孕震構(gòu)造勢位(LDLEPS)及其相關(guān)的地震地質(zhì)信息分析

黃秀銘

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

孕震構(gòu)造勢位(LDLEPS)及其相關(guān)的地震地質(zhì)信息分析

黃秀銘

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

在全變率(NDR)指標的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)進一步開發(fā)了孕震構(gòu)造勢位(LDLEPS)分析法，以便定量評估地震危險性。在充分利用已有資料基礎(chǔ)上繪制了華北地區(qū)LDLEPS圖和地震分布圖，從圖中發(fā)現(xiàn)，孕震構(gòu)造勢位與地震空間分布的輪廓、位置、震級大小等是完全匹配的，即LDLEPS圖可以用來預測未來震情。為此，在2006年繪制了四川、青海等地LDLEPS圖，并據(jù)圖對該地未來震情進行了試驗性預測，后來的結(jié)果表明預測基本上是正確的。文中進一步討論了孕震構(gòu)造的形成機制:華北幔柱亞熱柱活動后期對地殼的熱作用與構(gòu)造再造作用而衍生出孕震的二元結(jié)構(gòu)模型，即下層半塑性流變層與上層脆性層，下層動力因素控制上層孕震構(gòu)造的形成與發(fā)展。根據(jù)LDLEPS圖把華北地區(qū)劃分出甲～己6個孕震構(gòu)造異常區(qū)，其中乙異常區(qū)(京西北)地熱資源豐富，是深部熱物質(zhì)溢出地表的表現(xiàn)。其地震成因是:下層流變層的流體沿斷層面涌入上層，斷層復活致震，這是下層動力因素對上層間接作用的結(jié)果，其發(fā)震機制類似于水庫誘發(fā)地震。乙異常區(qū)僅產(chǎn)生中等震級以下的地震。甲孕震構(gòu)造異常區(qū)(渤海及其邊緣帶)是下層流變層強勁動力因素直接控制上層孕震構(gòu)造的形成與發(fā)展，從而產(chǎn)生中頻強震以下的地震。另外對探槽剖面及海相沉積物震積巖的古地震遺跡研究發(fā)現(xiàn)，甲區(qū)史前曾發(fā)生大量古地震事件與古海嘯事件。現(xiàn)今該區(qū)高勢位孕震構(gòu)造和強震事件是過去事件的延續(xù)和重復。同時指出，華北南緣之SN地塊在構(gòu)造地形與震情上存在明顯差異。

GIS 地殼運動 地震危險性 孕震構(gòu)造勢位(LDLEPS) 古地震

0 引言

近年來國內(nèi)日新月異的計算機技術(shù)促進了地學研究迅速進展。隨著圖形技術(shù)與人機接口技術(shù)的發(fā)展，人們可以更多地同圖形信息進行交互，可以利用高級的人機接口設(shè)備沉浸到由計算機生成的多種信息源構(gòu)成多維信息空間中探索和分析問題。由虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)生成的多維地質(zhì)信息空間模擬地質(zhì)環(huán)境。如3D地表環(huán)境污染場、構(gòu)造運動應(yīng)力場和本文的LDLEPS分布場等。通過GIS手段，可以使抽象的數(shù)據(jù)模型化，用3D圖像語言把各種復雜地質(zhì)現(xiàn)象變化的規(guī)律表現(xiàn)得淋漓盡致，一目了然。

地震是地殼運動突變事件之一。地殼運動含有豐富的孕震信息，充分了解地殼運動規(guī)律，是研究地震事件必經(jīng)之路。筆者曾指出:速度(V)、地變率(Az)與全變率(NDR)分別表示地殼運動Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型的指標;地震事件與前者沒有直接聯(lián)系(黃秀銘，1988，1994);并通過具體震例證明:后二者具有定量評估地震危險性的功能。近年來，筆者在上述研究基礎(chǔ)上，運用GIS技術(shù)，創(chuàng)制了孕震構(gòu)造勢位(LDLEPS)工作法，對地震地質(zhì)研究與震情預測工作，在可視性、可操作性、有效性和定量化方面，作了新的探索與嘗試。

所謂LDLEPS是指能夠反映處于殼中震源層高應(yīng)變狀態(tài)的孕震體孕育勢態(tài)的地殼運動數(shù)據(jù)模型，用3D圖像語言使之轉(zhuǎn)換成可定量評估地震危險性的虛擬地質(zhì)環(huán)境的動態(tài)指標。

1 LDLEPS制作

這里Mt為測區(qū)單元的地殼運動異?？倧姸?S為測區(qū)單元地殼變形彎曲度;τ為區(qū)內(nèi)單元地殼變形反差度;K為因構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境差異而引入的歸一化的修正系數(shù)。

LDLEPS工作原理類同NDR(黃秀銘，1996)。依照上述思路，LDLEPS設(shè)制如下:

(1)NDR制作。在標有地殼運動參量值的地區(qū)，做以下計算

(2)LDLEPS制作。在NDR工作基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)，模擬地下孕震構(gòu)造勢態(tài)，把能夠反映震前不同的震情勢態(tài)的NDR數(shù)值場，用其不同的幅度及其分布范圍的峰狀體圖像分別表示不同級別的孕震構(gòu)造體的存在、分布范圍、危險程度及其發(fā)展趨勢，從而作出LDLEPS圖(圖1)。然后把處于同一投影坐標系的地震震中疊加到圖上。其中1966—1998年華北(或1950—1998年青海、四川等地)地震震中資料主要取自鄧志輝和楊竹轉(zhuǎn)提供的“mapsis”應(yīng)用軟件。2000—2010年華北(或青海、四川等地)地震目錄選自網(wǎng)絡(luò)資料。因篇幅有限，LDLEPS作圖過程與操作步驟請參閱本文參考文獻(羅云啟，2003;Duchham et al.，2003;吳信才，2004;Christopher，2008;Alias，2008，Chang，et al.，2009)。

圖1 華北地區(qū)1966—2010年LDLEPS 3D圖與1966—1998年及2000—2010年地震震中3D分布圖Fig.1 A 3D map of both 1966－2010 LDLEPS and earthquakes during 1966－1998 and 2000－2010 in the North China region.

