唐山斷裂北段地震分布特征及其構造意義*

張素欣，邊慶凱，張子廣，王曉山，曹 筠，李永慶

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

唐山地區(qū)構造環(huán)境復雜，不僅宏觀上有太行山隆起、燕山隆起和冀魯斷塊坳陷；微觀上也存在復雜的、多種形態(tài)的NE，NEE和NW向構造與斷層，諸如不對稱形態(tài)的開平向斜、豐南拉張斷層；還分布有一條晚第三紀開始發(fā)育的、新生的地震構造帶，即唐山—河間—磁縣地震帶，1976年唐山7.8級地震、1966年邢臺7.2級地震就和該新生斷裂活動有關(徐杰等，1996)。自1976年7月28日發(fā)生唐山7.8級地震以來的40多年中，其余震序列的強度趨于減弱，頻度趨于降低，但強度衰減較慢且存在較大起伏，4級以上余震的平面分布圖像隨時間的演化具有明顯的差異特征(唐山主震及強震震級為M，其它為ML)，尤其是1996年以來，唐山7.8級地震震中附近幾乎沒有發(fā)生過4級以上地震，4級以上地震多發(fā)并集中在唐山斷裂北段，呈NW向展布。

1976年唐山7.8級地震后，有關該地震的發(fā)震構造、應力場的研究已有很多成果。張之立等(1980)指出，由P波初動符號求得的釋放應力主壓應力軸為NE75°，這和我國東北、華北地區(qū)一些較大的淺源地震相類似，表明我國東北和華北地區(qū)處于統(tǒng)一應力場，地震的孕育和發(fā)生是與這個應力場密切相關的。許多學者認為，孕育唐山地震的主體構造是開平向斜(李紹柄，1986)，至少可以認為開平向斜是與地震關系最為密切的構造實體，并提出發(fā)震斷層是開平向斜倒轉翼不斷遭受剪和壓的順勢發(fā)展的結果(桂昆長，耿士昌，1987)。唐山地區(qū)局部區(qū)域水平力產生的壓縮與引張，不僅與區(qū)域水平應力場有關，而且與深部熔融物質上涌產生的垂直力有關，淺層構造是深層構造的反映。余震在平面上的分布不僅與斷層的走向密切相關，而且在深度上可能與斷層的深部幾何展布有關，因此，研究余震的幾何分布及其與構造的關系，對未來地震危險地點估計具有重要意義。本文將對唐山地震老震區(qū)余震時空分布特征、前人相關研究成果、主要斷裂帶應力狀態(tài)以及現(xiàn)場考察等進行研究，綜合分析唐山斷裂北段地震分布特征及其構造意義。

1 地震構造背景

1.1 構造背景與條件

地震的發(fā)生是有其區(qū)域構造背景和震區(qū)構造條件的，深入研究這些問題對認識地震的形成、孕育和發(fā)生及其序列特征，甚至對預測未來地震危險性是十分有意義的。唐山地區(qū)位于EW向陰山—燕山南緣活動構造帶與NNE向冀魯斷塊拗陷交匯處，是EW向與NE向重力高值帶的相交部位。陰山—燕山斷褶帶由一系列EW向大斷裂帶及巖漿巖帶組成，地殼厚度西段為40～45 km、東段為34～40 km，結晶基底為變質的太古代桑干雜巖，褶皺強烈，硬化程度高。唐山呂家坨煤礦在地下650 m處存在侵入巖(劉義生，趙少磊，2015)，在樂亭—曹妃甸沿線分布的一些相對較淺埋深的高溫地熱井應該與地下熔融物質上涌有關(現(xiàn)場考察)。蓋層由古生代、中生代的海、陸相沉積物組成，其中震旦系地層最發(fā)育，最大厚度達萬余米(1)中國科學院地質研究所.1959.中國大地構造綱要.。

