1679年三河—平谷8級地震地表破裂端部特征及其地質(zhì)意義

殷 娜,李瑩甄,紀(jì)同娟,余中元,萬 飛,王艷萍,賈建鵬

(1.防災(zāi)科技學(xué)院,河北 三河 065201;2.河北省地震動力學(xué)重點實驗室,河北 三河 065201)

0 引言

特征地震模式下地震破裂起始點的位移量大,向兩側(cè)逐漸衰減,多期地震破裂重復(fù)后破裂終止部位的位移量遠遠小于起始部位的位移量,即發(fā)生累計滑動虧損[1],且多表現(xiàn)為地形地貌異常,可以通過高精度的地球物理測量來揭露和驗證[2]。盡管斷裂帶尾端的滑動虧損可以被余震、背景地震、前震和蠕滑等吸收,但是在破裂終止部位的應(yīng)變積累在隨即的應(yīng)力加載過程中將會是最高的,而且極有可能成為地震成核區(qū)和下一次地震的破裂起始地區(qū)[3]。因此,通過研究斷裂帶尾端的幾何結(jié)構(gòu)與新活動特征,識別斷裂帶尾端的滑動虧損,在理論上有助于我們認(rèn)識地震破裂的起始、傳播和終止過程,及巖石圈的破裂強度和習(xí)性;在實際應(yīng)用上是預(yù)測地震危險性和中長期地震預(yù)報的有效方法,能夠用來判定未來地震可能發(fā)生的地區(qū)并預(yù)測其最大震級,可為研究區(qū)的地震風(fēng)險排查和災(zāi)害危險性評價提供最直接的基礎(chǔ)資料[1,4-8]。

我國華北平原區(qū)大型活動斷裂帶非常發(fā)育,大地震活動強烈,歷史上曾先后發(fā)生1966邢臺7.2級和1976年唐山7.8級等一系列破壞性地震。其中夏墊活動斷裂位于華北平原的東北部,曾發(fā)生1679年三河—平谷8級大地震,人員傷亡和災(zāi)害損失慘重[9](圖1)。但受第四系強覆蓋等條件影響,對該歷史大震的同震地表破裂長度及端部變形特征尚存爭議。如孟憲梁等[10]認(rèn)為該次歷史大震的同震破裂長度約10 km,但《三河地震記》(任塾,乾隆《三河縣志》卷15)中的記錄表明地表破裂可能分別斷續(xù)進入北京德勝門和平谷地區(qū),其長度可能達100余公里,后人對此也有不同的認(rèn)識[11-13]。因此,對于1679年三河—平谷8級地震地表破裂端部特征的研究直接影響著對該斷裂未來的地震危險性評估及災(zāi)害防御等工作。

本文在搜集分析前人資料的基礎(chǔ)上,通過高分辨率衛(wèi)星影像解譯、野外地質(zhì)地貌調(diào)查、淺層人工地震勘探、第四紀(jì)地層綜合對比分析等工作,研究夏墊斷裂帶端部的幾何結(jié)構(gòu)及運動學(xué)特征。同時結(jié)合該地震的同震垂直位移分布等相關(guān)數(shù)據(jù)分析其同震地表變形特征。綜合夏墊斷裂的端部構(gòu)造幾何、新活動特征和1679年三河—平谷8級地震的同震地表垂直位移分布,討論該地震的破裂尺度和夏墊斷裂的端部構(gòu)造變形等問題,為京津冀和華北平原東北部地區(qū)的地震災(zāi)害風(fēng)險排查和地震危險性評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 區(qū)域地震地質(zhì)背景

