張雙鳳， 王 想， 李守勇， 張冀東

(1.河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，河北 邯鄲 056006； 2.河北省地震局，石家莊 050021)

從中等地震活動(dòng)分析華北應(yīng)力水平變化過(guò)程

張雙鳳1， 王 想2， 李守勇1， 張冀東1

(1.河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，河北 邯鄲 056006； 2.河北省地震局，石家莊 050021)

分析汶川地震以來(lái)，華北地區(qū)M≥4.0中等地震的時(shí)間序列、空間分布特征，以及華北應(yīng)力水平在汶川M8.0地震、東日本MW9.0地震前后的變化過(guò)程。結(jié)果顯示, 汶川地震對(duì)華北的影響基本止于華北西部的汾渭地震帶，影響最大的時(shí)間段為2010年；東日本MW9.0地震對(duì)河北平原地震帶及以東地區(qū)的地震活動(dòng)影響大，特別是距離板塊邊界越近，影響越大，影響最大的時(shí)間段為2013年；華北地區(qū)的中等以上地震活動(dòng)與周邊較大尺度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有一定關(guān)系；華北周邊發(fā)生大地震，但并沒(méi)有引起強(qiáng)震發(fā)生，可能與華北處于第四地震活動(dòng)期的平靜幕、應(yīng)力水平低有重要關(guān)系。

太平洋板塊；青藏塊體；華北地區(qū)；應(yīng)力水平；中等地震

0 引言

一個(gè)地區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)是地震學(xué)者最關(guān)心的要素之一。對(duì)華北地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)一般的認(rèn)識(shí)是其主要受到來(lái)自太平洋板塊和青藏塊體的共同控制，太平洋板塊的近EW向的擠壓作用對(duì)華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響更大，距離太平洋板塊向歐亞板塊俯沖的邊界越近，主壓應(yīng)變率越大[1-4]。劉澤民等[5]通過(guò)全球震源機(jī)制解資料，反演中國(guó)大陸附近板塊邊界帶上的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)空間分布認(rèn)為，2011年太平洋板塊日本本洲段的最大主壓應(yīng)力軸方位角轉(zhuǎn)折，對(duì)應(yīng)了華北2013年的M5.0地震的發(fā)生；李文英等[6]通過(guò)研究華北地區(qū)M6.0以上地震與日本海溝地震的相關(guān)性，認(rèn)為太平洋板塊的俯沖運(yùn)動(dòng)為東亞地震的發(fā)生提供了動(dòng)力，日本海溝和華北地震具有統(tǒng)一的動(dòng)力源，對(duì)華北地區(qū)地震具有“前兆”性；對(duì)青藏塊體的研究，鄭建常等[7]認(rèn)為青藏高原與華北地區(qū)地震活動(dòng)的應(yīng)變釋放存在著長(zhǎng)期均衡關(guān)系，青藏高原地區(qū)地震應(yīng)變釋放是華北地區(qū)應(yīng)變釋放發(fā)生變化的原因。與華北塊體有動(dòng)力學(xué)關(guān)系的青藏塊體和太平洋板塊，2008年發(fā)生了汶川M8.0地震、2011年發(fā)生了日本宮城的MW9.0地震。短短3年時(shí)間在華北周邊發(fā)生的2次巨震，對(duì)華北地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)變化有什么影響？不少學(xué)者還從形變場(chǎng)變化[8]、GPS觀測(cè)同震位移[9-10]、對(duì)周邊地震活動(dòng)影響[4,6,8-11]等不同方面做了大量研究。本文從華北M4.0以上中等地震的分布特征，來(lái)分析應(yīng)力水平的變化過(guò)程。

1 汶川M8.0地震、東日本MW 9.0大地震的相關(guān)參數(shù)

