地震的发生是有其区域构造背景和震区构造条件的,深入研究这些问题对认识地震的形成、孕育和发生及其序列特征,甚至对预测未来地震危险性是十分有意义的。唐山地区位于EW向阴山—燕山南缘活动构造带与NNE向冀鲁断块拗陷交汇处,是EW向与NE向重力高值带的相交部位。阴山—燕山断褶带由一系列EW向大断裂带及岩浆岩带组成,地壳厚度西段为40～45 km、东段为34～40 km,结晶基底为变质的太古代桑干杂岩,褶皱强烈,硬化程度高。唐山吕家坨煤矿在地下650 m处存在侵入岩(刘义生,赵少磊,2015),在乐亭—曹妃甸沿线分布的一些相对较浅埋深的高温地热井应该与地下熔融物质上涌有关(现场考察)。盖层由古生代、中生代的海、陆相沉积物组成,其中震旦系地层最发育,最大厚度达万余米[ZW(DYB,7][KG*3]中国科学院地质研究所.1959.中国大地构造纲要.[ZW)]。

该区域构造格局复杂,早期由于受到南北向的挤压,多形成EW向的断裂和褶皱,之后由于中新生代的构造运动形成了较新的NE,NNE和NW向的断裂带。新生代时期断裂活动增强,形成了次一级的活动块体,如蓟县隆起、唐山断陷、山海关隆起等。新生代以来阴山和燕山山脉长期处于上升隆起,冀鲁断块长期处于下降坳陷,内部构造复杂,最少存在3个方向的构造,其中以NE向断裂为主,在这组断裂控制下形成次一级的NE向隆起和断陷,如冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷(东北部为乐亭坳陷)、埕宁隆起等。新生代以来断块拗陷最大沉降幅度达8 000 m(黄骅岐口地区),隆起带顶部的新生界减薄至200～300 m。此外,还有断断续续成带出现的NW向构造带,如海河、孙河—南口断裂带,具有明显的新活动。EW向构造形成时期较早,往往被其它方向构造所切割,新活动较弱。

从地质演变尺度分析,唐山7.8级地震后的区域动力过程仍延续地震前的作用机制,所以在持续的区域应力场作用下,唐山的中等地震也反映出准周期的活动特征,如1996年以来唐山老震区(唐山、滦县和宁河强震震中周围)发生的4级左右的显著地震有:1996年3.9级、1998年4.4级、2000年4.4级、2010年4.8级、2012年5.2级、2016年4.6级、2018年3.9级地震。

唐山地区位于阴山—燕山断褶带和冀鲁断块拗陷之间的菱形块陷,被深大断裂所包围,块体中央有一条NE向唐山断裂带(图1)。块体的南界是宁河—昌黎深断裂,北界是丰台—野鸡坨大断裂,二者走向均是NEE向; 东界是滦县—乐亭大断裂,西界是蓟运河深断裂,二者走向均呈NW向。这些断裂有的是前古生代时期形成的(如宁河—昌黎深断裂),有的是古生代时期形成的,中、新生代时期普遍活动强烈(虢顺民,1977)。晚第三纪开始,发育一条新生的地震构造带,即唐山—河间—磁县地震带(徐杰等,1996)。

图1 唐山地震余震分布
Fig.1 Distribution of aftershocks of the Tangshan earthquake

阴山—燕山断褶带的重力场特征为(本文只介绍高梯度带):在平泉—秦皇岛以北重力异常带以NNE向为主,其以南是一个通过宝坻、唐山、滦县的EW向重力高值带,唐山地震就发生在这个块体内部重力高的东南侧NE向唐山断裂带上(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组,1982),该断裂带为倾向NW的右旋走滑断层(尤惠川等,2002),唐山主震即是沿N30°E的破裂面破裂(张之立等,1980)。

唐山老震区的主要地震构造为唐山断裂带、滦县—乐亭断裂,参与活动的有蓟运河断裂和卢龙断裂(张四昌,刁桂苓,1992)。唐山断裂带由陡河断裂、巍山—长山南坡断裂和唐山—古冶断裂组成,走向NE—NNE。横切震区的人工地震测深资料显示,地壳基底存在一条与浅层唐山断裂带相对应的断裂,该断裂在唐山—宁河一带呈NE向展布,与蓟运河断裂相交,是一条断距为2～3 km的正断层(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组,1982)。由唐山地震的地表破裂带,以及主震后在矿井下观测到唐山断裂带随着余震活动发生右旋错动的现象,表明深浅构造的密切关系。滦县—乐亭断裂是一条弧形断裂带,由北而南走向为NNW—NW,龙河往南经卢龙至滦县以南,被卢龙断裂所切。卢龙断裂走向为NNE,倾向NW,倾角63°～75°,地质历史时期主要表现为逆冲断层,沿断裂有多处温泉分布,是一条第四纪活动断裂。

