王 健 李春峰 雷建設(shè),* 張廣偉

1) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)2) 中國(guó)浙江舟山316021浙江大學(xué)海洋學(xué)院海洋地質(zhì)與資源研究所

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華北地區(qū)地震活動(dòng)與地殼熱結(jié)構(gòu)關(guān)系研究*

王 健1)李春峰2)雷建設(shè)1),*張廣偉1)

1) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)2) 中國(guó)浙江舟山316021浙江大學(xué)海洋學(xué)院海洋地質(zhì)與資源研究所

本文應(yīng)用雙差定位法對(duì)2009—2015年華北地區(qū)發(fā)生的地震進(jìn)行了重新定位，共得到6225次地震的精確定位結(jié)果. 結(jié)果顯示, 重定位后的小震更加集中分布于斷裂附近，震源深度多為5—15 km. 利用基于三維分形磁化模型的中心點(diǎn)法獲得了華北地區(qū)的居里點(diǎn)深度并計(jì)算了磁性層的平均地溫梯度，進(jìn)而利用隨溫度變化的熱導(dǎo)率一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程獲得了華北地區(qū)的地殼溫度結(jié)構(gòu)．結(jié)果顯示：① 除張渤地震帶中東部地區(qū)以外，大多數(shù)地震均發(fā)生在地溫梯度較小的地方；② 1966年邢臺(tái)MS7.2地震和1976年唐山MS7.8地震均發(fā)生在地溫梯度較小的地方，二者發(fā)生的溫度約為200℃—300℃；③ 大多數(shù)M≥2.0地震發(fā)生的溫度為100℃—500℃，M≥4.0地震發(fā)生的溫度多為200℃—400℃．這些溫度與實(shí)驗(yàn)室地殼巖石脆-塑性變形過(guò)渡區(qū)的溫度測(cè)量值相當(dāng)，表明華北地區(qū)的地震多發(fā)生在地殼脆-塑性變形過(guò)渡區(qū)．

雙差定位法 地震活動(dòng) 居里點(diǎn)深度 地殼熱結(jié)構(gòu) 華北地區(qū)

引言

地震發(fā)生深度會(huì)受到應(yīng)變速度、流體壓力、溫度、礦物組成等因素的影響(Meissner，Strehlau，1982；Sibson，1982，1984；Chen，Molnar，1983)．一般而言，發(fā)震層主要位于地殼脆-塑性過(guò)渡帶附近，而溫度則是控制巖石脆-塑性變形的一個(gè)主要因素(Sibson，1982)．因此，發(fā)震層的厚度(或深度)不僅是地震活動(dòng)分析的重要參數(shù)，同時(shí)也是地殼力學(xué)結(jié)構(gòu)與溫度結(jié)構(gòu)研究的重要參數(shù)．

地表熱流(或地溫梯度)與地震活動(dòng)性之間呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)性(Sibson，1982；Chen，Molnar，1983；Furlong，Atkinson，1993；Tanaka，Ishikawa，2002)．Bonner等(2003)研究結(jié)果表明美國(guó)加州發(fā)震層的底界溫度為(450±50)℃和(260±40)℃．Tanaka和Ishikawa(2002)對(duì)日本東北部發(fā)震層底界溫度的研究結(jié)果表明該溫度約為200℃—550℃．隨后，Tanaka和Ishikawa(2005)對(duì)日本島弧發(fā)震層底界溫度的研究結(jié)果表明該溫度約為250℃—450℃，而Cho和Kuwahara(2013)則認(rèn)為該溫度為320℃—420℃．上述溫度與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理測(cè)量的結(jié)果較為一致，如石英礦物脆-塑性變形過(guò)渡區(qū)的溫度約為(300±50)℃，長(zhǎng)石礦物脆-塑性變形過(guò)渡區(qū)的溫度約為425℃—650℃(Tullis，Yund，1977，1985；Shimada，1992，1993)．

