工程地质环境与可持续发展Ⅱ活动断裂与发震的关系(1).pdf

北京大学学报 自然科学版, 第 32 卷, 第 6 期, 1996 年 11 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 32, No. 6 Nov, 1996 1 地震科学联合基金资助项目 收稿日期 1996-01-31; 修改稿收到日期 1996-04-25 工程地质环境与可持续发展 1 Ⅱ活动断裂与发震的关系 李 树 德 北京大学城市与环境学系, 北京, 100871 摘 要 地震发生在活动断裂上, 而断裂活动并非都一定发震。为进行地震危险性分析, 确定未来 可能发生地震的地段和强度而对活动断裂与发震的关系进行了研究。 关键词 活动断裂; 地震 中图分类号 P 642 1 中国新构造时期应力场与活动断裂特征 构造地震是构造应力与地壳岩体强度矛盾斗争的结果。 在特定的地区或构造部位, 地壳和 岩体在构造应力作用下会产生变形、 破裂, 地壳和岩石圈的构造运动及构造应力场是地球动力 和地质体力学效应的综合反映。 岩体的强度取决于岩体成因及形成以后的变化, 当应力超过岩 体极限强度时, 岩体便会突然破坏发生断裂, 释放能量, 并产生破坏性地震。 也有只产生蠕变不 发震或只造成微震者, 因为蠕变会同时释放应力。地震发生在活动性断裂上, 而断裂活动不一 定都发震。 因此研究了解最新构造应力场以及在构造应力作用下, 地壳和岩体破裂方向与特征 规律是极为重要的。 对我国新构造应力场的产生及其作用方式有不同看法。 有人认为, 中新生代以来中国地壳 主要处于南北挤压作用下, 其原因是地球自转角速度的变化。 [ 1] 近年来, 随着板块构造学的发 展, 不少学者将板块构造运动理论与中国或某些地区构造应力场成因联系起来研究。 [ 2～7] 从大地构造位置看, 中国属于欧亚板块内的中国板块。 中国东部的台湾省位于欧亚板块与 太平洋板块之间的边界上, 西南喜马拉雅构造带位于欧亚板块与印度板块之间的碰撞带上, 其 余大部分地区则处于印度板块和太平洋板块挟持之中。 由于中国所处的特殊构造位置, 决定了 上述三大板块的相互作用对中国新构造时期以来的构造应力场及其控制下形成的构造断裂、 构造变形和地貌产生巨大影响。 根据已有资料研究分析, 我国西部与东部新构造应力场截然不 同, 西部由于受印度板块和欧亚板块碰撞挤压 主要是印度板块向北推挤 , 主压应力作用方向 近南北向, 活动断裂以北西西和近东西向为主, 现今中国西部仍然经受着强烈的北北东向挤 压, 青藏高原不断上升, [ 5, 7]新疆断块的隆起、 盆地之间的挤压和差异活动仍在继续。我国东部 因受西太平洋板块向下俯冲作用, 主压应力近东西向, 其中华北、 东北偏转为北东东, 以北北东 向和北东向活动断裂及断陷盆地及隆起为主, 在此背景上再反映出北西向和近东西向断裂的 活动。其中北西向断裂常切割北北东向和北东向断裂或被其限制, [ 8]说明具有最新活动。 来自 太平洋的侧向挤压, 使相对较高位置的大陆地壳, 在深部遭受挤压, 地幔上隆, 地表则产生引 张。沿与侧向挤压力斜交的原有的北东向和北北东向的断裂发生具有张性的走滑错动, 走滑 正断层控制的断块隆起和断陷盆地的强烈差异性升降运动还在发展 如山西地堑系 。华 南偏转为南东东, 在不同地区往往还有局部应力场变化和相应的次一级断裂展布。 2 活动断裂与发震的关系 2. 1 地震发生在活动性断裂上 从国内外资料看, 所有地震都发生在大型活动块体的边界带上, 而这些边界带一般都是活 动的深大断裂带。 如我国东部的郯庐活动构造带, 燕山前缘的北西向活动构造带和鄂尔多斯周 缘活动断裂系等。地震的发生是由于断层运动的结果。 [ 9] 专家们对 1906 年旧金山地震作了现 场调查, 证明这次地震和圣安德烈斯断层之间关系的弹性回跳有关。 [ 9] 我国作为发震构造的束 鹿地堑, 以年平均 5 mm 的速率下降, 累积弹性应变。当地震发生时, 地堑西边界正断层下盘 表 1 中国地震断层 Table 1 Earthquake faults of China 编活 动 断 裂地 震 参 数地 震 断 层资料 号名 称 走 向性 质日 期 震 级 地 点 走 向性 质长 度水平位移 垂直位移来源 年- 月-日 /km/ m/ m 1 束鹿断裂NNE逆右旋 1966-03- 227.2 邢台NNE逆右旋100* * 2 大洋河断裂NW逆1975-02- 047.3 海城NWW逆左旋5. 50. 550. 20* 3 唐山断裂NNE1976-07- 287.8 唐山NNE右旋8. 51. 530. 70* 4 贺兰山断裂NNE正1739-01- 038 宁夏平罗NNE正右旋21. 450. 95* 5 郯庐断裂 NNE 逆1668-07- 028 临沂 NNE 逆* * 6 古浪断裂 NWW 逆1927-05- 238 古浪 NWW 逆* * 7 布青山断裂 NWW 逆1971-03- 246.8 布青山 NWW 逆2001. 750. 60* * 8 香毛山断裂 NWW 逆1932-12- 257.6 甘肃昌马 NWW 逆1167. 54* 9 曲江断裂NW逆1970-01- 057.7 云南通海NW逆右旋602. 20. 45* 10 河源断裂NNE扭左旋 1962-03- 096.1 河源NNE扭853. 60. 40* * 11 小江断裂NNW逆左旋 1933-08- 127.5 云南东川NNW左旋65* 12 鲜水河断裂NW逆左旋 1955-04- 017.5 四川康定NW左旋20* 13 鲜水河断裂NW逆左旋 1973-02- 067.9 四川炉霍N55 W逆左旋903. 60. 50* 14 理圹断裂NW1948-05- 257. 25 四川理圹NW左旋75* 15 南、 西华山断裂NW- NWW 逆 左旋 1920-12- 168.5 宁夏海原 NW- NWW逆 左旋23051.0* 16 龙首山断裂NWW逆1954-02- 117. 25 甘肃山丹NWW200. 30.2* 17 花石峡- 玛曲断裂NWW逆1937-01- 077.5 青海都兰N70 W逆左旋30086～7* 18 可可托海- 二台断裂 NNW右旋1931-08- 118 新疆富蕴N20 W右旋18014.63.6* 19 天山北缘断裂NWW逆1906-12- 238 新疆玛纳斯 NWW逆、 右旋1. 8* 20 赤峪断裂 NNE 右旋1695-05- 188 山西临汾 NNE 正、 右旋* * 21 赤峪断裂 NNE 右旋1303-09- 178 山西洪洞 NNE 正、 右旋* * 22 华山断裂 NEE 张扭右旋 1556-01- 238 陕西华阴 NEE 右旋* * 23 纵谷断裂 NNE 逆、 左旋 1951-10- 227. 25 台湾玉理 NNE 左旋4021.3* * 中国活动断裂. 地震出版社, 1982; * *活动断裂研究 理论与应用 . 地震出版社,1992 720 北 京 大 学 学 报 第 32 卷 西盘 发生反向突跳, 地面相对隆起, 上盘却迅速下滑, 明显地表现断层弹性回跳效应。 [ 4]断裂 之所以活动, 是由于断裂处于活动块体边界部位, 也是地壳薄弱部位, 最容易被构造应力所作 用, 当构造应力场与断裂所属构造体系应力场相同或相似时, 便会发生弹性位移, 当应力超过 所作用岩体极限强度时, 便会突然破坏发震。 也有只产生蠕变或蠕滑而不发震或只有微震。 例 如, 1960 年由圣安德烈斯断层系的部分断层所证实, 以后在安那托利亚断层上也发现过这种 蠕动 Ambraseys, 1970 。 