2 LDLEPS的應(yīng)用條件

此方法適合于板內(nèi)震前地殼運動參量變化場，尤其適用于淺源型多震區(qū);地下孕震構(gòu)造變動的高剪切應(yīng)變場可徑向傳遞到地表，可充分表現(xiàn)在地表垂直差異運動上;本法適用于中長期地震預測工作。

該方法不適于震后短期地殼運動參量變化場。這是因為:大震后由于震源體應(yīng)力充分釋放、彈性回跳等，造成地殼應(yīng)力重新調(diào)整，地表塊體處于松弛狀態(tài)，即震中附近很大范圍的地表塊體呈“四分五裂”狀態(tài)(Riccardo，2004)。此時獲得的LDLEPS信息混雜著此類地表無序運動的信息，因而不能反映地下孕震構(gòu)造變動的真實情況。

3 華北地區(qū)LDLEPS特征及其相關(guān)的地震地質(zhì)信息分析

圖1包含兩部分內(nèi)容，華北1966—2010年 LDLEPS分布和1966—1998年、2000—2010年震中分布。下面對二者分布的空間關(guān)系，LDLEPS內(nèi)容與該區(qū)地震地質(zhì)信息的關(guān)系，以及LDLEPS功能等方面，進行論述。

3.1 圖1孕震構(gòu)造及其勢位的特征

圖1中LDLEPS分布圖顯示:既有高矗峰狀的高勢位孕震構(gòu)造區(qū)，也有呈平坦或低矮細小條形峰狀的低位勢位值地區(qū)，還有介于二者之間的不同幅度的勢位值居中的地區(qū)。有的孕震構(gòu)造圖像彼此關(guān)系緊密，成叢或成串地組合在一起，有的稀疏、松散，彼此互不相聯(lián)。據(jù)此，將圖1中的LDLEPS劃分成甲～己6區(qū)，某些區(qū)再進一步劃分為幾個次區(qū)。甲異常區(qū):峰狀體成叢地組合，面積較大，如邢臺(甲1)、渤海西側(cè)(甲2)、海城(甲3)和唐山地區(qū)(甲4);乙異常區(qū):在一定范圍內(nèi)呈多條成串的峰狀鏈，如從京西北至包頭五原一帶;丙異常區(qū):偶有中等幅度峰狀體及多條低矮的峰林鏈的圖像，如銀川附近;丁異常區(qū):峰狀體圖像成叢有度、峰幅不高，如鄭州以東、東北和魯西南一帶;戍異常區(qū):呈規(guī)模小、幅度不大的孤立峰狀體分布，如石家莊西南、太原東南與鄭州以北交會帶，即昔陽、和順及平定等地(戍a區(qū))，太原附近(戍b區(qū))，蒲縣、霍州附近(戍c區(qū))和運城一帶(戍d區(qū))等;己正常區(qū):孤立的峰狀體、低矮呈小鏈條的小峰狀體與平坦的地區(qū)。

3.2 圖1中與LDLEPS圖相對應(yīng)的1966—1998年及2000—2010年華北地震活動

此期華北大震頻頻，中小震不斷，地震較密集地分布在甲至戍的LDLEPS異常區(qū)。甲1－甲4區(qū)出現(xiàn)強震及其余震(編號見圖1):1)1966年M7.2邢臺地震(包括1966年M6.8河間地震、M6.7寧晉東南地震、M6.2束鹿南地震，1967年M6.3河間大城地震、M5.7束鹿南地震);2)1969年M7.4渤海地震;3)1975年M7.3海城地震;4)1976年M7.8唐山地震;5)1976年M7.1灤縣地震;乙區(qū):京西北一帶，如1990年M4.9大海坨地震(京北);6)1976年M6.2和林格爾地震;7)1979年M6五原地震;8)1981年M 5.8豐鎮(zhèn)地震;9)1989年M6.1大同堡村地震;10)1996年M6.4包頭地震;11)1998年M6.2張北地震;丙區(qū):發(fā)生大量中小地震，12)1976年M6.2內(nèi)蒙古阿拉善左面旗北地震、1982年M5.7寧夏海源地震等;丁區(qū):1998年M5.9菏澤地震，近20年來在河南鄭州東側(cè)與東北側(cè)小震頻仍，如2008年M4.3封丘－蘭考地震和M3濮陽地震、2010年M4.7周口市(太康縣、扶林縣和西華縣交界)地震等;戍區(qū):近年來小震頻繁，如戍a區(qū)2010年M3.1昔陽地震、M3.2和順地震及M3.2平定地震;戍b區(qū):1989年ML4.5太原附近地震、1992年ML4.3榆次地震、2010年M4.6陽曲地震;戍c區(qū):2010年M3.1霍州地震、M3.7蒲縣地震和M4.7洪洞地震;戍d區(qū):2010年M3.5和M3.1萬榮地震、M4.8河津地震;己區(qū):幾乎無地震。

上述分析表明，圖1各異常區(qū)的孕震構(gòu)造圖像類型及其勢位特征與其相應(yīng)的地震分布范圍及規(guī)模是完全匹配對應(yīng)的。即孕震構(gòu)造異常區(qū)的勢位強度甲d＞乙d＞丙d＞丁d＞戊d＞己d，異常區(qū)地震強度甲e＞乙e＞丙e＞丁e＞戊e＞己e，相呼對應(yīng)。換言之，圖1的LDLEPS圖本身就具有預測未來震情的功能。例如，2009年發(fā)生在西安附近的M4.4小震和M3陜西榆林府谷神木小震，一度引起人們恐慌，當時許多人為正在籌備世界園藝博覽會的西安安全問題心焦如焚。其實從圖1的LDLEPS判斷，西安地區(qū)充其量只會發(fā)生M≤5的地震。神木地區(qū)(是礦震)亦然，是安全的。這2個地區(qū)以后的震情完全印證了這個判斷的正確性。

