1966年邢台地震群的发震构造模型_新生断层形成_先存活断层摩擦粘滑_

1966年邢台地震群的发震构造模型_新生断层形成_先存活断层摩擦粘滑_ 中 国 地 震() Vol . 16 No . 4 第 16 卷 第 4 期 364,378 EAR T HQUA KE R ESEARCH IN CHINA 2000 年 12 月Dec. 2000 1966 年邢台地震群的发震构造模型 ? ? 先存活断层摩擦粘滑 ?———新生断层形成 徐锡伟 于贵华王峰 ()中国北京 100029 中国地震局地质研究所 顾梦林孙振国刘保金 ()450003 中国郑州 中国地震局地球物理勘探中心 尤惠川 ()中国北京 100045 中国地震局地震数据信息中心 摘要 通过对邢台地震极震区浅层探测 、新生代深浅构造运动的分期 、地壳上地幔结构特 征剖析及其与震源参数的对比等研究 ,指出邢台地震区控制早第三纪盆岭构造发育的铲形断裂 及其下部向东缓倾的滑脱面与邢台地震的发生无关 ; 邢台地震群是在最新构造应力场作用下 , 受北西向断层或横向障碍体阻隔的不连续“深断裂”依次向上撕裂状破裂扩展 、引起相邻斜列状 深断裂间应力迁移和加载等三维破裂过程的产物 ;邢台地震断层是先存地壳“深断裂”向上撕裂 状扩展的“新生断层”。 关键词 : 邢台地震 新生断层 先存活断层 地震构造 引言 在华北平原西部束鹿盆地发生的邢台地震群 ,包括 1966 年 3 月 8 日隆尧马栏 618 级地 震 、3 月 22 日的宁晋东汪 617 和 712 级两次地震 、3 月 26 日束鹿百尺口 612 级地震以及 3 月 29 日巨鹿牛家桥 610 级地震等 , 总体呈 N35?E 的椭圆状分布 , 长 轴 约 110 km , 短 轴 约 60 km ,712 级地震位于震区中部 ,其余 6 级以上地震以等间距对称地排列在大震的南北两侧 () 图 1。地震发生后的 30 余年间 ,许多科研人员利用地震波 、测震学和形变测量等资料研 ( ) 究了邢台地震震源机制解和地震矩等震源参数 表 1,在分析震源空间分布随时间变化规 ( 律的基础上 ,对邢台地震群的 5 次强地震破裂过程进行了数值模拟 国家地震局测量队 , ) 1975 ;陈运泰 ,1975 ;林邦慧等 ,1990 ;胡小幸等 ,1989 ;李大鹏等 ,1997;从地壳现代破裂网络 ( ) 的观点出发 ,把 1966 年到 1976 年间发生在华北平原区内部的一系列地震 包括邢台地震 () 看作是最新断裂系统活动的产物 丁国瑜等 ,1979;通过石油地震勘探 、地震转换波法 、地震 反射/ 折射法和大地电磁测深等手段对地壳 - 上地幔细结构和电性结构等进行了探测 ,查明 了邢台地震区地壳上地幔的分层速度结构和深浅构造的基本格局 ,认为浅部的铲形断层 、缓 ( 倾角的滑脱面和中下地壳的陡倾角深断裂的组合是邢台地震的发震构造 腾吉文等 ,1974 , 1975 ;邵学钟等 , 1993 ; 王椿镛等 , 1994 ; 宋松岩 等 , 1997 ; 祝 治 平 等 , 1995 ; 邓 前 辉 等 , 1998 ; ?1999 年 8 月收到本文初稿 ,同年 12 月收到修改稿 。中国地震局“九五”重点攻关项目 95204208202202 研究成果 。 ( ) ) Wang et al . ,1997;陡倾角的深断裂是邢台地震发震断裂的主要部分 徐杰等 ,1988; 深部 低速体和岩浆囊体上隆产生的附加应力和区域应力场的联合作用是地震构造突发性错动的 ( ) () 力源 Wang et al . ,1997;邢台地震区深部滑动单元 深断裂的韧性剪切变形和浅部滑脱面 () 以上调整单元 铲形断裂系的蠕滑 ,使能量向浅 、深部结合部位的闭锁单元积累 ,最终导致 () () 应变释放 地震的三位串联一体发震构造模式 宋长青 ,1998;也有一些研究者从区域地震 构造的线状排列现象出发 ,把包括邢台地震 、唐山地震和河间地震等在内的地震带看作是一 ( ) 条晚第三纪开始发育的新生地震构造带 杨理华 ,1987 ; 徐杰等 ,1996。所有这些研究深化 了对邢台地震发震构造的认识 ,但并没有解决邢台地震的发震机制问题 ,即邢台地震是破裂 型地震 ? 还是摩擦粘滑型地震 ? 本文在“先存活断层”和“新生断层”的基本概念基础上 ,通过邢台地震区活动断裂的浅 层 、超浅层探测 ,深浅构造的几何配臵和构造运动的分期研究 ,结合已有岩石力学实验成果 及邢台地震的震源参数和前震活动性等 ,进一步讨论邢台地震的发震构造模型 ,这对认识华 北平原区象邢台地震那样无明显地表破裂带或发震断层不明确一类地震的形成机制 ,深入 探讨其前震活动规律 ,尝试性地对这类地震进行预报等具有十分重要的科学意义 。 ()邢台地震群的震源参数 张诚等 ,1990 ;河北省地震局 ,1986 表 1 节面解? 节面解? P 轴 T 轴 B 轴 震级震中位臵 编 发震日期 时间 深度 ( ) ( ) km 号年. 月. 日时?分M 北纬 东经 S走向 倾向 倾角 走向 倾向 倾角 方位 仰角 方位 仰角 方位 仰角 15 10 12 3711551 1966. 030. 