地球物理学报最新分区

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一区。
地球物理学报是中国科学院主管、中国地球物理学会主办的学术性期刊。
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中国大陆地震构造及现今地球动力学若干问题

叶洪　陈国光　郝重涛　周庆

（中国地震局地质研究所，北京　100029）

摘要　在现今地球动力学体制下，中国大陆板块内部的构造活动表现为6个各具特色的构造运动及内部变形的一级块体（青藏块体、甘新块体、东北块体、华北块体、华南块体及东南沿海块体。中国大陆地震活动与现代构造运动受制于特提斯－喜马拉雅构造带及西太平洋构造带两方面的影响。中国大陆西部现代构造运动的力源主要来自印度板块与欧亚板块的碰撞，而中国大陆东南地区及东北地区则主要分别受菲律宾海板块及太平洋板块的影响。华北的情况比较复杂，太行山以西的华北西部以特提斯－喜马拉雅构造带的影响为主，郯庐带以东的华北东部以西太平洋构造带影响为主，介于以上两者之间的华北中部地区可能是两种影响混杂的过渡地带。大陆板内各个块体之间的边界在很多段落上表现出弥散性变形的特点，它们之间的相对运动幅度是有限的，这些都与岩石圈大板块之间的相对运动及变形方式有很大不同。在上述块体内部，应变能的释放主要沿着原有的构造软弱带进行。在中国大陆东部的各个块体内古裂谷或被动大陆边缘的地壳颈化带是最重要的构造软弱带。而在中国大陆西部，一些古生代以来褶皱带的主边界断裂或主中央断裂仍是当地主要的构造软弱带。大地震往往沿着上述构造软弱带成带状分布。板内大地震复发间隔的统计结果表明，中国大陆板内块体运动及变形的速率比板块边界要小一到两个数量级，这对板内块体运动学模型是一个重要的限定。

关键词　地震构造　地球动力学　中国大陆

1　引言

从本世纪初阿尔冈（）最早提出喜马拉雅大陆碰撞的设想算起，中国大陆地球动力学问题的研究已经经历了中、外学者好几代人的努力。到目前为止，这仍是世界上地球动力学研究的一块热土。各种科学基金及国际协作组织争相立项，各国地球科学家纷至沓来，都想在中国大陆内部地球动力学的研究中占有一席之地。

中国大陆的这一科学魅力首先来自于它在全球构造格架中所占的独特的构造位置（图1）。从全球构造的角度看，中国大陆正好处在目前世界上最大的两条全球规模巨型挤压构造带：特提斯－喜马拉雅构造带与环太平洋构造带的接合部位。特提斯－喜马拉雅构造带代表着全球规模南、北大陆的聚敛与碰撞，它横贯欧、亚、非三洲自西向东延伸，在中国大陆内部东经104°附近嘎然终止。这一巨型构造在这里的突然收尾，显然是因为受到了近南北向西太平洋构造带的阻挡，在这里它的巨大的近南北向压缩变形必须以某种方式与西太平洋边缘近东西向板块聚敛运动影响下的中国大陆东部构造变形相协调。

图1　中国及邻区现代板块及板内运动示意图

中国大陆地质的另一个重要特点是它本身的复杂拼合结构。中国大陆既不同于典型的北大陆地块（如西西伯利亚、俄罗斯），也不同于典型的南大陆地块（如非洲、澳大利亚、南美等）。它是由部分北大陆碎块、部分南大陆碎块以及若干位于南、北大陆之间的小陆块拼合而成的。在漫长的拼合历史过程中，围绕着相对比较刚性的古陆块形成了大量相对比较韧性的不同年龄褶皱带。

中国大陆基底这种软硬相间的拼合结构，加上上述两个超级构造动力学系统在这里的强烈对抗与相互协调，必然使其现代构造运动及变形表现出独特的复杂性及多样性。中国大陆内部一系列令世人瞩目的现今地球动力学现象就是在这样的构造背景下发生的。例如：青藏高原的快速隆升、缩短、地壳增厚及向东挤出；天山、阿尔泰山的再生隆起与塔里木、准噶尔盆地边缘的快速沉降；华北一系列新生代裂谷盆地的拉开与迁移；华南地块的持续缓慢隆升及东移；菲律宾海板块与欧亚板块在台湾东部斜向碰撞及其在中国东南沿海引起的挤压剪切变形等，这些都与在现今地球动力学体制下中国大陆内部软硬相间块体间的相对运动有关。这些热点课题的研究不仅具有区域性意义，而且对于认识整个地球大陆岩石圈构造行为及变形机制具有普遍意义。

地震构造分析历来是研究现今地球动力学的一个重要途径，从构造地质学的角度来看，地震就是岩石圈构造变形过程中的破裂－错动事件。目前已有日趋成熟的地震地质学及地球物理学方法可对地震与构造的关系进行系统研究，包括各次地震的构造力学背景、震源破裂过程以及地震活动在最近地质历史时期的时空分布规律等。这些研究成果对认识大陆内部现今地球动力学过程，特别是大陆内部块体相对运动及块体内部变形无疑具有十分重要的意义。