上述地殼溫度結(jié)構(gòu)的研究主要是基于地表熱流測(cè)量結(jié)果，然而由于地表熱流的測(cè)量分布極為稀疏和不均勻，并且測(cè)量深度較淺，故對(duì)深部地殼熱狀態(tài)的約束有限．另外，這些測(cè)量值也明顯受到地表熱液循環(huán)和侵蝕作用的影響．由磁異常數(shù)據(jù)反演得到的居里點(diǎn)深度Zb則可以很好地用于區(qū)域深部地殼熱結(jié)構(gòu)的研究中(Tanakaetal，1999；Rossetal，2006；Bouligandetal，2009；Lietal，2010，2013；Bansaletal，2011；Li，2011；Wang，Li，2015；Li，Wang，2016)．

本文擬應(yīng)用雙差定位法對(duì)2009—2015年華北地區(qū)發(fā)生的地震進(jìn)行重定位，并基于居里點(diǎn)深度研究該地區(qū)的地殼熱結(jié)構(gòu)，以分析該區(qū)域發(fā)震層的熱力學(xué)性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)意義．

1 地震重定位

華北地區(qū)特別是其北部是我國(guó)地震活動(dòng)較為活躍的地區(qū)之一，該區(qū)域發(fā)育有陰山—燕山隆起、山西地塹、太行山隆起、華北平原等構(gòu)造單元，如圖1所示．歷史上，該區(qū)域曾發(fā)生過(guò)多次大地震，特別是1966年邢臺(tái)MS7.2地震和1976年唐山MS7.8地震．近年來(lái)，該區(qū)域小震發(fā)生頻繁且分布廣泛，呈“π”字形分布，如圖1所示．

圖1 研究區(qū)構(gòu)造及震中分布圖黑色三角形為地震臺(tái)站，藍(lán)色圓點(diǎn)為原始地震目錄震中，紅色星號(hào)分別為1966年邢臺(tái)MS7.2地震(徐錫偉等，2000)和1976年唐山MS7.8地震(王健，2001)，紅色框?yàn)榈卣鹬囟ㄎ环秶?/p>

由于受定位方法、速度模型等因素的限制，原始地震目錄中的定位結(jié)果很難直接用于地震活動(dòng)性及其相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的研究．雙差定位法(Waldhauser，Ellsworth，2000)能夠有效地改進(jìn)地震定位結(jié)果，該方法主要利用兩個(gè)相近事件到同一臺(tái)站的走時(shí)殘差之差進(jìn)行重新定位，從而能有效降低由于地殼速度結(jié)構(gòu)的不確定性所導(dǎo)致的定位誤差．國(guó)內(nèi)諸多研究人員已成功應(yīng)用雙差定位法對(duì)華北地區(qū)開(kāi)展了小震精定位研究，得到了較為可靠的新結(jié)果，例如：朱艾斕等(2005)和李樂(lè)等(2007)分別對(duì)首都圈及鄰區(qū)1980—2000年和1980—2004年的地震進(jìn)行了重定位研究；于湘?zhèn)サ?2010a，b)、張廣偉等(2011)、趙博等(2013)和李紅光等(2015)應(yīng)用雙差定位法對(duì)華北地區(qū)的地震進(jìn)行了重定位研究．

本文收集了2009—2015年發(fā)生在華北地區(qū)的1萬(wàn)1515次地震，獲得了由284個(gè)數(shù)字化地震臺(tái)站記錄到的12萬(wàn)7539條P波和22萬(wàn)2336條S波到時(shí)資料；然后應(yīng)用雙差定位法對(duì)這些地震進(jìn)行重新精確定位，結(jié)果如圖2a所示．為了確保地震定位結(jié)果的可靠性，剔除地震臺(tái)站記錄數(shù)小于6的地震，并根據(jù)P波和S波的時(shí)距曲線，選擇震中距在250 km范圍內(nèi)的到時(shí)資料，最終挑選出1萬(wàn)1383個(gè)地震事件．在應(yīng)用雙差定位法前，為了得到更高精度的定位結(jié)果和更多的地震事件，采用最大空間距離為10 km的搜索半徑，對(duì)地震事件進(jìn)行配對(duì)，最終共有8414次地震可以進(jìn)行配對(duì)并參與重新定位．

