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唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征

畅柳 武艳强 杨博 金涛

畅柳, 武艳强, 杨博, 金涛. 唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159
引用本文: 畅柳, 武艳强, 杨博, 金涛. 唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159
CHANG Liu, WU Yanqiang, YANG Bo, JIN Tao. Characteristics of 3D Surface Deformation Characteristics and Seismogenic Fault Inversion of 1976 Tangshan Ms 7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159
Citation: CHANG Liu, WU Yanqiang, YANG Bo, JIN Tao. Characteristics of 3D Surface Deformation Characteristics and Seismogenic Fault Inversion of 1976 Tangshan Ms 7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159

唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征

doi: 10.13203/j.whugis20220159
基金项目: 

中国地震局地震科技星火计划 XH22019YA

科技部基础性工作专项课题 2015FY210403

详细信息
    作者简介:

    畅柳,硕士,主要从事大地测量数据处理与形变分析研究。changliu1990@whu.edu.cn

    通讯作者: 武艳强,博士,研究员。chdqyw@126.com
  • 中图分类号: P221; P315

Characteristics of 3D Surface Deformation Characteristics and Seismogenic Fault Inversion of 1976 Tangshan Ms 7.8 Earthquake

Funds: 

The Science Project for Earthquake Resilience of China Earthquake Administration XH22019YA

the Special Program for Basic Work of the Ministry of Science and Technology, China 2015FY210403

More Information
    Author Bio:

    CHANG Liu, master, specializes in geodetic data processing and deformation analysis. E-mail: changliu1990@whu.edu.cn

    Corresponding author: WU Yanqiang, PhD, professor. E-mail: chdqyw@126.com
图(7) / 表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-16
  • 刊出日期:  2022-06-05

唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征

doi: 10.13203/j.whugis20220159
    基金项目:

    中国地震局地震科技星火计划 XH22019YA

    科技部基础性工作专项课题 2015FY210403

    作者简介:

    畅柳,硕士,主要从事大地测量数据处理与形变分析研究。changliu1990@whu.edu.cn

    通讯作者: 武艳强,博士,研究员。chdqyw@126.com
  • 中图分类号: P221; P315

摘要: 通过系统收集整理1976年唐山7.8级地震前后区域水准和边角网观测资料,在研究发展动态平差程序的基础上,解算得到了唐山地震震前和同震三维形变定量结果与误差分布,并反演得到了断层面同震滑动分布。结果显示,震前阶段丰润-唐山-唐海-昌黎-迁安一带整体隆升,隆升高值区位于唐山附近,震中区的水平形变量不大,唐山菱形地块相对于周围地块逆时针扭转;同震阶段唐山断裂以右旋错动为主,并呈现西升东降的垂向变形特征;反演结果表明多段断层参与了唐山7.8级地震的应变释放,主震发震断层的南段破裂主要发生在深度约6~18 km、长轴约50 km范围,北段破裂主要发生在深度约7~17 km、长轴约30 km范围,滦县地震断层也发生了少量滑动;主震断层最大水平位错为7.82 m、最大垂直位错为2.04 m,等效震级为Mw 7.58。挖掘得到的唐山震前和同震三维形变场定量结果为深入研究该地震的孕育发生机制及地震影响提供了珍贵资料。

