中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與強震活動＊

謝富仁 張紅艷 崔效鋒 杜 義

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與強震活動＊

謝富仁 張紅艷 崔效鋒 杜 義

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

依據(jù)應(yīng)力性狀和力源特征，中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場可劃分為四級應(yīng)力區(qū)。它們分別是2個一級應(yīng)力區(qū)、4個二級應(yīng)力區(qū)、5個三級應(yīng)力區(qū)和26個四級應(yīng)力區(qū)。通過分析中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)與強震活動之間的關(guān)系，初步獲得以下結(jié)論：①構(gòu)造應(yīng)力作用強烈和復(fù)雜的地區(qū)是強震頻發(fā)的地區(qū)；②應(yīng)力區(qū)邊界是強震集中發(fā)生的地帶；③應(yīng)力方向、應(yīng)力結(jié)構(gòu)類型或強度的變化地區(qū)通常也是強震發(fā)生的地帶；④均勻區(qū)域應(yīng)力場背景上的局部應(yīng)力變化區(qū)是強震活動相對集中的地區(qū)；⑤活動斷裂帶上構(gòu)造應(yīng)力類型變化的部位是易發(fā)生強震的地點。

構(gòu)造應(yīng)力場；應(yīng)力分區(qū)；強震活動；動力學(xué)

引言

巖石圈應(yīng)力狀態(tài)研究是地球科學(xué)的一個十分重要的分支。為此，20世紀(jì)80年代開始的國際巖石圈計劃開展了世界應(yīng)力圖編制計劃，以美國科學(xué)院院士Mary Lou Zoback[1]為首席科學(xué)家，有多國科學(xué)家參加的世界應(yīng)力圖編制計劃，搜集并分析整理了全球范圍內(nèi)有關(guān)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力的測量和研究成果，在此基礎(chǔ)上建立了全球構(gòu)造應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，編制了“世界應(yīng)力圖”。該圖全面反映了巖石圈應(yīng)力場的總體和分區(qū)特征，并對巖石圈中力的作用情況進行了解釋。

世界應(yīng)力圖計劃的重要研究結(jié)果之一是發(fā)現(xiàn)了在一些板塊內(nèi)部，構(gòu)造應(yīng)力場存在大尺度的統(tǒng)一性特征，說明存在地球構(gòu)造運動的大尺度力源。該計劃的另一個重要結(jié)果是認識到板塊內(nèi)部存在一級和二級應(yīng)力場，一級應(yīng)力場與板塊運動有聯(lián)系，二級應(yīng)力場是由局部原因引起的，如巖石圈橫向密度差異、局部熱活動等引起了地區(qū)性的應(yīng)力場。我國學(xué)者一直致力于構(gòu)造應(yīng)力場的研究[2－8]，近年來在構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)研究方面取得了明顯的進展[9－12]。大量研究表明，地殼中的應(yīng)力狀態(tài)與地震活動的關(guān)系十分密切，研究現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與強震活動的關(guān)系對認識地震過程和開展地震區(qū)劃工作具有十分重要的理論和實際意義。通過編制《中國現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場圖》（圖1）和研究現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場基本特征，進行構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)[11]，初步揭示出現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與地震活動關(guān)系密切。中國大陸及鄰區(qū)地震活動與構(gòu)造應(yīng)力背景存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，不同級別的應(yīng)力區(qū)分界對應(yīng)了不同程度的地震活動（圖2）。

1 中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)

1.1 構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)原則

圖2 中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)與強震分布（1912—1990年M S≥5.0地震；2008年汶川M S＝8.0地震；2010年玉樹M S＝7.1地震）

中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場明顯受周邊板塊作用的控制，大陸內(nèi)部由于構(gòu)造格局及其運動的差異，應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域特征十分明顯。為客觀反映中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場細結(jié)構(gòu)及其非均勻特征，進行應(yīng)力分區(qū)的研究是十分必要的。依據(jù)構(gòu)造應(yīng)力的力學(xué)屬性、變形特征及其力源，制定如下分區(qū)原則。

（1）按主應(yīng)力方向的一致性分區(qū)

同一構(gòu)造應(yīng)力區(qū)受外力作用的方式是相同的，它所處的內(nèi)、外部構(gòu)造環(huán)境也具有相似的特點，因而同一構(gòu)造應(yīng)力區(qū)主應(yīng)力作用方向總體上具有一致性。

（2）按應(yīng)力結(jié)構(gòu)特征的一致性分區(qū)

同上，同一構(gòu)造應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)總體上也應(yīng)具有一致性。

（3）按應(yīng)力強度分區(qū)

構(gòu)造應(yīng)力的強度亦是劃分應(yīng)力分區(qū)的重要標(biāo)志，但目前直接獲得應(yīng)力大小的方法還十分有限，通常還需要依據(jù)構(gòu)造變形的程度推斷應(yīng)力強度。同一構(gòu)造應(yīng)力區(qū)內(nèi)應(yīng)力強度應(yīng)基本上保持在同一水平。