3.3 與圖1中LDLEPS異常區(qū)相對應(yīng)的地震地質(zhì)信息分析

3.3.1 圖1甲孕震構(gòu)造異常區(qū)的地震地質(zhì)信息

3.3.1.1 包括甲區(qū)在內(nèi)的渤海及周緣古地震遺跡

圖1中的甲LDLEPS異常區(qū)涵蓋邢臺、西渤海、海城及唐山地區(qū)(1976年震源體下方為低速體)，它們位于渤海斷陷區(qū)邊緣。此乃中國東部新構(gòu)造運動最強烈的地區(qū)。這里地震頻發(fā)，古地震遺跡很多，如探槽剖面揭示的唐山古地震遺跡和海相沉積物的震積巖(Seismite)(Seilacher，1969)。震積巖是M＞6地震時海底陡坡沉積物滑坡與崩積的產(chǎn)物，被認為是古地震的遺跡。一般標志有:斷裂遞變層、震裂縫、微同沉積斷裂、振動液化卷曲變形構(gòu)造和火焰狀構(gòu)造、液化砂、(泥)巖脈、假結(jié)核、層內(nèi)褶皺等。近年來在渤海地區(qū)發(fā)現(xiàn)大量震積巖。如濟陽拗陷古近紀地層(陳世悅等，2003)和山東惠明凹陷東營古近紀三角洲(袁靜，2004)中的震積巖，山東臨朐紅絲石層中古地震遺跡(田洪水等，2006a);山東安丘地區(qū)郯廬斷裂帶古近紀沖積物震積巖(田洪水等，2006b);惠明凹陷地層的震積現(xiàn)象(張小莉等，2006);東營凹陷現(xiàn)河地區(qū)沙三段震積巖(魏垂高等，2006);濟陽坳陷陽信洼陷古近紀震積巖(王克等，2008)等等;魯中臨朐山旺盆地古地震遺跡:中新世晚期山旺硅藻土頁巖中蘊藏大量動植物化石，其中顯現(xiàn)栩栩如生的動物活動景象與動物臨死掙扎景象并存的大量動物被掩埋的場面，這無疑是突如其來的古地震事件造成的。渤海沿岸還發(fā)現(xiàn)多處古地震引發(fā)的海嘯海侵的古地震遺跡，如兩千多年前萊州灣南岸濱海地帶，漢武帝曾視察過現(xiàn)今昌邑城北瓦城村莊，如今僅剩一片瓦礫，城址與古村址均被海砂埋積了。西漢末期萊州灣海侵，井水變咸，迫使壽光、益都和廣饒縣城南遷，并有地震記錄佐證。綜上可見，渤海地區(qū)過去一直是強震多發(fā)區(qū)。

3.3.1.2 圖1中甲1 LDLEPS異常區(qū)——邢臺地區(qū)的古地震遺跡

甲1邢臺LDLEPS異常區(qū)是圖1中甲孕震構(gòu)造異常區(qū)的重要組成部分。這里以甲1邢臺古地震遺跡為例進行說明。邢臺地區(qū)位于河北滏陽河與小漳河之間，即束鹿斷陷盆地。1966年地震高發(fā)區(qū)是沿著滏陽河走向延伸到渤海邊。其震源體下方為低速體，極震區(qū)被若干組深淺不同的斷層切割成破碎帶。邢臺地區(qū)古地震遺跡很多。現(xiàn)今寧晉泊是古代大面積廣阿沼澤的一部分。在這樣地表坑坑洼洼易被洪水泛濫的泥沙淤平的環(huán)境中，出現(xiàn)大型湖泊斷陷地，當屬地震構(gòu)造產(chǎn)物。據(jù)鉆孔資料揭示，在邢臺寧晉地面以下1m左右，廣泛分布著湖相淤泥黑色土層，在地面以下50m深度之內(nèi)，它們共有3層:1～13m;18～26m和30～47m深度。這說明過去這里經(jīng)歷過地震構(gòu)造斷陷與河流泥沙淤平的重復地質(zhì)過程。由此推測歷史上這里可能發(fā)生3次古強震事件，表明邢臺地區(qū)過去也是強震多發(fā)的地區(qū)。

圖1中甲LDLEPS異常區(qū)和強震出現(xiàn)的部位正處于渤海裂谷地震構(gòu)造分布范圍，它們與那里的古地震信息是一脈相承的，不是偶發(fā)事件，是有其構(gòu)造活動歷史淵源的。

3.3.2 圖1中乙孕震構(gòu)造異常區(qū)地震地質(zhì)信息分析

乙孕震構(gòu)造異常區(qū)位于燕山山前與陰山山前的地帶，起自京北，經(jīng)涿鹿、大同、包頭直至五原附近，由許多短小斷裂構(gòu)成的NW向斷裂帶是深部構(gòu)造變動較為劇烈的地帶。