唐山地震余震序列是一个由多条断裂参加并逐次活动的复杂构造过程,先后显示活动的断裂及其错动性质为:唐山断裂带右旋剪切、蓟运河断裂左旋剪切、滦县—乐亭断裂右旋或左旋(分段差异)剪切、卢龙断裂右旋剪切,NW向蓟运河断裂与唐山断裂带构成一对共轭剪切构造。沿主震破裂很快触发了相邻断裂段上的3次强震(图1):主震后3.5 h在蓟运河断裂上发生了天津宁河6.2级地震:主震后约15 h,滦县—乐亭断裂上发生了滦县7.1级地震; [JP3]1976年11月15日,即主震后大约3.5个月,在主震破裂的SW向延伸断裂部位发生了天津宁河6.9级地震,它们与主震破裂共同构成了一次复杂的板内地震破裂序列(Robinson,Zhou,2005)。

图1为1976年7月28日—1977年12月31日4级以上的地震分布图,地震的空间分布范围基本厘定了余震的范围。由图可见,大量余震发生在主破裂面附近,主要集中在主破裂端部,在端部形成与主破裂面偏离80°左右的2个扩展分支,即蓟运河断裂和滦县—乐亭断裂附近(刘蒲雄,吕晓健,2011)。40多年以来,唐山7.8级地震的余震序列衰减基本正常,强度趋于减弱,频度趋于减小,但地震强度衰减较慢且存在起伏。1991年以来强度起伏较大:老震区在5级地震平静5年半的背景下,在1991年5月29和30日分别发生了5.2级和5.6级地震; 之后又平静了4年多,于1995年10月6日发生了5.4级地震; 在唐山7.8级地震发生36年后,于2012年5月25日发生了5.2级地震(图2a),余震发震时间间隔随时间的演化不断加大(图2b)。强度衰减较慢的现象在板缘地震中几乎是不存在的,在板内地震也是很少见的,这种现象可能具有一定的构造意义。

图2 唐山老震区ML≥ 4.0余震时序图(a)和发震时间间隔图(b)(主震后5个月小震目录存在缺失)
Fig.2 Sequence of ML≥ 4 aftershocks(a)and △t-T(b)map of the Tangshan earthquake region(the catalogue of small earthquakes is unavailable five months after the main earthquake)

[KG(0.15mm]主震发生后至1977年12月31日的早期图像(图3a)表明,余震几乎覆盖了菱形块体内的断裂。1978—1980年的余震活动主要分布在唐山7.8级、滦县7.1级和宁河6.9级地震3个不同震源区的较小范围内,频度明显降低(图3b)。1981—1985年的5年小震图像与其之前的3年图像相比,地震活动明显减弱,频度降低,但空间分布仍位于3个主要地震震源区附近,东区活动明显高于西区(图3c),这种格局持续到1995年底,历时约15年(图3d)。1996年以来的余震图像与之前的比较,发生了明显的空间变化,地震活动虽然衰减明显,但空间上主要集中在老震区东部的2个区域,一个是滦县7.1级震中附近,另一个位于唐山7.8级地震发震断裂的EN段,且呈现NW向排列(图3e)。

图3 唐山7.8级地震后震区地震活动时空演化图像
Fig.3 Temporal and spatial evolution of seismicity in Tangshan M7.8 earthquake region

2012年5月28日5.2级地震就发生在该区域,与序列强度衰减趋势相比,震级明显偏高,是在5级地震平静17年后发生的。中等地震的有序分布,以及2012年的5.2级、2010年的4.8级地震都发生在这个区域,分析认为该局部区域应力状态较高,构造活动较强。查阅资料得知,4.0级以上地震分布区域存在一条NW向赵各庄到榛子镇的老断裂。2010年以来,唐山老震区2.0级以上地震(3f),仍然分布在1976年唐山7.8级、滦县7.1级和宁河6.9级地震的发震断层附近,自1996年以来4.0级以上地震NW向条状分布区域附近较其他地方更为密集(图3d),特别是在赵各庄及其南部区域较为密集。

从地震构造角度分析,唐山地震位于华北东部NW—NWW向张家口—蓬莱地震构造带和NE—NNE向华北平原地震构造带的交汇部位,它们都表现为活动断裂带、上地壳深断裂带、强地震连延带和中小地震密集带,在现代地壳应力场作用下,构成一对共轭剪切带。根据地表破裂带的位移特征,将唐山地震地表破裂带分为南北2段,其南段以东升西降的倾滑活动为主,兼有右旋走滑活动; 其北段以右旋走滑为主,兼有西升东降的垂直位移(郭慧等,2011a,b)。