2008年5月12日14時(shí)28分04秒在四川汶川發(fā)生M8.0地震，這與印度洋板塊以約40 mm/a的速率不斷向歐亞板塊俯沖碰撞有重要關(guān)系。在印度洋板塊的推擠壓力與重力作用下，青藏塊體的物質(zhì)向東運(yùn)移, 受到華北塊體鄂爾多斯和華南塊體四川盆地的強(qiáng)硬阻擋。在四川盆地西緣的龍門山及附近地區(qū)，不僅其下物質(zhì)因重力原因在不斷集聚, 龍門山斷裂帶上的應(yīng)力與能量也在不斷地轉(zhuǎn)化與累積，應(yīng)力水平超過(guò)斷層上的摩擦極限后，斷層失穩(wěn)開(kāi)始滑動(dòng)，發(fā)生地震[12-13]。汶川地震造成北川逆沖斷裂上最大陡坎高度約為11 m，在彭灌斷裂上, 陡坎最高達(dá)3.0～3.5 m[14]。汶川地震引起我國(guó)大華北中部地區(qū)壓應(yīng)力增強(qiáng)[15]。

2011年3月11日，日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間14時(shí)46分，日本宮城東海域發(fā)生MW9.0地震并引發(fā)海嘯，日本將此次地震稱為“東日本大地震”。地震發(fā)生在太平洋板塊與北美板塊交界的俯沖帶上，在該區(qū)域太平洋板塊以約80 mm/a的速度相對(duì)歐亞板塊向西運(yùn)動(dòng)，此次地震為日本海溝地區(qū)典型逆沖型地震，且破裂長(zhǎng)度和寬度分別約500 km和200 km[16]。距離震中近2 000 km的中國(guó)東北和華北地區(qū)監(jiān)測(cè)到了毫米至厘米級(jí)的同震水平位移，最大值為35 mm，并導(dǎo)致東北和華北地區(qū)一系列NNE走向的斷裂產(chǎn)生了不同程度的張性應(yīng)變[16-18]。

2 華北地區(qū)M≥4.0的地震分布特點(diǎn)

華北地區(qū)在2008年5月12日后至2016年12月31日，共發(fā)了M≥4.0地震46次，其中4.0≤M≤4.9地震42次，M≥5.0地震4次，最大為通遼M5.3地震。研究時(shí)段的地震目錄來(lái)自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的正式月報(bào)；研究區(qū)域?yàn)槿A北地區(qū)，為108°～125°E， 30°～43°N，其中西南邊界基本沿西安—武漢一線，圍成的五邊形區(qū)域(圖1虛線框)。

2.1 2008年5月12日至2011年3月11日華北M≥4.0地震分布特點(diǎn)

汶川8.0地震后至日本9.0地震前，即2008年5月12日至2011年3月11日，為期34個(gè)月，發(fā)生M≥4.0的地震19次。地震按時(shí)間順序，以華北平原帶為界，分東、西2個(gè)區(qū)域列表(表1，圖1)。華北平原帶位于華北地區(qū)的中部，呈NNE走向，北起唐山灤縣，向西南經(jīng)唐山、河間、邢臺(tái)至新鄉(xiāng)一帶(圖1～2)，東區(qū)主要指華北平原帶及以東區(qū)域，西區(qū)主要指華北平原帶以西的汾渭地震帶及附近區(qū)域。

表1顯示，2008年11月至2010年6月，M4.0以上地震分東、西區(qū)交替發(fā)震(表1)，規(guī)律明顯， 20個(gè)月共發(fā)生了5個(gè)反復(fù)過(guò)程、11次地震；2010年7月至2011年3月，東區(qū)發(fā)震6次，西區(qū)發(fā)震2次，這個(gè)時(shí)間段距離日本2011年3月的MW9.0地震只有9個(gè)月時(shí)間。

表1 華北地震區(qū)汶川地震至日本福島地震期間M≥4.0地震序列

圖1 2008年05月13日—2011年03月10日華北M≥4.0地震分布圖

2.2 2011年3月11日至2016年12月31日華北地區(qū)M≥4.0地震分布特點(diǎn)