近十多年来，配合联合国国际减灾10年计划，我国在地震区划、重大工程及城市地震危险性分析等方面开展了广泛的工作，这些工作涉及到地震构造方面的一系列基础研究。由此产生的大量研究成果，是我们进一步认识中国大陆现今地球动力学过程的新的基础。在本文中，作者想应用近年来在地震区划及工程地震工作中积累与收集到的各种地震活动性、震源机制、古地震、大地震地表破裂及形变带等资料，对中国大陆地震构造特征作一次再分析，在此基础上，从地震构造的侧面对中国大陆现今地球动力学研究中大家关心的某些问题作概要的讨论。

2　中国地震构造分区及大陆板内块体

地震的空间分布曾是确定现代岩石圈板块边界的重要依据，同样，大陆板块内部现代构造运动的块体性，在地震的空间分布上也有相应的反映。但是，由于板内地震分布的弥散性，情况比较复杂，研究方法也应有所不同。对于岩石圈板块，一般根据巨型地震带的展布，就可以相当明确地划分板块边界，而对于板内块体，除了需要考虑地震空间分布外，还需要更多地从地震构造的区域特点上去进行分析，也就是首先需进行地震构造分区。

根据地震空间分布及地震构造的区域性特点。我们将中国划分为以下10个地震构造区（图2）：甘新地震构造区、青藏地震构造区、喜马拉雅地震构造区、东北地震构造区、华北地震构造区、华南地震构造区、东南沿海地震构造区、台湾中西部地震构造区、台湾东部地震构造区、南海地震构造区。

上述10个地震构造区中，有两个地震构造区，即喜马拉雅地震构造区及台湾东部地震构造区分别与喜马拉雅板块碰撞带及台湾东部板块碰撞带相对应。另有两个地震构造区，即台湾中西部地震构造区及南海地震构造区，可看作是板缘及板内构造区的过渡。其余的6个地震构造区则具有板内地震构造区的性质。

将这6个板内地震构造区的位置与前寒武纪结晶基底的分布进行对比，可以看出，上述板内地震构造区大多都是以一两个前寒武纪古陆块为核心，古陆地之外，一般围绕着古生代以来的褶皱带。例如：华北地震构造区是以著名的中朝地台为核心的；东北地震区以松嫩地块为核心，周边为古生代褶皱带；华南地震构造区以扬子地台西部为核心，东侧围绕有古生代褶皱带；东南沿海地震构造区大致以华夏古陆块为核心；甘新地震构造区由塔里木地台、准噶尔地块以及发育其间的古生代褶皱带组成；青藏地震构造区的情况比较特殊，它主要是由古生代以来各个时代的褶皱带组成，但其中夹杂着一系列较小的古陆块，如：柴达木地块、羌塘地块、冈底斯地块、松潘－碧口地块等。上述各个地震构造区具有各自独特的现代构造应力场特征、地壳变形和地震能量释放方式以及块体运动方向。因此应被看作是在现代构造运动体制下中国大陆板内的一级块体。

图2　中国震中分布及地震构造分区

Ⅰ—甘新一级地震构造区；Ⅱ—青藏一级地震构造区；Ⅲ—喜马拉雅地震构造区；Ⅳ—东北一级地震构造区；Ⅴ—华北一级地震构造区；Ⅵ—华南一级地震构造区；Ⅶ—东南沿海一级地震构造区；Ⅷ—台湾中西部地震构造区；Ⅸ—台湾东部地震构造区；Ⅹ—南海地震构造区

这些大陆板内块体的边界一般沿袭先存的断裂带或古陆块缝合线发育，但并不一定与前期构造单元的边界完全吻合。

与板块边界的情况不同，板内块体边界的地震活动性在许多段落上表现出明显的弥散性，地震活动的强度也很不均匀。依据地震活动性的强度及分布特点可以将板内一级块体的边界分为三种类型：

（1）线性快速运动边界。例如青藏块体北边界，沿着阿尔金断裂、祁连山山前断裂发生大规模走滑运动，地震密集分布，这类板内块体边界，类似于板块边界，边界两侧块体间的相对运动速率较大，最大可达到1cm/a左右的量级。

（2）弥散型运动边界。例如青藏块体东缘及华北块体与华南块体边界的西段，地震沿着多条断裂呈宽带状分布，块体间的相对运动，总体来说可能有相当大的幅度，但位移不是沿着一、两条主干断裂发生的，而是通过有相当宽度的弥散型变形（distributed deformation）来实现的。

（3）微弱运动边界。例如华北块体与东北块体的边界，华北块体与华南块体边界的东段，华南块体与东南沿海块体之间的边界，地震活动性不强，块体间的相对运动微弱。

板内块体边界地震活动的这些特征说明大陆板块内部块体的相对运动与板块间的运动相比，在活动强度与方式上均有很大差别。

3　中国大陆板内一级块体运动模型

在现今地球动力学体制下，中国大陆内部的各个板内块体，都以各自不同的方式进行着相对运动及内部变形调整[25]。地震的震源机制解及大地震所产生的地表破裂带为研究大陆内部现代构造应力场及块体构造运动模型提供了重要依据（图3、图4）。根据我国大量地震震源机制解[5]及50多个大地震的地表破裂带[3,4,23,27～29,31～36]，我们对大陆内部块体的现代构造运动得到如下认识：

