1976年唐山7.8级地震成因探讨

2019-10-10丁学文高树义陈永新

山西地震 2019年3期

关键词：唐山

丁学文，高树义，陈永新

(1.山西省地震局，山西太原 030002；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原 030025)

0 引言

1976年7月28日03:42:54，在河北省唐山市(东经118.0°，北纬39.4°)发生了M7.8强烈地震，震中烈度Ⅺ度，震源深度11 km。唐山市区遭到毁灭性破坏，建、构筑物倒塌或遭到严重破坏，人员伤亡惨重。有感范围达14个省、市、自治区，其中北京市和天津市受到严重影响[1](见图1)。唐山地区地质以往认识上没有深、大断层，以前也没有发生过破坏性地震[2]。对唐山地震成因众多学者提出了不同的认识，主要有构造成因[3-13]、地幔成因[14-15]和构造、地幔成因[16-17]三种。唐山地震前出现了大范围动物、气温、地磁、地电、地下水异常和大气光电、地气现象，地震后出现了地裂缝、地震断层、地面鼓起、铁轨弯曲等现象。如此大幅度的异常是很难用粘滑错动作出圆满解释的[18]，综合地震前后出现的异常和现象，笔者认为唐山地震是在地幔上隆、地壳厚度变薄的大地构造背景下(见第34页图2)，受到NEE-SWW向挤压，在NNE-NE向唐山断裂和NW向蓟运河断裂共轭作用下发生错断产生的地震。

1 区域大地构造背景

唐山震中区在大地构造上属于华北地台辽翼台向斜北部，北邻燕山台褶带[19](见第34页图3)。辽翼台向斜基底出露太古界迁西群及滦县群，为一套麻粒岩相及角闪岩相的变质岩系，经早古生代末吕梁运动固结形成。中生代以来，强烈的构造变动在原来比较稳定的地台上形成新生代断块坳陷区，北东向构造为主。新生代沉积物广泛覆盖，埋深可达5 000 m。地震区一带基岩褶皱、断裂发育，北东向主要断裂有沧东断裂、唐山断裂，另外发育北西向张家口-蓬莱断裂带。

图1 1976年唐山地震等震线[1]Fig.1 Isoseismal line of the 1976 Tangshan earthquake

1.1 沧东断裂

为沧县隆起和黄骅凹陷的构造分界线，在重力异常图上显示为重力密集梯级带。断裂南起山东临清西南，向东北经德州、河北吴桥、沧州、沧县、天津以东至河北宁河，全长350 km，总体走向NE30°，倾向SE，由一系列正断层组成。受断裂活动的影响，黄骅凹陷区新生代最大厚度可达8 000 m。垂直于沧东断裂的深、中、浅层地震勘探剖面显示，断裂呈铲状，错断至上地壳，最新活动时代为第四纪中更新世。

图2 唐山及周围莫霍面等深线[18]Fig.2 Tangshan and its surrounding Moho contour

图3 唐山及邻区大地构造单元分区[19]Fig.3 Geotectonic unit zoning of Tangshan and its adjacent area

1.2 唐山断裂

介于北西向蓟运河断裂和滦县-乐亭断裂之间，总体走向NNE-NE，倾向NW、SE，倾角70°～80°，为逆走滑断层，长约59 km。由三条平行断裂组成，主要发育于古生代地层中，并伴有一系列褶皱，为燕山运动时形成。新生代时期，断裂活动引起地貌变化，形成地貌分界线，垂直差异幅度不到100 m。根据国家地震局地球物理勘探大队绘制的人工地震剖面，唐山附近地下有一条切穿莫霍面的深部断裂，其位置与上部断裂相当。断裂两侧莫霍面的落差2～3 km，东盘下降，西盘上升。由此得出，唐山断裂为一条深大断裂[20]，且具有高角度西倾逆冲走滑性质，晚更新世以来累积垂直错距达15 m[13]。

1.3 张家口-蓬莱断裂带

西起河北张北，向东南经张家口、怀来、宁河至山东省蓬莱、烟台以北的黄海海域，总体走向N60°W，长700余公里，为一条以正断为主具有左旋剪切性质的构造带，沿断裂带重力、磁异常明显，在上地壳组成和结构上有明显差异，沿线地震活动强烈。断裂带由张北-南口段、南口-宁河段、渤海段和蓬莱-烟台段四段26条断裂断续组成，断裂沿线控制着一系列断陷盆地。其中蓟运河断裂为南口-宁河段中的一条，走向NW，倾向SW，倾角70°，长度50 km。据人工地震测深资料，断裂深达莫霍面。断裂东北盘上升，西南盘下降，第四系底界落差大于100 m，断裂两侧水系流向显示为左旋剪切，活动时代为第四纪全新世。

