唐山地區強震復發特征與發震構造深淺部耦合關系綜合研究

劉 亢

（中國地震局地質研究所，北京 100029）

板內強震區孕震機理研究是現今大陸構造和動力學研究的前沿科學領域。板內地震具有震級大、復發周期復雜、震源淺、淺表破裂帶長度和垂直位移量小以及具有毀滅性破壞的特點，可造成巨大的經濟損失與人員傷亡。長期以來，對其成因探索一直是國際地學界的關注焦點，也是各國政府城市化和工業化建設與可持續發展極其關注的熱點問題。

大陸板塊內部強震的孕育、發生和破裂形式是板塊內部深、淺部構造運動的表現，對強震機理和破裂現象的深入探測研究，將是揭示現今板內強震時空分布、深部過程與動力學機理的有效方法和手段。論文采用多學科、多成果綜合分析方法，通過對唐山地震深、淺部構造耦合關系與孕震機理的精細研究，探索強震的深部過程與動力學機制，為克拉通內部典型強震研究積累新的資料。

在充分吸收國內外學者對唐山地震研究成果之后，論文從地表地裂縫帶入手，通過野外調查、跨地裂縫鉆孔探測、探槽開挖等地質手段，結合高分辨率淺層地震剖面以及前人的研究成果，分析地裂縫帶形成模式以及發震斷裂的淺表構造特征，根據煤田斷裂分布圖和大量的地質剖面，論文獲得了發震斷裂中、淺層的構造模式。在此認識基礎之上，通過對深部2D、3D深地震反射和折射探測成果進行綜合地質解釋，并融合重新定位的小震數據進行聯合分析，得到了研究區地殼深度范圍內的斷裂構造特征，探討了唐山地震發生的構造背景和孕震模式，豐富了克拉通內部強震的孕震機理研究。論文取得的主要進展與認識如下。

（1）對唐山地震地表地裂縫帶的新認識。唐山地震地裂縫帶基本沿著開灤煤田唐山礦Ⅳ號、Ⅴ號斷裂展布，論文將其與地表地裂縫綜合分析。根據地裂縫分布、產狀特征以及基巖斷裂的構造特征，分為5個段落，結合前人資料和作者在野外獲得的最新地質、地球物理成果，一共選取了10個關鍵點進行剖析，逐步確定地裂縫帶與發震斷裂的關系。① 唐山地裂縫帶在多數位置未發現斷裂貫通。作者在牛馬庫北場地開挖的大型探槽，揭示出1976年唐山地震發震斷裂一直貫通地表。說明唐山地震地裂縫帶即為同震地表破裂帶。② 唐山地裂縫帶總體分為南北兩段，北段表現為右旋走滑為主夾有垂直位移，地裂縫西側相對上升，東側下降；而南段與之相反。前人的認識與本論文的野外工作都驗證了該現象。1976年唐山地震中，在禮尚莊村西側出現了一個煤田采空區塌陷，控制了該區域出現的張性地裂縫帶。③ 通過幾何學、運動學特征以及震前最大水平主壓應力方向等數據，發現唐山礦Ⅳ號、Ⅴ號基巖斷裂系統存在幾處明顯的應力擠壓區和拉張區，解決了地表地裂縫帶的分段性差異特征問題，也解釋了唐山地震地表地裂縫帶的成因等問題。

（2）對發震斷裂進行幾何學、運動學分析。大量野外地質、地球物理工作完成了唐山地震發震斷裂——古冶—南湖斷裂（F3）的精確定位，同時在豐南區識別出了其分支斷裂F3′。基于物探剖面、野外地質調查的基礎，結合唐山地震MS5.0以上強余震震源機制解，論文將發震斷裂分為4段。即發震斷裂古冶—南湖斷裂主干段落（F3），以擠壓應力環境下走滑運動為主，斷裂面近直立；南段分支斷裂F3′，以拉張應力下正走滑為主；北段分支斷裂F3－1，以走滑運動為主；以及分支斷裂F3－2，以走滑運動為主，夾有正斷分量。

