裂部位上发生宁河MS6.9地震(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组，1982)．显然，这3次地震是因唐山主震产生破裂而发生的触发型破裂事件，与主震共同构成了一次复杂的板内地震序列(Butleretal，1979；刘桂萍，傅征祥，2000；Robinson，Zhou，2005；万永革等，2008)．

对于唐山地震序列的应力场研究，由于受震源机制解丰富程度和求解精度所限(许忠淮等，1994)，早期仅能在时间进程和空间分布上对震源区的应力场进行粗略的分析．李钦祖等(1983)关于唐山地震序列早期震源机制解的研究揭示了震源区应力场由主震前的紧张平衡态经主震后的极不稳定态逐渐向松弛平衡态演变；刁桂苓等(1995)关于唐山地震序列震源机制解的系统聚类结果显示，该序列的震源机制解类型多，且取向分散；Xu和Wang(1986)利用滑动方向拟合法得到的唐山老震区平均应力场结果显示，震后唐山地区的主压应力轴发生了顺时针旋转．2002年投入运行的首都圈数字地震台网极大地改善了唐山地区地震震源的定位精度和震源机制的求解质量，为求取唐山地区更加精细的应力场空间分布特征奠定了数据基础．李轶群和王健(2008)采用网格密集值方法将唐山余震区分为5个区域并分别求解各分区的小震综合断层面解；张宏志等(2008)利用双差定位结果对唐山震区分区，并给出各分区震源机制解的平均应力轴取向；万永革等(2008)则利用模拟退火算法和高斯-牛顿算法反演了唐山地震序列的5段地震断层面的走向、倾角和滑动角．上述研究均从地震活动的丛集性出发，对唐山地震序列的发震断层进行分段，然后分别求取各子段的应力场，但均并未将构造应力场均匀性对地震活动的影响考虑在内．

唐山地区的断裂构造和主震的破裂过程极为复杂，各子段在区域应力场作用下的地震活动存在明显差异，本文将通过基于构造应力场均匀性对断层或板块边界进行分段(Wyss，Lu，1995)的方法，利用唐山地震序列近期的255个震源机制解，从构造应力场角度对唐山地震序列的发震断层进行分段，并给出经过差异显著性检验的各子段的应力场特征，以期为深入理解唐山地震序列的发震机理、发震构造以及该地区的地震危险性评估提供详尽的基础资料．

1 构造背景与数据

唐山地震发生在近EW向的阴山—燕山南缘活动构造带与NNE向的华北平原活动构造带的交汇处．如图1所示，唐山地区主要发育有3组浅层活动断裂，即NE向的丰台—野鸡坨断裂(F1)、宁河—昌黎断裂(F3)、唐山断裂带(F5)，NW向的滦县—乐亭断裂(F2)、蓟运河断裂(F4)和EW向的丰台—丰南断裂(F9)，唐山地震即发生在唐山断裂带的深部．

本文基于首都圈数字地震台网记录的2002年1月—2015年11月唐山地区ML≥2.5地震的波形资料，使用梁尚鸿等(1984)提出的垂直向直达P波、S波最大振幅比方法计算得到255个震源机制解，如图1中灰色和红色沙滩球所示，其震源位置利用hypo2000(Klein，1978)经重新绝对定位得到．图1中压缩区用黑色填充的震源机制解为矩心矩张量解(Dziewonskietal，1981；Ekströmetal，2012)，震中位置引自《中国地震目录(公元1970—1979年)》(顾功叙等，1983). 由图1可以看出，震源机制解相对集中在唐山断裂带的北段和滦县地区，在卢龙和宁河地区呈丛集性分布，基本上与马瑾等(1980)给出的震前3个应力集中区分布一致．

图1 唐山地区地质构造和2002年1月—2015年11月ML≥2.5地震的震源机制解分布F1: 丰台—野鸡坨断裂；F2: 滦县—乐亭断裂；F3: 宁河—昌黎断裂；F4: 蓟运河断裂；F5: 唐山断裂带；F6: 卢龙断裂；F7: 汉沽断裂；F8: 沧东断裂；F9: 丰台—丰南断裂