由于本文研究區(qū)域(36°N—42°N，110°E—120°E)東、西兩側(cè)的地殼速度結(jié)構(gòu)差異較大，因此，選取Lei等(2008)的一維速度模型作為東部區(qū)域的地殼速度模型，選取唐有彩等(2010)和郭震等(2015)的一維速度模型作為西部區(qū)域的地殼速度模型(圖2f)．將P波走時(shí)殘差的權(quán)重設(shè)為1.0，S波走時(shí)殘差的權(quán)重設(shè)為0.5，利用共軛梯度法求取阻尼最小二乘解．

在8414個(gè)地震數(shù)據(jù)中，應(yīng)用不同的速度模型，其中有2189次地震在迭代反演過(guò)程中重新加權(quán)時(shí)因地震分布比較零散，無(wú)法配對(duì)或重定位至地表以上，導(dǎo)致與其它地震完全失去聯(lián)系而被剔除，最終獲得了6225個(gè)高質(zhì)量的地震事件，如圖2a所示．走時(shí)均方根殘差由重定位前的0.41 s下降至重定位后的0.18 s(東部)和0.17 s(西部)，定位偏差在東西、南北及深度方向的平均相對(duì)誤差分別為0.68 km(東部)和0.66 km(西部)、0.72 km(東部)和0.70 km(西部)以及0.93 km(東部)和1.05 km(西部)．從平面上看，重定位后的震中分布更加集中，如山西地塹、唐山、邢臺(tái)地震帶等地區(qū)(圖2a); 從深度剖面上看，地震多發(fā)生在20 km以內(nèi)的區(qū)域(圖2b，c)．重定位前的震源深度多分布在5—10 km(圖2d)，而重定位后的震源深度則多分布在0—15 km，這與于湘?zhèn)サ?2010b)、張廣偉等(2011)和趙博等(2013)的定位結(jié)果較為一致，且震源深度的分布形態(tài)更接近于正態(tài)分布(圖2e)．

圖2 華北地震重定位結(jié)果(a)為重定位后的震中分布，紫線為研究區(qū)東、西部速度模型分界線，紅線為3條剖面位置；(b)和(c)分別為重定位后沿緯度和經(jīng)度方向的震中分布側(cè)面圖；(d)和(e)分別為重定位前和重定位后的震源深度統(tǒng)計(jì)圖；(f)為速度模型

1.1 張渤地震帶

張渤地震帶是位于陰山—燕山隆起與華北平原之間的過(guò)渡帶，是華北北部地區(qū)地震活動(dòng)最為頻繁的區(qū)域．對(duì)比重定位前后的震源深度分布(圖3a)可以看出，重定位前的震源深度多位于30 km以內(nèi)，而重定位后的震源深度則多集中于20 km以內(nèi)．重定位后的結(jié)果顯示重力梯度帶為震源深度分布的界限，自重力梯度帶向西震源深度逐漸變淺，向東也呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)，而在重力梯度帶附近的震源深度最大，這與趙博等(2013)的定位結(jié)果一致，表明重力梯度帶對(duì)華北地區(qū)的地震活動(dòng)有具重要的構(gòu)造意義．

圖3 重定位前(上)、后(下)AA′，BB′和CC′剖面的深度對(duì)比圖(a) 張渤地震帶；(b) 山西地震帶；(c) 唐山—邢臺(tái)地震帶

1.2 山西地震帶

山西地震帶位于穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊與華北平原之間，地震主要發(fā)生在山西地塹內(nèi)，為一張性地震活動(dòng)帶(Yin，2000；Liuetal，2004)．對(duì)比重定位前后的震源深度(圖3b)可以看出：重定位前的震源深度多分布在0—30 km范圍內(nèi)；而重定位后的震源深度，除太原地區(qū)較深外，其余地區(qū)的震源深度多分布在0—20 km范圍內(nèi)．重定位后的震源深度結(jié)果顯示, 山西地震帶自北向南呈現(xiàn)明顯變深的趨勢(shì)，由于大同的火山作用(Leietal，2013)，使得大同地區(qū)的震源深度最淺，太原地區(qū)的震源深度最深．

