唐山地區(qū)強(qiáng)震復(fù)發(fā)特征與發(fā)震構(gòu)造深淺部耦合關(guān)系綜合研究

劉 亢

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

板內(nèi)強(qiáng)震區(qū)孕震機(jī)理研究是現(xiàn)今大陸構(gòu)造和動(dòng)力學(xué)研究的前沿科學(xué)領(lǐng)域。板內(nèi)地震具有震級(jí)大、復(fù)發(fā)周期復(fù)雜、震源淺、淺表破裂帶長度和垂直位移量小以及具有毀滅性破壞的特點(diǎn)，可造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。長期以來，對(duì)其成因探索一直是國際地學(xué)界的關(guān)注焦點(diǎn)，也是各國政府城市化和工業(yè)化建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展極其關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

大陸板塊內(nèi)部強(qiáng)震的孕育、發(fā)生和破裂形式是板塊內(nèi)部深、淺部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，對(duì)強(qiáng)震機(jī)理和破裂現(xiàn)象的深入探測(cè)研究，將是揭示現(xiàn)今板內(nèi)強(qiáng)震時(shí)空分布、深部過程與動(dòng)力學(xué)機(jī)理的有效方法和手段。論文采用多學(xué)科、多成果綜合分析方法，通過對(duì)唐山地震深、淺部構(gòu)造耦合關(guān)系與孕震機(jī)理的精細(xì)研究，探索強(qiáng)震的深部過程與動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為克拉通內(nèi)部典型強(qiáng)震研究積累新的資料。

在充分吸收國內(nèi)外學(xué)者對(duì)唐山地震研究成果之后，論文從地表地裂縫帶入手，通過野外調(diào)查、跨地裂縫鉆孔探測(cè)、探槽開挖等地質(zhì)手段，結(jié)合高分辨率淺層地震剖面以及前人的研究成果，分析地裂縫帶形成模式以及發(fā)震斷裂的淺表構(gòu)造特征，根據(jù)煤田斷裂分布圖和大量的地質(zhì)剖面，論文獲得了發(fā)震斷裂中、淺層的構(gòu)造模式。在此認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)之上，通過對(duì)深部2D、3D深地震反射和折射探測(cè)成果進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋，并融合重新定位的小震數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，得到了研究區(qū)地殼深度范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造特征，探討了唐山地震發(fā)生的構(gòu)造背景和孕震模式，豐富了克拉通內(nèi)部強(qiáng)震的孕震機(jī)理研究。論文取得的主要進(jìn)展與認(rèn)識(shí)如下。

（1）對(duì)唐山地震地表地裂縫帶的新認(rèn)識(shí)。唐山地震地裂縫帶基本沿著開灤煤田唐山礦Ⅳ號(hào)、Ⅴ號(hào)斷裂展布，論文將其與地表地裂縫綜合分析。根據(jù)地裂縫分布、產(chǎn)狀特征以及基巖斷裂的構(gòu)造特征，分為5個(gè)段落，結(jié)合前人資料和作者在野外獲得的最新地質(zhì)、地球物理成果，一共選取了10個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行剖析，逐步確定地裂縫帶與發(fā)震斷裂的關(guān)系。① 唐山地裂縫帶在多數(shù)位置未發(fā)現(xiàn)斷裂貫通。作者在牛馬庫北場地開挖的大型探槽，揭示出1976年唐山地震發(fā)震斷裂一直貫通地表。說明唐山地震地裂縫帶即為同震地表破裂帶。② 唐山地裂縫帶總體分為南北兩段，北段表現(xiàn)為右旋走滑為主夾有垂直位移，地裂縫西側(cè)相對(duì)上升，東側(cè)下降；而南段與之相反。前人的認(rèn)識(shí)與本論文的野外工作都驗(yàn)證了該現(xiàn)象。1976年唐山地震中，在禮尚莊村西側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)煤田采空區(qū)塌陷，控制了該區(qū)域出現(xiàn)的張性地裂縫帶。③ 通過幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及震前最大水平主壓應(yīng)力方向等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)唐山礦Ⅳ號(hào)、Ⅴ號(hào)基巖斷裂系統(tǒng)存在幾處明顯的應(yīng)力擠壓區(qū)和拉張區(qū)，解決了地表地裂縫帶的分段性差異特征問題，也解釋了唐山地震地表地裂縫帶的成因等問題。

