根据1992年以来唐山老震区最小完整性震级MC,设置起始震级为ML2.0,绘制区域地震震中分布图。如图3a所示,地震表现出明显的密集分布特征,主要沿唐山断裂带和卢龙断裂呈NE向密集分布,沿着蓟运河断裂也存在少量地震呈NW向带状分布。在卢龙断裂和滦县—乐亭断裂交汇区域附近,地震密集活动出现“丁”字形转折。为进一步分析地震活动的时空分布特征,沿地震密集区绘制了AB轴,长轴方向NE。在分析小震时空分布图像时,设定A点为研究区轴线原点,根据距离轴线20 km范围内地震相对原点的距离,得到唐山地区小震时空演化图像(图3b)。地震密集区集中在距离A点50～110 km处,该区域主要为唐山断裂带北段和卢龙断裂南段,大部分ML4.0以上地震都发生在该区域,其中包括所有ML5.0以上地震,其余的ML4.0以上地震主要分布在蓟运河断裂与唐山断裂带交汇附近。2004年1月20日昌黎ML5.0地震后,虽然小震活动仍然集中于该区域,但是地震密集范围明显收缩,更为集中在唐山断裂带北端和卢龙断裂与滦县—乐亭断裂的交汇区域,使得在唐山断裂带和滦县—乐亭断裂交而不汇的位置出现了一条清晰的地震分界线。
为了更直观地反映唐山老震区小震分布情况,区分地震活动相对密集地区与稀疏地区,本文基于小震震中分布绘制唐山地区地震密集分布图。对研究区域进行0.1°×0.1°的网格划分,统计网格节点附近10 km范围内的地震次数并对其进行归一化处理,由此得到的密集程度值能够直观描述研究区域的地震密集程度和密集区域。从小震密集分布特征来看,唐山老震区现今地震活动存在明显差异,呈现空间分布不均匀特征。结合区域构造环境并参考前人的分区规则(杨理华,赵喜柱,1985; 张宏志等,2008),本文将唐山老震区划分为东区、中区和西区,其中滦县—乐亭断裂及以东为东区,唐山断裂带所在的菱形块体内部为中区,蓟运河断裂及以西为西区。如图4a所示,1992年以来,中区地震密集程度尤为突出,地震密集区域主要集中在唐山断裂带北段,其南段地震分布相对稀疏; 东区地震密集程度次之,主要集中在滦县—乐亭断裂与卢龙断裂交汇区域,卢龙
图3 唐山老震区地震震中分布图(a)和时空演化图(b)
Fig.3 Epicentral distribution(a)and space-time evolution(b)of earthquakes in the Tangshan old seismic region
图4 1992—2021年(a)和1976—1991年(b)唐山老震区地震密集分布图
Fig.4 Density distribution of earthquakes in the Tangshan old seismic region from 1992 to 2021(a)and from 1976 to 1991(b)
断裂北段有少量地震聚集; 西区地震活动沿着蓟运河断裂呈NW向分布,地震密集程度较弱。将1976年唐山MS7.8主震及两次强余震的震中位置投影到地震密集分布图上发现,唐山MS7.8和滦县MS7.1地震震中均位于现今地震密集区域的边缘附近,宁河MS6.9地震震中位于现今地震活动较弱区域。而1992年以前的余震密集分布图显示(图4b),唐山MS7.8和滦县MS7.1地震震中均处于地震密集程度较高区域,且宁河MS6.9地震震中也位于地震密集区域的边缘。与1992年以前相比,现今地震密集区域收缩,偏离3次强震震中,可能预示区域地震受唐山MS7.8强震序列影响减弱。3 中等地震时空分布特征分析
3.1 时间丛集特征
区域地震活动时间分布特征研究是在一定统计区内(地震带或地震区内)进行的,描述在时间进程中不同时间段的地震活动特征。1992年以来唐山老震区ML4.0以上地震累积应变能量释放曲线整体表现比较平缓,未出现较大波动,说明整体地震活动比较平稳。从细节上看,累积应变能量释放曲线在2004年和2019年出现了小的台阶,参考1992年以来唐山老震区ML4.0以上地震的M-t图,可以将该区域现今中等地震活动大致分为3个阶段(图5)。第1阶段1992—2004年,累积应变能量释放用J来表示,其速率为11.2 J/a,ML4.0以上地震平均年频次为1.7次。期间发生了3次ML5.0以上地震,最大地震为1995年10月6日唐山ML5.4。该阶段地震发震时间间隔多集中在0.5～1 a,最长发震间隔为2 a,期间多次出现短期(3个月内)地震成对发生。第2阶段2005—2018年,累积应变能量释放速率和地震平均年频次较第1阶段有所降低,分别为6.0 J/a和0.9次。期间发生ML5.0以上地震1次,为2012年5月28日唐山ML5.1。该阶段地震存在2 a左右的准周期特征,并且“双震”特征更加显著。但2015年9月14日昌黎ML4.8地震扰乱了2 a左右的准周期特征,此后发震时间间隔缩短,此时可能处于这1阶段末期的剩余应变释放调整阶段。2016年9月10日唐山ML4.6地震后,唐山老震区进入了长达3.2 a的ML4地震平静,直至2019年12月5日丰南ML4.9地震的发生,预示着进入了地震活动的第3阶段。目前处于第3阶段早期,共计发生3次ML4.0以上地震,最大地震为2020年7月12日古冶ML5.4地震,该阶段地震发震时间间隔保持在0.5～1.0 a,目前累积应变能量释放速率为10.5 J/a。