1.3 唐山—邢臺(tái)地震帶

唐山—邢臺(tái)地震帶位于華北平原，該地震帶曾發(fā)生過(guò)1966年邢臺(tái)MS7.2地震和1976年唐山MS7.8地震．對(duì)比重定位前后的震源深度(圖3c)可以看出，重定位前的震源深度多分布在0—25 km范圍內(nèi)，而重定位后的震源深度多分布在0—20 km范圍內(nèi)．唐山地區(qū)地震重定位后的震源深度結(jié)果與張廣偉等(2011)和李紅光等(2015)的定位結(jié)果較為一致，而明顯淺于趙博等(2013)的定位結(jié)果(約25 km)，這可能與不同研究人員所選取的地震數(shù)據(jù)時(shí)期不同有關(guān)．重定位后的震源深度結(jié)果顯示該地震帶具有明顯的分段特征，分別為唐山地震段和邢臺(tái)地震段．自唐山以南區(qū)域，其震源深度逐漸變深，至邢臺(tái)以北區(qū)域，震源深度又逐漸由淺變深；自邢臺(tái)西南區(qū)域至接近重力梯度帶附近，其震源深度又逐漸變淺．

2 居里點(diǎn)深度

本文所使用的磁異常數(shù)據(jù)來(lái)源于EMAG2(Earth Magnetic Anomaly Grid of 2-arc-minute resolution)全球模型(Mausetal，2009)，該數(shù)據(jù)整合了來(lái)自衛(wèi)星、航空和船測(cè)磁異常數(shù)據(jù)，其基準(zhǔn)高度為大地水準(zhǔn)面之上4 km，可以有效地用于居里點(diǎn)深度反演以及巖石圈熱結(jié)構(gòu)的研究(Lietal，2013；Li，Wang，2016)．圖4給出了華北地區(qū)的磁異常. 可以看出，張渤地震帶中東部和山西地震帶北部等區(qū)域表現(xiàn)為高磁異常，而華北克拉通東部則表現(xiàn)為寬緩的磁平靜特征.

基于磁異常數(shù)據(jù)的譜方法是反演居里點(diǎn)深度Zb的常用方法，這些譜方法是基于Zb對(duì)應(yīng)于深部一個(gè)起伏的溫度界面的假設(shè)，位于該界面之下由于巖石溫度超過(guò)其居里點(diǎn)而變?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)．居里點(diǎn)深度反演的譜方法一般分為兩種，一種為拐點(diǎn)法(spectral peak method)(Connardetal，1983)，另一種為中心點(diǎn)法(centroid method)(Tanakaetal，1999)．本文選用基于三維分形磁化模型的中心點(diǎn)法計(jì)算華北地區(qū)的居里點(diǎn)深度(Lietal，2013；Wang，Li，2015)，即

(1)

(2)

式中，AΔT為磁異常的徑向平均振幅譜，k為波數(shù)，Zt和Z0分別為磁源體頂界和中心點(diǎn)的埋深，β為三維功率譜分形指數(shù)，A和B為常數(shù)．根據(jù)式(1)和式(2)可分別在中-高波數(shù)域和低波數(shù)域內(nèi)擬合求得Zt和Z0，居里點(diǎn)深度則可通過(guò)下式求得：

圖4 華北地區(qū)磁異常

Zb=2Z0-Zt.

(3)

分形指數(shù)β的大小在不同構(gòu)造區(qū)域的值不同，一般介于2.0—4.0之間(Fedietal，1997；Pilkington，2007；Bouligandetal，2009)．Li和Wang(2016)在研究東亞及東南亞區(qū)域居里點(diǎn)深度時(shí)指出，分形指數(shù)取3.0時(shí)較符合實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造．因此，本文選用β=3.0計(jì)算華北地區(qū)的居里點(diǎn)深度．應(yīng)用滑動(dòng)窗口計(jì)算居里點(diǎn)深度時(shí)，不同的窗口大小會(huì)影響Zb的分辨率，即較小的窗口具有較高的分辨率，但有可能捕獲不到深部磁源體的信息；而較大的窗口雖然可以捕獲深部磁源體的信息，但同時(shí)會(huì)降低分辨率．因此，本文選用窗口大小為100.8 km×100.8 km和201.6 km×201.6 km分別計(jì)算Zb，并取其平均值作為最終的居里點(diǎn)深度．