2011年3月11日至2016年12月31日，華北地區(qū)M≥4.0地震共發(fā)生了27次。表2、圖2顯示，西區(qū)地震稀少，東區(qū)地震活躍，并且4次M≥5.0地震都發(fā)生在東區(qū)。無(wú)論頻度還是強(qiáng)度，東區(qū)明顯強(qiáng)于西區(qū)。

表2顯示，日本MW9.0地震后，2011年3月11日到2012年2月1日，整個(gè)華北地區(qū)連續(xù)10.5個(gè)月沒(méi)有發(fā)生M≥4.0地震，極度平靜。直到2012年2月2日遼寧蓋州M4.2地震發(fā)生，才揭開(kāi)了華北M4.0以上地震活躍的序幕。2012年2月至2014年4月，26個(gè)月發(fā)生了14次M≥4.0(其中4次M5.0級(jí)以上)地震，14次地震都分布在東區(qū)，西區(qū)沒(méi)有發(fā)生地震。2014年9月6日河北涿鹿發(fā)生M4.3地震，這是2011年3月7日山西省五寨縣M4.2地震后時(shí)隔3.5年第一次在西區(qū)發(fā)震，打破了西區(qū)沒(méi)有M≥4.0地震的格局，但直到2015年底，總體依然保持東區(qū)活躍西區(qū)平靜的格局。2016年，西區(qū)先后發(fā)生了4次(包括該帶北端的尚義M4.0地震)，東區(qū)發(fā)生了3次，兩區(qū)地震活動(dòng)已無(wú)太明顯差異。

表2 日本9.0級(jí)地震后至今華北M≥4.0地震序列

圖2 2011年03月11日—2016年12月31日華北M≥4.0地震分布圖

3 分析華北地區(qū)應(yīng)力水平的變化過(guò)程

根據(jù)華北M≥4.0地震時(shí)、空分布特點(diǎn)，分析認(rèn)為：

1)2008年11月—2010年6月期間，東、西2區(qū)M≥4.0發(fā)震頻率基本呈1∶1出現(xiàn)(表1、圖3)，地震能量釋放圖顯示(圖4)，2010年的西區(qū)能量釋放在研究時(shí)段內(nèi)最多(圖4b)，它距離汶川地震僅2年時(shí)間，說(shuō)明汶川地震對(duì)西區(qū)的影響明顯；這個(gè)時(shí)段東區(qū)能量釋放處于正常水平(圖4a)，說(shuō)明汶川地震對(duì)東區(qū)影響不大。

2)2010年7月至2011年3月11日東日本MW9.0地震前，東區(qū)轉(zhuǎn)為發(fā)震活躍，發(fā)生了6次地震，而西區(qū)漸入平靜，只發(fā)生了2次地震(表1，圖3)。這可能說(shuō)明2010年7月以后，西區(qū)受汶川地震的影響漸??；而東區(qū)地震逐漸增多，反應(yīng)了該區(qū)應(yīng)力在增強(qiáng)，時(shí)間自2010年7月延續(xù)到2011年3月日本MW9.0大地震發(fā)生(圖3a)。根據(jù)華北的動(dòng)力環(huán)境，認(rèn)為動(dòng)力源應(yīng)為太平洋板塊對(duì)華北地區(qū)的俯沖作用加強(qiáng)。

3)MW9.0地震后，中等地震自2011年3月11日至2012年2月2日，整個(gè)華北地區(qū)M≥4.0地震平靜10.7個(gè)月(表2，圖3)，同時(shí)在華北、東北的定點(diǎn)應(yīng)變臺(tái)站同震響應(yīng)表現(xiàn)為張性階躍[8]，華北地區(qū)地下流體資料出現(xiàn)趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折[18]，GPS觀測(cè)資料的分析結(jié)果顯示，東北和華北地區(qū)一系列NNE走向的斷裂產(chǎn)生不同程度的張性應(yīng)變[4,19]。這與日本MW9.0地震的逆沖型破裂造成日本島的東海岸東向位移，中國(guó)東北、華北大面積的EW向壓應(yīng)力得到松弛[4]有關(guān)。

