华北地区地震和深部构造关系及其破裂机制研究张路张世民中国地震局地壳应力研究所摘要华北地区的地震活动格外活跃，其地壳深部构造的独特性决定了其地震活动性。

多条地学断面和地震剖面等地球物理研究表明，华北地区的地震带（即活动构造带）一般均存在低速体或上地幔上隆；华北强震区的地球物理详细勘测发现，强震区也都存在低速体或上地幔上隆。

应用应力摩尔圆和库伦破裂准则，利用上涌模型和地壳减薄模型研究地壳岩石破裂机制，结果表明，地壳存在上地幔上隆和低速体的地区的地壳岩石比其它地区更易于发生破裂。

华北地区的地壳深部构造决定了地震的空间分布格局。

1引言华北地区远离板块活动边界，地表形变测量和GPS观测结果表明，该区相对于我国西部地区，主要断裂带滑移速率低[车兆宏等，唐方头等，郭良迁等]，地表变形小[沈正康，Zhu S],总体上属于稳定的华北克拉通地区。

但华北地区的地震活动却十分活跃。

大华北包含华北平原和鄂尔多斯及周边地区，历史上（-780~1911年）发生过6次8~8.5级地震、19次7~7.9级地震，1912年以来又发生过6次7~7.9级地震，是我国大陆强震活动频度和强度仅次于青藏高原的地区。

地震活跃区多数位于地表变形强烈的地区，如我国西南川滇地区和西北南疆地区等，但华北地区为什么会是地表平静而地震频繁的“外冷内热”情形？其平静的外表下隐藏着怎样的深部孕震机制？2华北地区的深部构造与地震带华北地台（华北盆地与鄂尔多斯及周边）具有统一的前寒武结晶基底,在古生代—侏罗纪期间也有相同的演化历程；白垩纪开始,它们的演化才开始有所区别,其中鄂尔多斯基本保持相对稳定的状态,而华北盆地与鄂尔多斯周边在新生代都有不同程度的裂陷伸展、地壳减薄(程裕淇等,1994)。

中国大陆晚新生代和现代构造变形以活动地块运动为主要特征。

活动地块是被形成于晚新生代、晚第四纪至现今强烈活动的构造带所分割和围限、具有相对统一运动方式的地质单元。

根据新生代构造演化，大致以太行山为界，华北地区可分为构造特征有明显差异的两个地区，西边为鄂尔多斯块体及周缘断陷盆地带，东边为华北东部盆地。

张培震等(张培震等，韩竹军等)以山西断陷盆地带和郯庐断裂带为界，将华北地区分为鄂尔多斯(K1，)、华北平原(K2)和鲁东—黄海(K3)等3个二级活动地块，华北平原地块内部又可以划分出更次一级的地块，如太行山、冀鲁、豫淮等次级地块(图1)。

断块划分所依据的活动构造带涵盖了华北地区的强震、活动断层，也涵盖了现今的小震（图2，图3）。

从图中看出，强震一般分布于二级活动地块边界，但华北盆地内部的1830年磁县、1937年菏泽和1966年邢台等强震位于三级活动地块边界。

二级活动地块边界代表了穿越地壳的深部活动构造带，三级活动地块边界是壳内活动构造带，可以说这些位于三级活动地块边界的地震应该代表了“更纯粹的板内地震”。

图2强震的震源机制解反映出华北地区的强震是由走滑断层发震，并且该区的最大主应力为近水平，方向为北东东。

华北盆地的西边界太行山山前断裂前第四纪活动强烈，但第四纪以来它的很多分段活动性很弱或基本不活动（韩竹军，Xu Jie,徐杰），并且是发育于上地壳的拆离滑脱断裂（王椿镛），它没有被作为断块边界。