圖5給出了華北地區(qū)的居里點(diǎn)深度. 可以看出：通過(guò)EMAG2模型計(jì)算得到的華北地區(qū)居里點(diǎn)深度約為24—32 km，其中東部約為24—28 km，西部約為26—31 km; 而燕山造山帶的居里點(diǎn)深度則為17—22 km．Gao等(2015)利用NGDC模型計(jì)算了鄂爾多斯盆地及其周緣的居里點(diǎn)深度，結(jié)果表明燕山和山西地塹的居里點(diǎn)深度約為24—30 km，與本文的結(jié)果較為一致．An和Shi(2007)通過(guò)S波速度異常反演了中國(guó)大陸上地幔的溫度結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示華北克拉通東部25 km處溫度約為550℃，西部溫度約為500℃—525℃．考慮到陸殼巖石礦物的居里溫度一般約為550℃，我們可以認(rèn)為通過(guò)S波速度異常反演得到的華北克拉通東部的居里點(diǎn)深度約為25 km，而西部則明顯大于25 km，這與本文計(jì)算得到的居里點(diǎn)深度和變化趨勢(shì)較為一致．

華北克拉通的基底巖石主要由太古宇和古元古界組成，其中距今2.55—2.50 Ga的火成巖組成了華北克拉通80%的太古宙基底(Zhao，Cawood，2012)，因此研究區(qū)內(nèi)最大的居里點(diǎn)深度出現(xiàn)在華北克拉通(圖5)．由于受古太平洋板塊俯沖作用的影響，中生代發(fā)育的沿板塊邊界的強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，致使研究區(qū)內(nèi)華北克拉通北界顯示為較小的居里點(diǎn)深度．受新生代華北克拉通巖石圈的拆沉作用影響，地幔熱物質(zhì)上涌，使得華北克拉通東部的居里點(diǎn)深度略小于西部(圖5)，而深部熱物質(zhì)的上涌則可能是導(dǎo)致該區(qū)域地震活躍的原因之一．然而，受新生代斷陷作用所控制的山西地塹帶卻并沒(méi)有顯示出明顯較淺的居里點(diǎn)深度，Gao等(2015)在該地區(qū)也得到類似的結(jié)果，這一特征將在下節(jié)結(jié)合地殼溫度結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步探討．

圖5 華北地區(qū)居里點(diǎn)深度

根據(jù)華北地區(qū)的居里點(diǎn)深度，可以計(jì)算得到華北地區(qū)磁性層的平均地溫梯度，結(jié)果如圖6所示．可以看出，除了燕山造山帶具有較高的平均地溫梯度(約26—31℃/km)外，華北平原的平均地溫梯度約為17—22℃/km．雖然地殼深部的地溫梯度無(wú)法直接測(cè)量，但由于地殼淺部受流體活動(dòng)和侵蝕作用的影響以及巖性差異較大的原因，地殼淺部的地溫梯度明顯大于其深部，因此，整個(gè)地殼的平均地溫梯度明顯小于地表鉆孔的測(cè)量結(jié)果．何國(guó)幸等(2009)通過(guò)分析華北平原不同地區(qū)的鉆孔測(cè)溫資料認(rèn)為，華北平原基底(早古生界)的地溫梯度大多為20—27℃/km，而上、下古生界為地溫梯度的分界面，該界面以上的地溫梯度較大，界面以下的地溫梯度較?。纱丝梢?jiàn)，本文計(jì)算得到的華北地區(qū)磁性層的平均地溫梯度較符合實(shí)際的地質(zhì)情況．