乙孕震構(gòu)造異常區(qū)的地熱資源豐富，如北京地熱異常區(qū)，下花園－懷來－張山營一帶有4個地熱異常區(qū):后郝窯－萬家窯、暖泉－沙營、奚家堡－西辛堡和塘子廟－胡家營，赤城塘子溝，涿鹿湯寧寺，宣化煙筒鐵礦區(qū)溫泉，蔚縣暖泉，廣靈作疃溫泉，三馬坊溫泉，渾源湯頭溫泉、靈丘泉與門頭泉，天鎮(zhèn)溫泉，西冊田南水域，大同縣瓜園李汪澗村地熱溫泉，包頭濱河新區(qū)(萬水泉鎮(zhèn))地熱溫泉等。此區(qū)如此豐富的地熱資源是該區(qū)深部熱流物質(zhì)經(jīng)殼中斷裂裂隙向地表外溢的表現(xiàn)。這與本區(qū)廣泛分布玄武巖、火山口及有色金屬礦體的地質(zhì)事實一樣，意味著該區(qū)深部蘊藏著豐富的熱源流變物質(zhì)。

據(jù)深部地球物理探測資料(王帥軍等，2011)，乙區(qū)上、中、下地殼均有低速層，如張北，涿鹿;懷來上、中地殼存在低速層，天鎮(zhèn)下地殼有低速層，并且地殼出現(xiàn)高、低速層相間的結(jié)構(gòu)(俗稱“三明治”)。低速層的存在意味著那里有半塑性流變層。乙區(qū)豐富的地熱資源表明深部熱物質(zhì)的存在與通過地殼某些構(gòu)造斷裂孔隙向地表外溢的事實，這說明區(qū)內(nèi)低速層－流變層可能存在較強的動力因素。該帶地震活動特點是:小震頻頻，M4～5地震常見，M5～6地震較多，震級上限約為M6.4?；诖?，推測該區(qū)地震成因可能是:軟流層流體上涌到上層－脆性層的斷層面，使其孔隙水壓力增加，或斷層面礦物被溶解掉，摩擦力因之減弱，觸發(fā)斷層復活，孕震構(gòu)造得以形成與發(fā)展，當斷裂面上凹凸障礙體破裂之時，即發(fā)地震。鑒于以上事實與本區(qū)地震活動特點，一般認為乙區(qū)地震成因類似于水庫誘發(fā)地震機制，是流變層動力因素間接誘發(fā)上層地震，其特點是:這里頻發(fā)中等震級以下的地震，不易產(chǎn)生大震;僅在局部出現(xiàn)分布范圍不大、幅度中等的孕震構(gòu)造的峰狀體。

乙異常區(qū)的高勢位孕震構(gòu)造及地震，均分布在包頭、張北、和林格爾、豐鎮(zhèn)、大同等地，它們正處于地殼厚度突變的和M面陡坡帶之上的地質(zhì)環(huán)境部位。力學分析認為:上述地質(zhì)環(huán)境是不穩(wěn)定的。原因是:假定依附于M陡坡上的是巖體A，其重量為G，垂直向下的重力矢量，可分解成兩個分量g1及g2。g1為垂直于M陡坡面且方向向里的分量，它被陡坡反向支撐力抵消;g2為方向向下且平行陡坡的分量，其中小部分被陡坡面的摩擦力消耗掉，但大部分下滑重力分量仍作用于陡坡上。換言之，任何一塊出現(xiàn)在陡坡上，定然受到與陡坡面平行且下滑的重力分量作用。這樣巖體A無論是靜態(tài)還是動態(tài)，均處于不穩(wěn)定的失衡狀態(tài)，從而使附近空間存在趨于“變平”勢態(tài)，地體易產(chǎn)生雪崩式的滑塌現(xiàn)象，并波及其上巖層，引致孕震構(gòu)造形成。顯然它也成為乙區(qū)形成孕震構(gòu)造的深部構(gòu)造背景條件之一(圖6)。

簡言之，乙孕震構(gòu)造異常區(qū)出現(xiàn)是與其深部構(gòu)造變動的背景密切相關(guān)的。

3.4 圖1各處LDLEPS峰狀體組合圖案差異的地震地質(zhì)背景

由圖1可見，華北各地的LDLEPS峰狀體組合圖案顯著不同。北側(cè)峰狀鏈平直，呈NWW向，這是因為它們受北部內(nèi)蒙古地軸與南部華北平原沉降區(qū)的大地構(gòu)造分界影響。中間地區(qū)的LDLEPS峰狀體組合圖案呈海星放射狀、環(huán)形或流線型弧形鏈狀的形式，鮮見平直峰鏈。這些形態(tài)可能顯示流變層頂面的流體運移的痕跡(下述)，或者它們對上層沖擊造就LDLEPS樣貌于平面投影的軌跡。華北南側(cè)的峰狀體幅度相近，彼此組合圖案相似，分布較為零亂，但總體仍隱隱約約顯示EW方向的趨勢，與前述樣貌不同。這是由于它的大地構(gòu)造背景使然。南側(cè)以北為華北地塊，以南為華南地塊。前者由太古代基底巖構(gòu)成，后者以元古代基底為主，兼有少量太古代巖石。它們在元古代末同為超大陸聯(lián)合體，約700Ma前發(fā)生分裂。古生代期間，二者各自獨立運動。經(jīng)歷古生代，原位于南半球的華南地塊開始向北飄移，在三疊紀中期(約230Ma前)與華北地塊碰撞，潛入后者南緣之下。西自西安秦嶺以南，南至大別山，東至蘇魯接壤地帶均有其超高壓變質(zhì)巖帶蹤跡。穩(wěn)定的華南古陸地塊，因其形成久遠的碰撞縫合帶緣故，主要特點是:二者碰撞帶在構(gòu)造與地形上形成諸如秦嶺、中條山與魯南的EW向山脈，一改晉西南風陵渡黃河中上游水系流向多變的習性，至此以下(入黃海的)黃河呈西東流向，那里呈蜈蚣狀的地表主干水系走向EW，NS成行、如渭河、丹江口以上的漢水、入黃海時黃河(風陵渡以東)下游河段、淮河、長江等，其地震活動頗具特色:地震頻度中等，一般僅發(fā)生M6.4以下地震。震中常呈孤狀分布，1900年前主要分布在長江沿岸、南黃海至鄭州環(huán)圍地帶等，1900年之后分布在武漢北側(cè)、九江、溧陽至南黃海環(huán)圍地帶等。這與華北地區(qū)下述特點大相徑庭:即盆嶺構(gòu)造、水系順勢而行，方向多樣與頻發(fā)中、強地震的特點。