根据震源机制解的3个应力轴倾角大小，Zoback(1992)将震源机制解分为6种类型，即正断型、正走滑型、走滑型、逆走滑型、逆断型和无法确定型．对本文所获取的255个震源机制解进行分类统计，结果为：走滑型地震为93次，占总数的36.5%；正断型和正断兼走滑分量类型为91次，占35.9%；逆断型和逆断兼走滑分量类型为23次，占9.0%；无法确定型为48次，占18.4%．可以看出，走滑型与正断型所占的比例基本相同，这可能是由于本文将具有走滑分量的正断层和逆断层分别划归至正断型和逆断型所致，从整体上看研究区的应力状态以剪切拉张为主．

2 方法

Wyss和Lu(1995)首次提出了利用构造应力场均匀性对断层或板块边界进行分段的方法，并将该方法应用于圣安德列斯断层的分段研究，结果显示，该断层的5个子断层中，4个子断层的位置与基于非定量的构造划分法得到的分段结果是一致的．因此，应用该方法对断层进行分段，不但使断层或板块边界的划分更量化和客观化，而且还能找出构造划分法难以找出的子段．之后，该方法被应用于阿留申板块边界(Lu，Wyss，1996)和阿拉斯加俯冲带(Luetal，1997)的分段；这些地区的构造应力场相对简单，因此应用效果很好．Ratchkovski(2003)将其用于板缘地区的阿拉斯加德纳里(Denali)断层的分段，盛书中和万永革(2012)将其用于板内地区的汶川地震断层的分段研究，二者均给出了较好的分段结果．这些研究结果表明利用构造应力场的均匀性对板块边界或断层进行分段的方法适用于各种类型的构造环境，能够对板块边界或断层给出经过统计显著性检验的分段结果．

利用构造应力场的均匀性对板块边界或断层进行分段的方法假设板块边界或断层的各子段内的应力张量方向相同，且构造应力场方向在不同子段呈显著变化，用单个震源机制解与参考应力张量之间的残差作为板块边界或断层的分段参数(Wyss，Lu，1995)．基于上述假设，将发生在三维空间里的地震事件视为沿板块边界或断层走向分布的一维事件，计算出沿断层或板块边界走向的每个震源机制解相对于参考应力张量的最小三维空间旋转角(Kagan，2007)，即本文的分段参数．相邻子段间的差异显著性采用z检验的统计方法(Meyer，1975)来计算，z检验是基于中心极限定理，即从相同母体中抽取的两个样本组的平均值之差服从正态分布．z值是用来检验来自同一序列的两组独立样本平均值之间的差异，具体检验统计公式为

(1)

式中，μ1为子段1的平均残差，μ2为子段2的平均残差，s1和s2分别为两个子段内的残差标准差，n1和n2分别为两个子段内的震源机制解个数．计算不同参考应力张量相对于唐山地震序列震源机制解的残差累积的z值，当z值超过z检验显著性水平为0.05的临界值(1.96)时，判定其通过显著性检验．本文要求当2个或2个以上的参考应力张量通过差异显著性检验时，才可将该震源机制解所处位置确定为唐山地震序列发震断层的分段点．

3 唐山地震序列分段

3.1 参考应力张量反演

利用构造应力场均匀性对断层进行分段，可通过3种方法求取所需要的参考应力张量．其一，不同参考应力张量与不同子段中震源机制解的残差通常不等，当所选的参考应力张量与某一子段的应力场相近时，该子段的残差累积曲线的斜率变化不明显，因而易于分辨；其二，根据断裂带的产状变化进行分段，类似于地质上的活断层分段方法；其三，根据地震活动丛集性进行分段．对复杂的断裂带进行分段时，需全面考虑各种因素，尽可能选用多个应力张量作为参考应力张量(Luetal，1997)．关于唐山地区震源机制解的分区特征和发震断层的分段性，目前已有很多研究成果，本文将基于前人根据震源机制解得到的分段结果，定量地对其进行差异显著性检验，并在此基础上对唐山地震序列进行更加合理的分段．