為了更好地研究地殼熱結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)之間的關(guān)系，我們將重定位后M<2.0的地震剔除．從圖6可以看出，除張渤地震帶中東部地區(qū)以外，大多數(shù)地震均發(fā)生在地溫梯度較小的地方，這與Tanaka和Ishikawa(2002)在日本東北部的研究結(jié)果一致．張渤地震帶中東部地區(qū)的居里點(diǎn)深度較淺(圖5)，而該區(qū)域正好位于重力梯度帶東側(cè)，表明該區(qū)域的居里點(diǎn)深度可能受控于與重力梯度帶有關(guān)的晚期巖漿活動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)域的地震較為活躍．其中張家口—北京段的地震主要分布在地溫梯度極大值附近，而北京—天津段的地震則主要位于地溫梯度過(guò)渡區(qū)域．類似地，山西地震帶北段也基本分布在地溫梯度過(guò)渡區(qū)域，而南段則分布在地溫梯度極小值附近．唐山—邢臺(tái)地震帶相對(duì)于其周緣區(qū)域而言，包括1966年邢臺(tái)MS7.2地震和1976年唐山MS7.8地震，也基本均位于地溫梯度極小值區(qū)域，如圖6所示．

圖6 華北地區(qū)磁性層平均地溫梯度

3 地殼熱結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)

一般而言，陸殼長(zhǎng)波長(zhǎng)磁異常的磁性礦物主要由磁鐵礦和低鈦含量的鈦鐵礦所引起的(Frost，Shive，1986)．純磁鐵礦的居里點(diǎn)約為580℃，但會(huì)隨著鈦含量的增加而降低，地殼深部磁性礦物的居里點(diǎn)低至約520℃(Shueyetal，1977)．因此，本文選取磁性層底界溫度Tc=550℃來(lái)研究華北地區(qū)的地殼熱結(jié)構(gòu)，并分析其與地震活動(dòng)性之間的關(guān)系．

假設(shè)只有垂向熱傳導(dǎo)，且磁性層底界溫度為居里溫度，則可以根據(jù)居里點(diǎn)深度研究地殼熱結(jié)構(gòu)(Li，2011；Lietal，2012)．假設(shè)巖石圈連續(xù)熱產(chǎn)量隨著深度增加呈指數(shù)衰減，利用隨溫度變化的熱導(dǎo)率模型，可將一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程改寫(xiě)為(Lietal，2012)

(4)

式中：k[T(z)]=3.85/[1+0.001T(z)]為熱導(dǎo)率；T為溫度；z為深度，向下為正；H0=2.0 μW/m3為地表熱產(chǎn)率；hr=10 km為熱產(chǎn)量衰減因子．

根據(jù)圖2的3條剖面位置，利用式(4)分別計(jì)算得到了其地殼溫度結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖7所示．

剖面AA′位于張渤地震帶，根據(jù)居里點(diǎn)深度和震源深度特征自西向東可分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ等4段．Ⅰ段居里點(diǎn)深度逐漸變大，其震源深度也逐漸變大，居里點(diǎn)最深(距離約120 km)處的震源深度也最深．Ⅱ段居里點(diǎn)深度逐漸變淺，其震源深度也略微變?。蠖尉永稂c(diǎn)深度逐漸變大，除了該段東部外，其震源深度也略微變大．Ⅳ段居里點(diǎn)深度在唐山附近又開(kāi)始變淺，類似地，該段震源深度在唐山附近也變淺．然而，唐山附近的居里點(diǎn)深度仍然比Ⅲ段的居里點(diǎn)深度大，但唐山附近的震源深度卻比Ⅲ段的震源深度小，表明除了地殼的熱狀態(tài)影響了唐山附近的地震活動(dòng)外，還有其它因素也對(duì)該區(qū)域的地震活動(dòng)產(chǎn)生了影響．整個(gè)AA′剖面上，重力梯度帶處的居里點(diǎn)深度最淺，但其震源深度卻較深，表明重力梯度帶不僅是一個(gè)溫度界限，而且該處也可能存在深大斷裂，致使其附近區(qū)域的震源深度較深．剖面AA′的Ⅰ和Ⅲ段大多數(shù)地震發(fā)生的溫度為200℃—500℃；Ⅱ和Ⅳ段大多數(shù)地震發(fā)生的溫度為100℃—400℃．M≥4.0地震發(fā)生的溫度多為200℃—400℃，1976年唐山MS7.8地震發(fā)生的溫度大約為200℃—300℃(圖7a和7c)．