（2）對(duì)發(fā)震斷裂進(jìn)行幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。大量野外地質(zhì)、地球物理工作完成了唐山地震發(fā)震斷裂——古冶—南湖斷裂（F3）的精確定位，同時(shí)在豐南區(qū)識(shí)別出了其分支斷裂F3′?；谖锾狡拭妗⒁巴獾刭|(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)，結(jié)合唐山地震MS5.0以上強(qiáng)余震震源機(jī)制解，論文將發(fā)震斷裂分為4段。即發(fā)震斷裂古冶—南湖斷裂主干段落（F3），以擠壓應(yīng)力環(huán)境下走滑運(yùn)動(dòng)為主，斷裂面近直立；南段分支斷裂F3′，以拉張應(yīng)力下正走滑為主；北段分支斷裂F3－1，以走滑運(yùn)動(dòng)為主；以及分支斷裂F3－2，以走滑運(yùn)動(dòng)為主，夾有正斷分量。

（3）對(duì)研究區(qū)古地震研究及強(qiáng)震復(fù)發(fā)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。① 通過高分辨率淺層地震剖面、鉆孔聯(lián)合剖面以及2個(gè)大型探槽綜合研究，確定了唐山地震地裂縫帶之下隱伏一條活動(dòng)斷裂。收容所探槽揭示出發(fā)震斷裂在淺表表現(xiàn)為多條分支斷裂，向上發(fā)散，而向下收斂為一條主斷裂，為典型的花狀構(gòu)造模式。探槽槽壁中央斷裂近直立，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的走滑性質(zhì)，往西逐漸過渡為正斷性質(zhì)，往東則過渡為逆沖性質(zhì)。②收容所探槽揭示出地表位置存在上下兩組地裂縫，上面一組為1976年唐山地震所致，下面一組為距今（6.89±0.58）ka的一次古地震事件所致。這兩組裂縫密度、長度相當(dāng)，推測(cè)這兩次地震規(guī)模相當(dāng)。除地表裂縫揭示的2次地震事件外，通過斷裂與地層錯(cuò)斷關(guān)系，分辨出了更早期的3次古地震事件，集中發(fā)生在距今（56.78±4.83）ka至（89.39±7.60）ka期間。③ 論文在牛馬庫地震遺址北面跨地震陡坎開挖了一個(gè)大型探槽，清晰揭示出發(fā)震斷裂直通地表，在近地表處表現(xiàn)為逆走滑特征。通過斷裂與地層斷錯(cuò)關(guān)系以及垂直位錯(cuò)量的匹配關(guān)系，共識(shí)別出了3次地震事件，即1976年地震事件與早期的2次事件。由于尚未獲得年代學(xué)數(shù)據(jù)，有待于后續(xù)工作進(jìn)一步研究。④ 對(duì)十中舊址地裂縫兩側(cè)鉆孔巖芯的熱釋光（TL）數(shù)據(jù)進(jìn)行深度－時(shí)間（D-t）曲線分析，發(fā)現(xiàn)西盤（相對(duì)上升盤）TZC6-5號(hào)孔的D-t曲線斜率基本不變，沉積速率保持一定；而東盤（相對(duì)下降盤）TZC6-7號(hào)孔的D-t曲線存在3個(gè)階梯狀下降，曲線斜率變化較大，推測(cè)與地震活躍期、平靜期有關(guān)。

