唐山地区强震复发特征与发震构造深浅部耦合关系综合研究

刘 亢

（中国地震局地质研究所，北京 100029）

板内强震区孕震机理研究是现今大陆构造和动力学研究的前沿科学领域。板内地震具有震级大、复发周期复杂、震源浅、浅表破裂带长度和垂直位移量小以及具有毁灭性破坏的特点，可造成巨大的经济损失与人员伤亡。长期以来，对其成因探索一直是国际地学界的关注焦点，也是各国政府城市化和工业化建设与可持续发展极其关注的热点问题。

大陆板块内部强震的孕育、发生和破裂形式是板块内部深、浅部构造运动的表现，对强震机理和破裂现象的深入探测研究，将是揭示现今板内强震时空分布、深部过程与动力学机理的有效方法和手段。论文采用多学科、多成果综合分析方法，通过对唐山地震深、浅部构造耦合关系与孕震机理的精细研究，探索强震的深部过程与动力学机制，为克拉通内部典型强震研究积累新的资料。

在充分吸收国内外学者对唐山地震研究成果之后，论文从地表地裂缝带入手，通过野外调查、跨地裂缝钻孔探测、探槽开挖等地质手段，结合高分辨率浅层地震剖面以及前人的研究成果，分析地裂缝带形成模式以及发震断裂的浅表构造特征，根据煤田断裂分布图和大量的地质剖面，论文获得了发震断裂中、浅层的构造模式。在此认识基础之上，通过对深部2D、3D深地震反射和折射探测成果进行综合地质解释，并融合重新定位的小震数据进行联合分析，得到了研究区地壳深度范围内的断裂构造特征，探讨了唐山地震发生的构造背景和孕震模式，丰富了克拉通内部强震的孕震机理研究。论文取得的主要进展与认识如下。

（1）对唐山地震地表地裂缝带的新认识。唐山地震地裂缝带基本沿着开滦煤田唐山矿Ⅳ号、Ⅴ号断裂展布，论文将其与地表地裂缝综合分析。根据地裂缝分布、产状特征以及基岩断裂的构造特征，分为5个段落，结合前人资料和作者在野外获得的最新地质、地球物理成果，一共选取了10个关键点进行剖析，逐步确定地裂缝带与发震断裂的关系。① 唐山地裂缝带在多数位置未发现断裂贯通。作者在牛马库北场地开挖的大型探槽，揭示出1976年唐山地震发震断裂一直贯通地表。说明唐山地震地裂缝带即为同震地表破裂带。② 唐山地裂缝带总体分为南北两段，北段表现为右旋走滑为主夹有垂直位移，地裂缝西侧相对上升，东侧下降；而南段与之相反。前人的认识与本论文的野外工作都验证了该现象。1976年唐山地震中，在礼尚庄村西侧出现了一个煤田采空区塌陷，控制了该区域出现的张性地裂缝带。③ 通过几何学、运动学特征以及震前最大水平主压应力方向等数据，发现唐山矿Ⅳ号、Ⅴ号基岩断裂系统存在几处明显的应力挤压区和拉张区，解决了地表地裂缝带的分段性差异特征问题，也解释了唐山地震地表地裂缝带的成因等问题。

（2）对发震断裂进行几何学、运动学分析。大量野外地质、地球物理工作完成了唐山地震发震断裂——古冶—南湖断裂（F3）的精确定位，同时在丰南区识别出了其分支断裂F3′。基于物探剖面、野外地质调查的基础，结合唐山地震MS5.0以上强余震震源机制解，论文将发震断裂分为4段。即发震断裂古冶—南湖断裂主干段落（F3），以挤压应力环境下走滑运动为主，断裂面近直立；南段分支断裂F3′，以拉张应力下正走滑为主；北段分支断裂F3－1，以走滑运动为主；以及分支断裂F3－2，以走滑运动为主，夹有正断分量。