該區(qū)域構造格局復雜，早期由于受到南北向的擠壓，多形成EW向的斷裂和褶皺，之后由于中新生代的構造運動形成了較新的NE，NNE和NW向的斷裂帶。新生代時期斷裂活動增強，形成了次一級的活動塊體，如薊縣隆起、唐山斷陷、山海關隆起等。新生代以來陰山和燕山山脈長期處于上升隆起，冀魯斷塊長期處于下降坳陷，內部構造復雜，最少存在3個方向的構造，其中以NE向斷裂為主，在這組斷裂控制下形成次一級的NE向隆起和斷陷，如冀中坳陷、滄縣隆起、黃驊坳陷(東北部為樂亭坳陷)、埕寧隆起等。新生代以來斷塊拗陷最大沉降幅度達8 000 m(黃驊岐口地區(qū))，隆起帶頂部的新生界減薄至200～300 m。此外，還有斷斷續(xù)續(xù)成帶出現(xiàn)的NW向構造帶，如海河、孫河—南口斷裂帶，具有明顯的新活動。EW向構造形成時期較早，往往被其它方向構造所切割，新活動較弱。

從地質演變尺度分析，唐山7.8級地震后的區(qū)域動力過程仍延續(xù)地震前的作用機制，所以在持續(xù)的區(qū)域應力場作用下，唐山的中等地震也反映出準周期的活動特征，如1996年以來唐山老震區(qū)(唐山、灤縣和寧河強震震中周圍)發(fā)生的4級左右的顯著地震有：1996年3.9級、1998年4.4級、2000年4.4級、2010年4.8級、2012年5.2級、2016年4.6級、2018年3.9級地震。

1.2 局部構造環(huán)境

唐山地區(qū)位于陰山—燕山斷褶帶和冀魯斷塊拗陷之間的菱形塊陷，被深大斷裂所包圍，塊體中央有一條NE向唐山斷裂帶(圖1)。塊體的南界是寧河—昌黎深斷裂，北界是豐臺—野雞坨大斷裂，二者走向均是NEE向；東界是灤縣—樂亭大斷裂，西界是薊運河深斷裂，二者走向均呈NW向。這些斷裂有的是前古生代時期形成的(如寧河—昌黎深斷裂)，有的是古生代時期形成的，中、新生代時期普遍活動強烈(虢順民，1977)。晚第三紀開始，發(fā)育一條新生的地震構造帶，即唐山—河間—磁縣地震帶(徐杰等，1996)。

F1：陡河斷裂；F2：唐山—巍山—長山南坡斷裂；F3；灤縣—樂亭斷裂；F4：盧龍斷裂；F5：薊運河斷裂；F6：寧河—昌黎斷裂；F7：榛子鎮(zhèn)斷裂；F8：滄東斷裂；F9：香河—寶坻斷裂；F10：柏各莊斷裂

陰山—燕山斷褶帶的重力場特征為(本文只介紹高梯度帶)：在平泉—秦皇島以北重力異常帶以NNE向為主，其以南是一個通過寶坻、唐山、灤縣的EW向重力高值帶，唐山地震就發(fā)生在這個塊體內部重力高的東南側NE向唐山斷裂帶上(國家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組，1982)，該斷裂帶為傾向NW的右旋走滑斷層(尤惠川等，2002)，唐山主震即是沿N30°E的破裂面破裂(張之立等，1980)。

唐山老震區(qū)的主要地震構造為唐山斷裂帶、灤縣—樂亭斷裂，參與活動的有薊運河斷裂和盧龍斷裂(張四昌，刁桂苓，1992)。唐山斷裂帶由陡河斷裂、巍山—長山南坡斷裂和唐山—古冶斷裂組成，走向NE—NNE。橫切震區(qū)的人工地震測深資料顯示，地殼基底存在一條與淺層唐山斷裂帶相對應的斷裂，該斷裂在唐山—寧河一帶呈NE向展布，與薊運河斷裂相交，是一條斷距為2～3 km的正斷層(國家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組，1982)。由唐山地震的地表破裂帶，以及主震后在礦井下觀測到唐山斷裂帶隨著余震活動發(fā)生右旋錯動的現(xiàn)象，表明深淺構造的密切關系。灤縣—樂亭斷裂是一條弧形斷裂帶，由北而南走向為NNW—NW，龍河往南經盧龍至灤縣以南，被盧龍斷裂所切。盧龍斷裂走向為NNE，傾向NW，傾角63°～75°，地質歷史時期主要表現(xiàn)為逆沖斷層，沿斷裂有多處溫泉分布，是一條第四紀活動斷裂。

