构造体系活动与地震的关系

主要构造体系的现今活动与地震地质环境~

从上述论述可知,北京位于发生大震的地震地质敏感部位,在下一个(第五)地震活跃期内,很可能发生大地震,对北京市城区北附近造成严重地震灾害,因此对之地震地质的环境研究具有重大实际意义及深远的政治意义。
北京地区新华夏系发育良好,延伸很长,切割各种其他构造体系,它们之间的现今活动性与地震地质环境,决定了大地震发生的危险性。就主要特征叙述如下。
1.历史大震中展布特征
北京-河北燕山东西向构造南麓是历史大震中展布地带,自东往西排列唐山7.8级大震,平谷三河8级特大地震,往西延伸直至通州、朝阳,与顺义交界处(见图6-14)[21,23]。
2.现今构造形变图的活动特征
(1)1953～1972年华北广大区域的现今构造形变以新华夏系活动为主,同时北京东西向纬向构造带现今活动也较为明显(见图4-6)。
(2)1968～1975年京津唐地区构造地形变图显示了新华夏系纬向构造带及北西向断裂现今活动。
3.京津唐地区断层现今位移场活动特征
李四光教授在唐山大震前,创造性地改进了断层位移观测方式,在获得了断层两盘相对活动的运动过程——呈现“椭圆形”、“8字形”、“平行波浪形”平行年周运动轨迹线的基础上,推算出断层位移量(见图3-1),根据他亲自选址的19处流动断层位移连续测量站观测结果,经综合分析和模拟实验对比,表明现京、津、唐地区地块边界外力受新华夏系加力方式控制(见图4-12)[4,24]。
4.现今地应力场特征
当年李四光亲自操作地应力解除测量(测地应力绝对值),围绕唐山、滦县为中心部署地应力预报监测台站,各种地应力测值也多显示新华夏系活动特征(见图6-9,图6-10)。震后宏观调查资料及发震构造带也都证明是由新华夏系发震(见图5-3～图5-6)[9,12,19]。
5.京、津地区现今地应力场与历史地震(6～8级地震)的对应关系
京、津地区经过现今地壳形变构造研究、现今断层位移场研究、地应绝对值(解除法)测量研究,配合多种模拟实验研究,获得了定量化的地应力均等值线图,与区内历史地震(6、7、8级)的对应关系,均位于地应力和能量集中附近部位(参见本书附录《对地震地质工作的一些设想——兼论华北、京津地区现今区域地应力场的特征》一文的图14)[9]。
北京城区北附近新华夏系发震构造体系及主干断裂往南延伸很远,控震构造多种,可能有北西向断裂带或东西向纬向构造带与之交接,它们均为现今活动的构造带。从区内现今构造应力场,包括地形变构造场、断裂位移场和地应力、能量场与历史大震的对应关系来看,都共同显示适合发生大震的地震地质环境条件,满足发生大震的基本因素,因此增加了发生大震的危险性。

从中国构造体系的主要构造带与地震震中分布关系的分析中,可以清楚地获得如下认识(表6-5):
(1)天山-阴山纬向带、昆仑-秦岭纬向带与中部经向带,共同控制和划分中国的地震分区、分带。
首先,以中国中部南北向(经向)地震密集带为界,大陆可以划分东部、西部两个地震域,海域属太平洋西部的岛弧带,情况特殊,可单独划为宏伟的我国台湾-日本地震高度密集带。
其次,考虑到控震构造体系的展布、地震震源的深度、时序发展特征,以及地区性规律等,对中国东西两个地震域可以分区如下(表6-5):
大陆东部地震域大致以天山-阴山纬向带、昆仑-秦岭纬向带为界,分为:东北地震区、华北地震区和华南地震区。
大陆西部地震域大致分为:西北地震区、西南地震区。
(2)据中国地震主要时序发展变化,表明构造体系控震发展是有规律的。
根据表6-3、表6-4、图6-15和图6-16,表明中国地震具有300年左右的活动周期。目前正处在大陆西部与台湾岛弧地震活动高潮,而大陆东部及其华北震区,则处在第四地震活跃期之后的第四平静期(尚未结束)。
表6-5 中国构造带与地震分区分带关系