根据唐山地区震源机制解的分区特征(许忠淮，1985；李轶群，王健，2008；张宏志等，2008)和唐山地震序列地震断层面的拟合结果(万永革等，2008)，本文将研究区分为5个子段：宁河段、唐山断裂带南段、唐山断裂带北段、滦县段、卢龙断裂段．将基于震源机制应力反演程序(focal mechanism stress inversion package，简写为FMSI)(Gephart，Forsyth，1984)获取的最佳应力模型平均残差作为表征区域内应力场均匀程度的一个指标，当平均残差介于6°—9°之间时，反演所得到的最佳应力模型视为可接受解，但区域应力场仍存在一定程度的不均匀性(Wyss，Lu，1995；Luetal，1997)．利用FMSI方法分别对研究区的5个子段进行应力张量反演，结果列于表1．可以看出：除唐山断裂带北段外，其它4段的应力张量均可视为可接受解；宁河、唐山断裂带南段和卢龙断裂这3个子段的最大主压应力方向为ESE--WNW向；唐山断裂带北段和滦县段这两个子段的最大主压应力方向近EW向，且表现出一定的拉张分量．表1还显示出：唐山断裂带北段的平均残差大于9°，表明该段的应力场具有较高的非均匀性；唐山断裂带北段的震源机制解个数相对于其它4段最多，各种类型的震源机制解沿唐山断裂带北段均匀分布，并且在该断裂带东北端形成一条近NS向的地震条带，表明此处可能存在隐伏于地壳深处的活动断裂(张四昌，刁桂苓，1992)，复杂的断裂结构互相作用可能导致应力场的非均匀性．

表1 唐山地震序列发震断层分段的参考应力张量反演结果

注：R表示相对应力大小，R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1).

3.2 基于应力场均匀性的断层分段

将所选用的震源机制解沿断层走向从SW至NE进行排列，分别计算5个参考应力张量和排序后的每个震源机制解的最小空间旋转角，并将其作为每个地震震源机制解与参考应力张量之间的残差，绘制残差累积曲线和z检验绝对值曲线，如图2所示．由残差累积曲线(图2a)可以看出，在第31，145和219次地震处，宁河段、唐山断裂带南段、唐山断裂带北段和卢龙断裂段的参考应力张量的残差累积曲线斜率发生改变，而滦县段的参考应力张量残差累积曲线的整体趋势变化则不明显．由相应残差累积曲线的z检验值曲线(图2b)可以看出：在第31次地震处，宁河段、唐山断裂带北段和卢龙断裂段参考应力张量的残差累积曲线z检验值均超过临界值；在第145次地震处，滦县段和卢龙断裂段参考应力张量的残差累积曲线z检验值均超过临界值；在第219次地震处，唐山断裂带北段和卢龙断裂段参考应力张量的残差累积曲线z检验值均超过临界值．对于唐山断裂带南段参考应力张量而言，各子段间的残差累积曲线z检验值未通过统计检验，且残差累积z检验值曲线的趋势变化与宁河段参考应力张量的残差累积z检验值曲线大体一致．按照差异显著性的选择标准，本文选择第31，145和219次地震的位置(图1中压缩区用红色填充的震源机制解所示)作为唐山地震序列发震断层分段的分界点，即由z检验值结果可见，在0.05的显著性水平上，各子段的差异较为显著．如图1所示，第31次地震位于唐山断裂带与丰台—丰南断裂的交汇处，第145次地震位于唐山断裂带与一条隐伏断裂的交汇处，第219次地震位于卢龙断裂上，因此从构造应力场均匀性的角度出发，将唐山地震序列的发震断层分为4个子断层段，第31，145和219次地震的震源位置即为唐山地震序列发震断层在地壳深部介质力学性质的分界点．

图2 累积残差曲线(a)及其相应的z检验绝对值曲线(b)垂直虚线为分段界限，图(b)中的水平线表示z检验显著水平为0.05的临界值1.96

大地震由于破裂尺度太大对应力场方向的局部变化不敏感，因而只能反映大尺度的区域应力场，而小地震既能反映大尺度的应力场，又能对局部扰动的应力场有所显示．现今唐山地区以中小地震(2.5≤ML≤5.1)为主，对应的破裂尺度约为几百米，能够反映出其应力场在10—100 km尺度上是否具有均匀性(Luetal，1997)，因此该震级范围适于研究唐山地震序列的断层分段性，即根据应力场的均匀性可以确定各段分界点的位置．根据上述分段方法，本文将唐山地震序列的发震断层分为宁河、唐山、滦县和卢龙等4个子段，并利用FMSI方法反演得到各子段的最佳应力张量，具体列于表2，图3给出了重新分段后的4个子段的应力场3个主应力轴的分布图．