中国西部受印度板块推挤向北运动，总的来说表现为近南北方向的地壳压缩变形并相对于中国东部向北作右旋扭动。其南部的青藏块体内主要是由古生代以来各个时代的褶皱带组成。虽然内部及边缘有小块古陆块卷入，但总的来说比较韧性，因此，内部变形调整量较大，整个块体发生强烈压缩变形，地壳加厚，地面隆升。由于它处在特提斯－喜马拉雅构造带的尾部，南北向挤压具有明显的不对称性，其西侧的挤压强于东侧的挤压，造成青藏块体在向北运动过程中同时向东呈喇叭型挤出，其北部向北东东方向运动，其南部向南东东方向运动。位于青藏地块以北的甘新块体主要由刚性较强的古陆块组成，在古陆块之间夹持着相对比较韧性的褶皱带。在青藏块体的推挤下，甘新块体向北运动，现代构造应力场主压应力方向近南北向，内部变形调整主要表现为古陆块间的褶皱带的压缩变形与地壳增厚，致使原来已经夷平的天山、阿尔泰等古生代褶皱带上升形成再生山脉。

图3　中国地震震源机制解

图4　中国大地震地表破裂带

中国大陆东部的基底由松辽、华北、扬子、华夏等古陆块及围绕着这些古陆块的古生代至早—中生代褶皱带组成。以上述古陆块为核心，自北向南形成东北块体、华北块体、华南块本及东南沿海块体，其中受西部动力学过程影响最大的是华北块体。华北块体的西部现代构造应力场主压应力方向为北东东向。受甘新块体及青藏块体向北及北东方向运动的影响，沿着近南北及北北东方向的断层发生右旋张扭运动并在尾端形成北东或近东西向的拉张盆地。这一运动形式在太行山以西表现得最为典型，并可部分影响到郯庐带以西的华北中部地区。郯庐带以东的华北东部地区现代构造应力场主压应力方向为近东西向，地震断层往往表现为北东及北西两组共轭剪切断层的活动，这一情况与华北西部地区的以北北东向右旋扭动为主的张扭性活动方式明显不同，说明华北东部地区的现代构造活动主要是受西太平洋边缘板块运动的影响。震源机制结果还表明：这一来自西太平洋边缘构造带的影响可以越过郯庐带影响到华北中部地区。因此位于太行山以东及郯庐带以西的华北中部地区是受东西两种影响混杂的过渡地带。以华夏古陆残块及沿海晚古生代，早中生代褶皱带为基底的东南沿海块体明显受到菲律宾海板块吕宋弧与台湾陆壳碰撞的影响，现代构造应力场主压应力方向为北西西向，沿海有一系列等间距排列的北西－北北西向张扭性断裂及北东东向压扭性断裂，北东走向的山地缓慢隆起，地震活动强度从沿海向内陆海逐渐减弱。位于东南沿海块体与青藏块体之间的华南块体其西半部基底为扬子古陆块，东半部基底由加里东褶皱带组成。在东南沿海块体及青藏块体的东西两侧挤压下缓慢隆升，现代构造应力场主压应力方向也为北西向，但现代构造活动较弱，是中国大陆地震活动强度最低的块体。东北块体的基底为松嫩古陆块及其周围的褶皱带，受太平洋板块俯冲及日本海小板块反向俯冲的影响，现代构造应力场主压应力方向为近东西向。

4　大陆块体内部变形及应变能释放方式

4.1　块体内部构造软弱带

地震的空间分布表明中国大陆板块内部应变能的释放除了沿着上述板内一级块体的边界进行外，还有相当一部分是在块体内部沿着各种先存的构造软弱带进行的。当先存的构造软弱带方向与现代构造应力场最大剪应力方向相近时，具有最大的活动性。

中国大陆东部的前寒武纪古陆块特别是华北地块，在中、新生代时期曾普遍遭受过裂谷作用的改造。在裂谷强烈扩张时期，沿着裂谷带上地幔软流圈上拱，地壳减薄，形成地壳颈化地带[17]。地壳颈化带是中国大陆东部重要的构造软弱带，华北的板内大地震大多沿着这些地壳颈化带展布。例如，汾渭带、银川－河套带、华北平原带、郯庐带中段等。东南沿海最重要的一条地震带——广东滨海地震带，则与南海第三纪扩张时形成的被动大陆边缘地壳颈化带有关。

在中国大陆西部，一些晚古生代或中生代褶皱带的主边界断裂或主中央断裂仍是当地最重要的构造软弱带，许多大地震沿着这些地带分布。

4.2　块体内部主要变形方式

4.2.1　走滑及共轭剪切网络

从地震震源机制及大地震地表破裂及变形带上可以看出，走滑断层作用是中国大陆板内地块内部最常见的变形方式。无论是中国东部地区还是西部地区，大部分地震都是以走滑错动分量为主的。走滑一般沿着那些与现代构造应力场的最大剪应力方向相近的原有构造软弱带发生。由于最大剪应力是成对出现的，因此在适当的条件下会形成各种规模的共轭剪切网络。例如，在华北地块的中部，主压应力方向以北东东向为主，地震大多沿着北北东向古近纪古裂谷地壳颈化带及北西西向古裂谷横向断裂发生，形成锐角指向北东东的共轭剪切网络。在东南沿海地块存在着锐角指向北西西的较小规模的共轭剪切网络。