从构造体系及其地震分布的时序关系对比分析,可以看出:
1)历史地震(公元前1831～1900年)主要分布在黄河中下游以及中部南北向地震带附近,前者主要受祁吕系、新华夏系控制,后者则主要受中部纬向构造带控制,还有部分受青藏反“S”型旋卷系控制。近代地震(1900年以来)主要受中国大陆西部诸构造体系控制,大陆东部地震相对较稀,自邢台-唐山地震幕受新华夏系控制活动以后,已经进入地震活动平静期30多年了。
2)中国东部海域、我国台湾、日本属于特殊地震活动带,近代地震活动频繁、剧烈,并常有中、深地震发生,伴有现代火山活动,是受东亚新华夏系岛弧台湾-日本构造带控制。
3)通过前述四幅地震时序变化对比图(图6-15～图6-18),可以看出控震构造体系活动的时序变化关系,也可以大致看出它们的活动变化特征及发展顺序。
4)应该特别指出:中国的地震分区、分带,是以构造体系中的纬向、经向构造带为基础,以各种地震活动断裂带的控制为依据进行划分的,属于趋势性划分,局部边界附近,经常见到“出界”现象,例如:青藏反“S”型旋卷系局部穿过中部南北向地震带;同样大陆东部的新华夏系、华夏系也同样穿入南北向地震带等,从地震时序与控震发展演化关系,也可以看出构造体系发震的先后顺序。这些均一致表明,构造体系控制地震的空间展布,并且在时间发展演化进程中,均受到构造体系及其构造断裂带的控制,这些基本规律对预测预报地震具有极其重大意义,也是地震地质研究的重要基础。

1.纬向构造带与地震

纬向构造带是规模宏大、环球级最大的构造带,地质发展历史长久,涉及地壳深部物质的控制性构造带。在我国以天山-阴山带、昆仑-秦岭带发育最完整,横穿中国北方,成为地震分区的重要分界标志。在中国大陆东部分为:东北、华北、华南三个地震区;在大陆西部也成为地震区划的分界标志。它们是区域主干构造的骨架,也是地震活动的重要界线,大体成为大震活动的重要分界,具有控制大震分布的重大意义,这在我国东部尤为明显。

2.中部经向构造带与地震

中部经向构造带是我国大陆东、西两个地震域的分界,也是地震密集发育的集中地带。其主体是南北向构造带发震所致,但东、西两侧活动构造体系的插入,使构造复杂化,致使大震频繁发生,密集成带。其大体可以分为三段:

◎北段:银川-天水南北向地震带,以南北构造为主体,与祁吕-贺兰山字型脊柱复合在一起,并有部分新华夏系介入其中,以1939年银川北平罗8级地震及1654年甘肃天水8级地震为代表。

◎中段:沿四川汶川地震的龙门山构造带方向延伸,大致呈北偏东的方向,主要由华夏系、新华夏系组成带状,2008年四川汶川地震为代表。

◎南段:昆明南北向地震带,以南北向构造为主体,部分青藏反“S”型旋卷系穿越其中,以昆明以东附近的1833年云南崇明8级地震为代表。

这些地带不仅历史大震发育密集成带,而且近代地震活动频繁,成为我国极其重要的地震活动地带,也是划分大陆东、西两个地震域的显著标志。

3.新华夏系带与地震

新华夏系是东亚地区特有的全球性构造体系,几乎斜穿北半球,呈北北东向展布,隆起与凹陷相间平行排列,其间伴随着断裂带,成为地震集中的构造带,特别是在西太平洋岛弧,不仅大震活动频繁密集,还伴随着现代火山活动。在我国台湾及相邻的日本、菲律宾更成为特别醒目的巨型地震活动构造带,还时有中源、深源地震伴随其中,因此李四光教授建议将其特殊区别对待。下面将重点讨论我国大陆东部新华夏系断裂带与地震的问题。

(1)新华夏系断裂带中大震的展布与分析

中国大陆东部主要平行分布四条新华夏系断裂带,走向北北东,也是大陆东部大震的主要发震构造体系,自西往东,依次为银川-成都带、兴安-北京带、长春-广州带和闽浙沿海带,从公元前1831～1900年的历史地震展布中可以看出,8级、7级大震主要集中在华北地震区,其次是东南沿海南端与广州海口一带。上述大震均属新华夏系断裂带的部分段落。