English Abstract

畅柳, 武艳强, 杨博, 金涛. 唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159
引用本文: 畅柳, 武艳强, 杨博, 金涛. 唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159
CHANG Liu, WU Yanqiang, YANG Bo, JIN Tao. Characteristics of 3D Surface Deformation Characteristics and Seismogenic Fault Inversion of 1976 Tangshan Ms 7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159
Citation: CHANG Liu, WU Yanqiang, YANG Bo, JIN Tao. Characteristics of 3D Surface Deformation Characteristics and Seismogenic Fault Inversion of 1976 Tangshan Ms 7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 916-926. doi: 10.13203/j.whugis20220159
  • 1976-07-28凌晨,在河北省唐山-丰南一带发生了7.8级地震,在主震后接连发生了滦县7.1级地震和宁河6.9级地震,唐山地震是中国建国以来伤亡最大的一次地震,极震区烈度达到了Ⅺ度[1],造成了巨大的人员伤亡和财产损失。地震发生44年后,2020-07-12河北省唐山市古冶区发生的5.1级地震仍然被认定为唐山地震的余震[2],唐山地震的影响持续至今。在地震研究中,可靠的大地测量形变成果和发震构造模型在厘清地壳变形模式、块体运动特征、断层耦合规律、动力加载机制、地震孕育行为和地震破裂模式等方面发挥着举足轻重的作用[3-5]。文献[6-9]采用两期静态平差后进行利萨夫改化、广义逆平差等方法发布了唐山地震水平和垂直形变结果,这些结果在唐山地震的科学研究中发挥了重要的作用。上述结果中,垂直形变结果通过等值线方式给出,缺乏定量结果;水平形变结果虽给出了定量值,但缺乏误差值,仅文献[8]采用广义逆矩阵方法得到同震位移的近似误差估计。从文献中尚难以获得全部具有误差估计的三维形变定量结果,因此有必要全面清理历史资料,开展传统大地测量数据形变解算研究,在获得唐山地区三维地壳运动和误差分布定量结果的基础上,进一步研究唐山7.8级地震震前和同震应变累积释放特征、断层滑动分布等,为深入认识唐山地震形变过程与机制提供基础数据和新的线索。

    本文系统梳理了前人关于唐山7.8级地震变形过程研究进展,如文献[10-13]给出了位错反演模型与结果,文献[14-15]给出了地震变形模式等,全面收集整理唐山震区震前和同震大地测量形变观测原始资料,首先发展完善了三维形变资料解算动态平差模型,然后解算得到了震前和同震三维形变结果,最后利用重新解算的同震位移作为约束,利用有限断层震源模型反演唐山地震的同震断层几何模型和断层面滑动分布,讨论唐山地震的断层运动特征。

    • 唐山震区传统大地测量观测网如图 1所示,其中F1为蓟运河断裂,F2为沧东断裂,F3为丰台-野鸡坨断裂,F4为唐山断裂,F5为宁河-昌黎断裂,F6为西南庄断裂,F7为滦县-乐亭断裂,F8为卢龙断裂,F9为建昌营断裂。唐山震区内传统大地测量观测点位较为密集,测网跨过了测区主要的地质构造,区域水准网东起秦皇岛,西至宝坻,南临渤海湾,北至燕山脚,东西长约200 km,南北宽约150 km,唐山市位于测区中心;测边/角网NE向长轴与区域水准网大体相当,NW向短轴相对较短。图 1的测网在唐山地震前后进行过多次观测,通过清理历史资料,本文收集整理了1970—1976年三期、观测长度共计3 887 km区域水准以及1954—1976年五期、涉及250个测角观测值和88个测边观测值的测边/角网原始观测数据。水准数据经过非公共点测段合并后的资料情况见表 1,整理验算后的测边/角网的数据资料见表 2

      图  1  唐山震区传统大地测量观测网

      Figure 1.  Traditional Geodetic Survey Network in Tangshan Earthquake Area

      表 1  唐山震区水准网资料情况

      Table 1.  Statistics of Leveling Network Data in Tangshan Earthquake Area

      期次 年份/年 测线长度/km 公共测点数 测段数
      第一期 1970 33.4 10 10
      1971 1261.7 206 203
      第二期 1975 1303.8 215 213
      第三期 1976 1288.1 215 213

      表 2  唐山震区测边/角网资料情况

      Table 2.  Statistics of Horizontal Deformation Network Data in Tangshan Earthquake Area

      年份/年 观测方式 网中测点数 观测值个数 网中公共点数 阶段
      1954 测角 13 48 25 震前
      1960 测角 37 154
      1964 测角 13 48
      1971 测边 24 45
      1971 测边 23 41 22 同震
      1976 测边 22 43
    • 文献[16-18]对自由网平差方法和变形分析的理论与实践进行全面总结,系统介绍了形变分析的秩亏自由网动态平差及其检验方法,此后动态平差在传统大地测量垂直形变网的变形分析中得到了广泛的应用[19-23]。为了定量获得三维形变场结果及误差分布,本文采用垂直运动和水平运动动态平差模型,发展了实用计算程序。

