华北地区地震和深部构造关系及其破裂机制.pdf

1华 北 地 区 地 震 和 深 部 构 造 关 系 及 其 破 裂 机 制 研 究张路张世民中国地震局地壳应力研究所摘 要华 北 地 区 的 地 震 活 动 格 外 活 跃 ， 其 地 壳 深 部 构 造 的 独 特 性 决 定 了 其 地 震 活 动 性 多 条 地 学 断 面 和 地 震剖 面 等 地 球 物 理 研 究 表 明 ， 华 北 地 区 的 地 震 带 （ 即 活 动 构 造 带 ） 一 般 均 存 在 低 速 体 或 上 地 幔 上 隆 ； 华 北 强震 区 的 地 球 物 理 详 细 勘 测 发 现 ， 强 震 区 也 都 存 在 低 速 体 或 上 地 幔 上 隆 应 用 应 力 摩 尔 圆 和 库 伦 破 裂 准 则 ，利 用 上 涌 模 型 和 地 壳 减 薄 模 型 研 究 地 壳 岩 石 破 裂 机 制 ， 结 果 表 明 ， 地 壳 存 在 上 地 幔 上 隆 和 低 速 体 的 地 区 的地 壳 岩 石 比 其 它 地 区 更 易 于 发 生 破 裂 华 北 地 区 的 地 壳 深 部 构 造 决 定 了 地 震 的 空 间 分 布 格 局 1 引 言华 北 地 区 远 离 板 块 活 动 边 界 ， 地 表 形 变 测 量 和 GPS观 测 结 果 表 明 ， 该 区 相 对 于 我 国 西 部地 区 ， 主 要 断 裂 带 滑 移 速 率 低 [车 兆 宏 等 ， 唐 方 头 等 ， 郭 良 迁 等 ]， 地 表 变 形 小 [沈 正 康 ， ZhuS],总 体 上 属 于 稳 定 的 华 北 克 拉 通 地 区 。

但 华 北 地 区 的 地 震 活 动 却 十 分 活 跃 大 华 北 包 含 华 北 平 原 和 鄂 尔 多 斯 及 周 边 地 区 ， 历 史上 （ -780~1911 年 ） 发 生 过 6 次 8~8.5 级 地 震 、 19 次 7~7.9 级 地 震 ， 1912 年 以 来 又 发 生 过6 次 7~7.9 级 地 震 ， 是 我 国 大 陆 强 震 活 动 频 度 和 强 度 仅 次 于 青 藏 高 原 的 地 区 地 震 活 跃 区 多 数 位 于 地 表 变 形 强 烈 的 地 区 ， 如 我 国 西 南 川 滇 地 区 和 西 北 南 疆 地 区 等 ， 但华 北 地 区 为 什 么 会 是 地 表 平 静 而 地 震 频 繁 的 “ 外 冷 内 热 ” 情 形 ？ 其 平 静 的 外 表 下 隐 藏 着 怎样 的 深 部 孕 震 机 制 ？2 华 北 地 区 的 深 部 构 造 与 地 震 带华 北 地 台 （ 华 北 盆 地 与 鄂 尔 多 斯 及 周 边 ） 具 有 统 一 的 前 寒 武 结 晶 基 底 ,在 古 生 代 — 侏 罗纪 期 间 也 有 相 同 的 演 化 历 程 ； 白 垩 纪 开 始 ,它 们 的 演 化 才 开 始 有 所 区 别 ,其 中 鄂 尔 多 斯 基 本 保持 相 对 稳 定 的 状 态 ,而 华 北 盆 地 与 鄂 尔 多 斯 周 边 在 新 生 代 都 有 不 同 程 度 的 裂 陷 伸 展 、 地 壳 减薄 (程 裕 淇 等 ,1994)。

中 国 大 陆 晚 新 生 代 和 现 代 构 造 变 形 以 活 动 地 块 运 动 为 主 要 特 征 活 动 地 块 是 被 形 成 于 晚新 生 代 、 晚 第 四 纪 至 现 今 强 烈 活 动 的 构 造 带 所 分 割 和 围 限 、 具 有 相 对 统 一 运 动 方 式 的 地 质 单元 根 据 新 生 代 构 造 演 化 ， 大 致 以 太 行 山 为 界 ， 华 北 地 区 可 分 为 构 造 特 征 有 明 显 差 异 的 两 个地 区 ， 西 边 为 鄂 尔 多 斯 块 体 及 周 缘 断 陷 盆 地 带 ， 东 边 为 华 北 东 部 盆 地 张 培 震 等 (张 培 震 等 ，韩 竹 军 等 )以 山 西 断 陷 盆 地 带 和 郯 庐 断 裂 带 为 界 ， 将 华 北 地 区 分 为 鄂 尔 多 斯 (K1， )、 华 北 平原 (K2)和 鲁 东 — 黄 海 (K3)等 3 个 二 级 活 动 地 块 ， 华 北 平 原 地 块 内 部 又 可 以 划 分 出 更 次 一 级 的地 块 ， 如 太 行 山 、 冀 鲁 、 豫 淮 等 次 级 地 块 (图 1)。