6 9 18 SE 80 108 SW 85 63 4 154 11 08?12 05?29 3714 11419 618 333 2 1966. 030. 8 10 27 80 119 80 73 1 163 13 75 SE SW 16?11 3715 11511 617 3 1966. 032. 2 9 4 90 94 90 49 0 319 0 90 16?19 4 1966. 032. 2 3715 11511 712 9 19 90 109 90 64 2 334 0 90 16?45 5 1966. 032. 2 21 6 E 80 279 S 75 233 3 142 18 334 72 3715 11511 513 19?08 3716 11510 512 6 1966. 032. 2 20 SWW 24 NN E 82 166 48 28 34 282 22 19?08 7 1966. 032. 2 3715 11419 516 15 94 NN E 78 172 W 43 145 40 34 23 01?27 8 1966. 032. 4 3714 11419 512 20 16 NW 77 280 S 68 239 25 147 6 43 69 23?14 23?19 9 1966. 032. 6 3717 11513 512 20 26 SE 74 SE 32 216 56 341 22 82 25 02?14 3716 11512 612 10 1966. 032. 6 15 26 SE 74 131 SW 80 255 1 165 14 14?11 11 1966. 032. 7 3716 11513 518 20 13 SE 82 282 N E 88 58 7 148 4 268 82 04?05 3715 11419 610 12 1966. 032. 9 SE 25 47 72 331 SW 53 284 12 183 40 27 47 12?05 13 1967. 120. 3 3717 11512 517 22 75 67 338 SW 75 28 5 295 27 128 62 NW 03?33 3716 11511 417 SE14 1968. 010. 7 18 48 70 138 90 184 14 91 14 318 70 03?46 3718 11512 513 NW N E 15 1968. 011. 6 22 315 35 197 72 324 53 85 21 187 29 08?27 16 1968. 051. 5 3712 11418 417 15 31 NW 77 117 SW 74 255 21 164 3 70 69 20?31 17 1968. 051. 5 3713 11418 417 25 27 SE 62 82 NW 43 68 58 320 11 224 29 18 1974. 060. 6 3716 11511 419 24 36 SE 84 306 SW 80 265 2 176 12 5 78 366 中国地震16 卷 ( () )图 1 邢台地震 M ?218震中分布图 据河北省地震局 ,1986 ( ) Fig. 1 Epicent ral dist ributio n of Xingtai eart hquakes M ?218 1 “先存活断层”和“新生断层”的基本概念 震源体岩石的破裂形成新生断层和先存活断层的摩擦粘滑是产生构造型地震的两种最 ( ) 基本的力学机制 Scholz ,1990 ; 徐锡伟等 ,1996。“先存活断层”指的是在地壳中已经存在 的 、在第四纪时期活动的 、并在未来一定时段内具有潜在发震能力的断层 。大多数沿先存活 ( ) 断层发生的地震可在地表形成长度达几十至上百公里的破裂带 ,大致满足震级 M 和地表 ( ) ( ) ( 破裂长度 L 间的经验统计关系式 M = a + blog L Do nald & Coppersmit h ,1993 ; 叶文华 ) 等 ,1996,例如 1931 年富蕴地震 、1920 年海原地震 、1975 年通海地震 、1973 年炉霍地震等 , 它们的发震断层明确 ,地震地表破裂带是先存活断层两盘块体摩擦粘滑错动的直接反映 ,属 摩擦粘滑型地震 。 “新生断层”的概念源于 20 世纪 70 年代末我国地震界提出的穿越地表不同构造单元的 () 地震破裂网络的思想 丁国瑜等 ,1979,指的是在现今区域应力场作用下岩石发生破裂而新 形成的断层 。这种新形成的断层或者隐伏在地壳中 ,例如 1976 年龙陵地震 ; 或者伴随着破 裂型地震的发生而出露地表 , 形成明显偏离或切割先存断层的“地震地表破裂带”, 例如 1973 年海城地震 、1992 年 L anders 地震 、1968 年 Bo rrego Mo untain 地震 、1971 年 San Fer2 nando 地震等形成的地震地表破裂带 ,它们是地表可见“活动断层”的雏形 。新生断层的形 成具有明确的物理意义 ,它们是震源岩石经受的应力 - 应变达到或超过其破裂极限强度时 发生的宏观脆性破裂 。