4)2012年2月2日營(yíng)口M4.2至2015年11月23日營(yíng)口M4.0地震期間，東區(qū)發(fā)生了19次地震，西區(qū)發(fā)生了1次，并且2013年發(fā)生的4次M≥5.0地震都在距離太平洋板緣最近的華北地區(qū)東緣(表2，圖2)。無(wú)論地震頻次還是地震釋放能量(圖3～4)，東、西兩區(qū)懸殊巨大。這是華北平靜10.7個(gè)月后發(fā)生的地震活動(dòng)，說(shuō)明MW9.0逆沖型地震在緩解了華北的壓應(yīng)力后，太平洋板塊的壓應(yīng)力又逐漸恢復(fù)，主導(dǎo)華北應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)一些斷裂帶經(jīng)歷了松弛—擠壓的過(guò)程，進(jìn)入到了易發(fā)震的狀態(tài)。圖3a、圖4a顯示，2013年即日本震后2年，東區(qū)的地震能量釋放水平在整個(gè)研究時(shí)段最高，2014年后釋放水平基本恢復(fù)到正常水平，由此判斷日本地震影響基本結(jié)束。圖3b、圖4b顯示同時(shí)段西區(qū)能量釋放微弱，說(shuō)明日本地震對(duì)西區(qū)幾乎沒(méi)有影響。

a 東區(qū)—華北平原地震帶及以東地區(qū)；b 西區(qū)—汾渭地震帶及附近地區(qū)圖3 M≥4.0地震 M-t圖

a 東區(qū)—華北平原地震帶及以東地區(qū)；b 西區(qū)—汾渭地震帶及附近地區(qū)圖4 M≥4.0地震能量釋放圖

5)2016年3月12日山西鹽湖M4.5地震發(fā)生，距離日本MW9.0已經(jīng)5年的時(shí)間，2016年華北的地震活動(dòng)由2012—2015年的東區(qū)強(qiáng)、西區(qū)弱轉(zhuǎn)變?yōu)闁|、西區(qū)基本持平的格局。說(shuō)明華北地區(qū)受東日本MW9.0地震影響隨著時(shí)間的推移在減弱，華北自身具備的應(yīng)力逐漸占主導(dǎo)地位。

4 認(rèn)識(shí)及結(jié)論

華北地區(qū)地處亞歐大陸東部，為印度板塊和太平洋板塊所挾持。印度板塊對(duì)亞歐板塊的碰撞擠壓主導(dǎo)了中國(guó)西部地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)，并通過(guò)青藏塊體向北東方向推擠華北塊體，其運(yùn)動(dòng)速率由西向東逐漸減小，華北塊體自西向東受力的強(qiáng)度在減小[20]。本文的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，汶川地震對(duì)華北自西向東的影響基本到汾渭地震帶為止，對(duì)華北的東部地區(qū)影響不明顯；影響最顯著的時(shí)段是在2年(2010年)后，汾渭地震帶上地震增多、能量釋放增多。

