1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部特征及其地质意义

殷 娜,李莹甄,纪同娟,余中元,万 飞,王艳萍,贾建鹏

(1.防灾科技学院,河北 三河 065201;2.河北省地震动力学重点实验室,河北 三河 065201)

0 引言

特征地震模式下地震破裂起始点的位移量大,向两侧逐渐衰减,多期地震破裂重复后破裂终止部位的位移量远远小于起始部位的位移量,即发生累计滑动亏损[1],且多表现为地形地貌异常,可以通过高精度的地球物理测量来揭露和验证[2]。尽管断裂带尾端的滑动亏损可以被余震、背景地震、前震和蠕滑等吸收,但是在破裂终止部位的应变积累在随即的应力加载过程中将会是最高的,而且极有可能成为地震成核区和下一次地震的破裂起始地区[3]。因此,通过研究断裂带尾端的几何结构与新活动特征,识别断裂带尾端的滑动亏损,在理论上有助于我们认识地震破裂的起始、传播和终止过程,及岩石圈的破裂强度和习性;在实际应用上是预测地震危险性和中长期地震预报的有效方法,能够用来判定未来地震可能发生的地区并预测其最大震级,可为研究区的地震风险排查和灾害危险性评价提供最直接的基础资料[1,4-8]。

我国华北平原区大型活动断裂带非常发育,大地震活动强烈,历史上曾先后发生1966邢台7.2级和1976年唐山7.8级等一系列破坏性地震。其中夏垫活动断裂位于华北平原的东北部,曾发生1679年三河—平谷8级大地震,人员伤亡和灾害损失惨重[9](图1)。但受第四系强覆盖等条件影响,对该历史大震的同震地表破裂长度及端部变形特征尚存争议。如孟宪梁等[10]认为该次历史大震的同震破裂长度约10 km,但《三河地震记》(任塾,乾隆《三河县志》卷15)中的记录表明地表破裂可能分别断续进入北京德胜门和平谷地区,其长度可能达100余公里,后人对此也有不同的认识[11-13]。因此,对于1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部特征的研究直接影响着对该断裂未来的地震危险性评估及灾害防御等工作。

本文在搜集分析前人资料的基础上,通过高分辨率卫星影像解译、野外地质地貌调查、浅层人工地震勘探、第四纪地层综合对比分析等工作,研究夏垫断裂带端部的几何结构及运动学特征。同时结合该地震的同震垂直位移分布等相关数据分析其同震地表变形特征。综合夏垫断裂的端部构造几何、新活动特征和1679年三河—平谷8级地震的同震地表垂直位移分布,讨论该地震的破裂尺度和夏垫断裂的端部构造变形等问题,为京津冀和华北平原东北部地区的地震灾害风险排查和地震危险性评估提供基础数据。

1 区域地震地质背景

华北平原地区是我国的政治和文化中心,人口密集,经济发达,地理位置特殊。然而,受诸多NE向隐伏活动断层的影响,该地区过去500年曾发生了至少13个M≥7的破坏性大地震,表明该地区具有较高的地震风险[14-16]。夏垫断裂带(也称夏垫—马坊断裂带)是其中最为典型的一条,走向约N30°E,整体倾向为SE,其几何展布北从北京平谷区的马坊经夏垫、西集到郞府,没入燕山南麓,总长度约120 km。地球物理数据揭示该断裂深达莫霍面至上地幔,在剖面上表现为“西断东超”的半地堑格局,明显控制了大厂凹陷巨厚的古近系和新近系堆积,中生代时有强烈活动,至古—新近纪时仍继续活动。向宏发等[11]根据在夏垫镇一带开展的浅层人工地震剖面的解释提出了“夏垫新断裂”的概念,认为其是在新近纪夏垫—马坊断裂带的基础上在第四纪新形成的活动断裂,斜切马坊断裂、郎府断裂和夏垫断裂,是华北平原北部一条重要的走滑发震断层[11-12,17]。夏垫新断裂走向N45°E,与原夏垫断裂交切成20°夹角,倾向SE,倾角50°～70°,是大厂第四纪凹陷和通县凸起两个最新构造单元的边界断裂。徐锡伟等[12]根据超浅层地震反射同样发现该地区地壳浅部存在着倾角明显和运动特征不同的两组断裂,1679年三河—平谷8级地震主要由陡倾角的走滑断裂产生。本文研究工作主要基于夏垫新断裂1679年三河—平谷8级同震破裂段落开展。

(a)中国活动构造略图(据文献[8]修编);(b)夏垫断裂带及其邻近地区地震构造图(据文献[13]修改);断裂名称字母缩写:NSFZ:南口—孙河断裂带;HGFZ:黄庄—高丽营断裂带;LQFZ:良乡—前门断裂带;ESLCSFZ:二十里长山断裂带;NTFZ:南苑—通州断裂带;XMFZ:夏垫—马坊断裂带;XHFZ:香河—皇庄断裂带;LWFZ:廊坊—武清断裂带,图中地震为MS≥4.7破坏性地震,灰色实线为基岩埋深等深线,标度值为埋深厚度值;红色、紫色和黑色线条分别代表全新世、晚更新世和前第四纪断裂;蓝色虚线框为重点工作区范围。图1 夏垫断裂带及其邻近地区地震构造图Fig.1 Seismotectonic map in Xiadian fault zone and its adjacent areas