2 余震序列特征

2.1 時間分布特征

唐山地震余震序列是一個由多條斷裂參加并逐次活動的復雜構造過程，先后顯示活動的斷裂及其錯動性質為：唐山斷裂帶右旋剪切、薊運河斷裂左旋剪切、灤縣—樂亭斷裂右旋或左旋(分段差異)剪切、盧龍斷裂右旋剪切，NW向薊運河斷裂與唐山斷裂帶構成一對共軛剪切構造。沿主震破裂很快觸發(fā)了相鄰斷裂段上的3次強震(圖1)：主震后3.5 h在薊運河斷裂上發(fā)生了天津寧河6.2級地震：主震后約15 h，灤縣—樂亭斷裂上發(fā)生了灤縣7.1級地震；1976年11月15日，即主震后大約3.5個月，在主震破裂的SW向延伸斷裂部位發(fā)生了天津寧河6.9級地震，它們與主震破裂共同構成了一次復雜的板內地震破裂序列(Robinson，Zhou，2005)。

圖1為1976年7月28日—1977年12月31日4級以上的地震分布圖，地震的空間分布范圍基本厘定了余震的范圍。由圖可見，大量余震發(fā)生在主破裂面附近，主要集中在主破裂端部，在端部形成與主破裂面偏離80°左右的2個擴展分支，即薊運河斷裂和灤縣—樂亭斷裂附近(劉蒲雄，呂曉健，2011)。40多年以來，唐山7.8級地震的余震序列衰減基本正常，強度趨于減弱，頻度趨于減小，但地震強度衰減較慢且存在起伏。1991年以來強度起伏較大：老震區(qū)在5級地震平靜5年半的背景下，在1991年5月29和30日分別發(fā)生了5.2級和5.6級地震；之后又平靜了4年多，于1995年10月6日發(fā)生了5.4級地震；在唐山7.8級地震發(fā)生36年后，于2012年5月25日發(fā)生了5.2級地震(圖2a)，余震發(fā)震時間間隔隨時間的演化不斷加大(圖2b)。強度衰減較慢的現(xiàn)象在板緣地震中幾乎是不存在的，在板內地震也是很少見的，這種現(xiàn)象可能具有一定的構造意義。

圖2 唐山老震區(qū)ML≥ 4.0余震時序圖(a)和發(fā)震時間間隔圖(b)(主震后5個月小震目錄存在缺失)

2.2 空間分布特征

主震發(fā)生后至1977年12月31日的早期圖像(圖3a)表明，余震幾乎覆蓋了菱形塊體內的斷裂。1978—1980年的余震活動主要分布在唐山7.8級、灤縣7.1級和寧河6.9級地震3個不同震源區(qū)的較小范圍內，頻度明顯降低(圖3b)。1981—1985年的5年小震圖像與其之前的3年圖像相比，地震活動明顯減弱，頻度降低，但空間分布仍位于3個主要地震震源區(qū)附近，東區(qū)活動明顯高于西區(qū)(圖3c)，這種格局持續(xù)到1995年底，歷時約15年(圖3d)。1996年以來的余震圖像與之前的比較，發(fā)生了明顯的空間變化，地震活動雖然衰減明顯，但空間上主要集中在老震區(qū)東部的2個區(qū)域，一個是灤縣7.1級震中附近，另一個位于唐山7.8級地震發(fā)震斷裂的EN段，且呈現(xiàn)NW向排列(圖3e)。