    • 根据经典水准动态平差公式,对整理的震前多期观测高差进行自由网动态平差,得到震前垂直运动速率[24],计算式为:

      vjk=σHk-σHj+(tjk-t¯)vk-(tjk-t¯)vj-hjk

      式中,vjk为高差改正数;σHkσHj分别为k点、j点的高程改正数;tjkjk测段观测时间;t¯为测网的平均观测时间;vkvj分别为k点、j点速率;hjkj点到k点的观测高差。

    • 在经典区域水准动态平差的基础上,笔者曾经参与的“中国大陆现代垂直形变图集的编制与资料整编”项目发展了直接解算垂向同震位移的动态平差方法,该方法在观测方程中直接将同震位移作为未知数求解,计算式为:

      vjk=σHk-σHj+(tjk-t¯)vk-(tjk-t¯)vj+λk-λj-hjk

      式中,λkλj分别为k点、j点的同震位移。

    • 在经典三角网平差的基础上,本文参考区域水准动态平差方法[17-18](式(1)),发展了边角网动态平差方法,计算式为:

      $$ \left\{\begin{array}{l} v_{j k}^{\text {Angle }}=\frac{\Delta x_{j k}^{0}}{\left(S_{j k}^{0}\right)^{2}}\left[\delta y_{j}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{y_{j}}\right]-\frac{\Delta y_{j k}^{0}}{\left(S_{j k}^{0}\right)^{2}}\left[\delta x_{j}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{x_{j}}\right]-\frac{\Delta x_{j k}^{0}}{\left(S_{j k}^{0}\right)^{2}}\left[\delta y_{k}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{y_{j}}\right]+ \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\Delta y_{j k}^{0}}{\left(S_{j k}^{0}\right)^{2}}\left[\delta x_{k}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{x_{j}}\right]-\left(l_{j k}^{\text {Angle }}-Z_{j}\right) \\ v_{j k}^{\text {Lenglh }}=-\frac{\Delta x_{j k}^{0}}{S_{j k}^{0}}\left[\delta x_{j}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{x_{j}}\right]-\frac{\Delta y_{j k}^{0}}{S_{j k}^{0}}\left[\delta y_{j}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{y_{j}}\right]+\frac{\Delta x_{j k}^{0}}{S_{j k}^{0}}\left[\delta x_{k}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{x_{j}}\right]+ \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{\Delta y_{j k}^{0}}{S_{j k}^{0}}\left[\delta y_{k}+\left(t_{j k}-\bar{t}\right) v_{y_{j}}\right]-l_{j k}^{\text {Lenghih }} \end{array}\right. $$ (3)

      式中,vjkAnglevjkLength分别为测角、测边观测值改正数;Δxjk0Δyjk0为两点近似坐标E方向和N方向差值;Sjk0为两点近似距离;ljkAngleljkLength分别为角度观测值和测边观测值;Zjj站的定向角,即零方向的方位角;δxjδyjj点的坐标改正数;vxjvyj分别为j点E方向和N方向速率,k点类似。

      利用式(3)求解可直接获得震前水平运动速率。考虑到唐山地震前后多期观测的测点变动问题,在计算水平形变同震位移时采用分步计算的方式:首先利用式(3)处理唐山地震震前和震后的观测资料,得到两期资料的位移值;然后利用1954—1971年的资料,采用式(3)平差得到震前运动速率;最后将位移值减去震前运动速率与地震前后两测点观测间隔的乘积,得到同震位移估值,同时利用协方差传播定量计算误差估计。

    • 利用式(1)和式(2)对测区内的区域水准网(图 1(a))进行动态平差,选取测区内远离震中且地震前后形变差异小于1 mm/a的5个相对稳定点作为约束点,见附录表1中1、43、56、115、142号点(附录表1见本文资源附件:http://ch.whu.edu.cn/cn/article/doi/10.13203/j.whugis20220159),约束点速率值从1960—1980年中国大陆垂直形变图中插值获取。为了合理确定约束点和观测数据的权值,采用赫尔墨特方差分量估计法定权[20-21],垂向形变结果见附录表1。震前垂直形变动态平差结果的中误差为1.13 mm/(km·a),点位形变平均误差为2.26 mm/a;同震垂直形变动态平差结果的中误差为1.39 mm/km,点位形变平均误差为11.44 mm。震前垂直形变点位平均误差略小于研究区内非沉降区的形变差异幅度,同震垂直形变点位平均误差远小于极震区附近的同震垂直形变量,本文解算的精度能够满足唐山震前和同震垂直形变分析需求。