華北平原地區(qū)是我國的政治和文化中心,人口密集,經(jīng)濟發(fā)達,地理位置特殊。然而,受諸多NE向隱伏活動斷層的影響,該地區(qū)過去500年曾發(fā)生了至少13個M≥7的破壞性大地震,表明該地區(qū)具有較高的地震風(fēng)險[14-16]。夏墊斷裂帶(也稱夏墊—馬坊斷裂帶)是其中最為典型的一條,走向約N30°E,整體傾向為SE,其幾何展布北從北京平谷區(qū)的馬坊經(jīng)夏墊、西集到郞府,沒入燕山南麓,總長度約120 km。地球物理數(shù)據(jù)揭示該斷裂深達莫霍面至上地幔,在剖面上表現(xiàn)為“西斷東超”的半地塹格局,明顯控制了大廠凹陷巨厚的古近系和新近系堆積,中生代時有強烈活動,至古—新近紀(jì)時仍繼續(xù)活動。向宏發(fā)等[11]根據(jù)在夏墊鎮(zhèn)一帶開展的淺層人工地震剖面的解釋提出了“夏墊新斷裂”的概念,認(rèn)為其是在新近紀(jì)夏墊—馬坊斷裂帶的基礎(chǔ)上在第四紀(jì)新形成的活動斷裂,斜切馬坊斷裂、郎府?dāng)嗔押拖膲|斷裂,是華北平原北部一條重要的走滑發(fā)震斷層[11-12,17]。夏墊新斷裂走向N45°E,與原夏墊斷裂交切成20°夾角,傾向SE,傾角50°～70°,是大廠第四紀(jì)凹陷和通縣凸起兩個最新構(gòu)造單元的邊界斷裂。徐錫偉等[12]根據(jù)超淺層地震反射同樣發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地殼淺部存在著傾角明顯和運動特征不同的兩組斷裂,1679年三河—平谷8級地震主要由陡傾角的走滑斷裂產(chǎn)生。本文研究工作主要基于夏墊新斷裂1679年三河—平谷8級同震破裂段落開展。

(a)中國活動構(gòu)造略圖(據(jù)文獻[8]修編);(b)夏墊斷裂帶及其鄰近地區(qū)地震構(gòu)造圖(據(jù)文獻[13]修改);斷裂名稱字母縮寫:NSFZ:南口—孫河斷裂帶;HGFZ:黃莊—高麗營斷裂帶;LQFZ:良鄉(xiāng)—前門斷裂帶;ESLCSFZ:二十里長山斷裂帶;NTFZ:南苑—通州斷裂帶;XMFZ:夏墊—馬坊斷裂帶;XHFZ:香河—皇莊斷裂帶;LWFZ:廊坊—武清斷裂帶,圖中地震為MS≥4.7破壞性地震,灰色實線為基巖埋深等深線,標(biāo)度值為埋深厚度值;紅色、紫色和黑色線條分別代表全新世、晚更新世和前第四紀(jì)斷裂;藍色虛線框為重點工作區(qū)范圍。圖1 夏墊斷裂帶及其鄰近地區(qū)地震構(gòu)造圖Fig.1 Seismotectonic map in Xiadian fault zone and its adjacent areas

1679年三河—平谷8級地震是夏墊斷裂最新一次地表破裂事件,形成了長約12 km、西起東柳河屯、經(jīng)夏墊鎮(zhèn)北、東止東興莊,主要呈斜列展布的斷層陡坎、坡折帶和斷陷槽地等同震地表破裂帶[圖2(a)]。該地震同時也是京東地區(qū)歷史文獻所記載的最大地震,其宏觀震中潘各莊一帶的地震烈度達到Ⅺ度[圖2(b)],Ⅹ度區(qū)長軸范圍達到90 km[9]。等震線的長軸方向與夏墊活動斷裂展布基本一致。前人針對該破裂帶的變形特征與古地震行為開展了深入研究,但其地表破裂長度和端部破裂特征等科學(xué)問題尚存爭議[10-12,16,18]。

2 1679年三河—平谷8級地震地表破裂特征

(1)淺層地震勘探揭示的1679年三河—平谷8級地震地表破裂端部特征

淺層人工地震反射是探測研究地殼淺部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的常用地球物理勘探方法之一。基于可控震源信號相關(guān)以及“小道間距、小偏移距、多通道和高頻檢波器接收的多次覆蓋技術(shù)”的淺層地震反射波勘探方法在隱伏活動斷層探測中應(yīng)用較好[19-22]。為開展夏墊斷裂帶1679年三河—平谷8級地震地表破裂端部的變形特征,本次工作跨其端部布設(shè)了2條淺層地震勘探測線(測線位置見圖2),地震測線的端點和拐點采用GPS72 型衛(wèi)星定位儀進行定位,數(shù)據(jù)采集采用的儀器為SUMMIT 數(shù)字地震儀,道間距2 m,接收道數(shù)300,長度約10 km,剖面解釋結(jié)果見圖3。

在AA′測線上可識別出3個斷點Fa1～Fa3。其中,斷點Fa1視傾向東南,埋深約為60 m;斷點Fa2視傾向東南,埋深約為90 m;斷點Fa3視傾向西北,埋深約130 m。盡管斷層Fa1、Fa2和Fa3的傾向各不一致,但都表現(xiàn)出正斷層的運動學(xué)性質(zhì),傾角約70°。剖面結(jié)構(gòu)顯示,夏墊斷裂在該處表現(xiàn)出明顯的淺部分叉和深部逐漸歸并的特征。