表2 基于应力场均匀性得到的唐山地震序列发震断层4个子段的应力张量反演结果

图3 重新分段后4个子段的应力场3个主应力轴分布图

从表2所示的反演结果可以看出：唐山子段的拟合残差较大，应力场非均匀程度较高，这可能与唐山断裂带NE端存在一近NS向的地震条带有关，将该条带与唐山断裂带北段分别进行应力场反演，结果也列于表2，可以看到: 二者的应力场都较为均匀；滦县子段的相对应力大小R值为0.5，表明滦县地区的应力场比较均匀，分段较为合理．从唐山子段分割出来的隐伏断裂的最佳应力张量与滦县MS7.1地震(图1中发震时间为1976年7月28日18时45分的震源机制解)的矩心矩张量解比较接近，呈纯正断层错动．由图3可以看出，4个子段的最大主压应力方向均为近EW向，与李瑞莎等(2008)和盛书中等(2013)对该区应力场的研究结果基本一致．

4 讨论与结论

本文使用唐山地震序列近期的255个震源机制解，将该序列的发震断层划分为宁河、唐山、滦县、卢龙等4个子段．滦县、卢龙子段的范围大致上与李轶群和王健(2008)给出的滦县、卢龙区一致，本文获取的滦县、卢龙子段的最佳应力张量与李轶群和王健(2008)的综合断层面解的类型基本一致，只是卢龙子段的最大主压应力方向与李轶群和王健(2008)所得的结果相比有所偏转；宁河、唐山子段的范围与许忠淮(1985)给出的宁河、唐山区基本一致，其最大主压应力方向相对于该序列早期有所偏转，最大主应力轴倾角大于45°，具有较大的拉张分量．唐山子段与宁河子段的分界点(第31次地震)在EW向的丰台—丰南断裂附近，与震源破裂过程反演结果(Náběleketal，1987；Xie，Yao，1991；Huang，Yeh，1997)中的南北两段分界点、地表破裂带南北两段分界点(郭慧等，2011a，b)的位置大致吻合，唐山子段与唐山断裂带北段展布范围基本一致；而震源破裂过程反演结果中的南段和地表破裂带的南段近期地震活动较弱，由于震级较小地震的震源机制解可信度不高，所以南段可用的震源机制解个数较少，且大部分集中在蓟运河断裂与昌黎—宁河断裂交汇处，宁河子段与唐山断裂带南段的最佳应力张量基本相同，故将唐山断裂带南段合并到宁河子段，这样反演的最佳应力张量与前人的研究结果(许忠淮，1985；李轶群，王健，2008；万永革等，2008)较为一致．在唐山断裂带NE端，一条近NS向的小震条带(张四昌，刁桂苓，1992；刘亢等，2015)将唐山子段与滦县子段隔开，唐山子段的北端分界点(第145次地震)恰好就在近NS向的小震条带上；滦县子段处于卢龙断裂与滦县—乐亭断裂的共轭交汇处，地震活动丛集，张宏志等(2008)和万永革等(2008)使用双差定位后的震源位置结合断裂构造细分出卢龙断裂段和滦县地震段，但本文认为不能将地震活动简单地归并至某条断裂上，因此本文将交汇处的震源机制解看成一个整体，划分出滦县子段，其最佳应力张量表现为走滑型的应力结构．综上所述，本文根据构造应力场的均匀性所得到的唐山地震序列发震断层的分段与震源破裂过程反演结果、地表破裂分段特征、地震活动丛集以及构造特征大体一致，在一定程度上反映了唐山地震震源区应力场的现今状态．

唐山地震序列发震断层各子段的最佳应力张量与该区较大地震的矩心矩张量解类似，也从一定程度上验证了本文给出的断层分段较为合理．滦县MS7.1和宁河MS6.9地震以及绝大多数余震均发生在唐山断裂带的SW端和NE端，而这两个区域恰好是唐山MS7.8地震所产生的引张应力区；本文中宁河子段和唐山子段的最佳应力张量为拉张状态，与主震对宁河、唐山两个子段的应力场作用方式一致．近期震源机制解中正断型地震较多，唐山、宁河和卢龙子段的应力场表现出的拉张分量，使我们不能仅限于二维平面讨论唐山地区的应力场作用方式，而忽略掉地壳深部构造环境所产生的垂直力作用．刘启元等(2007)给出的唐山及其邻区60 km 深度范围内的三维地壳上地幔S波速度结构显示，沿唐山断裂带布设的台站下方的中上地壳存在明显的向上挤出的S波低速体，流体和热作用导致并加速了地壳物质的弱化和物质向两侧的挤出，同时在地壳上部产生张应力，这可能是唐山子段近期走滑型和正断型事件活跃的深部动力学成因；在剖面NE端存在的局部低速体可能与卢龙子段的应力场作用方式有关，而滦县子段在剖面上则未显示出较强的横向不均匀性．唐山地震序列的形成与地壳内部垂直构造差异运动和张剪性局部应力场的触发作用密切相关(Shaoetal，1986；刘启元等，2007)．