与新生断层的形成和扩展有关的地震属破裂型地震 。考虑到岩石应 变超过其弹性极限到发生宏观脆性破裂要经历微破裂“扩容阶段”和微破裂联结“局部化阶 () 段”等两个变形过程 马谨 ,1987,与这两个变形过程相对应的 、具有前震意义的声发射频度 () () 和强度会呈指数状增加 ,最终导致宏观脆性破裂 主震的发生 徐锡伟等 ,1996。 2 邢台地震区的深 、浅构造格局 211 浅部构造的基本特征 邢台地震区所在的束鹿盆地是受早第三纪新河“铲形”正断裂控制的半地堑状断陷盆 () 地 ,长 70 km ,宽 14,20 km 图 2;盆地西侧的宁晋凸起呈斜坡状向东倾没于束鹿盆地之下 , 东侧以新河断裂直接与新河凸起毗邻 ,顶部覆盖着上第三系 - 第四系松散沉积层 ;盆地基底 ()图 2 束鹿盆地构造纲要简图 据石油物探地震剖面 、深地震反射剖面和钻孔资料综合绘制 Fig. 2 Sketch map of geological st ruct ure of t he Shulu basin F:牛家桥深断裂 ; F:东汪深断裂 ; F:百尺口深断裂1 2 3 368 中 国 地 震16 卷 为白垩系 ,隆尧牛家桥一带为石炭系煤层 ;中生界至古生界厚约 5,6 km ,前寒武纪结晶岩基 底埋深 7,8 km ;在新河和宁晋两凸起区 ,中生界至古生界厚度较薄 ,局部地段缺失 ,前寒武 () 纪结晶岩顶面埋深 2,3 km 图 3。根据浅层地震剖面可将盆地内沉积物划分出上 、下两个 具不同构造演化和沉积历史的构造 - 沉积层 ,即代表盆岭构造基本格局的早第三纪沉积层 和上部代表整体下沉的晚第三纪 - 第四纪构造 - 沉积层 。控制早第三纪束鹿断陷盆地发育 的新河断裂是盆地东侧北北东向展布的一条“铲形”边界断裂 ,倾向北西西 ,倾角在切割中新 () 统地层处 深约 2 km较陡 ,可达 45?,60?,向下逐渐变缓 ,埋深 4 km 处约 40?,7 km 处减少到 () 25?,30?,最终收敛到深部近水平滑脱面 拆离带之上 。 ()图 3 束鹿盆地构造 - 沉积层地震剖面图 据石油物探资料 ,剖面位臵见图 2 () ( ) a东汪北北西向 SJ 792366 剖面 ; b北北东向 SL 842110 剖面 Fig. 3 St ruct ural2sedimentary sectio n of t he Shulu basin () ( ) aSJ 792366 sectio n st ri king NN W ; bSL 842110 sectio n st ri king NN E ( ) 依据邢台极震区已有深地震反射剖面 王椿镛等 ,1994和石油地震勘探剖面等所提供 的有关新构造学信息 ,横跨邢台东汪 712 级地震和牛家桥马栏 618 级地震等极震区分别作 ) ) ( ( ( 了长约 515 km X T2 ?和 517 km X T2 ?的两条北西西向浅层地震剖面 道间距 20,25 m , ( ) 偏移距 100,120 m,并在有第四纪断层揭露段又作了超浅层地震剖面 道间距 5 m ,偏移距 ) 40,50 m,期望确定第四纪断裂的上断点埋深 。 (() ( ) ) 横跨邢台东汪 712 级地震极震区的 X T2 ?浅层 、超浅层地震剖面显示 图 4 a,4 b, ( ) 在新河断裂上盘铺头村到艾辛庄不到 3 km 的范围内 ,发育着多条上新世 N以来停止活动 2 ( ) 的东倾正断层 ,仅新河断裂 F向上切割了中下更新统 ,垂直位移自下而上逐渐减少 ,其中 1 ( ) ( ) 下第三系/ 上第三系界面 T垂直位移约 120 m ,上新统/ 下更新统界面 T40 m ,下更新统/ 7 3 6 5 4 ( ) 中更新统界面 T20,25 m ,中更新统 T界面约 14 m , T界面约 5 m , T界面 < 5 m ,顶部被 2 0 0 0 3 ( ) 上更新统/ 中更新统界面 T覆盖 ,表明晚更新世以来新河断裂已不再活动 。 0 图 4 1966 年 3 月 22 日东汪 712 级地震极震区浅层/ 超浅层地震地质解释剖面 () ( ) a铺头 - 艾新庄浅层地震解释剖面 ; b艾新庄超浅层地震解释剖面 Fig. 4 The seismogeological interp retatio n for higher resolutio n seismic sectio n in t he epcenter of Do ngwang eart hquake wit h M 7 . 2 o n March 22 ,1996 () ( ) aPutou2Aixinzhuang sectio n ; bAixinzhuang sectio n 横跨马栏 618 级地震极震区的 X T2 ?浅层地震剖面在牛家桥东 750 m 的地表以下约 ( ) 600 m 深处揭露了一条倾向东南的正断层 图 5,垂直切割了石炭系/ 上第三系不整合界面( ) ( ) T约 80,100 m ,上第三系/ 下更新统界面 T< 20 m ,其上断点终止在下更新统地层中 。 