1976年唐山7.8級地震成因探討

丁學(xué)文，高樹義，陳永新

(1.山西省地震局，山西 太原 030002；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

1976年7月28日03:42:54，在河北省唐山市(東經(jīng)118.0°，北緯39.4°)發(fā)生了M7.8強(qiáng)烈地震，震中烈度Ⅺ度，震源深度11 km。唐山市區(qū)遭到毀滅性破壞，建、構(gòu)筑物倒塌或遭到嚴(yán)重破壞，人員傷亡慘重。有感范圍達(dá)14個省、市、自治區(qū)，其中北京市和天津市受到嚴(yán)重影響[1](見圖1)。唐山地區(qū)地質(zhì)以往認(rèn)識上沒有深、大斷層，以前也沒有發(fā)生過破壞性地震[2]。對唐山地震成因眾多學(xué)者提出了不同的認(rèn)識，主要有構(gòu)造成因[3-13]、地幔成因[14-15]和構(gòu)造、地幔成因[16-17]三種。唐山地震前出現(xiàn)了大范圍動物、氣溫、地磁、地電、地下水異常和大氣光電、地氣現(xiàn)象，地震后出現(xiàn)了地裂縫、地震斷層、地面鼓起、鐵軌彎曲等現(xiàn)象。如此大幅度的異常是很難用粘滑錯動作出圓滿解釋的[18]，綜合地震前后出現(xiàn)的異常和現(xiàn)象，筆者認(rèn)為唐山地震是在地幔上隆、地殼厚度變薄的大地構(gòu)造背景下(見第34頁圖2)，受到NEE-SWW向擠壓，在NNE-NE向唐山斷裂和NW向薊運(yùn)河斷裂共軛作用下發(fā)生錯斷產(chǎn)生的地震。

1 區(qū)域大地構(gòu)造背景

唐山震中區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華北地臺遼翼臺向斜北部，北鄰燕山臺褶帶[19](見第34頁圖3)。遼翼臺向斜基底出露太古界遷西群及灤縣群，為一套麻粒巖相及角閃巖相的變質(zhì)巖系，經(jīng)早古生代末呂梁運(yùn)動固結(jié)形成。中生代以來，強(qiáng)烈的構(gòu)造變動在原來比較穩(wěn)定的地臺上形成新生代斷塊坳陷區(qū)，北東向構(gòu)造為主。新生代沉積物廣泛覆蓋，埋深可達(dá)5 000 m。地震區(qū)一帶基巖褶皺、斷裂發(fā)育，北東向主要斷裂有滄東斷裂、唐山斷裂，另外發(fā)育北西向張家口-蓬萊斷裂帶。

圖1 1976年唐山地震等震線[1]Fig.1 Isoseismal line of the 1976 Tangshan earthquake

1.1 滄東斷裂

為滄縣隆起和黃驊凹陷的構(gòu)造分界線，在重力異常圖上顯示為重力密集梯級帶。斷裂南起山東臨清西南，向東北經(jīng)德州、河北吳橋、滄州、滄縣、天津以東至河北寧河，全長350 km，總體走向NE30°，傾向SE，由一系列正斷層組成。受斷裂活動的影響，黃驊凹陷區(qū)新生代最大厚度可達(dá)8 000 m。垂直于滄東斷裂的深、中、淺層地震勘探剖面顯示，斷裂呈鏟狀，錯斷至上地殼，最新活動時代為第四紀(jì)中更新世。

圖2 唐山及周圍莫霍面等深線[18]Fig.2 Tangshan and its surrounding Moho contour

圖3 唐山及鄰區(qū)大地構(gòu)造單元分區(qū)[19]Fig.3 Geotectonic unit zoning of Tangshan and its adjacent area

1.2 唐山斷裂

介于北西向薊運(yùn)河斷裂和灤縣-樂亭斷裂之間，總體走向NNE-NE，傾向NW、SE，傾角70°～80°，為逆走滑斷層，長約59 km。由三條平行斷裂組成，主要發(fā)育于古生代地層中，并伴有一系列褶皺，為燕山運(yùn)動時形成。新生代時期，斷裂活動引起地貌變化，形成地貌分界線，垂直差異幅度不到100 m。根據(jù)國家地震局地球物理勘探大隊繪制的人工地震剖面，唐山附近地下有一條切穿莫霍面的深部斷裂，其位置與上部斷裂相當(dāng)。斷裂兩側(cè)莫霍面的落差2～3 km，東盤下降，西盤上升。由此得出，唐山斷裂為一條深大斷裂[20]，且具有高角度西傾逆沖走滑性質(zhì)，晚更新世以來累積垂直錯距達(dá)15 m[13]。