1679年三河—平谷8级地震是夏垫断裂最新一次地表破裂事件,形成了长约12 km、西起东柳河屯、经夏垫镇北、东止东兴庄,主要呈斜列展布的断层陡坎、坡折带和断陷槽地等同震地表破裂带[图2(a)]。该地震同时也是京东地区历史文献所记载的最大地震,其宏观震中潘各庄一带的地震烈度达到Ⅺ度[图2(b)],Ⅹ度区长轴范围达到90 km[9]。等震线的长轴方向与夏垫活动断裂展布基本一致。前人针对该破裂带的变形特征与古地震行为开展了深入研究,但其地表破裂长度和端部破裂特征等科学问题尚存争议[10-12,16,18]。

2 1679年三河—平谷8级地震地表破裂特征

(1)浅层地震勘探揭示的1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部特征

浅层人工地震反射是探测研究地壳浅部结构与构造的常用地球物理勘探方法之一。基于可控震源信号相关以及“小道间距、小偏移距、多通道和高频检波器接收的多次覆盖技术”的浅层地震反射波勘探方法在隐伏活动断层探测中应用较好[19-22]。为开展夏垫断裂带1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部的变形特征,本次工作跨其端部布设了2条浅层地震勘探测线(测线位置见图2),地震测线的端点和拐点采用GPS72 型卫星定位仪进行定位,数据采集采用的仪器为SUMMIT 数字地震仪,道间距2 m,接收道数300,长度约10 km,剖面解释结果见图3。

在AA′测线上可识别出3个断点Fa1～Fa3。其中,断点Fa1视倾向东南,埋深约为60 m;断点Fa2视倾向东南,埋深约为90 m;断点Fa3视倾向西北,埋深约130 m。尽管断层Fa1、Fa2和Fa3的倾向各不一致,但都表现出正断层的运动学性质,倾角约70°。剖面结构显示,夏垫断裂在该处表现出明显的浅部分叉和深部逐渐归并的特征。

在BB′测线上根据波组同相轴出现构造牵引、错断等现象,解释了2个断点Fp1、Fp2。Fp1断层为正断层,视倾向西北,其可分辨的上断点埋深约为40 m,垂直断距约为4 m。Fp2断层为正断层,视倾向东南,其可分辨的上断点埋深约为30 m,在该深度上的垂直断距约为2 m。断裂Fp1和Fp2在剖面上组合表现出地垒特征。同AA′测线揭示的结果相似,夏垫断裂在该处最新构造变形明显断错了晚更新统-全新统,表现出正断的运动学特征。垂直位移向深部逐渐增大的特征表明断裂的活动具有长期性。

(2)跨陡坎地形测量揭示的1679年三河—平谷8级历史地震同震垂直位移分布特征

1679年9月2日三河—平谷8级历史地震是夏垫断裂最近一次地表破裂型地震事件,在地表形成了一条西起东柳河屯,经夏垫镇北,东止于东兴庄,长约10～12 km的地表断层陡坎地貌[图2(a)]。本次研究在查阅前人调查数据的基础上,借助于Trimble差分GPS仪器(精度可达±0.25 m+1 PPm RMS)对此历史地震的地表同震垂直位移进行了测量。野外完成测线12条[分布位置见图2(a)],并结合前人探槽、钻孔和测量数据绘制了沿断裂走向的同震垂直位移特征分布图(图4)。结果显示此次8级地震的同震位移以潘各庄为界,分别向NE和SW两个方向扩展并逐渐减弱直至消失,几何形态呈现出明显不对称的钟形。该几何图像指示此次地震事件的地表破裂方式可能为双边破裂型,地表破裂长度可能只有10～12 km[23]。这一长度与经验统计的震级-地表破裂长度关系式明显不协调,其潜在的破裂过程与机制需要进一步探索研究。

3 结果和讨论

本文跨夏垫断裂1679年三河—平谷8级地震地表破裂的端部位置布设了2条浅层地震勘探剖面,研究了其端部的构造变形特征。结果显示,该同震地表破裂带的端部呈现出明显的结构分叉和位移减小等滑动亏损特征,最新活动时代为全新世,垂向的运动方式以拉张正断为主。同时结合1679年8级地震同震地表破裂的垂直位移分布图像等数据,分析认为该次地震的同震地表破裂长度可能只有10余公里,与8级地震的破裂尺度不协调,其震源体特征和断层破裂传播与终止的力学机制仍值得深入研究。

图中TQ1和TQ3分别代表下更新统和上更新统底界,红色实线代表解释的断层,T1～T6为辅助反射界面图3 浅层人工地震反射勘探剖面解释结果图[布设位置见图2(a)]Fig.3 Interpretation results of shallow artificial seismic reflection profiles [The layout position is shown in Fig.2(a)]

图中红色线条值为本次实测值,编号与图2(a)中编号一致,黑色实线和虚线分别根据前人探槽数据和测量数据绘制[9-12,24-25],阴影区代表地表同震位移最大值和最小值的拟合范围空间。图4 1679年三河—平谷8级地震同震垂直位移分布图Fig.4 Distribution of coseismic vertical displacement of Sanhe-Pinggu M8 earthquake in 1679

致谢:中国地震局地球物理勘探中心刘保金研究员和石金虎高级工程师提供了部分地震反射数据并指导了解译工作。防灾科技学院王二帅、张耀虎、臧正博、麦麦提、陈慧等参与了本文中的现场调查工作。谨致谢忱。