      图 2为唐山震区震前和同震垂直形变,由图 2可以看出,测区西南部存在大面积的沉降区,这些沉降区主要与大量抽水、采矿等非构造因素有关,宁河地区在不同阶段都是本测区的沉降极值所在区域,震前宁河地区沉降极值速率为-66.1 mm/a(附录表1中178号点),同震阶段该区域的沉降极值为-1 312.0 mm(附录表1中163号点)。图 2(a)显示丰润-唐山-唐海-昌黎-迁安一带在震前呈现整体上升形态,隆升高值区位于唐山附近,高值区整体隆升速率约为3.0 mm/a,其他隆升区域的整体隆升速率在2.0 mm/a以内。图 2(b)显示唐山断裂东南侧下降、西北侧上升,滦县和宁河出现了两个强烈的下沉区,下沉区的极值区分别位于唐山断裂带两端的异侧,这两个区域正是右旋错动的拉张区,也是走滑断块的尾端。文献[25]模拟了直立走滑断层的地表垂向位移空间分布,结果表明直立的走滑断层端部是垂向形变的极值区域,下沉区位于拉张区,隆升区位于挤压区,垂直形变结果佐证了唐山地震为直立或陡倾角的右旋错动。

      图  2  唐山震区震前和同震垂直形变

      Figure 2.  Vertical Preseismic and Coseismic Displacement in Tangshan Earthquake Area

    • 采用式(3)对图 1(b)的测边/角网进行动态平差,震前采用自由网动态平差法,同震解算选取远离震中且自由网平差结果中位移较小的庙山、九龙山、大佟庄和山岭子4个角点作为水平形变拟稳点,进行拟稳动态平差[17-18]。同震形变采用的观测数据时间跨度为5年,在计算同震形变时对有震前形变结果的18个公共测点扣除震间形变,并采用误差传递方程估计扣除震间影响后的点位精度,具体形变结果见附录表2和附录表3。水平形变解算误差略大于垂向误差,N、E方向震前形变平均误差分别为4.2 mm/a、5.1 mm/a,同震形变平均误差分别为60.4 mm、54.6 mm。测区中皂甸庄和雁翎庄测点因覆盖层较厚,受到局部沉降因素的影响明显[8],在后续的形变分析及断层滑动反演中,这两个点的形变结果未被采用。

      图 3为唐山地震震前和同震水平形变,其中箭头处椭圆半径为一倍中误差,F1~F8代表的断裂与图 1相同。图 3(a)显示整个震中区域相对于周围地块呈现出明显的逆时针扭转的特征,震中区水平形变量不大,特别是唐山断层北侧没有明显的相对运动;此外在测区东部滦县-乐亭断裂附近,有一个差异运动较大的区域,大致沿着NW向滦县-乐亭断裂(F7)呈现顺时针方向扭转,文献[7]和文献[9]解算的震前水平形变也能观察到上述现象。本文采用动态平差方法对震前多期测角网和测边网进行统一解算并评定了速率解算精度,在前人的基础上有所继承和改进,图 3(b)结果显示震中区各点沿地震断层呈顺时针扭动,断层两侧相对运动量最大值达到2.5 m,由于蓟运河断裂(F1)和滦县-乐亭断裂(F7)对发震断层破裂扩展的阻隔作用,蓟运河断裂以西、滦县-乐亭断裂以东区域水平形变量显著小于震中区域。

      图  3  唐山震区震前和同震水平形变

      Figure 3.  Horizontal Preseismic and Coseismic Displacement in Tangshan Earthquake Area