2 震前地震前兆、异常现象

2.1 动物异常

震前动物异常极其普遍而强烈、分布范围广[21-22]。据钱钢著《唐山大地震》[23]、陈永弟编著的《唐山地震纪实》[24]和地震后由幸存者自述见到的动物宏观异常，涉及的动物有鱼、鼠、黄鼠狼、鸡、鸭、鸽子、燕、蝙蝠、猪、狗、猫、羊、兔、鳖、青蛙、海蜇、蝎子、蚰蜒、蚯蚓、蚂蚁、蜻蜓。动物异常在时空分布上有一定的特点，时间分布上看，出现在临震前两天之内的约占71%，震前两天以上出现异常的主要是鱼、燕、猪、鸡、黄鼠狼、蚰蜒、蝴蝶、蝗虫、蝉、蝼蛄、麻雀等；空间分布上，在Ⅶ度以上烈度区内的约占80%，最远分布于天津大沽口海面Ⅵ度区。归纳动物震前异常特征，表现为水中的鱼、海蜇、鳖、青蛙纷纷上浮、翻白、跳跃;地中的鼠、黄鼠狼、蚯蚓爬出、转移、恐慌；地上的鸡、鸭、鸽子、猪、狗、猫、羊、兔不进窝、怪叫、不进食、恐惧不安；地上的燕、蝙蝠、蚂蚁、蜻蜓群聚、恐慌、转移。总之，震前环境的改变和动物生理的变化引起了各种动物异常反应，为地震的成因分析提供一定线索。

2.2 气象异常

曹新来等[25]、辛宝恒[26]对地震前、后气象变化、异常进行了详细分析，研究结果表明，从1975年1月至1976年6月唐山0.8 m地温为正距平，1975年平均地温是1957年以来24 a中的最高值，如图4所示。唐山西北的玉田和东南的柏各庄也有类似的升温异常现象。1976年1-6月0.8 m地温距平等值线升温幅度最大的位置为玉田、唐山、赤城、固安一带，总体上形成北东升温脊和北西升温圈(见图5)。唐山相对于外围4个不同方向标准站80 cm、40 cm地温差值距平7月以来呈现出稳定的上升趋势，唐山、昌黎80 cm地温在震前4 d(23-27日)地温突升，日变率分别为1.1°和1.2°，24日皆达到峰值状态，出现了地温爆发性增温异常现象。唐山及周围0.8 m地温异常变化不是太阳辐射热变化所能影响的，而是地壳深处热源所致。震前6-7月在天津宝坻附近出现平均气压距低值中心和唐山丰润附近高值中心，沿低、高值中心之间为北西向气压变化的最大梯度区，与断裂带基本吻合。在震中区一带，幸存者称临震前出现了地电、地光、地声现象，同时听到有地面风，却感觉不到，风声大、风力小。

图4 唐山0.8 m地温距平曲线图[25]Fig.4 Geothermal anomaly curve of 0.8 m in Tangshan

2.3 地下水、气味、地磁、地电异常

震前，在唐山及周围地区出现地下水宏观异常，主要有上升、下降、发浑变色和冒泡发响等四种。总体上表现为水位中长期缓慢下降、短期加速下降、临震回返、震时迅猛上升[27]4个异常阶段。临震前在唐山林西矿区，人们闻到散发着硫磺味的“臭雾”。通过对唐山地震前胜利、大港、辽河3个油田的油井和渤中2井及北京附近部分水井资料研究，表明不同的应力状态造成不同的油水井异常，前兆异常与孕震具有相关性[28]。

根据解用明等对昌黎、青光、红山等台的震前地磁绝对观测资料的计算、分析，结果表明，三台站震中距离与地磁变化呈正比关系，震前4-7月，最近的昌黎台地磁异常明显，较近的青光台异常幅度明显变小，较远的红山台变化不明显。由此确定震源区有震源体引起的局部磁异常[29]。据延庆县佛爷顶测雨雷达26-27日连续两天在京津唐上空的观测，发现存在奇特的磁场[23]。震前形变电阻率异常明显，短临异常总体表现为大幅度下降后微速回升，临震前两天出现加速下降[30]。

图5 1975年7-12月唐山及邻区0.8 m地温距平等值线[25]Fig.5 Equal value line of geothermal distance of 0.8 m in Tangshan and its adjacent areas from July to December 1975