又如我国唐山地震区形变资料反演求得的震中区内 8 km6 km 的 地带在 1961- 1975 年曾发生了走滑错距 104 cm 无震蠕滑, 走向和倾向滑动平均速率分别达 18. 6 及 1. 4 cm/ 年。 [ 10] 突然滑动地震和缓慢蠕动微震是断层活动的两种基本方式。 [ 11] 2. 2 不同力学性质断裂发震顺序大致为压性 扭性 张性 发震较多的断裂是属于不同活动构造体系的压性、 压扭性断裂, 且发震时表现以走滑扭动 为主 表 1 。世界上大地震主要是由逆断层和走滑断层产生的。 [ 9] 扭性断裂发震相对比压性少些, 如鲜水河断裂上的 1973 年 2 月 6 日炉霍 7. 9 级地震; 属 于天山东西向构造带北西西向断裂上的 1906年 12 月 23 日玛纳斯 8 级地震; 阴山东西向构造 带扭性断裂上的 1929 年毕克齐及 1974 年五源地震等。 张性断裂发震次之, 如山西地堑系第三纪以来由压性断裂转化为张性断裂上发生的一系 列地震。 [ 10] 2. 3 压性及扭性断裂发震频率低、 强度高。张性断裂发震频率高、 强度低 直线性的巨大的舒缓波状弧形走滑活动断裂是伴有强震的活动构造。 [ 2] 例如山西地堑系 内大同、 忻定、 太原、 临汾、 运城等断陷盆地内, 从公元 1000 年至今发震资料统计看, 6 级以上 地震 16 次, 其中 7 级地震 3 次, 8级地震 2 次。6 级以上的强震多发生在北北东向的忻定和临 汾断陷盆地内, 尤其是 7 级以上地震更为明显, 这主要是因为强震受北北东向压扭性断裂构造 控制。如 1303 年 9 月 17日洪洞、 赵城 8级地震和 1695 年 5 月 18 日于临汾、 襄陵 8级大地震 就是发生在北北东向的临汾断陷盆地, 直接由北北东向赤峪襄汾扭性活动断裂控制发生。 又 如 512 年代县、 1038 年忻县和定襄之间地带, 1683 年原平 3 个 7 级大震都分布在北北东向扭 性活动断裂控制的忻定断陷盆地中。 而北东向的大同、 太原和运城断陷盆地主要受张性活动断 裂控制, 其发震频率高, 但强度小, 未发生过 7 级以上地震。 地震多发生在原属于压性或扭性断 裂上的原因, 一方面是断裂形成时, 断面上除剪应力外, 还受压应力较大, 因而粘结紧密, 易于 后期应力集中 [ 12] ; 张性断裂由于在引张应力作用下, 其抗剪强度低, 所以发震频率高, 强度低。 单纯的扭性因比较平直, 也不易应力集中, 故发震频率也低。 2. 4 活动断裂运动方式不同对发震的影响 活动断裂以粘滑方式运动的段落, 是以强震为标志的, [ 2] 例如邢台、 古浪、 临汾、 襄陵地震 等。在以蠕滑运动方式地段, 则以中小地震活动为主要表现。至于旷动形式, 则可视为未愈合 断层沿断裂带无明显错动位移的形变, 一般断层的旷动并不表现有地震活动, [ 2] 例如北京八宝 山断裂等。实践证明 塑性材料与脆性材料的破坏机制、 应力释放方式均不相同。塑性或韧性 材料在受力变形、 发生破裂时, 可以发生很大的相对位移, 但不发生震动, 因而不能以储存弹性 能的方式储存应力。这也是一些塑性或韧性较强地层或岩体地区的活动断裂不一定发震的原 因; 脆性材料在其弹性极限范围内, 可以储存大量弹性能, 当超过强度极限时, 则会突然破裂, 721 第 6 期 李树德 工程地质环境与可持续发展 发生震动 地震 , 例如在 1554 年山丹大地震, 除与活动断裂有关外, 还和断裂处在刚性较强的 花岗岩体有关。 2. 5 活动断裂上发震的大小与地表地震断层长度有关 发震断裂一般都是长而深的断裂, 日本松田时彦的研究表明 一般震级 M 与地震断层长 度 L 的对数大致是成比例的。这意味着大地震就是大面积岩石发生的断层运动。 