1.3 張家口-蓬萊斷裂帶

西起河北張北，向東南經(jīng)張家口、懷來、寧河至山東省蓬萊、煙臺以北的黃海海域，總體走向N60°W，長700余公里，為一條以正斷為主具有左旋剪切性質(zhì)的構(gòu)造帶，沿斷裂帶重力、磁異常明顯，在上地殼組成和結(jié)構(gòu)上有明顯差異，沿線地震活動強(qiáng)烈。斷裂帶由張北-南口段、南口-寧河段、渤海段和蓬萊-煙臺段四段26條斷裂斷續(xù)組成，斷裂沿線控制著一系列斷陷盆地。其中薊運(yùn)河斷裂為南口-寧河段中的一條，走向NW，傾向SW，傾角70°，長度50 km。據(jù)人工地震測深資料，斷裂深達(dá)莫霍面。斷裂東北盤上升，西南盤下降，第四系底界落差大于100 m，斷裂兩側(cè)水系流向顯示為左旋剪切，活動時代為第四紀(jì)全新世。

2 震前地震前兆、異?，F(xiàn)象

2.1 動物異常

震前動物異常極其普遍而強(qiáng)烈、分布范圍廣[21-22]。據(jù)錢鋼著《唐山大地震》[23]、陳永弟編著的《唐山地震紀(jì)實》[24]和地震后由幸存者自述見到的動物宏觀異常，涉及的動物有魚、鼠、黃鼠狼、雞、鴨、鴿子、燕、蝙蝠、豬、狗、貓、羊、兔、鱉、青蛙、海蜇、蝎子、蚰蜒、蚯蚓、螞蟻、蜻蜓。動物異常在時空分布上有一定的特點，時間分布上看，出現(xiàn)在臨震前兩天之內(nèi)的約占71%，震前兩天以上出現(xiàn)異常的主要是魚、燕、豬、雞、黃鼠狼、蚰蜒、蝴蝶、蝗蟲、蟬、螻蛄、麻雀等；空間分布上，在Ⅶ度以上烈度區(qū)內(nèi)的約占80%，最遠(yuǎn)分布于天津大沽口海面Ⅵ度區(qū)。歸納動物震前異常特征，表現(xiàn)為水中的魚、海蜇、鱉、青蛙紛紛上浮、翻白、跳躍;地中的鼠、黃鼠狼、蚯蚓爬出、轉(zhuǎn)移、恐慌；地上的雞、鴨、鴿子、豬、狗、貓、羊、兔不進(jìn)窩、怪叫、不進(jìn)食、恐懼不安；地上的燕、蝙蝠、螞蟻、蜻蜓群聚、恐慌、轉(zhuǎn)移?？傊鹎碍h(huán)境的改變和動物生理的變化引起了各種動物異常反應(yīng)，為地震的成因分析提供一定線索。

2.2 氣象異常

曹新來等[25]、辛寶恒[26]對地震前、后氣象變化、異常進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究結(jié)果表明，從1975年1月至1976年6月唐山0.8 m地溫為正距平，1975年平均地溫是1957年以來24 a中的最高值，如圖4所示。唐山西北的玉田和東南的柏各莊也有類似的升溫異?，F(xiàn)象。1976年1-6月0.8 m地溫距平等值線升溫幅度最大的位置為玉田、唐山、赤城、固安一帶，總體上形成北東升溫脊和北西升溫圈(見圖5)。唐山相對于外圍4個不同方向標(biāo)準(zhǔn)站80 cm、40 cm地溫差值距平7月以來呈現(xiàn)出穩(wěn)定的上升趨勢，唐山、昌黎80 cm地溫在震前4 d(23-27日)地溫突升，日變率分別為1.1°和1.2°，24日皆達(dá)到峰值狀態(tài)，出現(xiàn)了地溫爆發(fā)性增溫異?，F(xiàn)象。唐山及周圍0.8 m地溫異常變化不是太陽輻射熱變化所能影響的，而是地殼深處熱源所致。震前6-7月在天津?qū)氎娓浇霈F(xiàn)平均氣壓距低值中心和唐山豐潤附近高值中心，沿低、高值中心之間為北西向氣壓變化的最大梯度區(qū)，與斷裂帶基本吻合。在震中區(qū)一帶，幸存者稱臨震前出現(xiàn)了地電、地光、地聲現(xiàn)象，同時聽到有地面風(fēng)，卻感覺不到，風(fēng)聲大、風(fēng)力小。