3 震后地震现象

震后，在震中区出现地裂缝、地震断层、地面鼓起、铁轨弯曲等现象，为确定发震构造和探讨构造应力场提供了重要依据。唐山7.8级地震后，北起市区胜利路、南至望马台，在地表形成长达11 km的地裂缝带，总体走向NE30°，由NE40°～80°的多组裂缝组成雁行裂缝带，裂缝带宽0.7～100 m，右旋扭距最大1.50 m。地裂缝带两侧落差0.2～0.7 m，东南盘下降。水平错距、垂直落差中部最大，两端最小趋于零。NNE-NE向单条裂缝在平面显示为扭性，垂直方向上为逆冲，裂缝带属压扭性[20]。另外，在29中南北向、胜利路NE20°向、10中N60°W向、韩家街N10°W向、吉祥路N30°～60°W向出现鼓包，鼓包高0.3～0.6 m[16]。地表主破裂带与唐山断裂的位置、产状均一致，显示了唐山地震深浅构造关系的相关性。

根据唐山7.8级地震的震源机制解，地震破裂为高倾角的右旋走滑错动，其主压应力轴为NEE-SWW向，主张应力轴为NNW-SSE向，主应力轴的倾角都不大[18]，与华北地区MS≥6.0地震震源机制解趋于一致。在这样的应力场中，NNE-NE向的断层易发生右旋走滑运动，NWW-NW向的断层易发生左旋走滑运动，NNW向易出现鼓包。

4 地震发震构造成因机制

在河北省城市活断层探测与地震危险性评价项目(唐山市)中，在唐山地震区进行了深地震反射探测(1)河北省地震局，唐山市地震局.河北省城市活断层探测与地震危险性评价项目(唐山市)，2011.，如图6所示。剖面结果表明，唐山断裂带是一条规模较大的走滑断裂，浅部表现为典型的花状构造，在深部切割和扰动下，出现地壳物质和壳幔过渡带，这种深浅共存的断裂构造体系是控制该区地震孕育和发生的重要因素[31]。穿过华北唐山震区的地震记录截面反映了该区的地壳结构特征，存在下地壳/幔过渡带，厚约6 km，波速偏低，为6.3～6.5 km/s。地壳厚约32 km，下地壳厚约18 km，在深约6～14 km、7～24 km处出现了速度为6.0 km/s、6.2 km/s的低速层，地壳平均速度约6.1 km/s[32]。唐山地震震源深度为11 km，地震发生在低速层内,地震是深断裂形变与深部层间滑动相结合的产物[33]。

图6 唐山深地震反射剖面解释图①Fig.6 Interpretation of Tangshan deep seismic reflection profile

震区一带第四系松散层沉降厚度由北向南逐渐加大，唐山市区为200 m，向南顺陡河逐渐加大至800 m以上，反映了唐山断裂陡河段活动性南强北弱的特征，这与唐山地震余震反映的震源深度南深北浅一致(见图7、图8)。图7为唐山7.8级地震后至1976年12月底余震(M≥4.5)的震中分布，余震区长约140 km，宽约50 km，长轴轴向NE47°，余震分布区与唐山断裂趋于一致。图8为平行于长轴方向和在宁河地区垂直于长轴方向余震深度分布图[20]。余震深度一般分布于5～35 km，位于莫霍界面之上地壳内，震源深度在南端最深，也反映了两断裂在地壳深部共轭交汇、孕育，进而产生地震。

图7 唐山地震余震(M≥4.5)震中及主要构造分布[20]Fig.7 The epicenter and main tectonic distribution of aftershock(M≥4.5) of Tangshan earthquake

图8 唐山地震部分余震深度分布[20]Fig.8 Distribution of aftershock depth in Tangshan

根据华北地区新生代区域应力场特征，唐山断裂应为右旋剪切压性逆断裂，蓟运河断裂应为张性正断裂，两断裂交汇区为易积累应力的地区。从地震等震线形态看，总体上呈北东向的椭圆状，等震线皆在西北向外凸出，反映了地震是以唐山断裂为主、蓟运河断裂为辅的两断裂共轭活动引起。除上述发震断层外，深部构造特征与唐山地震的孕育有关。唐山地震位于以渤海为中心的上地幔高导层隆起区的50 km与北部山前地带80 km的等深线之间的变化带上，受上地幔上隆影响，上地壳侧向滑动，对唐山地震的孕育起着不可忽视的作用[18]。由重力异常、航磁异常、地壳厚度、断裂沿线地震分布及人工地震剖面确定，两断裂均为规模大的深大断裂。唐山断裂的右旋剪切逆倾滑活动受阻于蓟运河左旋正断裂的摩擦阻力，应力闭锁，当两断裂相互活动，应力聚集到一定程度时，应力释放并伴随地震的发生。唐山及其附近地区水平应力示意及断裂性质解译如图9所示。