（4）對(duì)研究區(qū)深部構(gòu)造的認(rèn)識(shí)。① 研究區(qū)7 999個(gè)經(jīng)過重新定位的小震資料清晰刻畫出發(fā)震斷裂在地殼深度范圍內(nèi)為一條直立的斷裂，向上呈發(fā)散狀，向下在20 km深部附近收斂為一條主干斷裂。小震時(shí)空分布特征揭示出唐山斷裂帶在深部為一大型的花狀構(gòu)造，破裂集中在9～12 km深度內(nèi)。推測(cè)在唐山斷裂帶東側(cè)存在一條隱伏深斷裂Fx，平行于唐山斷裂帶展布，往NE向延伸至灤縣盧龍地區(qū)。② 論文2D深地震反射剖面所揭示的唐山斷裂帶在深部由7條不同傾向、性質(zhì)和規(guī)模的斷裂組成一個(gè)花狀構(gòu)造系統(tǒng)，并共同控制了該區(qū)的地層沉積和構(gòu)造變形。剖面揭示出在唐山斷裂帶東側(cè)存在2條隱伏深斷裂Fx1與Fx2，向下合并為一條斷裂，與由小震數(shù)據(jù)識(shí)別的隱伏深斷裂Fx位置相當(dāng)。深地震反射剖面揭示出深部莫霍面被清晰斷錯(cuò)，斷裂表現(xiàn)為強(qiáng)烈的走滑特征。③ 論文3D深地震折射數(shù)據(jù)體中截取的P波速度結(jié)構(gòu)切面圖揭示出：在2 km深度范圍內(nèi)，研究區(qū)構(gòu)造格局受地貌影響較大，切面速度結(jié)構(gòu)的變化與地貌變化特征吻合；在3 km以下深度范圍內(nèi)，P波速度結(jié)構(gòu)的變化主要受唐山斷裂帶的活動(dòng)控制。而垂直于唐山斷裂帶方向截取的P波速度結(jié)構(gòu)垂直切面圖，從中可識(shí)別出斷裂向上呈發(fā)散狀，向下合并到一條主斷裂上，基底存在一個(gè)大型的花狀構(gòu)造系統(tǒng)。根據(jù)平行于唐山斷裂帶（F1－－3）的P波速度結(jié)構(gòu)垂向切面圖，清晰揭示出研究區(qū)深部發(fā)育一個(gè)近N W-SE走向的裂陷，寬約20 km。裂陷邊界Fn被唐山斷裂帶左旋走滑錯(cuò)斷。通過構(gòu)造演化分析，認(rèn)為在華北期（距今52～23.5 Ma），由于近NS向伸展作用，研究區(qū)深部地殼范圍內(nèi)形成了一個(gè)近N W-SE走向的裂陷。到喜馬拉雅期（距今23.5～0.78 Ma），由于區(qū)域近NS向的最大主壓應(yīng)力，促使NE向的唐山斷裂帶進(jìn)行左旋走滑運(yùn)動(dòng)，其水平位移速率為0.44 m/ka，垂直位移速率為0.20 m/ka。綜合考慮，喜馬拉雅期唐山斷裂帶的總體活動(dòng)性應(yīng)與現(xiàn)今一致，在新構(gòu)造期（距今0.78 Ma以來），唐山斷裂帶（F1－－3）的運(yùn)動(dòng)特征由左旋走滑變?yōu)榱擞倚呋?，并維持這一運(yùn)動(dòng)特征。

（5）對(duì)研究區(qū)斷裂系統(tǒng)進(jìn)行深、淺部耦合關(guān)系研究。深、淺部構(gòu)造有其自己的特點(diǎn)又有著密切的聯(lián)系，弄清唐山地震地表破裂、淺部斷裂和深部構(gòu)造之間的相互關(guān)系，就會(huì)揭示出一個(gè)比較清晰的發(fā)震構(gòu)造模式。從淺表探槽研究，到鉆孔、淺層地震探測(cè)、唐山礦基巖斷裂構(gòu)造特征、小震展布特征、2D深地震反射探測(cè)以及3D深地震折射探測(cè)獲得的地殼構(gòu)造特征，都揭示出研究區(qū)下面存在一大型的花狀構(gòu)造系統(tǒng)。根據(jù)地表地裂縫帶與探槽精細(xì)研究，結(jié)合唐山MS7.8地震震源機(jī)制解，研究區(qū)發(fā)震斷裂從淺表到深部長期處于一個(gè)強(qiáng)烈的右旋走滑運(yùn)動(dòng)環(huán)境，基底莫霍面被走滑斷錯(cuò)。