图5 唐山老震区ML≥4.0地震M-t图(a)和累积应变能量释放曲线(b)
Fig.5 M-t diagram of ML≥4.0 earthquakes(a)and cumulative strain energy release curve(b) in the Tangshan old seismic region
前2个阶段的持续时间均在10 a左右,第2阶段累积应变能量释放速率、地震平均年频次和最大地震震级均低于第1阶段,符合老震区地震衰减规律。但是从第3阶段唐山老震区目前发生的中等地震活动情况来看,累积应变能量释放速率和最大地震震级均有所回升,ML4.0以上地震的发震时间间隔缩短,存在地震活动水平由平静向活跃转变的可能,与衰减趋势相悖,可能意味着该区域地震的发生受唐山MS7.8强震序列约束进一步减弱。
3.2 空间迁移特征
1976年唐山MS7.8主震及两次强余震依次发生于3分区中的中、东和西区,存在空间迁移特征(图4)。众多专家学者已对其成因及动力机制进行了阐述(Butler et al,1979; 国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组,1982; 闻学泽,马胜利,2006)。本文对唐山老震区现今中等地震空间分布特征进行分析时,发现这一特征同样显著。
将1992年以来唐山老震区ML4.0以上地震分组讨论,若以发震时间间隔超过2.0 a作为分组条件,则大致可以分为5组,3个阶段分别存在2组、2组和1组地震活动。从地震迁移曲线上看(图6),存在东、中、西3个分区交替发震的特点。5组地震活动中有3组的始发地震出现在中区,即迁移过程大多从中区开始,而结束地震多发生在东区。从迁移特征来看,虽未发现较明显的优势迁移方向,但迁移过程中存在一定的有序性,当地震活动按经度从东向西或从西向东活动时,会在3个分区依次进行迁移,每个迁移过程中区都会参加。在19次不同分区的地震迁移过程中,仅有3次没有经过中区,其中有2次从东区直接跳跃到西区(第1、4组),还有1次则从西区跳跃到东区(第1组)。由此可以将中区作为唐山老震区地震活动的窗口。研究表明,在东、中、西3个分区均存在应力集中点(马瑾等,1980; 刘蒲雄,吕晓健,2011),当区域应力积累到一定程度后,在其中一个应力集中点进行应力释放。1976年唐山7.8级地震后,由于老震区地质介质相对破碎,介质强度不易积累更大能量(Li et al,2007),较难阻止地震波能量的传播,初始破裂的冲击波诱发了其余两个应力集中点的应力释放,导致发震。3个分区中等地震空间迁移的现象,就是在3个应力集中点依次应力释放的过程。
图6 唐山老震区地震时-空迁移
Fig.6 Space-time migration of earthquakes in the Tangshan old seismic region
若以遍历东、中、西区为一重迁移,再一次遍历为二重迁移,则前2组地震活动存在二重迁移,后3组地震活动仅存在一重迁移。5组地震活动存在的7次迁移过程中,迁移路径为“西→中→东”模式的情况最多(图7a、b、e),“东→中→西”模式次之(图7b、c)。还有2次迁移过程为跨区跳跃的模式:第1组地震活动的第一重迁移过程中,天津发生ML4.9地震后,直接在东区发生了滦县ML4.0地震(图7a); 第4组地震活动迁移过程中,东区发生昌黎ML4.7地震后,接着西区发生丰南ML4.0地震(图7d)。但是从统计来看,跨区跳跃的情况较少发生,迁移过程主要遵循3个分区依次迁移的规律。
研究时段内最后一次ML4.0以上地震为2021年4月16日滦州ML4.8,位于东区。自此,第5组地震活动已经完成了一重迁移,迁移模式为“西→中→东”。参考前几次该模式下的迁移过程,在第1组地震活动的第二重迁移过程中,中区依次发生了唐山ML4.0和ML5.4地震后,再往东区迁移; 第2组地震活动的第二重迁移过程,在东区接连发生了昌黎ML4.1和ML5.0两次结束地震。考虑到“西→中→东”迁移模式下“双震”现象的存在,第5组地震迁移过程有可能还没有结束,即下一次ML4.0以上地震存在发生在东区的可能。