分析1976年唐山地震序列的4次主要地震的震源机制解可知,主震及2次发生在宁河附近的强震是在近EW向近水平挤压作用下以走滑断层作用为主的破裂结果。滦县7.1级地震震源机制解的节面之一与滦县—乐亭断裂北段的实际展布和错动方式一致,反映出该地震是在NE-SW向近水平拉张作用下以近SN向左旋正断层作用为主的断层错动结果(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组,1982)。Shedlock 等(1987)也指出滦县7.1级地震的震源机制解表现出明显的正断层作用,该地震破裂作用力导致唐山断裂带表现出分段变形特征的形式。另外,刘桂萍和傅征样(2000)的数值计算结果表明:发生7.1级地震的滦县断裂段也是唐山主震破裂引起Coulomb破坏应力值增加最多的部位。因此可以做出推论:唐山7.8级主震破裂发生时沿NE向唐山断裂产生较大幅度的右旋同震运动(陈运泰等,1979; Huang,Yeh,1997),由于唐山断裂倾向NW,对于主震破裂NE端部外侧近于正交的滦县—乐亭断裂北段来说,应主要受到唐山断裂SE盘突然朝SW方向的同震运动而产生的NE-SW向近水平拉张作用。这种突发的强烈拉张作用使得滦县—乐亭断裂北段在短时间内发生左旋正断错动,继而造成高强度的7.1级地震。这种机理解释符合“动态触发型”断层相互作用理论(马瑾等,2002)。马瑾等(2002)基于实验岩石力学研究认为交叉断层系统中一条断层失稳会动态地为另一条正交的断层加载,使后者的剪应力瞬时增加并超过其强度,从而发生失稳。与唐山断裂带交叉的具有共轭性质的赵各庄—榛子镇断裂应力强度的增强(小震活动),应该是由交叉断层系统中一条断层失稳(唐山断裂带失稳)造成的。

将赵各庄—榛子镇沿线附近的3次地震与1976年3次强震的震源机制解列于表1。单独分析1991年的5.1级和5.3级地震,可以认为其发生在唐山—古冶断裂扩展破裂面上,其2个节面走向分别为NE和NW,P轴和T轴分别为近EW和近SN向,与唐山主震的2个节面类似,但2个节面和P,T轴的取向都位于唐山主震相应节面和主应力轴的右方,考虑到多年来特别是1996年以来4级以上地震在NW向的有序分布,不排除有局部应力场改变的可能。2012年的5.2级地震P,T轴的取向也位于唐山主震主应力轴的右侧。

区域应力状态以及作用于唐山菱形块体中各断裂的方式,在1996年以来与1976年唐山7.8级地震前应该是基本相同的,与大震发生后短期内的应力状态不同。图3a,b显示,余震大体分布在唐山7.8级、滦县7.1级和宁河6.9级地震3个不同震源区的较小范围内,这属于大震发生后短期内的应力状态调整,是因为主破裂发展到这2个区域后,被滦县—乐亭大断裂及蓟运河大断裂所阻挡,主破裂面周围及其两端是应力集中部位,尤其是两端扩展分支的地方更为明显,所以大量余震都发生在这3个区域。图3c～e的余震虽然仍分布在余震区范围内,[JP3]但图3e显示的余震明显集中在唐山断裂东段的局部区域。1996年以来,

表1 唐山地震序列中几次显著地震的震源机制解
Tab.1 Focal mechanism solutions of several significant earthquakes in the Tangshan earthquake sequence

7.8级主震震中附近区域基本没有4级以上地震,这说明余震分布已基本不受主震破裂引起的应力状态所制约。图3e显示,在唐山断裂东北段NW向中等地震的密集分布与NW向赵各庄到榛子镇的断裂吻合,该断裂曾通过卫星影像解译(何玉林,强祖基,1990)。这些现象说明1996年以来的NW向中等地震分布特征是在区域应力场持续作用下唐山断裂带持续的右旋活动,而由于唐山断裂7.8级地震震中附近发生了主震和多次余震,地下介质较为破碎,不易积累大的应力,且破碎会发生蠕滑消耗能量,所以断层活动的作用力向NE方向传递。对于与唐山断裂交叉的赵各庄—榛子镇断裂来说,受到唐山断裂SE盘持续向SW向的运动而产生的NE-SW向近水平拉张作用,引起与之

共轭的赵各庄—榛子镇旧断裂发生新的活动。

笔者于2018年底和2019年年初进行了现场考察和资料收集,资料显示,1996年以来NW向4.0级以上地震分布区域存在一条较老的NW向的赵各庄—榛子镇断裂。图4a为考察场地地理位置示意图,该场地位于赵各庄到榛子镇的迁曹线路上,道路维修地点的道路呈SN向,道路西侧墙体出现裂纹(图4b),墙上还有多处多次维修的痕迹,正在进行道路维修的路边竖井存在X型的裂纹(图4c),在图4a中A点附近的道路路边有呈现膨出现象的裂缝。现场考察NS方向路面,发现只有300 m左右的破坏路段(表明不是大卡车碾压造成的),加之赵各庄—榛子镇断裂位置,还有地形 [FL)][XC张素欣4.TIF][KH*2/3D][HT5K]

图4 现场考察场地示意图(a)及墙体裂缝(b)、路旁竖井X裂纹(c)、路面裂纹(d)实拍照片
Fig.4 Investigation site(a),photos of wall crack(b),X crack of roadside shaft(c)and crack of road surface(d)

地貌的河沟形态,由此认为断裂带沿图4a中的A和B点通过,迁曹线在考察场地与断裂交叉。道路A点的膨出现象说明断裂处于拉张状态,而与之相交叉路面竖井的X裂纹所呈现的剪切状态也给予了佐证,这些都证实该断裂具有新活动的特点。由于此处及其附近没有地震形变观测台站,因此无法用形变资料做相关分析。