在BB′測線上根據(jù)波組同相軸出現(xiàn)構(gòu)造牽引、錯斷等現(xiàn)象,解釋了2個斷點Fp1、Fp2。Fp1斷層為正斷層,視傾向西北,其可分辨的上斷點埋深約為40 m,垂直斷距約為4 m。Fp2斷層為正斷層,視傾向東南,其可分辨的上斷點埋深約為30 m,在該深度上的垂直斷距約為2 m。斷裂Fp1和Fp2在剖面上組合表現(xiàn)出地壘特征。同AA′測線揭示的結(jié)果相似,夏墊斷裂在該處最新構(gòu)造變形明顯斷錯了晚更新統(tǒng)-全新統(tǒng),表現(xiàn)出正斷的運動學(xué)特征。垂直位移向深部逐漸增大的特征表明斷裂的活動具有長期性。

(2)跨陡坎地形測量揭示的1679年三河—平谷8級歷史地震同震垂直位移分布特征

1679年9月2日三河—平谷8級歷史地震是夏墊斷裂最近一次地表破裂型地震事件,在地表形成了一條西起東柳河屯,經(jīng)夏墊鎮(zhèn)北,東止于東興莊,長約10～12 km的地表斷層陡坎地貌[圖2(a)]。本次研究在查閱前人調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,借助于Trimble差分GPS儀器(精度可達±0.25 m+1 PPm RMS)對此歷史地震的地表同震垂直位移進行了測量。野外完成測線12條[分布位置見圖2(a)],并結(jié)合前人探槽、鉆孔和測量數(shù)據(jù)繪制了沿斷裂走向的同震垂直位移特征分布圖(圖4)。結(jié)果顯示此次8級地震的同震位移以潘各莊為界,分別向NE和SW兩個方向擴展并逐漸減弱直至消失,幾何形態(tài)呈現(xiàn)出明顯不對稱的鐘形。該幾何圖像指示此次地震事件的地表破裂方式可能為雙邊破裂型,地表破裂長度可能只有10～12 km[23]。這一長度與經(jīng)驗統(tǒng)計的震級-地表破裂長度關(guān)系式明顯不協(xié)調(diào),其潛在的破裂過程與機制需要進一步探索研究。

3 結(jié)果和討論

本文跨夏墊斷裂1679年三河—平谷8級地震地表破裂的端部位置布設(shè)了2條淺層地震勘探剖面,研究了其端部的構(gòu)造變形特征。結(jié)果顯示,該同震地表破裂帶的端部呈現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)分叉和位移減小等滑動虧損特征,最新活動時代為全新世,垂向的運動方式以拉張正斷為主。同時結(jié)合1679年8級地震同震地表破裂的垂直位移分布圖像等數(shù)據(jù),分析認(rèn)為該次地震的同震地表破裂長度可能只有10余公里,與8級地震的破裂尺度不協(xié)調(diào),其震源體特征和斷層破裂傳播與終止的力學(xué)機制仍值得深入研究。

圖中TQ1和TQ3分別代表下更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)底界,紅色實線代表解釋的斷層,T1～T6為輔助反射界面圖3 淺層人工地震反射勘探剖面解釋結(jié)果圖[布設(shè)位置見圖2(a)]Fig.3 Interpretation results of shallow artificial seismic reflection profiles [The layout position is shown in Fig.2(a)]

圖中紅色線條值為本次實測值,編號與圖2(a)中編號一致,黑色實線和虛線分別根據(jù)前人探槽數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)繪制[9-12,24-25],陰影區(qū)代表地表同震位移最大值和最小值的擬合范圍空間。圖4 1679年三河—平谷8級地震同震垂直位移分布圖Fig.4 Distribution of coseismic vertical displacement of Sanhe-Pinggu M8 earthquake in 1679

致謝:中國地震局地球物理勘探中心劉保金研究員和石金虎高級工程師提供了部分地震反射數(shù)據(jù)并指導(dǎo)了解譯工作。防災(zāi)科技學(xué)院王二帥、張耀虎、臧正博、麥麥提、陳慧等參與了本文中的現(xiàn)場調(diào)查工作。謹(jǐn)致謝忱。