断 块 划 分 所 依 据 的 活 动 构 造 带 涵 盖 了 华北 地 区 的 强 震 、 活 动 断 层 ， 也 涵 盖 了 现 今 的 小 震 （ 图 2， 图 3） 从 图 中 看 出 ， 强 震 一 般 分 布 于 二 级 活 动 地 块 边 界 ， 但 华 北 盆 地 内 部 的 1830年 磁 县 、 1937年 菏 泽 和 1966 年 邢 台 等 强 震 位 于 三 级 活 动 地 块 边 界 二 级 活 动 地 块 边 界 代 表 了 穿 越 地 壳 的深 部 活 动 构 造 带 ， 三 级 活 动 地 块 边 界 是 壳 内 活 动 构 造 带 ， 可 以 说 这 些 位 于 三 级 活 动 地 块 边 界的 地 震 应 该 代 表 了 “ 更 纯 粹 的 板 内 地 震 ” 图 2 强 震 的 震 源 机 制 解 反 映 出 华 北 地 区 的 强 震 是由 走 滑 断 层 发 震 ， 并 且 该 区 的 最 大 主 应 力 为 近 水 平 ， 方 向 为 北 东 东 华 北 盆 地 的 西 边 界 太 行 山 山 前 断 裂 前 第 四 纪 活 动 强 烈 ， 但 第 四 纪 以 来 它 的 很 多 分 段 活 动性 很 弱 或 基 本 不 活 动 （ 韩 竹 军 ， XuJie,徐 杰 ） ， 并 且 是 发 育 于 上 地 壳 的 拆 离 滑 脱 断 裂 （ 王 椿镛 ） ， 它 没 有 被 作 为 断 块 边 界 。

唐 山 － 河 间 － 磁 县 活 动 构 造 带 作 为 新 生 地 震 构 造 带 ， 现 今 地震 活 动 频 繁 ， 晚 第 三 纪 以 来 ， 它 已 经 成 为 分 隔 渤 海 拉 分 构 造 系 统 与 西 边 太 行 山 构 造 系 统 的 边界 带 （ 韩 竹 军 ） 2图 1 华 北 地 区 活 动 地 块 划 分 （ 自 韩 竹 军 2003）一 级 地 块 :华 北 地 块 . 二 级 地 块 :鄂 尔 多 斯 活 动 地 块 (K1)、 华 北 平 原 活 动 地 块 (K2)和 鲁 东 － 黄 海 活 动 地 块 (K3);三 级 地 块 :太 行 山 次 级 活 动 地 块 〔 K2-1)、 冀 鲁 次 级 活 动 地 块 (K2-2)和 豫 淮 次 级 活 动 地 块 (K2-3). 一 级 活 动 地 块边 界 带 :鄂 尔 多 斯 西 － 北 缘 活 动 构 造 带 (D1-1.)、 秦 岭 － 大 别 山 活 动 构 造 带 (D1-2)、 张 家 口 － 北 京 － 蓬 莱 活 动 构造 带 (D1-3). 二 级 活 动 地 块 边 界 带 :山 西 断 陷 盆 地 带 (D2-1)、 郊 庐 断 裂 带 (D2-2). 三 级 活 动 地 块 边 界 带 :安 阳 -荷泽 -临 沂 活 动 构 造 带 (D3-1)、 唐 山 － 河 间 － 磁 县 活 动 构 造 带 (D3-2).图 2 华 北 地 区 强 震 （ M≥ 7.0） 和 活 动 断 裂 的 分 布 。