唐山－河间－磁县活动构造带作为新生地震构造带，现今地震活动频繁，晚第三纪以来，它已经成为分隔渤海拉分构造系统与西边太行山构造系统的边界带（韩竹军）。

图1华北地区活动地块划分（自韩竹军2003）一级地块:华北地块.二级地块:鄂尔多斯活动地块(K 1)、华北平原活动地块(K 2)和鲁东－黄海活动地块(K 3);三级地块:太行山次级活动地块〔K 2-1)、冀鲁次级活动地块(K 2-2)和豫淮次级活动地块(K 2-3).一级活动地块边界带:鄂尔多斯西－北缘活动构造带(D 1-1.)、秦岭－大别山活动构造带(D 1-2)、张家口－北京－蓬莱活动构造带(D 1-3).二级活动地块边界带:山西断陷盆地带(D 2-1)、郊庐断裂带(D 2-2).三级活动地块边界带:安阳-荷泽-临沂活动构造带(D 3-1)、唐山－河间－磁县活动构造带(D 3-2).图2华北地区强震（M≥7.0）和活动断裂的分布。

现代强震给出震源机制解；粗红线表示全新世活动断裂，粗粉红线表示晚更新世活动断裂，细红线表示第四纪活动断裂，黑色细线表示一般断裂1920.12海原M8.6级1976.7唐山M7.81969.7渤海M7.41937.8菏泽7.01966.3邢台M7.2图3华北地区历史强震和现代小震及活动断裂的分布。

图4华北地学剖面（a）内蒙喀喇沁旗－湖北随县地学剖面和内蒙阿拉善左旗－上海奉贤地学剖面的华北段三维演示（b）内蒙喀喇沁旗－湖北随县地学剖面，内蒙阿拉善左旗－上海奉贤地学剖面和内蒙满都拉－江苏响水地学剖面位置（蓝线）以及三维剖面位置（白线）1990～1995全球地球科学断面研究项目(Global Geoscience Transects,简称GGT)是世界岩石圈计划的重要组成部分（滕吉文12）。

中国负责11条断面。

其中三条通过华北地区：内蒙喀喇沁旗－湖北随县地学断面，内蒙阿拉善左旗－上海奉贤地学断面和内蒙满都拉－江苏响水地学断面(图4(b))。

这些断面提供了华北地区岩石圈深部构造的依据。

图4（a）为前2条剖面华北段的三维剖面图像。

对比图4和前几个图件，可以发现，剖面在穿过活动地块边界（亦地震带或活动构造带）的位置，显示地壳内均有低速层，并且在鄂尔多斯东缘和西缘上地幔上隆。

内蒙满都拉－江苏响水地学剖面在穿越山西断陷盆地带和郯庐断裂带时同（a ）（b ）样表现出地壳内存在低速层（马杏垣，刘昌铨）。

另外，天津－北京－赤诚地震剖面（嘉世旭，2009）和北京－怀来－丰镇宽角反射/折射剖面（祝治平1997）穿越张家口－北京－蓬莱活动构造带时发现地壳内的低速体的存在。

华北地区的其他深部地球物理探测在穿越构造活动带时也同样发现地壳内的低速体的存在，不在此一一例举了。

华北地区的地震带（即活动构造带）的地壳内一般均存在低速体或上地幔上隆，活动构造带的地壳异常结构与地震的发生存在直接关系。

3华北地区深部构造与强震1976年唐山M7.8地震是我国百年来对人类影响最大的地震之一，人们对此进行了大量的工作，其中包括地壳深部构造的研究。

图5显示几条地震剖面的速度结构图，该图明确表明了唐山地震震源区的地壳中存在低速体。

从图5（4）的张家口－唐山剖面波速图可以看到，在剖面穿过1679年三河－平谷8.0历史地震的震源区时也存在明显的低速体。

对唐山强震的其它深部研究也同样发现震源区地壳内存在低速体（张先康，2002）。

图5有关唐山地震的深部构造地震探测剖面右下角图指示各剖面位置(1)穿过唐山震区剖面波速图（齐诚，2006）,(2)沧州－天津－喀左剖面波速图(3)柏各庄－丰南－丰宁－正蓝旗测深剖面波速图(刘昌铨，1986),(4)张家口－唐山剖面波速图,(5)天津－唐山剖面波速图.（刘启元，2007）1966年邢台M7.2地震是我国现代地震研究较早较多的地震，图6显示了有关邢台地震(1)(2)(3)(4)(5)区域的地震探测剖面，表明邢台地震震源区存在低速体且上地幔上隆，该区的其它地壳结构研究也说明这一事实（王椿镛，1993；刘昌铨，1997；祝治平,1995）。