4 3 邢台两极震区的浅层 、超浅层探测结果表明 ,伴随着新生代早期裂陷作用而形成的“铲 形”断层在上第三纪 - 第四纪时期逐渐成为不活动断层 ,个别虽继承性地向上扩展 ,但其活 370 中 国 地 震16 卷 动性明显减弱 ,最终在中更新世晚期也停止活动 。 图 5 1966 年 3 月 8 日马栏 618 级地震极震区牛家桥浅层地震地质解释剖面 Fig. 5 The seismogeological interp retatio n for higher resolutio n seismic sectio n in t he epcenter of Malan eart hquake wit h M 6 . 8 o n March 8 ,1996 212 震源区深部结构特征 已有的地震宽角反射/ 折射 、近垂直地震反射 、天然转换波和电磁阵列剖面等多方面的深部探测表明 ,邢台地震区地壳浅部的一系列“铲形”断裂向下收敛到深部向东缓倾的滑脱面上 。 滑脱面在束鹿盆地南部牛家桥下部 12km 和晋县盆地 5km 深附近表现为向东南缓倾 、厚约 3km 的强反射层 ,控制着束鹿盆地 、新河凸起 、宁晋凸起和晋县盆地等在内的早第三纪地壳 。 伸展运动期间 ,上地壳盆岭构造的形成和发育 ,可能对应于中上地壳之间埋深 10,15km 、宽约 () 30km 、厚约 615km 的壳内低速体 王椿镛等 ,1994 ;祝治平等 ,1995 ; Wang et al. ,1997,或者电 () 磁阵列剖面上深度 10km 附近向东南倾斜的电阻率梯级带的底界 邓前辉等 ,1998。 在马栏 618 级和东汪 712 级等地震震源区以下存在贯通中下地壳直至 Mo ho 面的陡倾 () 深断裂 祝治平等 ,1995 ; Wang et al . ,1997,它们与浅部控制盆岭构造发育的“铲形”断裂不 相连通 。震源区下部 Mo ho 面附近存在一个厚 4 , 6 km 、速度 616 , 710 mm/ a 的速度梯度 层 ,Mo ho 面下部 718,16 km 深度范围内发育着一个速度为 617 km/ s 的局部低速体 ,可能是 ( ) 局部熔融的岩浆囊 ,并存在上地幔的局部上隆现象 Wang et al . ,1997。 213 深 、浅构造运动的分期 新生代的沉积建造 、构造变形特征 、断裂作用的演化史以及深浅构造的几何配臵关系等 表明 ,邢台地震区早第三纪构造 - 沉积层 ,即束鹿盆地 、晋县盆地 、新河凸起 、宁晋凸起及其 北北东向的“铲形”断裂等组合而成的盆岭构造 ,代表了滑脱面之上的地壳在伸展构造环境 () 下发生的脆性破裂 ,在此期间 ,中下地壳 脆韧性过渡层则由于深部软流圈上隆和侧向流动 诱发了强烈的火山喷发 ,发育了作为岩浆上涌通道的陡倾断裂 ,使中下地壳出现细颈化减薄 (() 现象 刘国栋 ,1985 ;刘若新 ,1992。因此 ,在早第三纪时期 ,以向东缓倾的滑脱面为界 深度 ) 范围 8,12 km,其上 、下地壳的构造变形是相互解藕的 ,滑脱面起到了拆离上下构造运动的 作用 。 晚第三纪 - 第四纪构造 - 沉积层则以整体下降运动为特征 ,个别早期发育的“铲形”断 裂切割该构造 - 沉积层的下部 ,其活动程度随着时间的推移逐渐减弱 ,在中更新世末期最终 停止活动 。从某种意义上讲 ,第四纪早期原有铲形断裂的活动是早第三纪深部动力过程的 残余效应 。因此 ,上新世 - 中更新世是上下两种构造运动的转换过渡期 ,以北东东向最大主 压应力轴为主导的最新区域应力场是在晚更新世 - 全新世时期才真正得以确立和巩固的 。 在最新区域应力场作用下 ,先存的低角度“铲形”断裂很难发生走滑运动来调节区域性的地 壳应变 ,代之而形成陡倾角的北东向和北西向共扼新生断层 。 3 发震构造模式的讨论 311 震源参数与深浅部构造关系 () 据 1966 年邢台地震目录 河北省地震局 ,1986,震区 218 级以上地震主要集中在 8,25 km 深度范围内 ,约占在编地震总数的 85,90 % ,且很少有震源深度小于 5 km 的地震发 生 。考虑到震源深度的定位误差 ,这些地震主要位于地壳浅部的铲形断裂收敛到向东缓倾 () 的滑脱面附近 先存断裂倾角约 0?,30?及其下部深断裂的中上段 ; 前 3 次 M ?617 地震 S 的震源深度约 9,10 km ,位于浅部铲形断裂收敛到滑脱面的附近地段 。据已有的 18 次震级 (( ) ?417 震源机制解分析可知 表 1,邢台地震群的大部分发震断层是走向北北东 N20?,30? () () E的陡倾角 倾角 ?70?右旋走滑断层或北西西向陡倾角左旋走滑断层 虽有个别发震断层 ) 倾角 < 40?均位于深度 > 20 km 的中下地壳 。震源机制解获得的陡倾角地震断层的右旋走 滑运动与先存缓倾角铲形断裂的倾滑运动或向东缓倾滑脱面的拆离运动大相径庭 。考虑到 浅部铲形断裂在晚更新世至全新世时期已停止活动 ,可以较肯定地推测 ,邢台地震不是浅部 “铲形”断裂或向东缓倾滑脱面突发性错动的结果 。 312 邢台地震的特殊性 31211 丰富的前震活动 自 1965 年 1 月 14 日发生一次 M = 314 地震到 3 月 8 日马栏 618 级地震前到了大 ( ) ( ) 量丰富的前震活动 ,且具有如下活动规律 : 前震震级 M 逐渐增大 , 累积频率 F随时间 0 . 