（3）對研究區古地震研究及強震復發規律的認識。① 通過高分辨率淺層地震剖面、鉆孔聯合剖面以及2個大型探槽綜合研究，確定了唐山地震地裂縫帶之下隱伏一條活動斷裂。收容所探槽揭示出發震斷裂在淺表表現為多條分支斷裂，向上發散，而向下收斂為一條主斷裂，為典型的花狀構造模式。探槽槽壁中央斷裂近直立，表現出強烈的走滑性質，往西逐漸過渡為正斷性質，往東則過渡為逆沖性質。②收容所探槽揭示出地表位置存在上下兩組地裂縫，上面一組為1976年唐山地震所致，下面一組為距今（6.89±0.58）ka的一次古地震事件所致。這兩組裂縫密度、長度相當，推測這兩次地震規模相當。除地表裂縫揭示的2次地震事件外，通過斷裂與地層錯斷關系，分辨出了更早期的3次古地震事件，集中發生在距今（56.78±4.83）ka至（89.39±7.60）ka期間。③ 論文在牛馬庫地震遺址北面跨地震陡坎開挖了一個大型探槽，清晰揭示出發震斷裂直通地表，在近地表處表現為逆走滑特征。通過斷裂與地層斷錯關系以及垂直位錯量的匹配關系，共識別出了3次地震事件，即1976年地震事件與早期的2次事件。由于尚未獲得年代學數據，有待于后續工作進一步研究。④ 對十中舊址地裂縫兩側鉆孔巖芯的熱釋光（TL）數據進行深度－時間（D-t）曲線分析，發現西盤（相對上升盤）TZC6-5號孔的D-t曲線斜率基本不變，沉積速率保持一定；而東盤（相對下降盤）TZC6-7號孔的D-t曲線存在3個階梯狀下降，曲線斜率變化較大，推測與地震活躍期、平靜期有關。

（4）對研究區深部構造的認識。① 研究區7 999個經過重新定位的小震資料清晰刻畫出發震斷裂在地殼深度范圍內為一條直立的斷裂，向上呈發散狀，向下在20 km深部附近收斂為一條主干斷裂。小震時空分布特征揭示出唐山斷裂帶在深部為一大型的花狀構造，破裂集中在9～12 km深度內。推測在唐山斷裂帶東側存在一條隱伏深斷裂Fx，平行于唐山斷裂帶展布，往NE向延伸至灤縣盧龍地區。② 論文2D深地震反射剖面所揭示的唐山斷裂帶在深部由7條不同傾向、性質和規模的斷裂組成一個花狀構造系統，并共同控制了該區的地層沉積和構造變形。剖面揭示出在唐山斷裂帶東側存在2條隱伏深斷裂Fx1與Fx2，向下合并為一條斷裂，與由小震數據識別的隱伏深斷裂Fx位置相當。深地震反射剖面揭示出深部莫霍面被清晰斷錯，斷裂表現為強烈的走滑特征。③ 論文3D深地震折射數據體中截取的P波速度結構切面圖揭示出：在2 km深度范圍內，研究區構造格局受地貌影響較大，切面速度結構的變化與地貌變化特征吻合；在3 km以下深度范圍內，P波速度結構的變化主要受唐山斷裂帶的活動控制。而垂直于唐山斷裂帶方向截取的P波速度結構垂直切面圖，從中可識別出斷裂向上呈發散狀，向下合并到一條主斷裂上，基底存在一個大型的花狀構造系統。根據平行于唐山斷裂帶（F1－－3）的P波速度結構垂向切面圖，清晰揭示出研究區深部發育一個近N W-SE走向的裂陷，寬約20 km。裂陷邊界Fn被唐山斷裂帶左旋走滑錯斷。通過構造演化分析，認為在華北期（距今52～23.5 Ma），由于近NS向伸展作用，研究區深部地殼范圍內形成了一個近N W-SE走向的裂陷。到喜馬拉雅期（距今23.5～0.78 Ma），由于區域近NS向的最大主壓應力，促使NE向的唐山斷裂帶進行左旋走滑運動，其水平位移速率為0.44 m/ka，垂直位移速率為0.20 m/ka。綜合考慮，喜馬拉雅期唐山斷裂帶的總體活動性應與現今一致，在新構造期（距今0.78 Ma以來），唐山斷裂帶（F1－－3）的運動特征由左旋走滑變為了右旋走滑，并維持這一運動特征。