M 与 L 对数 的比例系数为 0. 5～1. 5, 在地震时, 断层活动的长度, 大体相当于地震引起的岩石应变区的长 度 [ 9] 。 发生强震的活动断裂一般都比较长 见表 1 。 另从断裂常有岩浆活动和火山活动推测可 深到地幔, 例如山地堑系北端大同盆地火山喷发和玄武岩溢流均沿活动断裂构造线分布 见文 献 6 。根据样品锶同位素初始比 Sr87/ Sr86 测定1分别为 0. 703 59, 0. 704 71, 0. 704 83, 0. 705 01, 它们均属幔源型。 而浅层断裂接近地壳表层, 构造应力容易通过裂隙释放, 不易大量 储存; 此外, 长而深的大断裂受地壳深部物质运动影响, 接受应力范围大, 发震机率大。 1 中国科学院地质科技咨询开发公司测定 2. 6 发震断裂面的倾角都较陡 如鲜水河断裂近于直立、 郯庐断裂 60 以上、 华山断裂 80 以上、 鸭绿江断裂 75 以上, 河源 断裂 70 以上, 山西地堑系一系列发震断裂都在 65 以上等。 2. 7 活动断裂发震时, 发震地点都处在断裂活动性最大的部位 在大地震发生的地带, 会出现塌陷和断层的地震错动, N. B. MYNIK† T OB 1979 在北天 山作了详细研究, H. A. –  OP† HCOB 1960 和 B. M. CO OH† HKO 1975 也在贝加尔地区 作了研究, 在构造挤压区, 断裂最大垂直位移为几 m 至几十 m, 地震错动带的长度由几十 km 至几百 km。在拉伸区, 基岩中出现宽达几m 的裂隙。 [ 13] 强震发生地与第四纪以来垂直运动具 有最大幅度的断裂地段有关。 [ 14] 如洪洞 8 级地震、 平罗 8 级地震和华县 8 级地震都是发生在 深坳陷盆地内。又如华山断裂在升降差最大的华阴发震、 河源断裂在水平错动最大的双下发 震、 太阳山断裂在升降差最大的太阳山发震、 可可托海- 二台断裂在水平错动最大的新疆富蕴 发震、 鲜水河断裂在水平错动最大的四川炉霍发震, 香毛山断裂在升降差最大的甘肃昌马发 震, 山西地堑系一系列盆地 7 级以上地震均是在断裂活动性最大地段发震。 2. 8 两组活动断裂相交的部位往往是发震的构造部位 如郯城 8. 5 级地震发生在北北东向断裂和北西向断裂交汇处; 三河 8 级地震发生在北西 向和北北东向断裂交汇处; 平罗 8 级地震发生在北北东向断裂和近东西向断裂交汇处; 华县 8 级地震发生在北东向和近东西向断裂交汇处; 洪洞 8 级地震发生在北北东向凹陷与近东西向 横向隆起的交汇处; [ 13]辽东半岛西侧金州断裂历史上 3 次地震 1855 年 5濎 级、 1856 年 5濎 级 和 1861 年 6 级 震中位于横贯普兰店湾的一条近东西向断裂与金州断裂南段交汇处。又如通 海地震发生在曲江断裂与滇南山字型构造前弧两翼斜接部位; 古浪地震发生在古浪断裂与河 西系断裂反接部位; 昌马地震发生在香毛山断裂与河西系断裂反接部位; 山西地堑系内, 大地 震多发生在北北东向与北东向或北西向断裂交汇处, 如 1695 年 5 月 18 日临汾、 襄陵和 1303 年 9 月 17 日洪洞、 赵城两次 8 级地震就是发生在北北东向的赤峪- 襄汾断裂与北东东向断裂 和北西向断裂交汇处。 722 北 京 大 学 学 报 第 32 卷 2. 9 压扭性断裂易在断裂分叉、 转折拐点及断裂两端发震 这些构造特殊部位也是构造应力易于集中和释放的地方, 如古楼子地震发生在鸭绿江断 裂分叉处; 炉霍地震发生在鲜水河断裂分叉处; 双下地震发生在河源断裂转折拐点处。 2. 10 地震多发生在大型隆起和坳陷的边界断裂带上或与次一级断裂交汇部位 如海城 7. 3 级地震、 磁县 7. 5级地震、 唐山7. 8级和 7. 1 级地震、 邢台 7. 