F1：陡河斷裂；F2：唐山—巍山—長山南坡斷裂；F3；灤縣—樂亭斷裂；F4：盧龍斷裂；F5：薊運河斷裂；F6：寧河—昌黎斷裂；F7：榛子鎮(zhèn)斷裂；F8：滄東斷裂；F9：香河—寶坻斷裂；F10：柏各莊斷裂

2012年5月28日5.2級地震就發(fā)生在該區(qū)域，與序列強度衰減趨勢相比，震級明顯偏高，是在5級地震平靜17年后發(fā)生的。中等地震的有序分布，以及2012年的5.2級、2010年的4.8級地震都發(fā)生在這個區(qū)域，分析認為該局部區(qū)域應力狀態(tài)較高，構造活動較強。查閱資料得知，4.0級以上地震分布區(qū)域存在一條NW向趙各莊到榛子鎮(zhèn)的老斷裂。2010年以來，唐山老震區(qū)2.0級以上地震(3f)，仍然分布在1976年唐山7.8級、灤縣7.1級和寧河6.9級地震的發(fā)震斷層附近，自1996年以來4.0級以上地震NW向條狀分布區(qū)域附近較其他地方更為密集(圖3d)，特別是在趙各莊及其南部區(qū)域較為密集。

3 余震序列時空演化特征的構造意義

3.1 唐山主震及其強余震的構造應力背景

從地震構造角度分析，唐山地震位于華北東部NW—NWW向張家口—蓬萊地震構造帶和NE—NNE向華北平原地震構造帶的交匯部位，它們都表現(xiàn)為活動斷裂帶、上地殼深斷裂帶、強地震連延帶和中小地震密集帶，在現(xiàn)代地殼應力場作用下，構成一對共軛剪切帶。根據(jù)地表破裂帶的位移特征，將唐山地震地表破裂帶分為南北2段，其南段以東升西降的傾滑活動為主，兼有右旋走滑活動；其北段以右旋走滑為主，兼有西升東降的垂直位移(郭慧等，2011a，b)。

分析1976年唐山地震序列的4次主要地震的震源機制解可知，主震及2次發(fā)生在寧河附近的強震是在近EW向近水平擠壓作用下以走滑斷層作用為主的破裂結果。灤縣7.1級地震震源機制解的節(jié)面之一與灤縣—樂亭斷裂北段的實際展布和錯動方式一致，反映出該地震是在NE-SW向近水平拉張作用下以近SN向左旋正斷層作用為主的斷層錯動結果(國家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組，1982)。Shedlock 等(1987)也指出灤縣7.1級地震的震源機制解表現(xiàn)出明顯的正斷層作用，該地震破裂作用力導致唐山斷裂帶表現(xiàn)出分段變形特征的形式。另外，劉桂萍和傅征樣(2000)的數(shù)值計算結果表明：發(fā)生7.1級地震的灤縣斷裂段也是唐山主震破裂引起Coulomb破壞應力值增加最多的部位。因此可以做出推論：唐山7.8級主震破裂發(fā)生時沿NE向唐山斷裂產生較大幅度的右旋同震運動(陳運泰等，1979；Huang，Yeh，1997)，由于唐山斷裂傾向NW，對于主震破裂NE端部外側近于正交的灤縣—樂亭斷裂北段來說，應主要受到唐山斷裂SE盤突然朝SW方向的同震運動而產生的NE-SW向近水平拉張作用。這種突發(fā)的強烈拉張作用使得灤縣—樂亭斷裂北段在短時間內發(fā)生左旋正斷錯動，繼而造成高強度的7.1級地震。這種機理解釋符合“動態(tài)觸發(fā)型”斷層相互作用理論(馬瑾等，2002)。馬瑾等(2002)基于實驗巖石力學研究認為交叉斷層系統(tǒng)中一條斷層失穩(wěn)會動態(tài)地為另一條正交的斷層加載，使后者的剪應力瞬時增加并超過其強度，從而發(fā)生失穩(wěn)。與唐山斷裂帶交叉的具有共軛性質的趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂應力強度的增強(小震活動)，應該是由交叉斷層系統(tǒng)中一條斷層失穩(wěn)(唐山斷裂帶失穩(wěn))造成的。