應(yīng)當指出，圖1時段在華南地塊潛入華北地塊南緣的復合帶地震活動并不強烈，但潛伏帶附近獨具特色:具有該地域近EW向強震帶的構(gòu)造背景。歷史上那里強震頻發(fā):如甘南禮縣東北1654年M8地震，武都西南1879年M8地震，天水東734年M7地震及甘谷附近143年M7地震，陜南華縣1556年M8地震及1501年M7朝邑地震，晉南1303年M8洪洞地震及1695年M8臨汾地震，冀南1830年M7.5磁縣西地震，魯西南1937年M7菏澤地震和1668年M8.5魯南湯頭東(郯城—莒縣之間)地震。人們發(fā)現(xiàn):晉南到魯南一帶呈現(xiàn)b值低和LURR峰值的異常帶，即該帶邊界附近可能潛伏地震異常信號(Zhang Lang-ping et al.，2011)。

上面3個方面的論述表明，LDLEPS的內(nèi)涵彰顯它在洞察一個地區(qū)地震地質(zhì)內(nèi)在矛盾與運行規(guī)律上是富有成效的，同時在定量與可視性方面也能體現(xiàn)其新的思路與風格。更為重要的是，它有助于了解LDLEPS形成的主要原因即下述的二元結(jié)構(gòu)致震模式。

4 利用LDLEPS方法進行未來震情預測的試驗

為了更好地了解LDLEPS的地震預測功能，2006年我們又編制了圖2及圖3中的2000—2020年LDLPES 3D圖，2011年又把該區(qū)2000—2010年M8.2震中3D圖疊加到前圖上，則成現(xiàn)在的圖3，對青海、四川等地專門進行未來震情預測的試驗。

4.1 1950—1998青海、四川等地LDLEPS圖與M4.7～7地震震中圖分析

4.1.1 圖2孕震構(gòu)造分析

此圖2可見，孕震構(gòu)造異常區(qū)分布在下列地區(qū):A1區(qū)——從105°E與35°N交會處附近，向NWW方向延伸，經(jīng)蘭州附近，并延及武威與西寧附近的地區(qū);A2區(qū)——從西寧向SW延伸的地區(qū);A3區(qū)——蘭州向NE延及40°N附近的地區(qū);A4區(qū)——100°E東西兩側(cè)與30°N以南的地區(qū);A5區(qū)——昆明東北側(cè)與西南側(cè)的地區(qū)。

圖2 1950—1998年青海、四川等地LDLEPS 3D圖與M4.7～7地震3D分布圖Fig.2 A 3D map for both LDLEPS and earthquake epicenters with M4.7～7 in Qinghai and Sichuan Provinces in the western part of China during 1950—1998.

4.1.2 圖2地震分析

1950—1998年本區(qū)發(fā)生的地震:A1區(qū)8次M4.7～7地震;A2區(qū)3次M6～7地震;A3區(qū)10次M4.7～6.2地震;A4區(qū)7次M6～7地震;A5區(qū)2次M6.3～6.6地震。值得指出，在成都西北側(cè)與西側(cè)的廣大地區(qū)未見孕震構(gòu)造，也未發(fā)生地震。

4.2 圖3中青海、四川等地2000—2020年LDLEPS圖與2000—2010年M6～8.2地震震中圖分析

由圖3可見，這里顯示兩處極其明顯的孕震構(gòu)造異常區(qū):1)西北部B區(qū)范圍為90°～100°E與33°～40°N，在圓環(huán)狀基座背景上矗立著許多高勢位孕震構(gòu)造峰狀(叢)體區(qū)域，并在其西北角與南邊分別出現(xiàn)井噴式峰狀體;2)東南部C區(qū)范圍為100°～103°E與30°N交會處，高勢位孕震構(gòu)造的峰狀叢體，向NE方向逐然變窄變矮，朝105°E與35°N相交處附近延伸著，且在成都西側(cè)與西北側(cè)也出現(xiàn)另一井噴式峰狀體。另外，還存在較小的勢位值的D區(qū)范圍:在武威外側(cè)附近、北面40°N附近、40°N與105°E相交附近，以及100°E東西側(cè)與30°N以南的小型孕震構(gòu)造區(qū)。此外還發(fā)現(xiàn):圖3中C區(qū)大型孕震構(gòu)造異常區(qū)，特別是成都西側(cè)和西北側(cè)呈井噴式峰狀體恰好位于該區(qū)地殼厚度突變和M面陡傾斜坡(地震危險標志)之上的地質(zhì)環(huán)境部位(圖6)?；趫D3中B和C孕震構(gòu)造異常區(qū)(包括井噴式峰狀體)突然出現(xiàn)的反?，F(xiàn)象與圖6中的深部異常構(gòu)造背景，2006年作者曾預測本區(qū)未來15年震情:B和C區(qū)可能分別發(fā)生M7.3以上與M7.5以上地震。結(jié)果該區(qū)相繼發(fā)生(圖3):B區(qū)2010年M 7.1青海玉樹地震(包括2001年M 8.2青海地震或稱昆侖山山口西MS8.1地震)和C區(qū)2008年M8四川汶川地震(該震源層下方為低速體)及余震。這3處大震震中均分別位于上述大型孕震構(gòu)造異常區(qū)井噴式峰狀體范圍內(nèi)。

這次做的預測該區(qū)未來震情試驗，在空間位置與時間方面尚可，但震級預測略有偏差。但已經(jīng)證明:LDLEPS確有預測未來震情的功能。

圖3 青海、四川等地2000—2020年LDLEPS 3D圖與2000—2010年M 6～8.2地震震中3D分布圖Fig.3 A 3D map for both 2000－2020 LDLEPS and earthquake epicenters with M6～8.2 in Qinghai and Sichuan Provinces during 2000—2010.