从近期唐山地区应力场的基本特征可以看出，唐山地震的震源断层并没有愈合，而是处于持续活动状态，且现今的中小地震具有继承性断裂活动特征．宁河、唐山、滦县和卢龙这4个子段相对之前研究结果所表现出来的最大主压应力方向偏转和倾伏角增大等现象需要基于更丰富、更精确的资料进行精细研究．随着数字地震观测技术的进步和数字地震台网的广泛布设，高精度地震观测资料为我们研究历史大震震源构造的精细结构提供了数据基础，使得重新考虑唐山、滦县、宁河地震的破裂模型、机制及其震后的动力学演化过程成为可能．本文仅从构造应力场均匀性的角度对唐山地震序列的发震断层进行分段，期望下一步能够加入更小震级地震的震源机制解资料，对唐山地震序列的发震断层再进行下一级子段的细分．

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Seismogenic fault segmentation of Tangshan earthquake sequence derived from focal mechanism solutions

Yang Yaqiong1)Wang Xiaoshan1,2),*Wan Yongge3,2)Sheng Shuzhong3)Chen Ting1)

1)EarthquakeAdministrationofHebeiProvince,Shijiazhuang050021,China2)InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China3)InstituteofDisasterPrevention,HebeiSanhe065201,China

Based on the method of tectonic stress field homogeneity, this paper determined the segmentation of the seismogenic fault of Tangshan earthquake sequence by using the focal mechanisms of earthquake withML≥2.5 occurred in Tangshan area from January of 2002 to November of 2015. According to the previous subarea results related to focal mechanisms in Tangshan area, this paper obtained five reference stress tensors, and the seismogenic fault of Tang-shan earthquake sequence was divided into four segments,i.e., Ninghe, Tang-shan, Luanxian and Lulong, by the significant difference analysis ofz-test of cumulative misfit. The inversion for stress fields of the four segments shows the orientation of maximum principal stress axes is nearly in EW, and the stress filed of the Tangshan, Ninghe and Lulong segments showed a greater tensile component. The best stress tensors of Tangshan and Ninghe segments are consistent with the tensile stress field caused by the Tangshan main shock’s pulling the northeastern and southwestern ends of Tangshan fault zone. The uplift model of upper mantle material derived from receiver function may also conform to the stress field of Tangshan segment. The strike-slip stress field of Luanxian segment is closely related to the conjugated structure in this area. The best stress tensor of Lulong segment is normal fault with right-lateral strike-slip. From the present characteristics of stress field for the seismogenic fault segmentation of Tangshan earthquake sequence, it is concluded that the seismicity in Tangshan area has inherited the development mode of Tangshan earthquake sequence, and mainly can be controlled by the regional tectonic stress field and the coexistence of deep and shallow faults.

Tangshan earthquake sequence; focal mechanism; tectonic stress field; segmentation of the seismogenic fault

10.11939/jass.2016.04.009.

国家自然科学基金(91214201)和河北省地震局地震科技星火计划重点项目(DZ20150428102, DZ20140101002)联合资助.

2016-04-11收到初稿，2016-06-10决定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.04.009

P315.2

A

杨雅琼，王晓山，万永革，盛书中，陈婷. 2016. 由震源机制解推断唐山地震序列发震断层的分段特征. 地震学报, 38(4): 632--643.

Yang Y Q, Wang X S, Wan Y G, Sheng S Z, Chen T. 2016. Seismogenic fault segmentation of Tangshan earthquake sequence derived from focal mechanism solutions.ActaSeismologicaSinica, 38(4): 632--643.doi:10.11939/jass.2016.04.009.

*通讯作者 e-mail: wxs@eq-he.ac.cn