图6（1）说明地壳内不仅有低速体，还存在岩浆侵入（王椿镛，1994）。

图6有关邢台地震深部构造的地震探测剖面右下角图为剖面位置图(1)临城－巨鹿剖面（东西向）和任县－宁晋剖面（南北向）和地表的三维表示图（王椿镛，1994）,(2)忻州－泰安地震勘探剖面速度结构图（嘉世旭，1996）华北地区1937年于菏泽发生M7.1地震，菏泽－长治地震测深剖面和郑州－济南剖面(嘉世旭，1991；任青芳，1998)分析了震源区的深部地壳结构，发现在震源区的上地壳下凹、上地幔上隆，使中上地壳变薄；在震源区的中下地壳中也存在低速体。

临近华北的1975海城M7.3地震也有较多研究，闾阳－海城－东沟剖面深地震测深资料中发现震源区的地壳中存在低速体、而且有上地幔上隆（卢造勋，1985，1990,1992）。

对华北地区（指盆地区）现代强震的深部地壳结构研究发现，几乎所有强震震源区的地壳内都存在低速体、且大部分强震的地壳之下存在地幔上隆。

(1)(2)4华北地区地壳结构与地震破裂机制华北地区的特殊地壳结构很早就被认识到（滕吉文），对其强震发震机制进行研究较多，有人认为地幔上隆或岩浆等流体的垂直作用力在华北强震中起重要作用（曾融生，刘启元），有人通过数值分析、模拟得出华北地区的地壳低速体是强震发生的重要因素（李炳乾，刘洁）。

低速体相对于周围的岩石，其弹性模量较低，一般具有高温、高电导率物理性质，关于它的成因有多种解释。

有人认为,地壳内低速体可能是上地幔岩浆入侵导致(丁志峰，刘启元)；它也可能是深部的韧性剪切带(滑脱带)，剪切摩擦产生热量，岩石糜棱岩化，一些矿物脱水，使岩石成为较低弹性模量、高热和高电导率，产生低速带。

华北地区强震在平面上主要分布于不同尺度的块体边界,震源深度多数集中在中下地壳低速带之上的相对高速区域。

这种强震分布特征表明,强震的孕育和发生不仅受块体边界控制,而且显著受深部动力的影响,包括块体的结构、底边界以及层间解耦和深部塑性流动等,其中,深部塑性流动是断层活动(Roy et al.,2000a,b)、块体运动(Bourne et al.,1998)、块体层间解耦(Royden,1996;Waltham et al.,2000;Brown et al.,2000)以及地震孕育(Savage,2000;Bokelmann et al.,2000)等的主导因素,板块边界驱动力远程传递和板内构造变形有可能是通过下地壳和岩石圈地幔塑性流动来实现的(王绳祖,1999;周永胜2002)。

为说明华北地区的地震发生与震源区地壳结构的关系，本文使用上涌模型和地壳减薄模型解释该区的地震破裂机制。

（1）上涌模型华北地区地震带或震源区多数存在上地幔上隆构造，它可能是上地幔上涌造成的；还有人将强震区的低速体解释为上地幔岩浆入侵(刘启元)。

这样，震源区的应力场产生了作用于地壳的垂直向上的力。

我们知道，垂直作用于受束缚平板的力会在平板内产生远远大于该力的张力；受上涌力作用，震源区地壳内的水平应力场之P 1和P 3将同步减小(图7(a))。

图7(b)使用应力摩尔圆和破裂准则解释上涌模型的破裂行为：斜线为破裂线，虚线摩尔园为震源区外的地壳应力状态，如果由于上涌力在平板内产生Δσ张应力，σ1、σ3将减少Δσ，震源区的应力摩尔圆将沿水平虚线向左移动Δσ，与破裂线相切，地壳岩石发生破裂。

图7上涌模型(a)震源区应力场(b)应力摩尔圆及库伦破裂准则（2）地壳减薄模型华北地区地震带或震源区的地壳内几乎都存在低速体，低速体的弹性模量低于周围岩石，在力学上，相当于在这些位置地壳相对减薄。