太平洋板塊的俯沖作用對(duì)華北地區(qū)的影響，據(jù)彭聰?shù)葘?duì)巖石圈-軟流圈剪切波速度結(jié)構(gòu)研究，太平洋巖石圈板塊已經(jīng)插入到華北巖石圈之下[21]；王祖繩等建立的“網(wǎng)狀塑性流動(dòng)”大陸動(dòng)力模型，認(rèn)為巖石圈下層(含地殼和巖石圈地幔)具備網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)條件，在板緣驅(qū)動(dòng)力的遠(yuǎn)程傳遞過(guò)程中起主要作用，控制板內(nèi)構(gòu)造變形、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、地震活動(dòng)及其他地質(zhì)和地球物理過(guò)程[22-23]。太平洋板塊的俯沖，形成了華北的主導(dǎo)動(dòng)力源。華北的中等地震活動(dòng)從時(shí)序、空間特點(diǎn)看，日本震后2年(2013年)華北能量釋放最多，所受影響最大(圖1，圖3～4)。這是太平洋板緣西向驅(qū)動(dòng)作用下，通過(guò)巖石圈下層的網(wǎng)狀塑性流動(dòng)帶動(dòng)上層巖石圈運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其能量的遠(yuǎn)程傳遞，在彌補(bǔ)了MW9.0地震造成的張性應(yīng)變的影響后，持續(xù)的西向運(yùn)動(dòng)使得華北應(yīng)力場(chǎng)、地震活動(dòng)受到顯著影響。板塊間的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，也使華北的主壓應(yīng)變率從東到西逐漸減小[24]，受到的太平洋板塊俯沖影響也是離邊界越遠(yuǎn)影響越小。從中等地震活動(dòng)空間看，受到的影響也存在自東向西越來(lái)越小，基本止于華北平原地震帶的特點(diǎn)，這與文獻(xiàn)[4]通過(guò)GPS同震位移觀測(cè)得到的結(jié)果——日本MW9.0地震影響范圍為距離震中2 400 km半徑以內(nèi)，基本一致。

通過(guò)分析華北地區(qū)的中等地震活動(dòng)特點(diǎn)還發(fā)現(xiàn)，研究華北的地震活動(dòng)，不僅要關(guān)注當(dāng)?shù)氐膽?yīng)力水平，也應(yīng)關(guān)注周邊較大尺度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)這個(gè)不能忽視的重要因素。但汶川地震、日本地震后為什么沒(méi)有像文獻(xiàn)[6]總結(jié)的那樣發(fā)生M≥6.0強(qiáng)震，說(shuō)明目前華北地區(qū)處于第四地震活動(dòng)期的平靜幕, 應(yīng)力水平較低，外部應(yīng)力增強(qiáng)仍無(wú)法觸發(fā)華北強(qiáng)震發(fā)生。

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[24] 李延興, 張靜華, 李智, 等. 太平洋板塊俯沖對(duì)中國(guó)大陸的影響[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2006, 35(2): 99-105.

Stress Change Process Analysis of North China Based on Moderate Seismicity

ZHANG Shuang-feng, WANG Xiang,LI Shou-yong, ZHANG Ji-dong

(1. Handan Central Seismostation, Handan 056006，China;2. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

In this study, we analyze the time series and special distribution characteristic of the moderateM≥4.0earthquakes in north China since the WenchuanM8.0 earthquake, and then study the stress change process of the north China before and after the WenchuanM8.0 earthquake and the JapanMW9.0 earthquake. The result show that the impact of the Wenchuan earthquake on north China is not exceeding Fen-Wei seismic belt, the most significant period is the year of 2010. The JapanMW9.0 earthquake mainly affected the seismic activity of the Hebei plain seismic belt and the east of the region, in particular, the closer to the plate boundary, the greater the impact is, the most significant period is the year of 2013. Moderate seismicity in north China and its surrounding larger scale structural movement has a certain relationship. Great earthquake occurred in the surrounding of the north China but did not lead to strong earthquake in the area may due to the low level of stress field of the area and the area being in a quiet episode of the fourth earthquake activity period.

pacific plate; the Qinghai-tibet block; north China; stress filed; moderate earthquakes

2017-01-04

河北省地震星火科技項(xiàng)目“張渤地震構(gòu)造帶應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)震危險(xiǎn)性研究”(DZ201603300011)；2017年地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目(XH17007)；2017年河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(15275402D)；2017年河北省地震局地震科技星火重點(diǎn)項(xiàng)目(DZ20170109002)

張雙鳳(1971—)，女，河北肥鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作.E-mail：z-sf99@163.com

P315.7

A

1003-1375(2017)03-0056-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.03.010

張雙鳳，王想，李守勇，等．從中等地震活動(dòng)分析華北應(yīng)力水平變化過(guò)程[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(3):56-60，72.