    • 基于唐山地震的震前和同震三维形变数据,得到唐山震区垂向位移剖面以及水平应变结果,如图 4所示。其中投影线和范围见图 2,应变计算方法和应变计算区域参见文献[26-27],水平应变计算时未采用皂甸庄和雁翎庄两个受局部沉降干扰的点[8]。由图 4(a)可以看出,震前震中区周围出现整体隆升现象,隆升高值在唐山断裂中段附近,约5.3 mm/a(附录表1中84号点);由图 4(b)可以看出,同震表现出显著的上盘隆升(最大值为200.30 mm,附录表1中160号点)、下盘沉降(最大值为-733.77 mm,附录表1中85号点)的应变释放特征。由图 4(c)可以看出,震前水平应变累积结果中,唐山菱形块体内部(R2、R3)以近NS向挤压应变积累为主,宁河附近(R1)和滦县附近(R4)以张应变为主,这一现象与震前垂直形变表现出的唐山菱形块体内隆升、测区西部下沉现象有较好的对应。由图 4(d)可以看出,唐山地震同震水平应变释放结果中,R2和R3区域表现为张性应变释放特征,其中R2区域的主张应变方向为NE向,R3区域则为NEE向,反映了唐山断裂显著的右旋应变释放特征,同时断层两盘存在伸展变形;R1区域表现为近EW向伸展变形,R4区域表现为NE向挤压变形特征。总体上,唐山地震震前和同震呈现出一定复杂性,可能反映了多条断层的联合作用。

      图  4  唐山震区震前和同震变形分布

      Figure 4.  Distribution of Preseismic and Coseismic Displacement in Tangshan Earthquake Area

    • 对于唐山地震发震断层的几何结构,不同机构和学者给出的结果存在差异[11012-1328-31]。唐山断裂中部两侧垂直形变差异较大,单一的陡倾角右旋断层模型无法解释这一现象,考虑到唐山主震破裂特征以及形变场的点位分布,将唐山地震断层设置为南段和北段两部分。由于宁河地震震区位于显著沉降区附近,周围的垂向形变作为同震形变可信度较低,水平形变点位太少,因此暂不考虑宁河地震发震断层;滦县7.1级地震及附近的余震对同震三维形变场影响明显,构建断层模型时为了更合理地约束测区东部滦县附近的形变,在唐山地震南、北段发震断层的基础上考虑滦县地震发震断层的影响。

      本文基于文献[11012-1328-31]给出的断层几何模型参数,考虑同震形变场分布情况,设置断层参数搜索范围:唐山主震断层北段走向223°~234°,断层倾角78°~90°,长度24~60 km,宽度15~33 km;唐山主震断层南段走向185°~215°,断层倾角73°~90°,长度24~60 km,宽度15~33 km;滦县地震断层走向125°~160°,断层倾角35°~77°,长度20~50 km,宽度15~30 km。断层的起点以水平形变和垂直形变差异变形界限为依据,进行最优起点搜索,采用格网搜索法得到局部最优的断层几何参数见表 3

      表 3  唐山地震断层破裂情况统计

      Table 3.  Statistics of Fault Rupture of Tangshan Earthquake

      参数 唐山主震断层南段 唐山主震断层北段 滦县地震断层
      断层起点 117.983°E, 39.247°N 118.250°E, 39.620°N 118.971°E, 39.573°N
      长度/km 56 40 36
      宽度/km 22 22 22
      走向/(°) 207 233 130
      倾向/(°) 75 90 70
      平均错距/m 4.26 3.20 1.55
      最大水平错距/m 7.82 5.69 -3.10
      最大垂直错距/m 2.04 1.52 -0.43
      最大错距所在深度/km 12.56 13.00 10.34
      注:水平错距正值为右旋,负值为左旋;垂直错距正值为逆冲,负值为正断

      将每个断层面剖分为4 km×2 km的矩形子块,共分为363个子块,顾及分层地壳结构进行滑动分布反演。分层地壳数据采用文献[32]的结果,选取参与反演的形变数据则考虑局部地质条件的影响,参见文献[10]的处理方法,舍去测区西南部的大面积下沉区以及震中附近下沉超过-500 mm的垂向形变区,采用20个测边/角点和116个水准点的形变数据反演。图 5为数据拟合残差与模型粗糙度的关系[33]以及观测值和模型值相关系数与水平形变和垂向形变权比的关系。

      图  5  平滑因子及形变观测值权比对反演结果的影响

      Figure 5.  Influence of Smoothing Factor and Weight Ratio of Deformation Observationson on Inversion Results