圖7 沿AA′(a)，BB′(b)和CC′(c) 3條剖面的地殼溫度結(jié)構(gòu)和重定位后的震源深度分布剖面圖

剖面BB′位于山西地震帶，其居里點(diǎn)深度與震源深度變化特征具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7b)．該剖面自北向南，居里點(diǎn)深度逐漸變大，其震源深度也逐漸變大．由于大同的火山作用，地震多發(fā)生在5 km深度附近．太原附近的居里點(diǎn)深度最大，其震源深度也最大．整個(gè)剖面地震發(fā)生的溫度多為100℃—400℃，M≥4.0地震發(fā)生的溫度為200℃—400℃．

值得注意的是，山西地震帶長(zhǎng)期被認(rèn)為是一條NNE向的地塹型活動(dòng)構(gòu)造帶，主要受新生代斷陷帶控制，多發(fā)生張性地震活動(dòng)．震源機(jī)制解表明該區(qū)域的地震多為走滑正斷型，地塹兩側(cè)的應(yīng)力作用多以張性為主，可能是受控于深部熱物質(zhì)上涌(劉光勛，閻鳳忠，1995；Yin，2000；Zhao，2004)．然而，該地震帶卻顯示出較大的居里點(diǎn)深度(圖5)和較小的平均地溫梯度(圖6)，重定位后的結(jié)果也顯示出較大的震源深度，特別是其南部震源深度最大，并與居里點(diǎn)深度變化趨勢(shì)一致(圖7b)．上述結(jié)果似乎并不支持山西地震帶的地震受控于深部熱物質(zhì)上涌，更可能是局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用．

剖面CC′位于唐山—邢臺(tái)地震帶，其居里點(diǎn)深度和震源深度變化趨勢(shì)明顯不同于上述兩個(gè)地震帶(圖7c)．雖然唐山附近自北向南，其居里點(diǎn)深度逐漸變大，震源深度也逐漸變大，但整體上剖面CC′顯示出較大的居里點(diǎn)深度對(duì)應(yīng)較小的震源深度，類似剖面AA′唐山附近的居里點(diǎn)深度和震源深度的變化規(guī)律(圖7a). 剖面CC′邢臺(tái)附近的震源深度除了受地殼熱狀態(tài)的影響外，還受到其它因素的影響．剖面CC′地震發(fā)生的溫度多為100℃—400℃，M≥4.0地震發(fā)生的溫度多為200℃—300℃．1966年邢臺(tái)MS7.2地震發(fā)生的溫度大約為200℃—300℃(圖7c)．

4 討論與結(jié)論

本文應(yīng)用雙差定位法對(duì)2009—2015年華北地區(qū)發(fā)生的地震應(yīng)用不同的地殼速度模型進(jìn)行了重新定位，最終得到了6225個(gè)精確定位的地震事件，重定位后的震源深度多分布在5—15 km范圍內(nèi)．

根據(jù)全球EMAG2磁異常模型，利用基于三維分形磁化模型的中心點(diǎn)法獲得了華北地區(qū)的居里點(diǎn)深度，并得到了華北地區(qū)磁性層的平均地溫梯度．除張渤地震帶中東部地區(qū)以外，大多數(shù)地震均發(fā)生在地溫梯度較小的地方．1966年邢臺(tái)MS7.2地震和1976年唐山MS7.8地震均發(fā)生于地溫梯度較小的地方．張渤地震帶中東部地區(qū)的居里點(diǎn)深度較淺, 可能與受控于重力梯度帶的晚期巖漿活動(dòng)有關(guān)，巖漿活動(dòng)造成的熱異?？赡苁窃搮^(qū)域地震活動(dòng)頻繁的原因之一．

本文應(yīng)用隨溫度變化的熱導(dǎo)率一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，獲得了華北地區(qū)的地殼溫度結(jié)構(gòu)．結(jié)果表明：大多數(shù)地震發(fā)生的溫度為100℃—500℃，M≥4.0地震發(fā)生的溫度多為200℃—400℃；1966年邢臺(tái)MS7.2地震和1976年唐山MS7.8地震發(fā)生的溫度約為200℃—300℃．這些結(jié)果與日本島弧和美國(guó)加州等地區(qū)地殼溫度與震源深度關(guān)系的研究結(jié)果較為一致(Tanaka，Ishikawa，2002；Bonneretal，2003；Cho，Kuwahara，2013)，也與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石脆-塑性變形過(guò)渡區(qū)溫度測(cè)量結(jié)果一致(Tullis，Yund，1977，1985；Shimada，1992，1993)，表明華北地區(qū)大多數(shù)地震均發(fā)生在地殼脆-塑性變形過(guò)渡區(qū)域．