（3）对研究区古地震研究及强震复发规律的认识。① 通过高分辨率浅层地震剖面、钻孔联合剖面以及2个大型探槽综合研究，确定了唐山地震地裂缝带之下隐伏一条活动断裂。收容所探槽揭示出发震断裂在浅表表现为多条分支断裂，向上发散，而向下收敛为一条主断裂，为典型的花状构造模式。探槽槽壁中央断裂近直立，表现出强烈的走滑性质，往西逐渐过渡为正断性质，往东则过渡为逆冲性质。②收容所探槽揭示出地表位置存在上下两组地裂缝，上面一组为1976年唐山地震所致，下面一组为距今（6.89±0.58）ka的一次古地震事件所致。这两组裂缝密度、长度相当，推测这两次地震规模相当。除地表裂缝揭示的2次地震事件外，通过断裂与地层错断关系，分辨出了更早期的3次古地震事件，集中发生在距今（56.78±4.83）ka至（89.39±7.60）ka期间。③ 论文在牛马库地震遗址北面跨地震陡坎开挖了一个大型探槽，清晰揭示出发震断裂直通地表，在近地表处表现为逆走滑特征。通过断裂与地层断错关系以及垂直位错量的匹配关系，共识别出了3次地震事件，即1976年地震事件与早期的2次事件。由于尚未获得年代学数据，有待于后续工作进一步研究。④ 对十中旧址地裂缝两侧钻孔岩芯的热释光（TL）数据进行深度－时间（D-t）曲线分析，发现西盘（相对上升盘）TZC6-5号孔的D-t曲线斜率基本不变，沉积速率保持一定；而东盘（相对下降盘）TZC6-7号孔的D-t曲线存在3个阶梯状下降，曲线斜率变化较大，推测与地震活跃期、平静期有关。

（4）对研究区深部构造的认识。① 研究区7 999个经过重新定位的小震资料清晰刻画出发震断裂在地壳深度范围内为一条直立的断裂，向上呈发散状，向下在20 km深部附近收敛为一条主干断裂。小震时空分布特征揭示出唐山断裂带在深部为一大型的花状构造，破裂集中在9～12 km深度内。推测在唐山断裂带东侧存在一条隐伏深断裂Fx，平行于唐山断裂带展布，往NE向延伸至滦县卢龙地区。② 论文2D深地震反射剖面所揭示的唐山断裂带在深部由7条不同倾向、性质和规模的断裂组成一个花状构造系统，并共同控制了该区的地层沉积和构造变形。剖面揭示出在唐山断裂带东侧存在2条隐伏深断裂Fx1与Fx2，向下合并为一条断裂，与由小震数据识别的隐伏深断裂Fx位置相当。深地震反射剖面揭示出深部莫霍面被清晰断错，断裂表现为强烈的走滑特征。③ 论文3D深地震折射数据体中截取的P波速度结构切面图揭示出：在2 km深度范围内，研究区构造格局受地貌影响较大，切面速度结构的变化与地貌变化特征吻合；在3 km以下深度范围内，P波速度结构的变化主要受唐山断裂带的活动控制。而垂直于唐山断裂带方向截取的P波速度结构垂直切面图，从中可识别出断裂向上呈发散状，向下合并到一条主断裂上，基底存在一个大型的花状构造系统。根据平行于唐山断裂带（F1－－3）的P波速度结构垂向切面图，清晰揭示出研究区深部发育一个近N W-SE走向的裂陷，宽约20 km。裂陷边界Fn被唐山断裂带左旋走滑错断。通过构造演化分析，认为在华北期（距今52～23.5 Ma），由于近NS向伸展作用，研究区深部地壳范围内形成了一个近N W-SE走向的裂陷。到喜马拉雅期（距今23.5～0.78 Ma），由于区域近NS向的最大主压应力，促使NE向的唐山断裂带进行左旋走滑运动，其水平位移速率为0.44 m/ka，垂直位移速率为0.20 m/ka。综合考虑，喜马拉雅期唐山断裂带的总体活动性应与现今一致，在新构造期（距今0.78 Ma以来），唐山断裂带（F1－－3）的运动特征由左旋走滑变为了右旋走滑，并维持这一运动特征。