4.2.2　走滑拉分

走滑断层引起的尾部拉张或错列部位拉张，是中国大陆东部地区常见的另一种块体内部变形方式。中国大陆东部有一部分地震的震源机制解具正断层性质，它们都是由走滑拉分引起的。特别是华北地块的西部，因受到青藏地块向东北方向的推挤，沿着北北东方向及近南北向的右行走滑断层发育一系列北东走向至近东西走向的走滑拉分盆地。这些盆地的边缘及内部主要断层大多以正断层或正－走滑断层为主。例如图3所示河套盆地1979年五原地震，即是典型的正断层。

4.2.3　逆冲及地壳缩短

在中国西部，除了走滑断层引起的地震外，尚有相当一部分地震是由逆冲断层引起的。例如图3所示的1963年乌恰地震、1965年乌鲁木齐地震、1969年乌什地震，以及1985年乌恰地震等。地震资料还表明，在中国西部即使是走滑断层性质的地震也往往都含有逆冲断层的分量。由此可见，逆冲作用以及与此相伴的地壳缩短作用在中国西部板内地块内部的变形中起了重要作用。可以这样说，在中国西部，板内块体内部变形及应变能的主要释放方式是走滑加逆冲，而在中国东部，则是走滑加拉分，两者形成明显对比。

4.2.4　块体旋转

近来块体旋转在大陆板内块体运动及内部变形中所起的作用日益受到重视。一些研究结果曾指出华北地块西部的鄂尔多斯块体存在着反时针旋转。另一些研究结果则指出在青藏地块的东缘，存在着一系列北西向小地块的顺时针旋转。我们设想由于板内块体运动受到周围环境的限制，不可能像岩石圈板块那样作大幅度的平动，因而往往需要用块体转动来调整各自的位置及释放应变能量。

著名的“南北地震带”沿着特提斯－喜马拉雅构造带收尾的部位展布。它是中国西部大陆相对于东部大陆作右旋扭动的结果。沿着南北地震带，发生较多的块体旋转不是偶然的，它说明块体旋转可能在调节中国西部及东部这两个截然不同的构造变形区方面，起了相当重要的作用。由于西部大陆相对东部大陆作右旋扭动，因此南北地震带以西的块体转动多为顺时针方向，其以东的块体旋转多为反时针方向。

5　大地震复发周期与板内块体运动及内部变形速率

近十多年来迅速发展起来的史前地震研究对现有地震资料是一个极有意义的补充与外延，它不但大大拓宽了我们对地震空间分布的视野，并且使我们对地震事件在最近地质历史时期的时、空分布规律开始获得某些认识[24,26]。

我国现在通过野外地震地质考察发现并进行过年代测定的全新世史前地震遗迹已达近百处[6]。在很多地方通过详细的槽探工作，证实了史前地震事件的多次重复，并采用14C，热释光，ESR等多种测年手段估算了大地震的复发间隔。

从表1列出的史前地震复发间隔时间可以看出，青藏块体及其周边大地震的复发间隔一般在1000～2000a；甘新块体大地震的复发间隔约为2000～3000a；华北块体的大地震复发间隔一般为2000～5000a或更长，这与板缘地震带大地震复发间隔仅为100～200a相比，相差了一到两个数量级，这一事实与上面提到的板内块体边界运动的弥散性及微弱性均表明大陆板内块体的相对运动速率及规模是有限的。在周边板块的推挤下，中国大陆内部块体之间存在着一定幅度的相对运动，并以此来调节板块间的运动，但是否像某些外国学者所认为的那样普遍存在水平运动年速率高达厘米级的大陆挤出运动（continental escape），看来是很值得商榷的。

表1　中国大陆史前地震事件重复间隔

从大震复发间隔的时间来看，可以认为在中国大陆内部年速率达厘米级的板内块体水平运动是很个别的。板内一级块体的边界及内部主要活动断裂一般具有毫米级的水平运动速率，西部较高、东部较低。同时在中国大陆东部相当普遍地存在着低于毫米级的缓慢或极缓慢板内断裂活动。需要指出的是，在这里“缓慢”或“极缓慢”仅只是相对于板缘的活动速率而言的。这些“缓慢”或“极缓慢”的板内断裂活动同样可以造成破坏性地震的发生并留下各种构造形迹，只不过其复发周期相对较长，时间非线性特征更加复杂而已。而这，正是板内地震预报及工程地震安全性评价的难点之所在。

6　结语

地球动力学研究的进展，在很大程度上依赖于观测技术的发展。在某种意义上甚至可以说，有什么样的观测技术，就会有什么样的地球动力学。

尽管近十多年来，人们在深部探测、地球物理资料解释、空间技术的应用、地球化学及地质测年技术方面取得不少重要进展。但是应该看到，就整体而言，我们对地球深部的探测能力及对地质历史的追溯能力目前仍然是相当有限的。存在着许多观测能力上的“盲区”及“模糊区”。在这种情况下，目前的不少推断与解释（包括本文中提出的一些认识）只具有阶段性的意义，其中有一些日后可能被证实为不充分资料基础上的误解。

在未来的一二十年内，地球动力学研究能取得多大进展不完全取决于地球科学家的努力，它在很大程度上还取决于人类整体科学技术水平所能提供给地球科学家的技术支持能力。不过，作为一个地球科学家也不应该仅仅只是等待别的学科的发展给自己带来新的“技术利剑”，而应该主动地到别的学科的武器库中去寻找，应该主动跟踪别的学科的技术发展前沿，或者再加上自己的“创意”，组装出地球科学新一代的“干将”与“莫邪”。