008 T ( ) T F = 1 E - 91e;同样 ,3 月 22 日东汪 617 和 712 级两 逐渐增高 ,大致服从指数分布 ( ) 次地震前 3 天内也有较为丰富的前震活动 图 6; 这些前震活动特征与完整岩石的破裂形 () 成新生断层前的声发射活动规律相类似 徐锡伟等 ,1996,表明邢台地震包含着破裂型地震 的成分 。 31212 地震地表破裂特征 据已有资料可知 ,1966 年 3 月 8 日的马栏 618 级地震震源深度约 8,10 km ,震中最大 烈度 ?度强 ,极震区呈北北东向的椭圆状 ,长轴长约 1716 km 、短轴长约 518 km ; 1966 年 3 月 22 日东汪 617 级地震和 712 级地震震源深度约 9 km ,震中最大烈度 ?度 ,极震区呈北东向的不规则椭圆状 ;1966 年 3 月 26 日的百尺口 612 级地震震源深度约 15 km ,震中最大烈度 () ?度强 ,极震区南北长 18 km ,东西宽约 10 km 国家地震局地球物理研究所 ,1986,但上述地 震都没有形成连续的地震断层意义上的地表破裂带 。若上述地震是连通到地表附近的先存 () 走滑断层 震源粘滑错动引起的摩擦型地震 ,除不应该有丰富的前震活动外 ,根据先存走滑 (断层上地表破裂长度 L 和震级 M 的统计经验关系式 M = 5102 + 11191lg L Do nald & Cop2 372 中国地震16 卷 图 6 邢台地震前震活动随时间的演化规律 () ( ) a1966 年 3 月 8 日马栏 618 级地震前 ; b1966 年 3 月 22 日东汪 712 级地震前 Fig. 6 Frequency of t he eart hquakes wit h time before Xingtai main shocks () aBefore t he Malan eart hquake wit h M 6 . 8 o n March 8 ,1966 ; ( ) bDo ngwang eart hquake wit h M 7 . 2 o n March 22 ,1966 ) persmit h ,1993,前 3 次 M ?617 地震应在地表产生长度分别为 60 km 、48 km 和 151 km 左 S 右的地表破裂带 。因此 ,邢台地震群是震源断层尚未到达地表的破裂型地震 ,或地震断层是 处于向上扩展和形成过程中的“新生断层”。 313 发震构造模式及其力学解析 综合考虑上述深浅构造的客观事实 ,可以认为地壳下部“深断裂”和北西向断层或横向 障碍体是邢台地震的孕震构造 ,其中“深断裂”组成了震前蠕滑单元 ,而“深断裂”上断点及其 () (() σ) 上部地壳 未破裂段则是应力 - 应变积累单元 图 7:在北东东向挤压 、北北西向伸展 1 (σ) ( 这一最新区域应力场的作用下 ,北北东向“深断裂”的向上撕裂型扩展形成新生断层 破 3 ) 裂是单个地震的发震机制 ,斜列状深断裂的右旋错动引起局部应力的迁移和对相邻深断裂 的加载可能是邢台地震群发的原因 。 31311 陡倾角深断裂的孕震作用 2 ( ) 已知邢台震区束鹿盆地的地表热流值约 56151 mW/ m,计算得沉积层底界 深约 7 km ( ( ) ) 的温度 180 ?, 中 地 壳 顶 面 深 约 1215 km温 度 约 294 ?, 下 地 壳 顶 面 深 约 1915 km 约 2 () 420 ?,Mo ho 面 深约 32 km达 577 ?;新河凸起和宁晋凸起的地表热流值取 72142 mW/ m, (() ) 其沉积层底界 深约 2,3 km的温度为 106 ?,中地壳顶面 深约 11 km约 329 ?,下地壳顶 () ( ( ) 图 7 邢台地震发震构造模型示意图 a深断裂向上撕裂状扩展 ; b深断裂的右旋错动 二维平 ) () () 面; c斜列状震源深断裂与邢台地震群综合地表形变特征 国家地震局地震测量队 ,1975 Fig. 7 Seismotecto nic model of Xingtai eart hquakes () ( ) ( ) aPropagatio n toward shallow of t he deep fault ; bRight2lateral slip of t he deep fault 22D; () cEn echelo n epicent ral fault and co mp rehensive surface deformatio n character of Xingtai eart hquake ( )矢量代表水平形变 ,等值线代表垂直形变 + 抬升 , - 沉降 ,单位 cm (() ) 面 深约 2115 km约 586 ?,Mo ho 面 深约 33 km达 800 ?。