（5）对研究区断裂系统进行深、浅部耦合关系研究。深、浅部构造有其自己的特点又有着密切的联系，弄清唐山地震地表破裂、浅部断裂和深部构造之间的相互关系，就会揭示出一个比较清晰的发震构造模式。从浅表探槽研究，到钻孔、浅层地震探测、唐山矿基岩断裂构造特征、小震展布特征、2D深地震反射探测以及3D深地震折射探测获得的地壳构造特征，都揭示出研究区下面存在一大型的花状构造系统。根据地表地裂缝带与探槽精细研究，结合唐山MS7.8地震震源机制解，研究区发震断裂从浅表到深部长期处于一个强烈的右旋走滑运动环境，基底莫霍面被走滑断错。

（6）研究区强震发生的动力来源。多种证据说明，在研究区上地幔范围内，基底深断裂Fm在受区域NEE向水平主应力场与上地幔垂直运动的共同作用下，促使深断裂Fm持续走滑运动，从上地幔、壳幔过渡带一直向上传递应力，在上地壳结晶基底底部发生应力积累，最终导致了1976年唐山MS7.8地震的爆发。简单认为，上地幔－下地壳持续的水平走滑运动，导致了上地壳内部能量的积累而触发了唐山地震。

（7）1976年唐山地震的发震构造模式。通过对研究区断裂系统进行深、浅部综合分析，弄清了唐山地震地表破裂、浅部断裂和深部构造之间的相互关系，论文提出了以垂直破裂模式与水平破裂模式来解释1976年唐山地震孕育和发生的过程。① 垂直破裂模式。唐山地震的发震构造模式自上而下分为3个层次单元：地震破裂单元、应力传递单元和深部动力单元。其中深部动力单元位于20 km以下深部，包括壳幔过渡带，该单元内存在一条深大断裂Fm，错断了莫霍面，表现为强烈的走滑运动特征。应力传递单元位于14～20 km深度之间部分，推测可能为壳内低速体物质。地震破裂单元位于地表至14 km深部范围内，主要为结晶基底界以上部分。研究区受到NEE向水平应力，由于存在基底深大断裂Fm，壳幔过渡带被走滑断错，深部动力单元长期处于蠕滑状态，深断裂Fm持续走滑运动。应力传递单元推测为低速体物质，无明显界面存在，该单元很容易受到基底深断裂Fm运动的牵引作用而随之产生水平位移，将基底动力传递至地震破裂单元底部。随着时间推移，地震破裂单元底部积累的应力足够大而产生粘滑，随之强震发生。② 水平破裂模式。根据翔实的地球物理资料，论文确定了唐山断裂带的东侧平行发育了一条隐伏深断裂Fx，结合研究区小震分布特征，推测该隐伏深断裂仍然有往NE向延伸的趋势，一直到滦县卢龙附近。唐山地震发生后，基底主断裂发生右旋走滑破裂，触发了花状构造系统内中央分支断裂的破裂，产生强烈的破坏。花状构造系统内东侧的分支断裂同时也受到了触发作用，古冶—南湖断裂破裂至古冶地区时受阻停止，而隐伏深断裂继续破裂，往NE向延伸，至唐山菱形块体边界断裂——滦县—乐亭断裂处受阻，最终在15个小时之后与卢龙断裂贯通，发生了滦县MS7.1地震。

综上，论文以唐山地震地裂缝带构造特征为突破口，从浅部到深部对发震断裂的构造特征进行剖析，充分利用深、浅部探测资料，根据地表野外调查、浅层地震勘探、小震精确定位、2D深地震反射剖面和3D深地震折射成果，对研究区深、浅部构造之间的耦合关系进行综合分析，获得了构造与强震之间的成因机制，建立了唐山地震发震构造的花状构造模式。

强震复发；发震构造；地裂缝；深部探测；花状构造；唐山地震