现 代 强 震 给 出 震 源 机 制 解 ；粗 红 线 表 示 全 新 世 活 动 断 裂 ， 粗 粉 红 线 表 示 晚 更 新 世 活 动 断 裂 ， 细 红 线 表 示 第 四 纪 活 动 断 裂 ， 黑 色 细 线 表示 一 般 断 裂1920.12 海 原 M8.6级1976.7 唐 山 M7.81969.7 渤 海 M7.41937.8 菏 泽 7.01966.3 邢 台 M7.23图 3 华 北 地 区 历 史 强 震 和 现 代 小 震 及 活 动 断 裂 的 分 布 图 4 华 北 地 学 剖 面（ a） 内 蒙 喀 喇 沁 旗 － 湖 北 随 县 地 学 剖 面 和 内 蒙 阿 拉 善 左 旗 － 上 海 奉 贤 地 学 剖 面 的 华 北 段 三 维 演 示 （ b） 内蒙 喀 喇 沁 旗 － 湖 北 随 县 地 学 剖 面 ， 内 蒙 阿 拉 善 左 旗 － 上 海 奉 贤 地 学 剖 面 和 内 蒙 满 都 拉 － 江 苏 响 水 地 学 剖 面位 置 （ 蓝 线 ） 以 及 三 维 剖 面 位 置 （ 白 线 ）1990～ 1995 全 球 地 球 科 学 断 面 研 究 项 目 (Global Geoscience Transects,简 称 GGT)是 世界 岩 石 圈 计 划 的 重 要 组 成 部 分 （ 滕 吉 文 12） 。

中 国 负 责 11 条 断 面 其 中 三 条 通 过 华 北 地 区 ：内 蒙 喀 喇 沁 旗 － 湖 北 随 县 地 学 断 面 ， 内 蒙 阿 拉 善 左 旗 － 上 海 奉 贤 地 学 断 面 和 内 蒙 满 都 拉 － 江苏 响 水 地 学 断 面 (图 4(b)) 这 些 断 面 提 供 了 华 北 地 区 岩 石 圈 深 部 构 造 的 依 据 图 4（ a） 为前 2 条 剖 面 华 北 段 的 三 维 剖 面 图 像 对 比 图 4和 前 几 个 图 件 ， 可 以 发 现 ， 剖 面 在 穿 过 活 动 地块 边 界 （ 亦 地 震 带 或 活 动 构 造 带 ） 的 位 置 ， 显 示 地 壳 内 均 有 低 速 层 ， 并 且 在 鄂 尔 多 斯 东 缘 和西 缘 上 地 幔 上 隆 内 蒙 满 都 拉 － 江 苏 响 水 地 学 剖 面 在 穿 越 山 西 断 陷 盆 地 带 和 郯 庐 断 裂 带 时 同（ a）（ b）4样 表 现 出 地 壳 内 存 在 低 速 层 （ 马 杏 垣 ， 刘 昌 铨 ） 另 外 ， 天 津 － 北 京 － 赤 诚 地 震 剖 面 （ 嘉 世旭 ， 2009） 和 北 京 － 怀 来 － 丰 镇 宽 角 反 射 /折 射 剖 面 （ 祝 治 平 1997） 穿 越 张 家 口 － 北 京 － 蓬莱 活 动 构 造 带 时 发 现 地 壳 内 的 低 速 体 的 存 在 。

华 北 地 区 的 其 他 深 部 地 球 物 理 探 测 在 穿 越 构 造活 动 带 时 也 同 样 发 现 地 壳 内 的 低 速 体 的 存 在 ， 不 在 此 一 一 例 举 了 华 北 地 区 的 地 震 带 （ 即 活 动 构 造 带 ） 的 地 壳 内 一 般 均 存 在 低 速 体 或 上 地 幔 上 隆 ， 活 动 构造 带 的 地 壳 异 常 结 构 与 地 震 的 发 生 存 在 直 接 关 系 3 华 北 地 区 深 部 构 造 与 强 震1976年 唐 山 M7.8 地 震 是 我 国 百 年 来 对 人 类 影 响 最 大 的 地 震 之 一 ， 人 们 对 此 进 行 了 大 量的 工 作 ， 其 中 包 括 地 壳 深 部 构 造 的 研 究 图 5显 示 几 条 地 震 剖 面 的 速 度 结 构 图 ， 该 图 明 确 表明 了 唐 山 地 震 震 源 区 的 地 壳 中 存 在 低 速 体 从 图 5（ 4） 的 张 家 口 － 唐 山 剖 面 波 速 图 可 以 看 到 ， 在 剖 面 穿 过 1679 年 三 河 － 平 谷 8.0历 史 地 震 的 震 源 区 时 也 存 在 明 显 的 低 速 体 。

对 唐 山 强 震 的 其 它 深 部 研 究 也 同 样 发。