因此 ,邢台震区的中下地壳具有 (σ) (σ) 高的温压条件 ,在北东东向挤压 、北北西向伸展 的最新区域应力场作用下 ,北北东 向1 3 深断裂会发生脆韧性蠕滑 ,其断裂面上的应力状态可表达为 374 中 国 地 震16 卷 ? τσσ) α(= [ - / 2 sin2 1 3 ? σ(σσ) (σσ) α - / 2 co s2 = [ +/ 2 +1 3 1 3 ??ατσ其中 为深断裂面与最大主压应力的夹角 ,是引起深断裂右旋蠕滑的剪应力分量 ,是 (垂直作用在断面上的正应力 。当先存深断裂发生右旋蠕滑时 ,其上端点及其南北两端 北西 ) ( ) 向断裂切割处或横向障碍体附近会出现强应力集中 ,上端点相当于撕裂型 ?型裂纹的扩 ( ) 展问题 ,南北两端点相当于滑移型 ?型裂纹扩展问题 。设深断裂的垂向高度 H = 2 h , z 轴垂直 , y 轴水平且平行于深断裂面的走向 , x 轴水平且垂直于深断裂面 ,据固体力学研究 ( ) ( ) σσ结果可知 ,深断裂上断点 ?型裂纹附近区域内 r/ a ν 1的应力场 和和在 y 轴方向 上z y x y ν()的位移场可表达为 尹祥础 ,1985 K θ ?σ= - sin z y 2 π2r K θ ?σ=co s x y 2 π2r 2 K θ ?r νsin = π μ 22 ? σ(θπτπ) K = lim [= 0] 2r =h ? x y r ?0 ( ( ) ) K 称 ?型裂纹的应力强度因子 ,完全表征撕裂型裂纹端部的物理状态 图 7 a。由此可 ? ( ) 见 ,邢台地震区深断裂的震前蠕滑是其上端点岩石 震前未破裂段应力集中的必要条件 。 () 据邢台地震震源深度参数可知 图 8,1966 年 3 月 22 日 617 级和 712 级地震的震源深度浅 于其前震的震源深度 ,说明大震前“深断裂”的震前蠕滑确实存在 。假定 K 为深断裂上端 ?c ( ) 点附近岩石的断裂韧性 ,则当 K = K 时 ,裂纹 深断层会向上作撕裂状破裂扩展 ,引发 ? ?c 破裂型地震 。 (同样 ,在深断裂向上扩展的同时 ,随着断裂两则右旋走滑错动 ,会引起南北两端 水平面 ) 内的应力集中 。考虑到在 z 轴方向上的一致性 , 可将其简化为 X2Y 面上 ?型裂纹端部的 (( ( ) ) ) 平面应力问题 图 7 b,得裂纹端部附近区域内 r/ a ν 1的应力场和在 x 轴 、y 轴方向上 ν的位移场 u 、表达式 K θ θ θ 3 ?σ=sin co s co s x x 2 2 2 π2r K θ θ θ ? 3 σ= - sin 2 + co s co s yy 2 2 2 π2r K θ θ θ ? 3 σco s 1 - sin sin = x y 2 2 2 π2r K θ? θ 3 r () u = - 2 k - 3co s - co s πμ2 2 4 2 K θ θ ?3 r () ν2 k + 3sin + sin = π μ2 2 24 ? σ(θ) πτπK = lim[= 0] 2r =l ? x x x y r ?0 ()图 8 1966 年 3 月 22 日 617 级和 712 级地震前震深度剖面 深断裂的蠕滑现象 Fig. 8 Epicent ral dep t h sectio n of t he eart hquakes before M = 6 . 7 and M = 7 . 2 shocks K 称 ?型裂纹的应力强度因子 ,完全表征滑移型裂纹端部的物理状态 , l 为单个深断裂在 ? ( 水平面上的半长度 。假定 K 为深断裂两端岩石的断裂韧性 ,则当 K = K 时 ,裂纹 深 ?c? ?c ) () 断裂将向南北两端作滑移型 右旋走滑扩展 ,引起相邻斜列深断裂间的相互作用 、应力传 ( ) 递和应力加载 Co r nell et al . ,1993,可促使斜列状深断裂的相继突发性地错动 。 因此 ,邢台地震群可看作是受北西向断层或障碍体分隔的多条斜列深断裂单个向上撕 裂状破裂扩展 、斜列状深断裂间相互作用导致局部应力迁移和对相邻深断裂的加载而诱发 的三维破裂过程 :地壳深断裂和北西向的横向断裂或障碍体可以看作是邢台地震群中单个 地震的孕震构造 ,北北东向深断裂上端点相继向上撕裂状扩展是邢台地震群具体的发震机 制 ,即北北东向的牛家桥深断裂在震前的右旋蠕滑引起深断裂上端点的应力集中 ,导致向上 撕裂状破裂扩展和右旋走滑运动 ,发生 3 月 8 日马栏 618 级地震 ,加载了其北部的牛家桥深 断裂 ,发生同样的向上撕裂状破裂扩展 ,发生 3 月 22 日 617 级和 712 级两次地震 ,并使百尺 (() ) 口深断裂加载 ,诱发 3 月 29 日百尺口地震发生 图 7 c。 31312 深 、浅构造运动的关系 震源机制解结果表明 ,邢台地震群的震源断层属走向 N20?,30?E 、断面陡立 、倾角 >70?的右旋走滑断层 。地震前后大地形变测量以及垂直升降形变的整体四象限分布特征表 ( 明 ,邢台地震群的地面形变场以北北东向右旋剪切变形为主 ,兼有少量垂直运动分量 图 7 () ) () ( ) c;从地表形变的运动学特征来看 ,地表的构造变形 测量与深部的构造运动 震源机制具有“上下一致”的耦合关系 ,在地表观察到的北北东向右旋剪切变形可能是对深部震源构 () 造运动的应变响应 反映,但地表形变的面状分布特征 ,表明震源地震断层尚未扩展到地 表 。