（4）按構(gòu)造變形和斷層破裂方式分區(qū)

構(gòu)造變形和斷層破裂類型是應(yīng)力作用的直接結(jié)果，同一構(gòu)造應(yīng)力區(qū)內(nèi)的構(gòu)造變形和斷層破裂方式在力學(xué)屬性上應(yīng)具有一致性，依此可作為劃分應(yīng)力分區(qū)的依據(jù)。

（5）按力源類型劃分應(yīng)力分區(qū)的級別

構(gòu)造運動的圖像顯示，不同級別的構(gòu)造受控于不同的動力源。通常由板塊運動產(chǎn)生的作用力是控制區(qū)域大環(huán)境應(yīng)力狀態(tài)的主導(dǎo)因素[1，11]，而板內(nèi)塊體間相互作用以及由于空間非均勻結(jié)構(gòu)和巖石非均勻力學(xué)特性產(chǎn)生的影響，是造成次級和局部應(yīng)力變化的原因。

1.2 中國現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)

依據(jù)構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)原則，將中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分為2個一級應(yīng)力區(qū)，4個二級應(yīng)力區(qū)，5個三級應(yīng)力區(qū)和26個四級應(yīng)力區(qū)（表1）。一級構(gòu)造應(yīng)力區(qū)主要受板塊邊界的幾何特征和作用在邊界上的力所控制，應(yīng)力作用在大范圍和長時間內(nèi)保持均勻和穩(wěn)定；二級構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)受控于區(qū)域塊體間的相互作用，在較大區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)力作用具有較強的相關(guān)性；三級構(gòu)造應(yīng)力區(qū)受控于區(qū)域內(nèi)部塊體間的相互作用，在一定區(qū)域范圍應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有相似性；四級構(gòu)造應(yīng)力區(qū)受控于塊體和斷裂相互作用的影響，其應(yīng)力性狀（方向、強度和結(jié)構(gòu)等）一致性較好[11]。

2 中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場與強震活動

2.1 構(gòu)造應(yīng)力場背景與強震活動

構(gòu)造應(yīng)力作用強烈的地區(qū)和應(yīng)力分布復(fù)雜的地區(qū)是強震頻發(fā)的地區(qū)。如青藏高原地區(qū)、臺灣、華北地區(qū)和新疆，這些是板塊碰撞或推擠受力最強的地區(qū)，或是構(gòu)造應(yīng)力分布較為復(fù)雜的地區(qū)，是中國強震頻發(fā)的地區(qū)。

根據(jù)中國新編地震目錄[13]，對中國地震分布進行了初步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（圖2），青藏高原應(yīng)力區(qū)和臺灣應(yīng)力區(qū)4級以上地震占中國地震的70%以上，華北地區(qū)和新疆地區(qū)占20%以上，而華南地區(qū)和東北地區(qū)只占6%左右。其中，6級以上強震青藏高原應(yīng)力區(qū)和臺灣應(yīng)力區(qū)占中國大陸地震的75%以上，華北地區(qū)和新疆地區(qū)占20%左右，華南地區(qū)和東北地區(qū)只占不到5%。由此可見，地震活動與構(gòu)造應(yīng)力背景的對應(yīng)關(guān)系十分密切。構(gòu)造應(yīng)力場強度大、應(yīng)力類型分布復(fù)雜的地區(qū)是中國地震活動的最主要場所。

2.2 板塊應(yīng)力區(qū)邊界與強震活動

中國大陸受控板塊動力作用的一級應(yīng)力區(qū)為中國東部應(yīng)力區(qū)和中國西部應(yīng)力區(qū)，它們的交界是南北地震構(gòu)造帶（圖2）。該構(gòu)造帶構(gòu)造運動強烈、應(yīng)力分布復(fù)雜，是強震易發(fā)和頻發(fā)的地帶。由于受控于不同板塊的聯(lián)合作用，中國南北地震構(gòu)造帶的現(xiàn)代構(gòu)造運動十分強烈。自北向南，發(fā)育有鄂爾多斯西緣斷裂帶、海原—六盤山斷裂帶、東秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶、龍門山斷裂帶、鮮水河—則木河—小江斷裂帶等一系列活動構(gòu)造，區(qū)內(nèi)發(fā)生了一系列強烈的地震活動，是中國大陸內(nèi)部地震活動最強烈的地區(qū)。

2008年5月12日，震驚世界的汶川大地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上，而龍門山斷裂帶屬于中國大陸一級應(yīng)力分區(qū)邊界——南北地震帶的一部分。汶川地震后利用地震斷層滑動資料反演的構(gòu)造應(yīng)力場結(jié)果表明，龍門山地區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場以東西向的擠壓為主要特征，應(yīng)力結(jié)構(gòu)以逆斷型為主（圖3）[14]。2010年4月14日發(fā)生于甘孜－玉樹斷裂上的青海玉樹7.1級強震位于三級應(yīng)力分區(qū)的邊界。