致谢　本论文是在国家自然科学基金项目（编号49572155）及中国地震局重点项目（编号85-07-01及95-05-02）的支持下完成的。作者感谢丁国瑜、马宗晋、汪一鹏、邓起东、张裕明、时振梁、高维明，多年来在地震地质工作中给予的各种支持与帮助，感谢北京大学钱祥麟老师在中国区域构造及大陆结晶基底方面给予的热情指教。此外，周永东、杨文龙、张华等曾在不同程度上参与本项工作，在此一并致以诚挚谢意。

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中国大陆地壳上地幔地电特征研究

李立

（地质矿产部地球物理地球化学勘查研究所，廊坊　065000）

摘要　利用深大地电磁测深结果研究了地壳、上地幔的地电结构。30km深度的地电结构复杂，由很多大小不等电性各异的块段组成，大多数低阻区对应于高地温区。90km深度的地电结构相对简单，在高阻的背景上分布着一些低阻异常带，其中的松辽、华北地台东部以及扬子地台西部连成一片，构成了北东-南西向的巨大低阻异常带，大兴安岭-太行山重力梯度带、汾渭地堑、龙门山-攀西构造带位于该低阻带西侧，依兰-伊通断裂带、郯庐断裂带位于其东侧，推测该低阻异常带与上述断裂带的形成有关，并有部分熔融的地幔物质存在。150km深处的电性结构则以低阻为背景，在其上零星分布着高阻块体，其轴向线构成的“构造线”将中国大陆分割成若干地质构造单元。在新生代裂谷区和近代活动构造区大多存在壳内低阻层，且深度浅，浅源地震的震源一般分布在壳内低阻层以上。上地幔低阻层的深度变化较大，最浅处仅50～60km，而最深可达200km以上，东部地区平均约100km，西部地区约120km。从东北的松辽地区经华北地台东缘向西南沿汾渭地堑再折向南直到扬子地台西缘有一个北东-南西向的巨大的上地幔低阻层隆起带，大部分上地幔低阻层隆起区与高热流区以及强震震中分布带有较好的对应关系。

关键词　大地电磁测深　地壳　上地幔　电阻率　中国大陆

1　引言

本项研究的数据是基于地质矿产部系统十余年的大地电磁测深（MTS）深部调查结果以及国家地震局、中国科学院、地质院校等单位多年的MTS结果[1～24]。搜集并整理了近1000个测深点的资料得出了30km、90km、150km深度的电阻率值，壳内低阻层以及上地幔低阻层的深度值，并将这些数据按1°×1°的经纬网格分别进行平均，以平均值代表每个网格的电阻率值与低阻层的深度。由于深大地电磁测深的测点分布不均匀，尚有不少空白区，有些空白区的壳内与上地幔内低阻层的深度是用大地热流值估算的[25]，因此只能粗略地给出中国大陆深部的地电结构与格架。

2　不同深度上的地电特征

根据30km、90km以及150km深度的电阻率研究了地壳、上地幔的地电结构，它们基本上反映了地壳内、岩石圈底部以及岩石圈以下的电性结构。

2.1　30km深度

在30km深度上电阻率的变化无规律，由很多大小不等，电阻率各异的块段组成，说明了地壳内构造复杂。根据岩石电阻率的高温高压实验结果表明，地壳内的低阻异常大多是由含流体或石墨化的地层引起[26,27]。多数的低阻异常带与高地温区对应。

2.2　90km深度

图1　中国大陆90km深度上的地电结构及低阻异常

①松辽地块；②华北地台东部；③扬子地台西部与地台东缘；④华南褶皱系东部；⑤腾冲褶皱带；⑥青藏高原；⑦祁连褶皱带；⑧鄂尔多斯西缘的银川地堑；⑨天山-北山褶皱带；⑩阿尔泰褶皱带；⑪班公错-嘎尔地区。图中等值线为松辽—扬子正磁异常[28]

90km深度上的地电结构较为简单，在高阻的背景上分布着一些低阻异常带（图1），它们是松辽地块、华北地台东部、扬子地台西部与该地台东缘、华南褶皱系东部、腾冲褶皱带、青藏高原、祁连褶皱带、鄂尔多斯西缘的银川地堑、天山-北山褶皱带、阿尔泰褶皱带以及西藏西缘的班公错—嘎尔地区。其中的松辽地块、华北地台东部以及扬子地台西部连成一片，构成了一个北东-南西向的巨大低阻带，大兴安岭-太行山重力梯度带、汾渭地堑、龙门山-攀西构造带位于该低阻带西侧；依兰-伊通断裂带、郯庐断裂带位于东侧，推测上述断裂构造带的形成与该低阻异常带有关。这一北东-南西向的低阻带与安振昌编制的卫星磁异常图[28]中的松辽-扬子正异常带基本吻合，推测该低阻带是上地幔的隆起区。

