引言

1976年7月28日,河北省唐山市发生M_S7.8大地震,此次地震给人民生命、 财产带来了巨大损失,其发震机理、 破裂机制、 致灾原因等一直吸引着广大地学研究人员． 在构造背景、 震源机制、 构造成因等研究方面,虢顺民等(1977)认为唐山菱形地块的边界断裂在地震孕育过程中发挥了重要作用,致使震前被围限的NE向发震断裂得到了暂时的平衡； 张之立等(1980)基于P波初动资料,反演得到唐山地震的震源机制为近似直立的右旋走滑型破裂,破裂模式为不对称的双侧破裂； 刘启元等(2007)基于密集台阵数据,从介质分布差异、 波速特点、 深部动力环境等方面分析认为,唐山地震的孕育过程与上地幔的垂向运动变形和壳幔之间物质及能量的交换密切相关； 万永革等(2008a)利用唐山地震破裂区的精定位地震目录,给出了唐山M_S7.8、 滦县M_S7.1地震等发震断裂带的断层面走向、 倾角、 位置、 滑动角等参数． 在地震所包含的破裂事件及断层滑动等研究方面,Butler等(1979)研究表明唐山地震的破裂类型复杂,包括走滑、 逆冲及正断等； Nábělek等(1987)通过地震波反演得出唐山地震包括6个主事件,至少有3个断层段参与了主震过程,其中两个为NNE向的右旋破裂,一个为ENE向的逆冲破裂； 蔡永恩等(1999)利用基于拉格朗日(Lagrangian)方法的非连续变形分析(LDDA)法模拟了唐山地震的破裂、 错动和应力释放的动力过程,结果显示断层滑动过程受断层几何形状的影响较大． 在主震对强余震及现今地震活动的影响方面,Robinson和Zhou(2005)研究了唐山主震与两次强余震(滦县M_S7.1和宁河M_S6.9地震)之间的关系,认为库仑应力触发效应对强余震的发生地点和破裂机制的预测具有重要意义； 杜晨晓等(2010)基于三维有限差分模拟,认为唐山主震的发生导致了其周边应力场的瞬时调整,促进了后续两次强余震的发生； 刘桂萍和傅征祥(2000)的研究认为唐山大地震可能触发了震源区之外3个区域的地震活动增强； 万永革等(2008b)基于黏弹性模型,研究了唐山主震对两次强余震以及唐山地震序列对后续小震的触发效应． 在震源反演研究方面,陈运泰等(1979)基于大地测量资料,反演了唐山地震的位错模式,并讨论了断层倾角、 平均错距、 能量释放特征等； 赵少荣(1995)基于大地测量资料,采用双断层模型反演了唐山地震的位错分布,该反演结果与地震波反演结果以及地震地质考察结果基本吻合． 上述研究从多角度分析了唐山地震的孕育、 发生及震后影响的复杂过程,对认识华北地区的强震孕育机理具有重要意义．

由于强震孕育始终伴随着地壳形变过程,因此诸多研究人员基于唐山地震震源区丰富的形变资料开展了针对性研究,并取得了丰富的研究成果. 例如： 张郢珍(1981)基于唐山地震前的多期水准资料,认为唐山地震经历了长期应变积累—体积膨胀—蠕动—形变反向(或蠕动速度减慢)—发震的过程； 张祖胜等(1981)基于水准资料系统分析了唐山地震的同震垂直运动特征,并讨论了该地震的弹性回跳现象； 黄立人等(1988)基于测距资料系统,利用多种解算方法得到了唐山地区的水平形变场,并讨论了唐山地震前后的水平形变动态特征,其结果表明唐山菱形地块在震前存在挤压应变积累．

综上所述,虽然唐山地震的研究成果已有很多,但仍存在一些问题需要开展针对性研究,如地震前断层的闭锁深度、 同震位错量值、 震源区的现今地壳形变特征、 同震应变释放与现今应变积累的定量关系等． 本文拟基于唐山地震同震的水平位移分布和震源区现今GPS速度结果,对上述问题进行初步分析,以增强对唐山地震前后地壳形变特征的认识．

1.   唐山地震水平同震位移分布

唐山震区位于阴山—燕山隆起带东段的燕山隆起与华北平原坳陷带北部冀渤凹陷的结合部位,受宁河—昌黎断裂、 丰台—野鸡坨断裂、 滦县—乐亭断裂和蓟运河断裂的切割(图 1),在唐山地区形成了一个NE向的菱形地块(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组,1982)． 黄立人(1981)基于1971年和1976年两期微波测距资料,采用广义逆法计算得到了多点参考基准下的唐山地震同震位移场,该结果中包含了唐山地震前5年的位移量. 考虑到同震位移的量值远大于震前5年的累积量值,因此本文不对其进行区分． 图 1中的唐山地震水平同震位移场结果显示,应变释放主要发生在NE向的唐山菱形地块内,破裂特征表现为沿唐山断裂的右旋错动,同时沿滦县—乐亭断裂南段存在少量的挤压应变释放． 根据黄立人等(1988)的分析,唐山断裂附近的21号测点受到采石影响,蓟运河断裂以南地区的10号和9号测点因覆盖层较厚受到沉降因素的影响,因此这3个测点的结果在后续的形变分析中未被采用．