將趙各莊—榛子鎮(zhèn)沿線附近的3次地震與1976年3次強震的震源機制解列于表1。單獨分析1991年的5.1級和5.3級地震，可以認為其發(fā)生在唐山—古冶斷裂擴展破裂面上，其2個節(jié)面走向分別為NE和NW，P軸和T軸分別為近EW和近SN向，與唐山主震的2個節(jié)面類似，但2個節(jié)面和P，T軸的取向都位于唐山主震相應節(jié)面和主應力軸的右方，考慮到多年來特別是1996年以來4級以上地震在NW向的有序分布，不排除有局部應力場改變的可能。2012年的5.2級地震P，T軸的取向也位于唐山主震主應力軸的右側。

表1 唐山地震序列中幾次顯著地震的震源機制解

3.2 余震演化構造意義

區(qū)域應力狀態(tài)以及作用于唐山菱形塊體中各斷裂的方式，在1996年以來與1976年唐山7.8級地震前應該是基本相同的，與大震發(fā)生后短期內的應力狀態(tài)不同。圖3a，b顯示，余震大體分布在唐山7.8級、灤縣7.1級和寧河6.9級地震3個不同震源區(qū)的較小范圍內，這屬于大震發(fā)生后短期內的應力狀態(tài)調整，是因為主破裂發(fā)展到這2個區(qū)域后，被灤縣—樂亭大斷裂及薊運河大斷裂所阻擋，主破裂面周圍及其兩端是應力集中部位，尤其是兩端擴展分支的地方更為明顯，所以大量余震都發(fā)生在這3個區(qū)域。圖3c～e的余震雖然仍分布在余震區(qū)范圍內，但圖3e顯示的余震明顯集中在唐山斷裂東段的局部區(qū)域。1996年以來，7.8級主震震中附近區(qū)域基本沒有4級以上地震，這說明余震分布已基本不受主震破裂引起的應力狀態(tài)所制約。圖3e顯示，在唐山斷裂東北段NW向中等地震的密集分布與NW向趙各莊到榛子鎮(zhèn)的斷裂吻合，該斷裂曾通過衛(wèi)星影像解譯(何玉林，強祖基，1990)。這些現(xiàn)象說明1996年以來的NW向中等地震分布特征是在區(qū)域應力場持續(xù)作用下唐山斷裂帶持續(xù)的右旋活動，而由于唐山斷裂7.8級地震震中附近發(fā)生了主震和多次余震，地下介質較為破碎，不易積累大的應力，且破碎會發(fā)生蠕滑消耗能量，所以斷層活動的作用力向NE方向傳遞。對于與唐山斷裂交叉的趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂來說，受到唐山斷裂SE盤持續(xù)向SW向的運動而產生的NE-SW向近水平拉張作用，引起與之共軛的趙各莊—榛子鎮(zhèn)舊斷裂發(fā)生新的活動。

3.3 現(xiàn)場考察資料分析

筆者于2018年底和2019年年初進行了現(xiàn)場考察和資料收集，資料顯示，1996年以來NW向4.0級以上地震分布區(qū)域存在一條較老的NW向的趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂。圖4a為考察場地地理位置示意圖，該場地位于趙各莊到榛子鎮(zhèn)的遷曹線路上，道路維修地點的道路呈SN向，道路西側墻體出現(xiàn)裂紋(圖4b)，墻上還有多處多次維修的痕跡，正在進行道路維修的路邊豎井存在X型的裂紋(圖4c)，在圖4a中A點附近的道路路邊有呈現(xiàn)膨出現(xiàn)象的裂縫?，F(xiàn)場考察NS方向路面，發(fā)現(xiàn)只有300 m左右的破壞路段(表明不是大卡車碾壓造成的)，加之趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂位置，還有地形地貌的河溝形態(tài)，由此認為斷裂帶沿圖4a中的A和B點通過，遷曹線在考察場地與斷裂交叉。道路A點的膨出現(xiàn)象說明斷裂處于拉張狀態(tài)，而與之相交叉路面豎井的X裂紋所呈現(xiàn)的剪切狀態(tài)也給予了佐證，這些都證實該斷裂具有新活動的特點。由于此處及其附近沒有地震形變觀測臺站，因此無法用形變資料做相關分析。