考虑到 3 月 8 日 618 级马栏地震 、3 月 22 日 617 级和 712 级东汪地震 ,以及 3 月 29 日 617 级百尺口地震等地表形变带在空间上的局限性 ,特别是各自形成类似于走滑断层端部 升降运动的四象限分布格局 ,说明北西向断层或障碍体的存在使深断裂呈不连续的斜列状 376 中 国 地 震16 卷 展布 ,它们在向上作撕裂型破裂扩展过程中显示出相对的独立性 。 因此 ,邢台地震序列是单个深断裂上端点向上撕裂型破裂扩展 、斜列状深断裂间相互作 用导致局部应力迁移和对相邻断裂的加载而诱发的三维破裂过程 。这一发震构造模型很好 地解释了地震前后以右旋走滑运动为主的地面水平形变 、震源机制解与地壳浅部伸展型构 () 造系 铲形正断裂 + 滑脱面在力学性质上不一致性 ,以及丰富的前震活动等现象 。4 结论 () 1邢台地震区地壳浅部不存在与震源断层性质一致的晚更新世 - 全新世活动断裂 ,地 () 壳浅部的伸展构造 铲形正断层 + 向东缓倾的滑脱面与 1966 年邢台地震的发生无关 。 () 2邢台地震群是在最新构造应力场作用下 ,受北西向断层或横向障碍体阻隔的不连续 先存深断裂相互作用 、相继向上撕裂状破裂扩展形成“新生断层”的产物 。 () () 3地震期间震源错动与地表的构造变形 测量具有上下一致的耦合关系 。参考文献 ( ) 陈运泰 、林邦慧 、林中洋 、李志雄 ,1975 ,根据地面形变观测研究 1966 年邢台地震的震源过程 ,地球物理学报 ,18 3。 ( ) 邓前辉 、张木生 、詹艳等 ,1998 ,邢台 712 级地震震源区的电磁阵列剖面法测量与电性特征研究 , 地球物理学报 , 41 2 ,218,225 。 ( ) 丁国瑜 、李永善 ,1979 ,我国地震活动与地壳现代破裂网络 ,地质学报 ,53 1,22,34 。 国家地震 局地球物理研究所 ,1986 ,一九六六年邢台地震实录 ,福州 :福建科学技术出版社 ,588 。 国家地震 ( ) 局地震测量队 ,1975 ,1966 年邢台地震的地形变 ,地球物理学报 ,18 3。 河北省地震局 ,1986 ,一九六九年邢台地震 ,北京 :地震出版社 。 ( ) 胡小幸 、林邦慧 ,1989 ,邢台地震空间分布随时间变化的立体图像与地震发生过程 ,地震学报 ,11 1。( ) 李大鹏 、林邦慧 ,1997 ,地震剪切破裂的三维断裂力学有限元分析 ———1966 年邢台地震的数值模拟 ,中国地震 ,13 2,151 ,163 。 ( ) 林邦慧 ,胡小幸 ,周 冉 ,1990 ,1966 年邢台地区强震前小震的“密集 —平静”特征及其初步解释 ,地震学报 , 12 4,348 ,356 。 刘国栋 ,1985 ,华北平原新生代裂谷系及其深部过程 《, 现代地壳运动研究》,第一卷 ,地震出版社 ,17,25 。 ( ) 刘若新 主编,1992 ,中国新生代火山岩年代学与地球化学 ,地震出版社 ,427 。 马 瑾 ,1987 ,构造物理学概论 ,北京 :地震出版社 。 ( ) 邵学钟 、张家茹 、张思亚等 ,1993 ,邢台地震区深部构造背景的地震转换波探测和研究 ,地球物理学报 ,36 5。宋长青 ,1998 ,邢台地震区浅 、深部构造关系及震源破裂结构和破裂过程的研究 , 中国地震局地质研究所硕士学位论文 ( ) 论著 98 H0004,84 。 宋松岩 、周雪松 、王椿镛 、张先康 、宋建立 、龚 怡 ,1997 ,泰安 - 忻州剖面 S 波资料解释及其与邢台地震相关性分析 ,地震 ( ) 学报 ,19 1,13,21 。 ( ) ( ) 滕吉文 、王国正 、刘道洪等 ,1974 ,华北平原中部地区深部构造背景及邢台地震 一,地球物理学报 ,17 4。 ( ) ( ) 滕吉文 、王国正 、刘道洪等 ,1975 ,华北平原中部地区深部构造背景及邢台地震 二,地球物理学报 ,18 3。 徐 杰 、洪汉净 、赵国泽 ,1985 ,华北平原新生代裂谷盆地的演化及运动学特征 ,现代地壳运动研究 ,第一卷 ,北京 : 地震出 版社 ,18,40 。 ( ) 徐 杰 、方仲景 、杨理华 ,1988 ,1966 年邢台 712 级地震的构造背景和发震构造 ,地震地质 ,10 4,51,59 。( ) 徐 杰 、牛娈芳 、韩竹君 ,1996 ,唐山 - 河间 - 磁县新生地震带 ,地震地质 ,18 3,193,198 。 ( ) 徐锡伟 、何昌荣 ,1996 ,新生断层的形成及其前震活动性 《, 活动断裂研究》国家地震局地质研究所编, 北京 : 地震出版 社 ,197,210 。 ( ) 杨理华 ,1987 ,邢台 —河间 —唐山强震带是地震构造破裂带 ,中国地震 ,3 4,61,66 。 ( ) 叶文华 、徐锡伟 、汪良谋 ,1996 ,中国西部强震的地表破裂规模与震级 、复发时间间隔关系研究 ,地震地质 ,18 1,37,44 。 曾 炬 、罗兰格 、侯建明 ,1988 ,1966 年 3 月 8 日 、22 日河北省邢台 618 、712 级地震 ,张肇诚主编《中国震例 1966 —1975》, 北京 :地震出版社 ,1,18 。 