      通过分析数据拟合残差与粗糙度的关系,选取曲线接近拐点处的平滑因子α=0.1作为最优平滑因子(图 5(a));根据观测值与模型值相关系数与水平形变和垂向形变权比的关系,选取曲线接近平缓处的权比3∶1作为约束(图 5(b))。由图 5(b)可以看出,水平形变权重占比越大,观测值与模型值的相关系数越接近于1,原因在于唐山地震同震破裂主要表现为走滑型,水平形变对走滑型同震位移的约束作用强于垂向形变。

    • 图 6为唐山地震的滑动分布反演的模拟值与观测值。反演的数模相关系数为0.96,观测值与模型值的均方根(root mean square,RMS)在N、E、U方向分别为166.3 mm、104.9 mm、72.9 mm。由图 6可以看出,唐山主震断层近场的水平和垂向同震形变拟合较好,表明断层滑移模型具有较高的可靠性。3个断层的破裂情况统计见表 3

      图  6  同震形变观测值和模拟值

      Figure 6.  Observed and Simulated Coseismic Displacement

      本文计算得到的唐山主震断层释放力矩为2.62×1020 N·m,与文献[34]基于体波资料得出的地震矩2.80×1020 N·m、文献[13]基于形变反演得出的地震矩2.58×1020 N·m,以及全球矩心矩张量项目(global centroid moment tensor,GCMT)[1]得出的地震矩2.77×1020 N·m都相差不大,等效地震矩Mw 7.58也与地震的实际情况相符;本文计算的滦县地震断层释放力矩为4.01×1019 N·m,略大于文献[28]和文献[30]基于体波反演分布得出的3.0×1019 N·m和2.04×1019 N·m,略小于文献[13]得出的4.59×1019 N·m,与文献[35]基于远震面波和体波得出的8.0×1019 N·m差异较大,原因可能在于滦县地震附近余震较多,活动断裂分布相对复杂,因此不同方法和模型得出的结果差异较大。

      图 7为模拟断层的滑动分布情况,其中地震烈度Ⅺ度区的矢量化引自文献[1],唐山地震地表破裂带、地震遗址野外调查点位引自文献[35]。由图7(a)7(b)可以看出,唐山地震断层以右旋滑动为主,带有少量的逆冲分量,这与文献[35]的结论一致;南段破裂强度明显大于北段,这与文献[13]和文献[36]的结论一致。本文计算的唐山地震断层南段平均滑动量为4.26 m,北段平均滑动量为3.2 m,与文献[31]得出的南段平均错距3.75 m、北段平均错距3.3 m结果相近,此外,文献[27]采用二维位错解析模型识别唐山地震同震位错为3.1~3.4 m,文献[10]采用单一断层模型得出发震断层走向滑动错距为4.59 m,也与上述结果大体相当。本文计算的唐山地震最大水平错距为7.82 m,最大垂直错距为2.04 m,略大于文献[37]基于LDDA(Lagrangian discontinuous deformation analysis)方法给出唐山发震断层最大动态位错量7.1 m和最大静态位错量6.2 m以及文献[13]基于形变位错反演给出的最大错距 > 6 m的结果,略小于文献[31]给出的唐山主震破裂中最大点滑动量为9.9 m的结果。最大滑动量的差异可能是由于地表形变约束数据的差异以及模型划分大小的不同。

      图  7  唐山震区断层滑动分布

      Figure 7.  Inversion Results of Fault Slip in Tangshan Earthquake Area

      图 7(a)可以看出,唐山地震断层南段MF1主要滑动深度6~18 km,长约30 km,MF1断层在西礼尚庄南至郝庄子一带和西河一村附近的近地表滑动量较大,断层滑动反演结果表明这两处产生了地表破裂。文献[1]的调查结果显示,礼尚庄-郑家庄裂缝带为震后调查发现的右旋扭矩最大的裂缝带,文献[38]表明西礼尚庄南至郝庄子一带和西河一村附近存在明显地表破裂现象,且该区域与地震烈度Ⅺ度区部分重合[1],本文MF1断层的反演结果与实地考察显示地表破裂一致。