90km深度上的低阻异常大多分布在岩石圈的减薄区，那里可能存在部分熔融的地幔物质。

2.3　150km深度

150km深度在低阻的背景上零星散布着一些高阻块（图2），大部分地区的地幔物质已处于部分熔融状态，只有松辽地块北部、冀鲁陆核东部、扬子地台与华南褶皱系的接合处，右江褶皱带南部、龙门山-攀西构造带、柴达木地块、祁连山褶皱带、阿尔泰-天山地区以及西昆仑山表现为局部的高阻区。推测上述高阻区是由难熔的残余地幔物质形成的“硬块”。这些高阻块体有可能是深部构造带的标志，如果将一些高阻块体的轴向线分别连接，则可得出6条有趣的“构造线”F1—F6。自西昆仑山经柴达木、祁连山及其东延部分直到冀鲁陆核南端构成近东西向的“构造线”F1，它将中国大陆分割成南北两大部分，准噶尔、塔里木、华北地台位于其北侧，青藏高原、扬子地台及华南褶皱系位于南侧。松辽地块北部的轴向线向南延伸则与郯庐断裂带相连构成北东-南西向的“构造线”F2。扬子地台与华南褶皱系间的高阻块体轴向线向西南延伸与右江褶皱带的高阻轴同线相连构成“构造线”F3，它可能是扬子地台与华南褶皱系的深部边界。除此尚有位于龙门山-攀西的“构造线”F4以及天山-阿尔泰“构造线”F5，它们可能分别反映青藏高原与扬子地台的深部边界以及准噶尔地块的深部边界。

图2　中国大陆150km深度上的地电结构及低阻背景上的高阻块体

①松辽地块北部；②冀鲁陆核东部；③扬子地台与华南褶皱系的接合处；④右江褶皱带南部；⑤龙门山-攀西构造带；⑥柴达木地块；⑦祁连褶皱系；⑧阿尔泰-天山地区；⑨西昆仑山；F1—F6为高阻块体轴向线构成的“构造线”

3　壳内低阻层的深度变化

在中国大陆上除华南褶皱系、扬子地台及松辽地块的部分地区外，大多发现了壳内低阻层。壳内低阻层的深度一般为15～30km，厚度几到十几公里，电阻率几到几十欧姆米。大多数的壳内低阻层与活动构造区对应，且地温较高（表1）。此外，壳内低阻层的上隆区还与莫霍面的上隆区（图3）以及上地幔低阻层的上隆区（图4）有一定的对应关系。多数浅源地震的震源位于壳内低阻层以上（图5）。

表1　壳内低阻层上隆区

图3　壳内低阻层上隆区与莫霍面上隆区的分布

①松辽地块北部；②华北地台东缘；③汾渭地堑；④二连-呼和浩特-东胜；⑤南北地震带北段；⑥祁连山；⑦松潘-甘孜-康滇地区；⑧雅鲁藏布江-腾冲地区；⑨天山-准噶尔地区；⑩北山；⑪下扬子地区；⑫泉州－赣州地区；⑬洞庭盆地；⑭建始-恩施盆地；⑮西昆仑北部；⑯班公错-嘎尔地区

图4　汾渭地堑壳内低阻层与上地幔内低阻层的对应关系[5]

图5　拉萨与唐山地区壳内低阻层与浅源地震震源分布[29]

4　上地幔内低阻层的深度变化

中国大陆上地幔低阻层的顶面深度变化很大，从最浅的50～60km到最深的200km以上，平均深度为100～120km，一般情况下，中国的东部地区浅，西部地区深（图6）。从东北的松辽地区经华北地台东缘，向西南沿汾渭地堑再折向南直到扬子地台西缘有一个北东－南西向的巨大的上地幔低阻层隆起带，在90km深度的地电结构图上也清楚地显示了一个巨大异常带。

一般情况下，上地幔低阻层顶界面是岩石圈的底界面，因此根据上地幔低阻层的深度粗略地给出了岩石圈的厚度，并对中国大陆的岩石圈进行了分区，岩石圈厚度小于100km的地区定为岩石圈减薄区，岩石圈厚度大于120km的地区定为岩石圈的增厚区。表2给出了中国大陆岩石圈的厚度。

岩石圈的减薄区大多对应于高热流区（图7），多数的强地震分布在岩石圈减薄区。这些都说明岩石圈减薄区具有活动构造带的特征。有资料[30,31]表明大型内生金属矿多数分布在岩石圈的减薄区或岩石圈厚度的陡变带上。因此，上地幔低阻层的起伏变化对矿产预测具有重要意义。

图6　中国大陆上地幔低阻层的深度（单位：km）

表2　中国大陆岩石圈的厚度

5　结论

在90km深的上地幔内发现一个自松辽盆地直到扬子地台西部的北东-南西向巨大低阻异常带，推测该低阻异常带是上地幔的隆起带。

中国大陆自90km到150km深的上地幔是由塑性的“软体”和致密的“硬块”组成，而不是简单的层状结构。中国大陆150km深度的大部分地区，地幔物质已处于部分熔融状态，反映为低电阻率，只有局部地区为高电阻率，它们构成的一些“构造线”有可能是大地构造单元的深部边界。

图7　岩石圈减薄区与高热流区（金昕）的分布

①松辽-华北地区；②扬子地台东缘-华南褶皱系东部；③鄂尔多斯西缘；④汾渭地堑；⑤康滇隆起区；⑥腾冲褶皱带；⑦金沙江-玉树地区；⑧东昆仑；⑨祁连褶皱带；⑩天山褶皱带；⑪二连-东乌珠穆沁带