祝治平 、张先康 、盖玉杰 、张建狮 、聂文英 、石金虎 、张成科 、沅 红 ,1995 ,邢台震源区及相邻地区地壳上地幔速度结构研 ( ) 究 ,地震学报 ,17 3,328,334 。 张 诚 、曹新玲 、曲克信等 ,1990 ,中国地震震源机制 ,北京 :学术书刊出版社 ,466 。 Co rnell C A. ,et al . ,1993 . 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X u X i w ei Y u Gui h u a W a n g Fen g ( )Instit ute of Geology ,CSB ,Beijing 100029 ,China Gu M en gl i n g S u n Zhen g uo L i u B aoj u n ( )Research Center of Exploratio n Geop hysics ,CSB , Zhengzhou 450003 ,China Y ou H uich u a n ( )Center for Seismic Data and Informatio n ,CSB ,Beijing 100045 ,China Abstract Thro ugh st udy of shallow seismic p rofiles acro ss t he epicenters of t he Xingtai eart h2 quakes ,episo dic gro uping of t he Cenozoic lit ho sp heric st ruct ures , and co mpariso n bet ween t he deep and shallow st ruct ures and eart hquake focal parameters ,based o n t he co ncep t of new gen2 eratio n f ault and p re2existing f ault ,it is know n t hat t here is no L ate Pleistocene2holocene f ault s in t he epicenters. The list ric f ault s ,t hat had co nt rolled t he Early Tertiary2Miocene basin2and2 range st ruct ure ,and t he east ward dipping detachment below did not play any role in eart hquake breed o r occurrence . The Xingtai eart hquakes were resulted f ro m up ward tearing p ropagatio n of t he co ncealed vertical f ault in t he middle and lower crust under t he latest tecto nic st ress field , interactio n bet ween t wo neighbo uring en2echelo n co ncealed f ault s ,and t hen loading t he neigh2 bo uring o ne to p ropagate also up ward to induce anot her eart hquake occurrence . The Xingtai eart hquake f ault s are new generatio n o nes t hat p ropagate up ward f ro m t he co ncealed f ualt s in t he middle and lower crust . The co2seismic gro und surf ace defo r matio n is co upled wit h t he focal slip during t he eart hquakes. Key words : Xingta i earthqua ke Ne w2born fa ult Pre2exist ing fa ult Seismotecton ics 378 中 国 地 震16 卷 作者简介 :徐锡伟 ,男 ,1962 年 11 月生于江苏无锡 。1983 年毕业于成都地质学院放射性矿产地质专业 ,获 ( ) 工学学士学位 ,1989 年 12 月在中国科技大学研究生院 国家地震局地质研究所获博士学位 , 1994 年 11 月日本东京大学理学部地理系博士后流动站出站 ; 现为中国地震局地质研究所研究 员 ,活动构造研究室主任 ,中国地震学会理事 ,北京地质学会构造专业委员会委员 。主要从事新 构造学 、第四纪地质 、地震减灾等方面的研究工作 。