表1 中國現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)[11]

2.3 構(gòu)造應(yīng)力方向、結(jié)構(gòu)和強度變化與強震活動

中國的地震區(qū)劃將全國分為23個地震帶作為統(tǒng)計單元[15]。中國90%以上的破壞性地震發(fā)生在這些地震帶內(nèi)，它反映了中國地震活動在空間分布上的非均勻特征，這些地震帶不僅具有明顯的地質(zhì)構(gòu)造特征，而且在構(gòu)造應(yīng)力方向、結(jié)構(gòu)類型以及作用強度上具有明顯的變化特征。

以中國西南川滇活動塊體的周邊為例，現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的主方向和應(yīng)力結(jié)構(gòu)類型存在明顯的不同（圖4）。川滇活動塊體的主體構(gòu)造主應(yīng)力方向為北北西－南南東，應(yīng)力結(jié)構(gòu)為走滑型，而其北東的松潘—龍門山地區(qū)構(gòu)造主應(yīng)力方向為北東東－南西西，應(yīng)力結(jié)構(gòu)為逆斷型，其東側(cè)的華南塊體的構(gòu)造主應(yīng)力方向為南南東－北西西，應(yīng)力結(jié)構(gòu)為走滑型[89]。而位于川滇應(yīng)力區(qū)與松潘—龍門山應(yīng)力區(qū)之間的鮮水河斷裂帶和位于川滇應(yīng)力區(qū)與華南主體應(yīng)力區(qū)之間的安寧河—小江斷裂帶是強震活動集中的地段（圖4）。

圖3 汶川地震斷層滑動反演的龍門山斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力場

圖4 川滇活動塊體及周邊現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與強震分布（圖中淺黃色區(qū)域為第四系地層）

構(gòu)造背景、應(yīng)力場環(huán)境相同的地區(qū)，地應(yīng)力值相對較高的地方是易發(fā)生強震的地方。如云南滇西北地區(qū)，同在320～450 m深度處，麗江、劍川和下關(guān)測點的最大水平主應(yīng)力測值分別為23.4 MPa、22.9 MPa和30.2 MPa，永平測點在同樣深度上僅為15 MPa。而麗江、劍川和下關(guān)地區(qū)正是滇西北強震頻發(fā)的地段。

2.4 局部應(yīng)力變化與強震活動

均勻區(qū)域應(yīng)力場背景上的局部應(yīng)力變化區(qū)是強震活動相對集中的地區(qū)。如在中國華北地區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力場總體表現(xiàn)為北東東－南西西方向的擠壓，應(yīng)力結(jié)構(gòu)主要是走滑型（圖5）。而在位于中國華北中、西部的汾渭斷陷帶和銀川—河套斷陷帶，構(gòu)造應(yīng)力以拉張為主，應(yīng)力方向和結(jié)構(gòu)與華北區(qū)域應(yīng)力場有明顯的不同[11]。

新疆南、北天山地震帶位于構(gòu)造變形由弱變強和由強變?nèi)醯倪^渡地帶，是構(gòu)造應(yīng)力場強度變化部位發(fā)生地震的典型代表（圖6）。在帕米爾與伽師地區(qū)，存在NNW－SSE與NNE－SSW兩組不同的構(gòu)造應(yīng)力方向。這種局部應(yīng)力狀態(tài)的變化可能導(dǎo)致應(yīng)力積累的非均勻分布，從而使地震集中發(fā)生。

圖5 華北地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與強震分布（圖中淺黃色區(qū)域為第四系地層）

2.5 活動斷裂帶上應(yīng)力變化與強震活動

活動斷裂帶上構(gòu)造應(yīng)力方向、類型變化的部位是易發(fā)生強震的地點。如滇西北地區(qū)，這里是中甸—紅河斷裂帶的轉(zhuǎn)折部位。利用斷層滑動資料反演的構(gòu)造應(yīng)力資料和原地應(yīng)力測量結(jié)果顯示，滇西北以北和以南的斷裂帶地區(qū)構(gòu)造主應(yīng)力方向為北北西－南南東，應(yīng)力結(jié)構(gòu)為走滑型，而滇西北地區(qū)構(gòu)造主應(yīng)力方向為北北東－南南西，構(gòu)造主應(yīng)力方向沿斷裂帶發(fā)生了明顯變化[16]，這里也是地震強烈活動的地段（圖7），類似情況在其他活動斷裂帶上也有表現(xiàn)。

3 中國大陸及周邊動力學(xué)環(huán)境

圖6 天山地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與強震分布（圖中淺黃色區(qū)域為第四系地層）