在多数的近代活动构造区内均发现了壳内低阻层，且埋藏度浅，一般小于20～25km。

在上地幔内发现一个自松辽至扬子地台西缘的北东-南西向的巨大的低阻层隆起带。

中国大陆岩石圈的平均厚度为100～120km，东部小于西部。岩石圈的减薄区大多位于活动构造区内，并与高热流区以及强地震区对应。

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加卸载响应比理论——一种预测地震及其他地质灾害的新理论

尹祥础

（中国地震局分析预报中心，北京　100036）

王裕仓

（中国科学院力学研究所非线性连续介质力学开放实验室（LNM），北京　100080）

摘要　由于损伤过程的不可逆性，当孕震区介质受到损伤后，其对加载的响应将不同于卸载响应。加载响应与卸载响应的比Y（称之为加卸载响应比，英文为Load/Unload Response Ratio简称LURR）可以度量孕震区介质的损伤程度或接近失稳的程度，因而可以作为一种地震预测的新途径。对数百个地震震例的检验（震级从4级到8.6级）表明：在主震发生前的一段时间里，Y值显著大于1。而对于7个稳定区（指在较长时期内未发生过强震，而小震资料又较丰富的地区），在长达20年的时间内，Y值始终在1附近作轻微的起伏。近年来，利用本方法对发生在中国大陆的十几次中强地震及美国北岭地震（1994.1.17,Mw=6.7）与日本关东地区地震（1996.09.11,Ms=6.6）作出了成功的中期预测。

关键词　地震预报　加卸载响应比理论

1　引言

地震的物理实质是什么？从力学的观点看，它正是震源区介质（岩体）的损伤与快速破坏（失稳）过程，并伴随应力与应变能的快速释放。让我们研究孕震区（含断层或弱化区的岩体）在高温高压下的本构关系，如图1所示。图1中纵坐标为广义载荷P，而横坐标为对于载荷P的响应R。

我们首先定义如下两个参数：响应率X与加卸载响应比Y。

响应率X定义为：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：△P表示载荷增量，而△R表示相当于△P的响应增量。

加卸载响应比Y定义为：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：X+、X-分别表示在加载及卸载条件下的响应率。

众所周知，材料若处于弹性阶段（图1中的OA段），加载时（△P＞0）的响应率X﹢，将等于卸载时（△P＜0）的响应率，即Y=1。但是若应力超过弹性后，X+＞X-，因而Y＞1。当材料逐步趋向破裂时，Y值也随之逐渐增大。当趋近于图1中的顶点T时，X+趋于无限大；而X-仍保持为有限值，因而Y值也将趋于无穷。所以顶点T可以作为预测失稳的前兆点。

图1　震源区的本构关系

从损伤力学的观点看，地震孕育过程就是孕震区介质的损伤过程。因此有希望采用损伤力学中的损伤参数D来定量地刻划地震的孕育进程。损伤D有多种方法定义。最直接的一种是用弹性模量（4阶张量）的变化来定义D。为简单起见，有时只用弹性模量张量的一个分量来定义D。例如Lamaitre[23]定义D为：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：Eo为未损伤材料的杨氏模量，E为已损伤材料的杨氏模量。如果卸载时的模量为Eo，则（3）式可表示为：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式（4）意味着D与Y之间存在着密切的内在关系。也就是说，Y也可以作为孕震区损伤程度的度量。

即使损伤D不按式（3）而另行定义，D与Y之间仍然会存在内在关系。这就明参数Y可以定量地刻划地震孕育进程，因而可以作为地震预报的定量前兆[11～18,24～27]。

要用加卸载响应比理论进行地震预报，必须首先解决几个主要问题。一是如何对地球进行加载与卸载，以及如何判别加载与卸载。其次是怎样选择合适的参数作为响应。以下分别讨论这几个问题。

（1）如何对地壳块体进行加卸载？

孕震区的线性尺度可以达到几百甚至上千千米。对其进行加卸载的方法之一是利用潮汐应力。潮汐力不断地周期性地变化。也就是说它对地球的各部分不停地进行加载与卸载。

（2）用什么准则判定加载与卸载？

加载与卸载问题，在塑性力学中有详细的讨论。对于不同的材料应选择不同的准则。对塑性较好的多种金属（如低中碳钢、铝等）Von Mesis准则比较适用；而对地质材料的破坏，则Coulumb准则[22]更适合。我们在文献[12,13,24,26]中对此作了详细的研究与论述。请参阅上述文献，本文不再赘述。

（3）选择什么参数作为计算Y值的响应

地壳形变、井水水位、地震活动性及其他震源参数以及许多其他地球物理参数都可以作为响应，用于计算Y值。从“八五”期间起，我们与国内外许多地球物理学家合作，开展了多学科的研究，国家科委、国家地震局的“八五”、“九五”攻关项目中，均安排了相应的项目，同时还得到了国家自然基金会及地震科学基金会的支持，取得了比较多的成果[1,4～6,10,19]。在本文中主要介绍以地震能量为响应的加卸载响应YE（在本文中很少涉及其他参数的加卸载响应比，所以仍以Y代替YE）。Y定义为：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：E为地震能量，符号“＋”“－”分别表示加载与卸载，N+、N-分别表示在规定的时空范围内发生的加载地震及卸载地震（在加载时段内及卸载时段内发生的地震，在以往的文献中，有时也简称为正地震及负地震）的数目，m为常数，取为0、1/3、1/2、2/3及1。m=1时，Y为所有正地震能量之和与负地震能量之比；m=1/2,Em为贝尼奥夫应变；m=1/3及2/3时，Em分别表示震源的线尺度及面尺度；当m=0时，Y=N﹢/N﹣，即正、负地震数1之比。在本文中恒取m=1/2。