图  1  唐山地震水平同震位移场(位移数据黄立人,1981； 震源机制引自 Global CMT,2011)

F₁： 宝坻断裂； F₂： 藩庄西断裂； F₃： 蓟运河断裂； F₄： 海西断裂； F₅： 丰台—野鸡坨断裂； F₆： 唐山断裂； F₇： 宁河—昌黎断裂； F₈： 滦县—乐亭断裂. 断层名称下同

Figure  1.  Horizontal coseismic displacement field of Tangshan earthquake,where the displacement data are taken from Huang(1981),and focal mechanisms come from Global Global CMT(2011)

F₁： Baodi fault； F₂： Fanzhuangxi fault； F₃： Jiyunhe fault； F₄： Haixi fault； F₅： Fengtai--Yejituo fault； F₆： Tangshan fault； F₇： Ninghe--Changli fault； F₈： Luanxian--Laoting fault The black triangle with number represents the microwave measuring point and its number,the black arrows represent coseismic displacement. The gray curves represent the principal faults,the same below,and the dashed frame represents the coseismic displacement profile

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2.   唐山地震水平同震形变特征分析

基于唐山地震的同震位移数据,采用二维位错解析模型定量地识别其同震破裂参数． 图 2给出了唐山地震水平同震位移剖面的投影结果,由于21号点受到采石影响,故在后续分析中未被采用． 图 2采用两种二维位错解析公式对同震位移数据进行拟合,其中式(1)为直立型断层拟合公式(Segall,2010),式(2)为带有倾角情况下的拟合公式(邹镇宇等,2015),即

式中,u为同震位移,s为同震位错量,D为破裂深度(对应震前闭锁深度,此处为负值),d为距发震断层的距离,α为断层倾角． 式(1)和式(2)均是基于位错理论推导求得,属于平面断层假设下的二维公式,其主要应用于地表观测较少且不足以很好地约束断层面上滑动分布的情形．

图  2  唐山地震水平同震位移投影结果(投影范围见图 1虚线框)

Figure  2.  Projection of horizontal coseismic displacement of Tangshan earthquake (The projection range is the dashed frame shown in Fig. 1)

The black points represent coseismic displacement results,the gray curves represent the fitting results of vertical fault with Equ.(1),and the black curves represent the fitting results of the tilt fault with Equ.(2)

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基于式(1)直立型断层假设的拟合结果(图 2灰色曲线)可知,唐山地震的同震位错约为3.1 m,破裂深度约为22.9 km； 基于式(2)非直立型断层假设的拟合结果(图 2黑色曲线)可知,同震位错约为3.4 m,破裂深度约为18.3 km,断层倾角约为74°． 式(1)和式(2)对数据的拟合程度均较高,拟合值与观测值的相关系数分别达到0.97和0.98． 另外,基于图 2给出的两组拟合公式,可以推算出唐山地震所引起的同震位移范围； 以可检测到15 cm的同震位移(该值为同震位移的误差椭圆长轴的平均值)进行估算,由式(1)和式(2)得到的距发震断层的距离分别约为148 km和124 km．

由图 1和图 2可以看出,唐山地震的发震断层上存在明显的右旋错动,在此过程中断层两侧区域伴有明显的应变释放现象． 图 3给出的唐山地震应变释放结果表明： 唐山断裂西侧区域(R₄—R₇)的平均主张应变方位约为84°±6°,考虑到该区的丰台—野鸡坨断裂以NE向展布为主,因此该区主要表现出沿NE向的左旋剪切应变释放现象,同时兼有挤压应变特征； 唐山断裂东侧区域(R₁和R₂)的应变释放量值大于西侧,呈现出张性应变释放为主、 兼有沿NE向左旋剪切应变释放的特征； 位于唐山菱形地块外部的R₃区域表现为少量的挤压应变特征,R₈区域则表现出少量的张性应变特征． 总体而言,唐山断裂两侧区域的应变释放量级达10^-5,影响范围较大,即使位于研究区域边缘的R₃和R₈区域的应变释放量值也分别达到了-0.8×10^-5和0.2×10^-5．

图  3  唐山地震同震应变场

Figure  3.  Coseismic strain field of Tangshan earthquake

The areas enclosed by dashed lines represent the region for strain calculation,and the black double arrows represent coseismic strain