圖4 唐山0.8 m地溫距平曲線圖[25]Fig.4 Geothermal anomaly curve of 0.8 m in Tangshan

2.3 地下水、氣味、地磁、地電異常

震前，在唐山及周圍地區(qū)出現(xiàn)地下水宏觀異常，主要有上升、下降、發(fā)渾變色和冒泡發(fā)響等四種?？傮w上表現(xiàn)為水位中長期緩慢下降、短期加速下降、臨震回返、震時迅猛上升[27]4個異常階段。臨震前在唐山林西礦區(qū)，人們聞到散發(fā)著硫磺味的“臭霧”。通過對唐山地震前勝利、大港、遼河3個油田的油井和渤中2井及北京附近部分水井資料研究，表明不同的應(yīng)力狀態(tài)造成不同的油水井異常，前兆異常與孕震具有相關(guān)性[28]。

根據(jù)解用明等對昌黎、青光、紅山等臺的震前地磁絕對觀測資料的計算、分析，結(jié)果表明，三臺站震中距離與地磁變化呈正比關(guān)系，震前4-7月，最近的昌黎臺地磁異常明顯，較近的青光臺異常幅度明顯變小，較遠(yuǎn)的紅山臺變化不明顯。由此確定震源區(qū)有震源體引起的局部磁異常[29]。據(jù)延慶縣佛爺頂測雨雷達(dá)26-27日連續(xù)兩天在京津唐上空的觀測，發(fā)現(xiàn)存在奇特的磁場[23]。震前形變電阻率異常明顯，短臨異?？傮w表現(xiàn)為大幅度下降后微速回升，臨震前兩天出現(xiàn)加速下降[30]。

圖5 1975年7-12月唐山及鄰區(qū)0.8 m地溫距平等值線[25]Fig.5 Equal value line of geothermal distance of 0.8 m in Tangshan and its adjacent areas from July to December 1975

3 震后地震現(xiàn)象

震后，在震中區(qū)出現(xiàn)地裂縫、地震斷層、地面鼓起、鐵軌彎曲等現(xiàn)象，為確定發(fā)震構(gòu)造和探討構(gòu)造應(yīng)力場提供了重要依據(jù)。唐山7.8級地震后，北起市區(qū)勝利路、南至望馬臺，在地表形成長達(dá)11 km的地裂縫帶，總體走向NE30°，由NE40°～80°的多組裂縫組成雁行裂縫帶，裂縫帶寬0.7～100 m，右旋扭距最大1.50 m。地裂縫帶兩側(cè)落差0.2～0.7 m，東南盤下降。水平錯距、垂直落差中部最大，兩端最小趨于零。NNE-NE向單條裂縫在平面顯示為扭性，垂直方向上為逆沖，裂縫帶屬壓扭性[20]。另外，在29中南北向、勝利路NE20°向、10中N60°W向、韓家街N10°W向、吉祥路N30°～60°W向出現(xiàn)鼓包，鼓包高0.3～0.6 m[16]。地表主破裂帶與唐山斷裂的位置、產(chǎn)狀均一致，顯示了唐山地震深淺構(gòu)造關(guān)系的相關(guān)性。

根據(jù)唐山7.8級地震的震源機(jī)制解，地震破裂為高傾角的右旋走滑錯動，其主壓應(yīng)力軸為NEE-SWW向，主張應(yīng)力軸為NNW-SSE向，主應(yīng)力軸的傾角都不大[18]，與華北地區(qū)MS≥6.0地震震源機(jī)制解趨于一致。在這樣的應(yīng)力場中，NNE-NE向的斷層易發(fā)生右旋走滑運(yùn)動，NWW-NW向的斷層易發(fā)生左旋走滑運(yùn)動，NNW向易出現(xiàn)鼓包。

4 地震發(fā)震構(gòu)造成因機(jī)制

在河北省城市活斷層探測與地震危險性評價項目(唐山市)中，在唐山地震區(qū)進(jìn)行了深地震反射探測(1)河北省地震局，唐山市地震局.河北省城市活斷層探測與地震危險性評價項目(唐山市)，2011.，如圖6所示。剖面結(jié)果表明，唐山斷裂帶是一條規(guī)模較大的走滑斷裂，淺部表現(xiàn)為典型的花狀構(gòu)造，在深部切割和擾動下，出現(xiàn)地殼物質(zhì)和殼幔過渡帶，這種深淺共存的斷裂構(gòu)造體系是控制該區(qū)地震孕育和發(fā)生的重要因素[31]。穿過華北唐山震區(qū)的地震記錄截面反映了該區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)特征，存在下地殼/幔過渡帶，厚約6 km，波速偏低，為6.3～6.5 km/s。地殼厚約32 km，下地殼厚約18 km，在深約6～14 km、7～24 km處出現(xiàn)了速度為6.0 km/s、6.2 km/s的低速層，地殼平均速度約6.1 km/s[32]。唐山地震震源深度為11 km，地震發(fā)生在低速層內(nèi),地震是深斷裂形變與深部層間滑動相結(jié)合的產(chǎn)物[33]。