（5）對研究區斷裂系統進行深、淺部耦合關系研究。深、淺部構造有其自己的特點又有著密切的聯系，弄清唐山地震地表破裂、淺部斷裂和深部構造之間的相互關系，就會揭示出一個比較清晰的發震構造模式。從淺表探槽研究，到鉆孔、淺層地震探測、唐山礦基巖斷裂構造特征、小震展布特征、2D深地震反射探測以及3D深地震折射探測獲得的地殼構造特征，都揭示出研究區下面存在一大型的花狀構造系統。根據地表地裂縫帶與探槽精細研究，結合唐山MS7.8地震震源機制解，研究區發震斷裂從淺表到深部長期處于一個強烈的右旋走滑運動環境，基底莫霍面被走滑斷錯。

（6）研究區強震發生的動力來源。多種證據說明，在研究區上地幔范圍內，基底深斷裂Fm在受區域NEE向水平主應力場與上地幔垂直運動的共同作用下，促使深斷裂Fm持續走滑運動，從上地幔、殼幔過渡帶一直向上傳遞應力，在上地殼結晶基底底部發生應力積累，最終導致了1976年唐山MS7.8地震的爆發。簡單認為，上地幔－下地殼持續的水平走滑運動，導致了上地殼內部能量的積累而觸發了唐山地震。

（7）1976年唐山地震的發震構造模式。通過對研究區斷裂系統進行深、淺部綜合分析，弄清了唐山地震地表破裂、淺部斷裂和深部構造之間的相互關系，論文提出了以垂直破裂模式與水平破裂模式來解釋1976年唐山地震孕育和發生的過程。① 垂直破裂模式。唐山地震的發震構造模式自上而下分為3個層次單元：地震破裂單元、應力傳遞單元和深部動力單元。其中深部動力單元位于20 km以下深部，包括殼幔過渡帶，該單元內存在一條深大斷裂Fm，錯斷了莫霍面，表現為強烈的走滑運動特征。應力傳遞單元位于14～20 km深度之間部分，推測可能為殼內低速體物質。地震破裂單元位于地表至14 km深部范圍內，主要為結晶基底界以上部分。研究區受到NEE向水平應力，由于存在基底深大斷裂Fm，殼幔過渡帶被走滑斷錯，深部動力單元長期處于蠕滑狀態，深斷裂Fm持續走滑運動。應力傳遞單元推測為低速體物質，無明顯界面存在，該單元很容易受到基底深斷裂Fm運動的牽引作用而隨之產生水平位移，將基底動力傳遞至地震破裂單元底部。隨著時間推移，地震破裂單元底部積累的應力足夠大而產生粘滑，隨之強震發生。② 水平破裂模式。根據翔實的地球物理資料，論文確定了唐山斷裂帶的東側平行發育了一條隱伏深斷裂Fx，結合研究區小震分布特征，推測該隱伏深斷裂仍然有往NE向延伸的趨勢，一直到灤縣盧龍附近。唐山地震發生后，基底主斷裂發生右旋走滑破裂，觸發了花狀構造系統內中央分支斷裂的破裂，產生強烈的破壞。花狀構造系統內東側的分支斷裂同時也受到了觸發作用，古冶—南湖斷裂破裂至古冶地區時受阻停止，而隱伏深斷裂繼續破裂，往NE向延伸，至唐山菱形塊體邊界斷裂——灤縣—樂亭斷裂處受阻，最終在15個小時之后與盧龍斷裂貫通，發生了灤縣MS7.1地震。

綜上，論文以唐山地震地裂縫帶構造特征為突破口，從淺部到深部對發震斷裂的構造特征進行剖析，充分利用深、淺部探測資料，根據地表野外調查、淺層地震勘探、小震精確定位、2D深地震反射剖面和3D深地震折射成果，對研究區深、淺部構造之間的耦合關系進行綜合分析，獲得了構造與強震之間的成因機制，建立了唐山地震發震構造的花狀構造模式。

強震復發；發震構造；地裂縫；深部探測；花狀構造；唐山地震