圖7 滇西北現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與強震分布（圖中淺黃色區(qū)域為第四系地層）

中國現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的格局明顯受制于周邊板塊的動力學(xué)作用。印度板塊與歐亞大陸的碰撞是造成中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場格局的主要動因，印度板塊以50 mm／a速度向北碰撞歐亞大陸[17]，首當(dāng)其沖的是青藏高原南部地區(qū)遭受巨大的擠壓，使其快速隆起，并在其上部形成橫向的拉張。而后是青藏高原北部地區(qū)及其北、東邊緣地帶，在南有青藏高原南部的推擠，北有塔里木—天山、阿拉善塊體阻擋的作用下，區(qū)內(nèi)的地殼物質(zhì)向東及東南移動，形成了該地區(qū)以剪切應(yīng)力作用為主的構(gòu)造環(huán)境，造就了一批馳名中外的巨型走滑斷裂帶，如阿爾金斷裂帶、東昆侖斷裂帶、鮮水河斷裂帶等。我國華北地區(qū)主要受印度板塊向北推擠和太平洋板塊向西俯沖的聯(lián)合作用，形成北東向斷裂右旋正斷、北西向斷裂左旋正斷的剪切－拉張構(gòu)造環(huán)境；同時受菲律賓海板塊在臺灣的強烈碰撞和琉球島弧顯著弧后擴張的聯(lián)合作用，導(dǎo)致華北擴張和下沉，這可能是產(chǎn)生華北地震的一個原因[12]。我國東北地區(qū)主要受太平洋板塊向西的俯沖作用，表現(xiàn)為以北東向斷裂右旋或右旋逆斷、北西向斷裂左旋或左旋逆斷的剪切－擠壓構(gòu)造環(huán)境。華南板塊主要受菲律賓板塊在臺灣地區(qū)與大陸的碰撞作用，表現(xiàn)為以北西向斷裂右旋、北東向斷裂左旋或左旋逆斷的擠壓－剪切構(gòu)造環(huán)境（圖8）。

4 結(jié)論

圖8 中國大陸及周邊動力學(xué)環(huán)境

（1）中國大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場應(yīng)力分區(qū)劃分為四個級別。一級構(gòu)造應(yīng)力區(qū)主要受板塊邊界的幾何特征和作用在邊界上的力所控制，應(yīng)力作用在大范圍和長時間內(nèi)保持均勻和穩(wěn)定。二級構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)受控于區(qū)域塊體間的相互作用，在較大區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)力作用具有較強的相關(guān)性。三級構(gòu)造應(yīng)力區(qū)受控于區(qū)域內(nèi)部塊體間的相互作用，在一定區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有相似性。四級構(gòu)造應(yīng)力區(qū)受控于塊體和斷裂相互作用的影響，其應(yīng)力性狀（方向、強度和結(jié)構(gòu)等）一致性較好。

（2）現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)與強震活動之間的關(guān)系：①構(gòu)造應(yīng)力作用強烈和復(fù)雜的地區(qū)是強震頻發(fā)的地區(qū)；②應(yīng)力區(qū)邊界是強震集中發(fā)生的地帶；③應(yīng)力方向、應(yīng)力結(jié)構(gòu)類型或強度的變化地區(qū)通常也是強震發(fā)生的地帶；④均勻區(qū)域應(yīng)力場背景上的局部應(yīng)力變化區(qū)是強震活動相對集中的地區(qū)；⑤活動斷裂帶上構(gòu)造應(yīng)力類型變化的部位是易發(fā)生強震的地點。

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The modern tectonic stress field and strong earthquakes in China

Xie Furen，Zhang Hongyan，Cui Xiaofeng，Du Yi
（Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085，China）

According to the stress state and genetic force character，the modern tectonic stress field of China can be preliminarily divided into 4 categories.Within these categories，there are 2 first－order districts，4 second－order districts，5 third－order districts and 26 fourth－order districts.By analyzing those tectonic stress districts and strong earthquakes，the close relation between them is mainly summarized as follows：①Strong earthquakes frequently occur in the area with intense and complex tectonic stress action；②Along the boundary of stress districts，especially between the first－or second－order districts controlled by the interaction of tectonic plates，strong earthquakes occur very easily and frequently；③Strong earthquakes always occur in the zone with a rapid change of stress direction or values；④Strong earthquakes relatively concentrate in the area with local variation of the stress，which situates in the homogeneous background of stress；⑤Stress transformation zone along active faults is more likely to have strong earthquakes.

tectonic stress field；stress district；strong earthquakes；dynamics

315.72＋7；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2011.01.003

2010－11－12；

2010－12－03。

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項（ZDJ2010－07）與國家自然科學(xué)基金（40904024）共同資助。

（作者電子信箱，謝富仁：xxiefr＠263.net）