對(duì)比張渤、山西和唐山—邢臺(tái)這3條地震帶剖面(圖7)可以看出，唐山和邢臺(tái)地區(qū)的震源深度明顯小于另外兩條地震帶的震源深度，但其居里點(diǎn)深度(或地溫梯度)卻沒(méi)有明顯的變淺(圖5—7)．從震中平面分布圖(圖2a)可以看出，這兩個(gè)區(qū)域的震中分布明顯呈線性展布，受到斷裂活動(dòng)的影響．另外，巖性的變化不但影響地殼溫度的變化，還影響熱導(dǎo)率的變化(Magistrale，2002)，進(jìn)而影響地殼的熱結(jié)構(gòu)及流變結(jié)構(gòu)和發(fā)震層的深度．因此，唐山和邢臺(tái)等區(qū)域的地震活動(dòng)除了受地殼熱狀態(tài)的影響外，還受地殼淺部斷裂或/和巖性等因素的影響．本文研究得到的居里點(diǎn)深度(圖5)、磁性層平均地溫梯度(圖6)和重定位后的震源深度(圖7b)并不支持山西地震帶的地震活動(dòng)受控于深部熱物質(zhì)上涌，而更可能是受到局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化的影響．

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Relationship between seismicity and crustal thermal structure in North China

Wang Jian1)Li Chunfeng2)Lei Jianshe1),*Zhang Guangwei1)

1)KeyLaboratoryofCrustalDynamics，InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)InstituteofMarineGeologyandResources，OceanCollege，ZhejiangUniversity，ZhejiangZhoushan316021，China

This study relocates 6225 earthquakes recorded in North China during 2009 to 2015 using the double-difference location algorithm. The result shows that the relocated earthquakes are more concentrated around the faults and most focal depths range between 5 and 15 km. Then the Curie-point depths are estimated by using the centroid spectral method based on 3D fractal magnetization model，and the average thermal gradients of the magnetic layer are calculated. Furthermore，crustal temperatures are estimated based on the 1D steady thermal conduction equation with temperature-dependent conductivities. Our results show that most of the earthquakes occurred in the regions with low thermal gradients except for those in the central-eastern part of the Zhangjiakou-Bohai seismic zone. Both the 1966MS7.2 Xingtai earthquake and 1976MS7.8 Tang-shan earthquake occurred in the low thermal gradient regions with estimated tem-peratures ranging between 200℃ and 300℃. The evaluated temperature range for most of the earthquakes withM≥2.0 is between 100℃ and 500℃，and the temperature range is between 200℃ and 400℃ for large earthquakes withM≥4.0. All these temperatures are in line with that of the crustal brittle-ductile transition observed in laboratory studies，suggesting that most earthquakes in North China occurred in the crustal brittle-ductile transition zone.

double-difference location algorithm; seismicity; Curie-point depth; crustal thermal structure; North China

10.11939/jass.2016.04.008.

中央級(jí)公益性科研院所基本科研專項(xiàng)(ZDJ2016-01)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41372222)共同資助.

2016-04-27收到初稿，2016-06-15決定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.04.008

P313.3，P314

A

王健，李春峰，雷建設(shè)，張廣偉. 2016. 華北地區(qū)地震活動(dòng)與地殼熱結(jié)構(gòu)關(guān)系研究. 地震學(xué)報(bào), 38(4): 618--631.

Wang J, Li C F, Lei J S, Zhang G W. 2016. Relationship between seismicity and crustal thermal structure in North China.ActaSeismologicaSinica, 38(4): 618--631.doi:10.11939/jass.2016.04.008.

*通訊作者 e-mail: jshlei_cj@hotmail.com