1901～1969年近代地震以来,地震强度明显呈现趋势性减弱,没有发生过8级以上地震,从华北地震区看,地震总体趋势分布也自西往东迁移,即从陕西、山西往河北、渤海迁移。

(2)回忆李四光预测唐山大震的分析与思考

1966年3月8日河北邢台宁晋发生7.2级地震,4月20日,李四光亲赴邢台地震现场进行宏观调查,随之建立地震实验基地,并进行大震发展迁移中近期趋势预测,对1966～1976年邢台-唐山大震活动幕做出了科学的地震预测,预测了唐滦地震,详细情况在本书第五章已有叙述,这里仅概要重复其研究思路,为本文的趋势大震预测,作为示范。研究思路如下:

1)对1966年邢台地震进行现场宏观调查后,获得新华夏系活动发震的资料证据以后,分析大震往北东方向迁移的可能性最大。

2)预测1967年河间6.3级地震获得证实后,立即做出中近期唐滦大震的预测。随即在京津唐地区部署地震地质野外调查,同时,亲自部署19个断层位移流动监测站,经过多年连续监测证实为新华夏系断层位移场活动特征,从而坚定了大震预测的信心。

3)以唐山、滦县为中心,亲自部署一批地应力长期连续监测站,首先自西向东建立4个地应力监测台站(表5-2),即镇罗营站、凤凰山站、陡河站和昌黎站,随后在外围建立层圈式台站网络群,为捕捉大震预报创造了十分有利的条件。

由于李四光教授于1971年逝世,没有见到1976年的唐山大震。当年地震地质大队,见到震前明显地应力异常前兆,并进行预报,但震级低了很多,没有成功。其最重要的原因是没有明确众多地应力台站是监测唐滦大震的指导思想,而单纯从地应力曲线的错误想法确定地震三要素。同时,干扰因素也未能有效排除。

震后经国家地震局综合整理各种唐山大震前兆资料,非常清楚地展现了大震孕育、形成、发展的全过程;地应力台站的趋势性异常达3～5年之久;加速性异常震前达100天左右;接着是震前十几天的突变性异常,呈脉冲跳动形式,幅值变化很大,这在震前三个阶段均明示地应力、能量在长期积累集中阶段,在余震前还有一个加速积累的过程;地震发生时地应力曲线骤然下降,出现爆发性异常,极震区地动动摇,地应力和能量大量骤然释放,形成释放阶段;震后地应力进行调整性异常阶段,余震不断,长达几年之久,范围以唐山为中心,南北长达1500km,宽785km左右。

通过唐山大震实例总结,证实了李四光生前曾指出:大震以前必然存在地应力、能量积累和集中的过程,地震时大量释放,震后调整的过程。我们注意研究这个全过程,可以为准确地预报大震,获得大量地震预报前兆信息。现在分析思考地震是可以预报的,地应力是地震预报极其有效的重要手段之一,但切莫忘了李四光所指地应力是一项综合指标,它应该包括地应力、地应变、地形变、断层位移等诸多方面,对此唐山地震中也都进行了总结(详见《一九七六年唐山地震》,地震出版社,1982年)。

今天我们回忆过去,心情十分沉重,这是几十万人的生命和一座中型城市的重大代价换来的宝贵资料和经验教训。李四光作了准确的中近期大震预测,详细周密地部署了监测预报台站网络,组建了一支专业队伍(达2000人以上),但是仍然没有成功预报,值得大家好好“反思”。

今天我们接过这个未完成的事业,应该科学冷静周密有计划地解决地震预报问题,这是一项非常艰难的任务。首先,它是科学上的难题,决不会一次预报成功,就会得到广大学者的认可,必须多次、反复地震预报均获得成功。其次,地震预报成功,必须建立在地震地质的系统、全面、科学的资料证据之上,使大家口服心服,科学上的认可才具有说服力,才能真正达到地震预报成功,这是一项系统工程,是在扎实的地震地质系统普查和地质勘探工作成果基础上,配合深部地质构造探测,采用岩石力学与构造应力场的研究成果,进行现今“场”的系统综合部署研究,主抓地应力综合部署连续监测资料的正确科学分析,全面科学地收集和积累大震地应力综合场的孕育、发展、形成和震后调整的全过程资料,在科学分析基础上获得地震预报的成功。需在集团军攻关的基础上,配合群测群防宏观前兆等全面资料收集分析方能获得地震预报的成功。