圖4 現(xiàn)場考察場地示意圖(a)及墻體裂縫(b)、路旁豎井X裂紋(c)、路面裂紋(d)實拍照片

4 結論與討論

本文針對1976年唐山7.8級地震余震序列的時空演化特征，特別是1996年以來4.0級以上地震在唐山斷裂帶北段呈NW向分布的特征，通過現(xiàn)場考察，對比分析以往研究成果和老舊斷裂圖件，結合老震區(qū)的構造背景、主要斷裂的應力狀態(tài)以及幾次顯著地震的震源機制解，進行了綜合分析，得到以下主要結論：

(1)唐山老震區(qū)的余震在1995年以前大體分布在唐山7.8級、灤縣7.1級和寧河6.9級3個不同震源區(qū)的較小范圍內，與大多數(shù)的余震分布規(guī)律是一致的，這主要是由7.8級主震破裂引起的震后應力調整所致。1996年以來，唐山7.8級震中附近區(qū)域基本沒有發(fā)生4級以上地震，筆者認為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因一是主震南邊近EW向的豐南斷裂起到吸納能力和阻隔的作用；二是主震附近區(qū)域地殼介質較破碎，未積累到發(fā)生4級以上地震所需的應力，且地下介質較破碎會發(fā)生蠕滑，消耗能量。

(2)1996年以來，4級以上地震集中分布在唐山7.8級主震發(fā)震斷裂——唐山斷裂的東北段，呈NW向分布，與NW向的趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂相吻合，該斷裂與唐山斷裂帶呈共軛分布。唐山斷裂持續(xù)活動的作用力向EN向傳遞。對于與唐山斷裂交叉的趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂來說，受到唐山斷裂SE盤持續(xù)向SW向的運動而產生的NE-SW向近水平拉張作用，引起與之共軛的趙各莊—榛子鎮(zhèn)舊斷裂發(fā)生新的活動。由于唐山斷裂帶上發(fā)生了7.8級地震及其多次余震，地下介質較為破碎，不易積累大的應力，又由于破碎會發(fā)生蠕滑消耗能量；而趙各莊—榛子鎮(zhèn)的斷裂介質破碎程度低，能夠積累較高的能量，與該斷層可能相關的2010年3月6日4.7級以及2012年5月28日5.2級這2次較高強度的地震可能說明了這一點。

(3)現(xiàn)場考察趙各莊—榛子鎮(zhèn)的破碎路段，在趙各莊附近路邊約300 m長的墻上裂縫、柏油路地面豎井剪切破裂形態(tài)、5個月內該路段維修2次、地面向外突出的位置和形態(tài)以及1996年以來NW向4級以上地震和2010年以來2級以上地震的密集分布，都證實了NW向的趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂具有新活動的特點。對比NW向4級以上地震的震源機制的2個節(jié)面與唐山主震的2個節(jié)面，是否存在兩個節(jié)面和P，T軸的取向都位于唐山主震相應節(jié)面和主應力軸的右方，是否存在局部應力場的改變，還有待深入研究。

綜合分析認為，趙各莊—榛子鎮(zhèn)的斷裂中強地震危險性較高。建議重點監(jiān)測新生地震帶區(qū)域，并對趙各莊—榛子鎮(zhèn)斷裂開展地質、地球物理、地球化學等不同手段探測及進一步深入研究。