5 討論與結(jié)語

5.1 孕震構(gòu)造形成與發(fā)展的主要原因

5.1.1 二元結(jié)構(gòu)模型與孕震構(gòu)造成因

圖4 由下層半塑性流變動力因素引致上層巖體脆性變形的地質(zhì)遺跡Fig.4 Photos showing the geologic relics resulting from the rheologic deformation of the lower rock mass and the brittle deformation of the upper rock mass.

圖5 剖面上顯示的巖石變形現(xiàn)象Fig.5 Rock deformation revealed on the cross sections.

幔柱構(gòu)造理論(Manuyama，1994)認為，地幔熱物質(zhì)可直通巖石圈，形成幔柱構(gòu)造。據(jù)李紅陽等(2002)的研究成果、地球物理深部探測資料、地熱異常以及地震地質(zhì)資料，華北地下發(fā)育很多不同級別的幔柱亞熱柱構(gòu)造，如新生代時期，渤海西部深度50～70km出現(xiàn)頂部呈蘑菇狀亞熱柱隆升構(gòu)造，其頂部之上厚度約為20km的低速層分別向周圍山體之下延伸。深部熱物質(zhì)涌入地殼，殼內(nèi)增溫，中下地殼塑性增強。同時隆頂?shù)闹小⑾碌貧は蛲鈧?cè)向流變，頂部中下地殼減薄，向外圍增厚，產(chǎn)生側(cè)向拆離滑脫。地震地質(zhì)觀點強調(diào)，幔柱亞熱柱活動后期對地殼的熱作用與構(gòu)造再造作用，衍生出二元結(jié)構(gòu):下層半塑性的流變與上層脆性層，亦即下地殼呈半塑性，中地殼具有高速、低速相間的特征，而上地殼呈現(xiàn)脆性特性。通過火山噴發(fā)、間歇性泥火山噴泉、升至地表的深成巖漿巖與變質(zhì)核雜巖的韌性剪切帶、金屬礦床以及大氣、海洋流體學和地熱異常等資料，人們逐漸了解:殼中流變層物質(zhì)呈4態(tài)，包括固體以及流體的3態(tài)——液態(tài)、氣態(tài)和等離子體;存在流變介質(zhì)的對流、擴散以及相伴的物理、化學過程，導致質(zhì)量、動量、能量輸送的動力學現(xiàn)象出現(xiàn)。它包括:1)若輕的流體在下面，重的在上面，就會發(fā)生上下翻滾的對流運動;2)擴散，指2個相鄰的、溫度或濃度不同的流體團間的質(zhì)量、能量、動量交換，湍流擴散可以是分子擴散的幾百、上千倍;3)黏彈性流體，當它發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，會以“龍卷風”似的方式沿著中間旋轉(zhuǎn)軸向上爬升;4)流體具有在下層圍壓下向上層巖隙強烈增壓噴瀉作用與動力回抽減壓下巖體坍塌作用;5)對上層產(chǎn)生不均勻浮力的振蕩與搖晃作用;6)流變層頂部大型強勢的水平流動對上層底部產(chǎn)生層間水平切變作用。下層強大動力因素無疑會對上層產(chǎn)生不斷沖擊作用:撕裂上層巖體、流體向上層脆性層的斷裂裂隙滲透與擠壓或令其瓦斯爆炸(類似礦震)等，引發(fā)構(gòu)造變形。圖4為原位于中地殼層位而后隆升至地表的北京云蒙山北部天仙溪黃土良村的地質(zhì)剖面。上下層構(gòu)造形態(tài)迥然不同。圖4c，d，e，f處于中地殼范圍的上層，其巖脈前身乃為不同時期形成的不同方向的裂縫、斷裂及其位移，且后者穿插前者的斷裂裂隙網(wǎng)絡(luò)系。它是歷史積淀的現(xiàn)象，是中地殼范圍近鄰的下層(圖4 a)各期不同方向流變動能對上層控制作用的結(jié)果，之后流體物質(zhì)才上涌并分別充填各自前期的裂隙中，形成巖脈。圖5a，b表示曾處于殼中上層脆性層的兩處相距甚遠的長城系大理巖，共同受到下層(花崗巖質(zhì)流變層)流變動力作用，導致它們同時發(fā)生類似的構(gòu)造變形、碎裂，并部分墜落到下層流變層的花崗巖層中，成為后者的捕虜體。其具體過程可能是:上層脆性層大理巖先發(fā)生構(gòu)造事件－沿葉理面斷裂位移，繼而碎裂，終至個別碎塊沿著撕裂的裂隙下墜到下層流變層中。圖5d表示下層流變層花崗巖質(zhì)流體沿著裂隙侵入上層脆性層閃長巖的地質(zhì)剖面?；鹕降卣鹉Ｐ?上部脆性發(fā)震層與下部塑性巖漿層，且二者層位與時同步變淺)凸顯二元結(jié)構(gòu)致震的真諦。地震成因是由下層流變活動引致上層脆性層孕震構(gòu)造形成，致震。其類型包括圖1中甲和乙異常區(qū)的事件以及上述事件;也包括上地殼上層(或中地殼內(nèi)上層)的底部層間滑脫事件，如均為低角度正斷層的北京密云云蒙山東南側(cè)河防口－懷北莊拆離滑脫(片理走向SE)斷層(朱大崗等，2006)和云蒙山石城斷層帶(含有假玄武巖玻璃)，二者生成的環(huán)境均是殼中韌性剪切與彈塑性的過渡層即地殼震源層部位(史蘭斌等，1984)，以及意大利中部Elba的isle中Zuccale拆離型震源斷層(其性狀:低角度正斷層、斷層角礫巖和碎裂巖、滲透性強、富含CO2含水流體灌入及葉片狀斷層核存有水破裂作用的碳酸鹽巖脈)。