总之,攻克地震预报难关是一项十分艰巨的任务,同时,还应清醒地认识到即使成功一次、两次,也难以使广大地震工作者取得共识,必须多次连续不断取得地震预报成功,收集十分详细的地震地质资料才能使大家取得共识,地震预报才能被世界认可^{[1-4、20-28]}。

今天,李四光逝世已40多年,事实证明许多地震工作者深受国外地震预报思路束缚和深刻影响,甚至提出“地震不可预报论”、“2008年四川汶川地震没有前兆”等,现在我们运用地震地质探索地震预测预报,沿着李四光倡导的方向前进,不仅具有光明的前景。

4.华夏系构造带与地震

华夏系位于我国东部大陆地域,三条北东向带呈多字型斜列,自北西往南东依次为(图6-2～图6～5):

①兴安岭-狼山构造带:5级地震水平。

②长白山-龙门山构造带:2008年发生四川汶川8级特大地震。

③天目山-雪峰山构造带:6级地震水平,如1624年江苏扬州6级地震;1932年湖北麻城北6级地震(可能也是该带活动发震)。总之,在华南人口密集地区,6级地震也能造成较重的经济损失。

5.祁吕系主要断裂带与地震

1954年李四光论述祁吕-贺兰山字型构造体系,并从地震活动及其伴生的各种宏观现象进一步确定现今活动性,现在根据多次大震的等烈度线以及极震区烈度长轴方向编图,可以清楚看出前弧的展布轮廓(见图6-12A图):前弧东翼往西南方向所发生的地震依次为1626年山西灵丘7级地震、1683年原平7级地震、1303年赵城8级地震、1695年临汾8级地震和1566年陕西华县8级地震,已接近弧顶偏东位置,等烈度线也相应转为近东西向;前弧西翼往北西方向所发生的地震依次为1125年甘肃兰州7级地震、1927年古浪8级地震、1954年山丹7.2级地震和1932年甘肃玉门昌马7.6级地震,已经位于反射弧附近,等烈度线长轴也转为近东西向。脊柱位于银川附近,1739年宁夏平罗银川一带发生8级地震,等烈线长轴近南北向,偏向北北东向。综上述,通过地震资料分析,再次证实祁吕系近1000年左右时间内仍在继续活动,也显示了大震在前弧中的迁移概况。同时地热、温泉的分布(见图6-12B图),也共同证实祁吕系现今的活动性。

6.西域系断裂带与地震

西域系是我国西北震区的主要控震构造体系,其断裂带主要有三部分,与7级、8级地震分布关系较为密切。如:①乌鲁木齐附近的西域系断裂带中发生1906年玛纳斯8级地震,北带发生1931年富蕴8级地震等;②在甘肃走廊南山带,由于和祁吕系西翼、青藏系大致平行,许多大震都具有多重控制意义;③在金沙江红河断裂带的以北附近地区,西域系断裂带也控制着6级、7级地震的分布^[8,66]。

7.青藏反“S”型构造体系与地震

青藏反“S”型构造体系是我国具有重大决定性意义的巨型构造体系,其对7级、8级地震控制以及地震在各主要弧形带之间的活动规律也较为清晰。将其自北往南划分为四个主要弧形带,即:

①甘肃走廊南山北带,以1920年宁夏海源8.5级地震为代表(过去曾认为是祁吕系内的弧形带)。

②青藏北缘带,以多个7级地震为代表。

③金沙江红河带,以2001年青海昆仑山口8.1级地震为代表。

④喀喇昆仑喜马拉雅山带,以1950年西藏察隅8.5级地震和1951年西藏当雄8级地震为代表。

上述8级以上地震均为1920年以后发生的特大地震,表明西藏反“S”型旋卷构造体系控制着特大地震,就它们大体的迁移规律,似乎有着由北往南迁移的趋势。现有资料记载缺少历史特大地震(≥8级地震),如果并非历史记录遗漏,则可能表明在其不断旋卷隆起过程中,应力、能量集中程度逐步加强,而不断伴生8级以上特大地震的发生^{[1-13,20-33,56-71]}。

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