（6）研究區(qū)強(qiáng)震發(fā)生的動(dòng)力來源。多種證據(jù)說明，在研究區(qū)上地幔范圍內(nèi)，基底深斷裂Fm在受區(qū)域NEE向水平主應(yīng)力場與上地幔垂直運(yùn)動(dòng)的共同作用下，促使深斷裂Fm持續(xù)走滑運(yùn)動(dòng)，從上地幔、殼幔過渡帶一直向上傳遞應(yīng)力，在上地殼結(jié)晶基底底部發(fā)生應(yīng)力積累，最終導(dǎo)致了1976年唐山MS7.8地震的爆發(fā)。簡單認(rèn)為，上地幔－下地殼持續(xù)的水平走滑運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了上地殼內(nèi)部能量的積累而觸發(fā)了唐山地震。

（7）1976年唐山地震的發(fā)震構(gòu)造模式。通過對(duì)研究區(qū)斷裂系統(tǒng)進(jìn)行深、淺部綜合分析，弄清了唐山地震地表破裂、淺部斷裂和深部構(gòu)造之間的相互關(guān)系，論文提出了以垂直破裂模式與水平破裂模式來解釋1976年唐山地震孕育和發(fā)生的過程。① 垂直破裂模式。唐山地震的發(fā)震構(gòu)造模式自上而下分為3個(gè)層次單元：地震破裂單元、應(yīng)力傳遞單元和深部動(dòng)力單元。其中深部動(dòng)力單元位于20 km以下深部，包括殼幔過渡帶，該單元內(nèi)存在一條深大斷裂Fm，錯(cuò)斷了莫霍面，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的走滑運(yùn)動(dòng)特征。應(yīng)力傳遞單元位于14～20 km深度之間部分，推測(cè)可能為殼內(nèi)低速體物質(zhì)。地震破裂單元位于地表至14 km深部范圍內(nèi)，主要為結(jié)晶基底界以上部分。研究區(qū)受到NEE向水平應(yīng)力，由于存在基底深大斷裂Fm，殼幔過渡帶被走滑斷錯(cuò)，深部動(dòng)力單元長期處于蠕滑狀態(tài)，深斷裂Fm持續(xù)走滑運(yùn)動(dòng)。應(yīng)力傳遞單元推測(cè)為低速體物質(zhì)，無明顯界面存在，該單元很容易受到基底深斷裂Fm運(yùn)動(dòng)的牽引作用而隨之產(chǎn)生水平位移，將基底動(dòng)力傳遞至地震破裂單元底部。隨著時(shí)間推移，地震破裂單元底部積累的應(yīng)力足夠大而產(chǎn)生粘滑，隨之強(qiáng)震發(fā)生。② 水平破裂模式。根據(jù)翔實(shí)的地球物理資料，論文確定了唐山斷裂帶的東側(cè)平行發(fā)育了一條隱伏深斷裂Fx，結(jié)合研究區(qū)小震分布特征，推測(cè)該隱伏深斷裂仍然有往NE向延伸的趨勢(shì)，一直到灤縣盧龍附近。唐山地震發(fā)生后，基底主斷裂發(fā)生右旋走滑破裂，觸發(fā)了花狀構(gòu)造系統(tǒng)內(nèi)中央分支斷裂的破裂，產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞。花狀構(gòu)造系統(tǒng)內(nèi)東側(cè)的分支斷裂同時(shí)也受到了觸發(fā)作用，古冶—南湖斷裂破裂至古冶地區(qū)時(shí)受阻停止，而隱伏深斷裂繼續(xù)破裂，往NE向延伸，至唐山菱形塊體邊界斷裂——灤縣—樂亭斷裂處受阻，最終在15個(gè)小時(shí)之后與盧龍斷裂貫通，發(fā)生了灤縣MS7.1地震。

綜上，論文以唐山地震地裂縫帶構(gòu)造特征為突破口，從淺部到深部對(duì)發(fā)震斷裂的構(gòu)造特征進(jìn)行剖析，充分利用深、淺部探測(cè)資料，根據(jù)地表野外調(diào)查、淺層地震勘探、小震精確定位、2D深地震反射剖面和3D深地震折射成果，對(duì)研究區(qū)深、淺部構(gòu)造之間的耦合關(guān)系進(jìn)行綜合分析，獲得了構(gòu)造與強(qiáng)震之間的成因機(jī)制，建立了唐山地震發(fā)震構(gòu)造的花狀構(gòu)造模式。

強(qiáng)震復(fù)發(fā)；發(fā)震構(gòu)造；地裂縫；深部探測(cè)；花狀構(gòu)造；唐山地震