      图 7(b)可以看出,唐山地震断层北段MF2平均滑动量为3.2 m,最大水平错距为5.69 m,最大垂直与最大水平错距在同一断片,其错距为1.52 m,深度13.0 km,主要滑动范围为深度7~17 km,宽度约15 km。中国地震台网和国际地震中心给出的唐山7.8级地震的震源深度分别为11 km和10±1.5 km,本文计算的主要滑动深度范围与其相符。

      图 7(c)可以看出,滦县地震断层MF3的反演结果显示该断裂以左旋错动为主,与滦县7.1级地震震源机制解的认识一致[1]。滦县地震附近余震较多,活动断裂分布相对复杂,NW向滦县-乐亭断裂和NE向宁河-昌黎断裂等多条断裂都参与了唐山震群滦县附近区域的发震过程[11230-3239],但该区域观测数据量较少,无法约束更为复杂的模型,因此MF3断层的拟合结果相对于其他两个断层段较差。

    • 对唐山7.8级地震历史资料进行重新清理,用更完善的方法进行解算,为唐山地震科学研究提供可靠的形变解算数据;对唐山地震同震滑动的反演为唐山地震的同震破裂分布、优势破裂深度和破裂范围等方面的研究提供了参考。这为进一步研究唐山地震的发震机理、孕震环境提供数据和依据。

      1)为保证唐山7.8级地震震前和同震形变结果的可靠性,本文通过单期数据往返测校核、环闭合差验算、测角网内角和验算、静态平差调算验算等过程保证了原始数据的准确性。在数据处理方面,开发完善的动态平差程序解决了不同期次数据形变基准不统一等问题。在结果精度方面,震前区域水准形变速率误差均值为2.26 mm/a,震前水平形变N、E方向形变速率误差均值分别为4.2 mm/a和5.1 mm/a;同震区域水准形变误差均值为11.44 mm,同震水平形变N、E方向形变误差均值分别为60.4 mm和54.6 mm。此外,本文同震水平形变最弱点为庙山,其N、E方向形变误差分别为68.6 mm和94.7 mm;文献[8]采用广义逆矩阵方法得出同震形变最弱点是九龙山,其N、E方向形变误差分别为319.8 mm和136.0 mm,其N、E方向形变误差均值分别为118.8 mm和140.3 mm。采用本文的动态平差方法对水平形变场解算精度较前人有明显的提升,垂向形变解算精度高于水平形变解算精度。

      2)唐山7.8级地震震前形变与同震形变存在一定程度的非对称现象,其中垂直形变震前表现为跨唐山断裂带的大范围隆升,同震表现为发震断裂北西侧隆升、南东侧下沉特征;水平形变震前沿唐山断裂带存在逆时针扭转,同震呈现右旋错动应变释放。在垂直形变方面,虽有震前隆升,但垂直形变速率和梯度均不高,反映了地下物质上涌以及水平下压应力共同作用。在水平形变方面,震前与同震不对称性与文献[7]和文献[9]的结果一致,与1999年Hector Mine Mw 7.1地震Camp Rock断层变形非对称性类似[40],表明震时释放的地壳变形是由震间长期(应变积累期)地壳发生弹性形变总量决定的,短时段的动态变化可能偏离长期形变的方式[41]。总体而言,唐山菱形块体受左旋挤压的北边界丰台-野鸡坨断裂、左旋挤压的西边界滦县-乐亭断裂、右旋拉张的南边界宁河-昌黎断裂、右旋拉张的东边界滦县-乐亭断裂以及块体内部右旋的唐山断裂的共同作用,形变模式比较复杂,不能单纯地用某一条断裂的形变特性来解释,震前出现逆时针扭转的特征可能与区域复杂的构造运动有关。

      本文采用动态平差方法重新整理并解算了唐山震前和同震三维形变场,并在同震三维形变结果解算中考虑了震前影响的扣除,获得了215个水准测点的高精度震前和同震垂向形变及其误差,以及24个震前和22个同震传统水平形变测点的形变及其误差,计算得出地表垂向同震错动 > 0.9 m,水平同震错动 > 2 m。反演唐山地震同震滑动分布结果表明,主震发震断层的南段破裂强于北段,最大水平位错为7.82 m,最大垂直位错为2.04 m,主震断层释放力矩为2.62×1020 N·m,等效震级为Mw 7.58。

参考文献 (41)
补充材料:
20220159_畅柳_附录表.pdf

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