顯然，下層動力因素使上層應(yīng)變場增強，這是板內(nèi)孕震構(gòu)造形成與發(fā)展的主要原因。

5.1.2 二元結(jié)構(gòu)模型與孕震構(gòu)造的關(guān)系

利用地熱異常、玄武巖、有色金屬礦床、剖面低速層以及地震地質(zhì)等資料，編制出由華北幔柱亞熱柱活動后期對地殼熱作用與構(gòu)造再造作用衍生的(部分)二元結(jié)構(gòu)分布圖(圖7)。從古地震遺跡與歷史地震記錄可見，這些二元結(jié)構(gòu)區(qū)活性是變化的。如圖7中4區(qū)自渤海幔柱亞熱柱出現(xiàn)以來一直存在二元結(jié)構(gòu)，大震不斷。近300a來其活性集中在其西北、西南、東和北的邊緣。1區(qū)自中衛(wèi)南經(jīng)銀川向NNW至中蒙邊界，并與蒙古和貝加爾裂谷的亞熱柱遙相呼應(yīng)。其活性歷來強勢。16、18、20世紀最活躍，至今余威不減。5區(qū)活性在4ka前北邊強勢，17世紀東南活躍。之后適度轉(zhuǎn)向西南。3區(qū)1ka前LDLEPS值在定襄、忻縣一帶增大。17區(qū)在14、17世紀末活性最強。6、7區(qū)是圖7中最弱的。顯然，這些二元結(jié)構(gòu)的上層的孕震構(gòu)造活化與平靜期的習性，與其垂向相對應(yīng)的下層的相應(yīng)空間部位附近的流變層動力因素活躍與平靜期的屬性相匹配的。分析圖7發(fā)現(xiàn)，二元結(jié)構(gòu)活躍的地區(qū)，大多出現(xiàn)在以Qh斷裂為界的地塊邊緣帶，如鄂爾多斯塊體邊緣帶，而很少出現(xiàn)在腹部地帶。因為腹部斷裂少，地層水平(傾角不到1°)，LDLEPS值低。一般認為，二元結(jié)構(gòu)的下、上層和孕震構(gòu)造呈如下關(guān)系:若下層動力因素弱(如鄂爾多斯地塊下地殼存有含CO2鹽水的流體層，電阻率低，且康氏面附近可能有不透水巖層阻隔(Zhao et al.，2011)，流體無力向上層滲透，上層整體性好，則不易產(chǎn)生較大孕震構(gòu)造;若下層流體動力較強，中層整體性差，流體容易上涌，令上層斷裂復活，容易產(chǎn)生孕震構(gòu)造，即圖1中乙異常區(qū)的情形。若下層極強勁，中層整體性一般或較差時，會撕裂上層巖體，易產(chǎn)生類似圖1中甲異常區(qū)的孕震構(gòu)造。

圖6 圖3中D孕震構(gòu)造異常區(qū)和2008年M 8四川汶川地震及其余震區(qū)之下的M面3D示意圖Fig.6 A 3D map of M surface under both the anomalous LDLEPS region D in Fig.3 and the 2008 M8 Wenchuan epicentral area and its aftershock region.

圖7 華北地區(qū)幔柱亞熱柱活動后期由地殼熱作用和構(gòu)造再造作用而衍生的(部分)二元結(jié)構(gòu)區(qū)分布Fig.7 The distribution map of bilayer structures generated by both geothermal process and tectonic reworking of the crust during the late-stage evolution of sub-mantle plume and mantle branch in North China.

5.1.3 二元結(jié)構(gòu)模型有助于詮釋殼中地震地質(zhì)現(xiàn)象

地殼結(jié)構(gòu)是分層的。殼中主震源層分布在中層位，即花崗巖質(zhì)及其上下界面附近，一般深度在8～22km，并以層狀“三明治”形式交替出現(xiàn)。由于二元結(jié)構(gòu)模型的存在，地殼深層處于半流變狀態(tài)，能量便于自由傳遞與轉(zhuǎn)化，應(yīng)力在流動過程中得以快速釋放，卻不利于彈性應(yīng)變能存儲積累和突發(fā)式釋放，故地震較少。地殼表層因距離太遠，下層動力因素對地殼表層的直接作用或影響不甚顯著，一般能夠波及或分配到地殼表層的能量相對是間接緩慢的。此外地殼表層為開放性剛體，隸屬另一構(gòu)造動力學系統(tǒng)。巖石主要表現(xiàn)為脆性，淺部圍壓低，巖石強度低，在應(yīng)力作用下巖體易產(chǎn)生裂隙，應(yīng)力迅速釋放，有點能量可以通過調(diào)節(jié)表層塊體運動的途徑得以緩慢釋放，它的能量存儲積累和突發(fā)性釋放的條件較差，故該層位地震活動亦少。唯有殼中主震源層即二元結(jié)構(gòu)的上層范圍，既易從下層獲得能量，本身又是封閉性剛體，巖體不易生成裂隙，那里又沒有較強的塑性流動，故應(yīng)力便于積累，既具有有利于能量以彈性應(yīng)變能存儲積累又難以快速釋放的特點。那里儲能一旦超過本身負荷就會突發(fā)性地釋放，故該層發(fā)震頻繁。地震時此層地震波向上傳播，沿途幾無耗能，僅于空－地分界面，傳遞受阻，大量能量駐積于地表附近，且于數(shù)百秒內(nèi)全部釋放，并以剩余變形與地面振動形式對建筑物施加破壞。地震問題實際上就是堆積于地表至深度70m左右范圍的能量如何處置的問題。是否可以對這些能量通過反射屏反射、波場干涉、涂料吸收、與建筑物隔絕聯(lián)系等，予以遏抑、轉(zhuǎn)化、削弱，實現(xiàn)減輕震災目標。