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3.   唐山地震震源区现今地壳形变特征分析

通常意义上,强震同震释放掉的应变量可以认为是由震间期积累起来的,断层愈合后即可认为孕震区进入下一个强震孕育周期,因此基于现今唐山地震震源区的GPS资料,可以研究其应变积累特征． 图 4给出了GPS速度场和应变率结果,观测数据时段为1999—2007年,在此期间研究区域受周边强震的影响较小,数据解算采用GAMIT/GLOBK和QOCA软件(Dong et al,1998; Herring et al, 2010a,b),数据处理的具体过程可参阅Wu等(2015)文章．

图  4  唐山地震震源区现今地壳形变分布图(GPS速度场采用中国大陆参考基准)

Figure  4.  Contemporary crustal deformation distribution of the source area of Tangshan earthquake (The GPS velocity field are fixed to the reference of the Chinese mainland)

The arrow with circle represents GPS velocity,the areas enclosed by dashed lines represent the region for strain rate calculation,and the black double arrows represent GPS strain rate

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基于图 4结果很难直接识别出唐山地震对研究区域地壳形变的震后影响. 鉴于从更大尺度上看,唐山地震震源区与华北地区的GPS运动并不存在显著差异,因此基于现有观测结果可以初步认为现阶段唐山地震震源区已经进入新一轮的强震孕育过程． 对比图 4的速度场与图 1的同震位移分布,最直观的现象为测点空间密度的差异,在近断层尺度形变特征的测站约束方面,图 1结果明显优于图 4． 另一方面,同震与现今地壳运动量值也存在明显差异,根据图 2给出的拟合公式可以推算出同震位错约为3.1—3.4 m,基于GPS观测的现今地壳运动量值约为0.5—3.6 mm/a(仅包括一部分形变信息),二者在量值上相差约1000倍．

对比图 3与图 4的应变释放和应变累积结果可以看出,唐山断裂SE侧(A₂区域)的同震应变释放和现今应变积累的量值均大于其NW侧(A₁区域),现今阶段的主应变率方向相对于同震释放主应变方向发生了偏转． 为了定量分析同震应变释放和震间期应变积累特征,表 1给出了唐山地震震源区的同震应变释放与现今应变积累的对比结果,其中唐山断裂NW侧同震应变释放结果由R₄—R₆区域内所有测点重新计算得到,SE侧则为R₂区域计算得到的结果． 由表 1可以看出： 同震释放的应变量值相当于1000多年的应变积累量值,同时两个区域的主应变(率)方位角发生了显著变化,唐山断裂SE侧区域的主张应变(率)方位角沿顺时针方向旋转了约55°； 唐山断裂NW侧的主张应变(率)方位角沿逆时针方向旋转了31°,沿NE方向的形变性质由同震的左旋应变释放转变为右旋应变积累．

表  1  唐山地震震源区同震应变释放与现今应变积累的对比

Table  1.  Comparison of coseismic strain release with contemporary strain accumulation in the source area of Tangshan earthquake

应变积累和释放	唐山断裂NW侧区域				唐山断裂SE侧区域
	主张应变/10-8	主压应变/10-8	主张应变方位角/°		主张应变/10-8	主压应变/10-8	主张应变方位角/°
同震应变	1662	-2142	80		3871	-2676	113
现今应变率	1.2	-1.2	49		3.5	-3.9	169

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4.   讨论与结论

本文通过对唐山地震震源区同震和现今地壳形变特征的分析,讨论了同震应变释放、 震前闭锁深度、 同震形变范围、 现今应变积累特征等问题,初步结论如下：

1) 通过对有限的同震位移数据进行二维位错解析公式拟合,推测唐山地震前的断层闭锁深度约为18—23 km,断层倾角可能介于74°—90°之间,同震位错量约为3.1—3.4 m. 这些结果与陈运泰等(1979)、 张之立等(1980)及万永革等(2008a)的结果一致． 在考虑同震位移数据精度的情况下,距离唐山断裂约120—150 km范围内可以识别到显著的同震位移．

2) 从地壳形变台站布设密度的角度来看,虽然目前的GPS测网能捕捉到较大空间尺度的地壳形变,但在近断层区域其测点密度尚显不足． 以唐山地震为例,基于目前的GPS观测密度,在发震断层附近尚无法给出类似于图 1的近场同震位移及震间期的应变积累特征．

3) 通过对比同震位移与现今GPS速度结果和同震应变与现今应变率特征可以看出,同震及现今地壳运动(形变)在量值上相差约1 000倍． 考虑到唐山地震仅过去40年,相对于整个孕震周期,震源区目前尚处于孕震早期,因在孕震早期应变积累速率远大于平均应变积累速率(Meade,Hager,2005),所以推测唐山地震的孕育周期应该远大于1000年．

4) 唐山同震位移在发震断裂上表现出明显的右旋错动特征,在发震断层两侧沿NE向表现为左旋应变释放特征． 在本文的GPS测站密度和精度情况下,现今阶段尚无法识别出沿唐山断裂的明显滑动特征． 另外,同震和现今地壳形变结果均表明,唐山断裂SE侧的应变(率)大于NW侧．