圖6 唐山深地震反射剖面解釋圖①Fig.6 Interpretation of Tangshan deep seismic reflection profile

震區(qū)一帶第四系松散層沉降厚度由北向南逐漸加大，唐山市區(qū)為200 m，向南順陡河逐漸加大至800 m以上，反映了唐山斷裂陡河段活動性南強(qiáng)北弱的特征，這與唐山地震余震反映的震源深度南深北淺一致(見圖7、圖8)。圖7為唐山7.8級地震后至1976年12月底余震(M≥4.5)的震中分布，余震區(qū)長約140 km，寬約50 km，長軸軸向NE47°，余震分布區(qū)與唐山斷裂趨于一致。圖8為平行于長軸方向和在寧河地區(qū)垂直于長軸方向余震深度分布圖[20]。余震深度一般分布于5～35 km，位于莫霍界面之上地殼內(nèi)，震源深度在南端最深，也反映了兩斷裂在地殼深部共軛交匯、孕育，進(jìn)而產(chǎn)生地震。

圖7 唐山地震余震(M≥4.5)震中及主要構(gòu)造分布[20]Fig.7 The epicenter and main tectonic distribution of aftershock(M≥4.5) of Tangshan earthquake

圖8 唐山地震部分余震深度分布[20]Fig.8 Distribution of aftershock depth in Tangshan

根據(jù)華北地區(qū)新生代區(qū)域應(yīng)力場特征，唐山斷裂應(yīng)為右旋剪切壓性逆斷裂，薊運(yùn)河斷裂應(yīng)為張性正斷裂，兩斷裂交匯區(qū)為易積累應(yīng)力的地區(qū)。從地震等震線形態(tài)看，總體上呈北東向的橢圓狀，等震線皆在西北向外凸出，反映了地震是以唐山斷裂為主、薊運(yùn)河斷裂為輔的兩斷裂共軛活動引起。除上述發(fā)震斷層外，深部構(gòu)造特征與唐山地震的孕育有關(guān)。唐山地震位于以渤海為中心的上地幔高導(dǎo)層隆起區(qū)的50 km與北部山前地帶80 km的等深線之間的變化帶上，受上地幔上隆影響，上地殼側(cè)向滑動，對唐山地震的孕育起著不可忽視的作用[18]。由重力異常、航磁異常、地殼厚度、斷裂沿線地震分布及人工地震剖面確定，兩斷裂均為規(guī)模大的深大斷裂。唐山斷裂的右旋剪切逆傾滑活動受阻于薊運(yùn)河左旋正斷裂的摩擦阻力，應(yīng)力閉鎖，當(dāng)兩斷裂相互活動，應(yīng)力聚集到一定程度時，應(yīng)力釋放并伴隨地震的發(fā)生。唐山及其附近地區(qū)水平應(yīng)力示意及斷裂性質(zhì)解譯如圖9所示。

圖9 唐山及鄰區(qū)水平應(yīng)力場示意圖Fig.9 Schematic diagram of horizontal stress field in Tangshan and its adjacent areas

5 結(jié)論與討論

(1) 唐山地震發(fā)生于遼翼臺向斜北部，震中區(qū)位于莫霍面上隆區(qū)斜坡地帶，獨(dú)特的位置提供了地震發(fā)生的大地構(gòu)造背景。震前動物、磁場、溫度、地電阻率、氣味、地光、地電的異常和震后地裂縫、鼓包等現(xiàn)象共存于統(tǒng)一體中，為震前地幔上拱、巖漿上涌垂直力及地殼巖石摩擦、破裂水平擠壓作用所致。

(2) 受華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的影響，極震區(qū)一帶形成了NNE-NE向的右旋剪切逆斷裂和NW向的左旋剪切正斷裂，唐山右旋剪切逆斷裂與薊運(yùn)河左旋剪切正斷裂交匯應(yīng)力閉鎖、釋放，為該地震發(fā)生的構(gòu)造原因。

(3) 地表斷裂規(guī)模不大、活動性不強(qiáng)的地區(qū)由于其大地構(gòu)造特征和深大斷裂發(fā)育，也會在深部孕育、發(fā)生強(qiáng)震，在地表產(chǎn)生地震斷層。