5.2 初步結(jié)論

綜上所述，可以得出以下初步結(jié)論:

板內(nèi)幔柱亞熱柱活動后期對地殼的熱作用與構(gòu)造再造作用，衍生出二元結(jié)構(gòu)。LDLEPS是定量評估地震危險性的地質(zhì)指標，適用于板內(nèi)中長期地震預測工作。它兼具新穎性、可視性、可操作性與有效性，工作可以計算機化。它在地學研究、地震預測與工程建設(shè)方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。

工作區(qū)LDLEPS異常區(qū)的出現(xiàn)，可能與地殼中二元結(jié)構(gòu)模型密切相關(guān)。下層流變層的動力因素可以對上層脆性層產(chǎn)生控制作用，導致包括二者界面之上底層層間低角度滑脫斷層在內(nèi)的孕震構(gòu)造形成發(fā)展，致震。

由包括第四紀地殼運動項目在內(nèi)的綜合地震地質(zhì)研究和地球物理深部探測獲取的信息源，是分析二元結(jié)構(gòu)模型的有效工具。

致謝 在工作過程中，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所趙希濤及高浩中提供云蒙山野外工作條件，原地質(zhì)部系統(tǒng)諸單位同仁野外工作中給予賜教，密云縣旅游局關(guān)昊和優(yōu)山美地公司(北京)馬少輝在野外工作中給予關(guān)照，優(yōu)山美地公司工程師梅友堯無償提供計算應(yīng)用軟件，在此一并表示真誠謝意。

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THE METHOD OF LATENT DEVELOPMENT LEVEL OF EARTHQUAKE-PREGNANT STRUCTURES AND THE ANALYSIS OF RELEVANT SEISMOGEOLOGICAL INFORMATION

HUANG Xiu-ming

(Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The approach of latent development level of earthquake-pregnant structures in the crustal movement(LDLEPS)is a seismogeologic dynamic indicator for evaluating seismic risk quantitatively，developed based on the net deformation ratio using GIS techniques.The following concerns are addressed in this paper，including the working principle and applying conditions for LDLEPS，the drawing of LDLEPS maps，the relationship between the distribution characteristic of LDLEPS and earthquake in the North China region，and the seismogeologic analysis of the LDLEPS anomaly areas in North China.An example is presented of the use in forecasting earthquakes with LDLEPS method，and more discussions are made on the origin of formation of LDLEPS.Contrasting the spatial distribution of LDLEPS with earthquakes of 1966 －1998 in the North China region in Fig 1，we found that they match and correspond completely to each other in terms of lineament，location，and size.This demonstrates that the LDLEPS method can be used in quantitative evaluation of seismic risk.To verify this conclusion，we drawn the LDLEPS maps of Sichuan and Qinghai regions and used them to forecast experimentally the earthquake trend in these regions in 2006，and the afterward outcomes have proved that the forecast is basically correct，as shown in Fig.2 and 3.As a consequence，the 2008 M8 Wenchuan earthquake in Sichuan Province and the 2010 M7.1 Yushu earthquake in Qinghai Province just happened in the expected abnormal LDLEPS regions and times，respectively.Formation mechanism of earthquake-pregnant structures is discussed in detail in the paper.According to the geophysical exploration and seismogeologic survey data，a bilayer-structured earthquake-generation model is proposed，derived from the crustal thermal processes and tectonic reworking resulting from the late-stage evolution of sub-mantle plumes and mantle-branch structures in North China，i.e.the semi-plastic rheologic layer or lower layer in the middle crust and the rigid layer or upper layer in the upper crust，and that the dynamic of the lower layer induces the formation and development of the seismogenic structures in the upper layer，causing tectonic deformation and generating earthquakes.Based on LDLEPS maps，we divide the North China region into 6 seismogenic structure anomaly zones，as shown in Fig.1.Of them，the anomalous seismogenic structure zone B，located in the northwestern Beijing，is rich in geothermal resources，where hot fluids upwell into the fault planes of the upper layer from the lower rheologic layer，reactivating the faults and generating the moderate and lower-magnitude earthquakes，with a causative mechanism similar to that of reservoir-induced earthquake.In the anomaly zone A of seismogenic structures(Bohai Sea area and its margins)，the powerful driving force from the lower rheologic layer controls directly the generation and development of the upper seismogenic structures，producing moderate and lower-size earthquakes.Researches on palaeoseismic traces from trench profiles and seismites in marine sediments reveal that there are many strong seismic events with magnitude≥6 and palaeotsunami events in this region in the prehistoric times.The nowadays high level of LDLEPS and strong earthquake events are the continuation and repetition of their past activities.It is also noted that there are obvious differences in structural landforms and earthquake trends between the South and North China blocks owing to difference of their tectonic background.Having the advantage of novelty，uniqueness，visibility，operability，effectiveness and computerization，the LDLEPS method can be widely applied to areas of earth science research，earthquake prediction and engineering.

GIS，crustal movement，seismic risk，latent development level of earthquake-pregnant structure(LDLEPS)，paleoseismology

P315.2

A

0253－4967(2012)03－0500－16

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.011

2011－07－05收稿，2011－12－29改回。

黃秀銘，男，1940年生，1966年畢業(yè)于華東師范大學地貌專業(yè)，副研究員，主要從事地震地質(zhì)與新構(gòu)造運動研究，電話:010－62365465，E －mail:HXM1940@Yahoo.com.cn。