2 级地震与荷泽 7 级地震以及宁夏几个 7 级地震均发生在隆起和坳陷边界断裂带上或与次一级断裂交汇处。 [ 15] 2. 11 地震发生在大型块体边界带内深断陷边缘, 即断陷活动性最强和最深处 例如渤海 3次 7级以上地震以及汾渭断陷带内几个 7 级以上地震都是发生在大型块体边 界带内深断陷边缘最深处。 [ 15] 参 考 文 献 1陈国达. 中国大地构造简述 . 地质科学, 1972, 4 2丁国瑜. 中国内陆活动断层基本特征的探讨 . 见 中国活动断裂 . 北京 地震出版社, 1982 3马宗晋. 活动构造基础与工程地震 . 北京 地震出版社, 1992 4杨理华. 华北地区地壳应力场 . 北京 地震出版社, 1980 5吴章明. 青藏高原中部的活动断层 活动断裂研究 3. 北京 地震出版社, 1994 6李树德. 中国东部大同大山群发育的构造地貌背景 . 地理学报, 1988, 3 7Molnor P. Cenozoic tectonics of Asia effects of a continental collision. Science, 1975, 189 8李祖武. 中国东部北西向构造 . 北京 地震出版社, 1992 9松田时彦 王辐等译. 活断层研究 . 北京 地震出版社, 1983 10张郢珍. 唐山地震前震中区的断层蠕动 . 地震科学研究, 1979, 1 11刘国栋. 唐山地震震源构造及动力学过程研究. 见 现今地球动力学研究及其应用 . 北京 地震出版社, 1994 12Zoback M D, Roller J C. M agnitude of shear stress on the san andreas faults implications of a stress measurement profile at shallow dopth.Science, 1979, 26 13国家地震局地质研究所 . 活动断裂研究 . 北京 地震出版社, 1994 14强祖基 . 唐山地震与第四纪活动断裂 . 见 中国活动断裂 . 北京 地震出版社, 1982 15张裕明 . 潜在震源区的判定 . 见 国家地质局震害防御司编. 工程地震研究 . 北京 地质出版社, 1991 Engineering Geologic Environment and Sustainable Development Ⅱ The Velationships Between Active Fault and Earthquake Origin LI Shude Department of Urban and Environment science,Peking University,Beijing, 100871 Abstract T he earthquakes occur uaually on active faults. Nevertheless, the fault activities do not induce the earthquakes firmly. T herefor, it is important to study and understand the orignal relationships between active faults and earthquakes. So as to decide the risk degree of earthquakes as well as the locations and the intensity of possible earthquakes in future. Key words active fault; earthquake 723 第 6 期 李树德 工程地质环境与可持续发展