华北地区地震和深部构造关系及其破裂机制

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，Zhu S],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，Xu Jie,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）。

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(K 1)、华北平原活动地块(K 2)和鲁东－黄海活动地块(K 3);三级地块:太行山次级活动地块〔K 2-1)、冀鲁次级活动地块(K 2-2)和豫淮次级活动地块(K 2-3).一级活动地块边界带:鄂尔多斯西－北缘活动构造带(D 1-1.)、秦岭－大别山活动构造带(D 1-2)、张家口－北京－蓬莱活动构造带(D 1-3).二级活动地块边界带:山西断陷盆地带(D 2-1)、郊庐断裂带(D 2-2).三级活动地块边界带:安阳-荷泽-临沂活动构造带(D 3-1)、唐山－河间－磁县活动构造带(D 3-2).

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

M7.8

1969.7渤海M7.4

1937.8菏泽7.0

1966.3邢台M7.2

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 ）

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现震源区地壳内存在低速体（张先康，2002）。

图5有关唐山地震的深部构造地震探测剖面

右下角图指示各剖面位置(1)穿过唐山震区剖面波速图（齐诚，2006）,(2)沧州－天津－喀左剖面波速图(3)柏各庄－丰南－丰宁－正蓝旗测深剖面波速图(刘昌铨，1986),(4)张家口－唐山剖面波速图,

(5)天津－唐山剖面波速图.（刘启元，2007）

1966年邢台M7.2地震是我国现代地震研究较早较多的地震，图6

显示了有关邢台地震

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