取一定的时、空范围（例如2°×2°，几个月至1年），按式（5），计算出一个Y值。利用该区域Y值随时间的变化，可能预测出该区域内未来发生地震的危险程度。

2　震例检验

我们用国内外数百个已发生的地震，对LURR理论进行了广泛的震例检验，震级范围从Ms=4到Ms=8.6。检验的结果是满意的[13,16,24,26]。以下是1970～1992年期间发生在中国大陆的10个大地震（Ms≥7）的孕震区LURR随时间的变化情况（图2）。

在这段时间内，中国大陆共发生Ms>7级以上地震13个，其中有3个地震（青海地震、通海地震及西藏亦基台错地震）因数据太少无法利用它们计算LURR之外，对其他10个大震全部进行了研究，地震前各孕震区Y随时间的变化示于图2，山图可知，10个震例中，有9个震例，在震前Y明显大于1,Y>1的时间大约持续1～3年。

除了较系统地研究了中国大陆的震例（4≤Ms≤8.6）外，根据我们所能得到的资料还研究了日本、美国和其他国家的若干震例。都取得了好的结果[13,18,26]。

此外，我们选择了中国大陆的7个区域作对比研究，这7个区域在历史上曾发生过强震，但近20多年来，地震活动性较低，没有发生过中强地震，处于低地震活动期。其LURR的变化情况（图3）与图2形成强烈的对比，在所有这7个区域里，在20多年（1970～1992）的时间里，其Y值均在1附近作轻微起伏。

图2　1970～1992年中国大陆所有7级以上大地震前Y随时间的变化曲线

a—1973.02.06四川炉霍地震（Ms=7.6）;b—1974.05.11云南永善地震（Ms=7.1）;c—1974.08.11新疆乌恰地震（Ms=7.3）;d—1975.02.04辽宁海城地震（Ms=7.3）;e—1976.05.29云南龙陵地震（Ms=7.4）;f—1976.07.28河北唐山地震（Ms=7.8）;g—1976.08.16四川松潘地震（Ms=7.2）；h—1985.08.23新疆乌恰地震（Ms=7.1）;i—1988.11.06云南澜沧地震（Ms=7.6）;j—1990.04.26青海共和地震（Ms=7.0）

图3　1970～1992年间，7个平静区的Y-t曲线

a—郯庐断裂带南段（35.5°N士1°，118°E±1°）;b—陕北（40.5°N±1°，119°E±1°）;c—川东（31.0°N±1°，118E士1°）；d—鲁北（37.0°N±1°，119°E±1°）;e—鲁西（37.0°N士1°，118°E±1°）;f—豫北（35.0°N±1°，113°E±1°）;g—鲁南（35.0°N士1°，117°E±1°）

3　地震预报实践

近年来我们尝试用本方法进行地震预报，多次成功对发生在中国大陆的6级以上地震成功地作出了中期预报[5,7,15～18]。此外，还成功地预报了1994年1月17日的美国北岭地震[5.24]及1996年9月11日的日本千叶地震[18]。部分被预测的地震震前的Y-t曲线示于图4。

以下对其中几个典型地震的预测情况略作说明。

1993年夏初，我们得到由USGS所属NEIC（美国国家地震信息中心）供给的加利福尼亚州地震目录，利用此目录研究了该州的加卸载响应比，发现其中有3个地区在较长的时间（长于一年）内Y值显著大于1。经研究后，于1993年10月28日写信给提供我们数据的那位科学家（ISOP项目的负责人），在信中提供了分区的加卸载响应比结果，并且预测：在其中3个区域或其附近，在一年内（1993.10.28～1994.10.28）可能发生中强地震（7>M≥6）。在预测后不到3个月，1994年1月17日发生北岭地震（图4e），发生在预测的一个地区的边缘。再后，1994年9月12日，在另两个地区的中间发生一个Ms=6.0级地震。

图4　用LURR理论成功地预测的某些中外地震的震前Y-t曲线

a—1991.03.26山西大同地震（Ms=6.1）;b—1993.01.27云南普洱地震（Ms=6.3）;c—1993.10.26青海共和地震（Ms=6.0）;d—1994.01.03青海共和地震（Ms=6.0）;e—1994.01.17美国北岭地震（Mw=6.7）;f—1996.09.11日本千叶地震（Ms=6.6）

1996年春，应日本气象厅科学家的要求对日本的关东地区，和歌山地区及兵库地区的加卸载响应比进行了分析研究（资料由对方提供），研究后得到几点结果：①关东地区（按对方提供资料的范围为了35°～36°N,139°～141°E）在一年内发生Ms=6级地震可能性很大；②和歌山地区在近期内不会发生中强以上地震（对方原来预计此地区危险性很高）；③1995.01.17神户地震前，加卸载响应比异常很显著。我们于1996年4月1日将有关结果传真给了对方科学家，同时写成论文[18]于1996年5月间投《中国地震》（季刊）。该文于《中国地震》中文版1996年第三期（1996年9月初出版）及英文版（由美国Allerton出版公司出版）第四期刊出。其后，在1996年9月11日发出了Ms=6.6级千叶地震（35.5°N,140.9°E）。

关于国内的地震预测只讨论一个震例——1994年12月31日的广西北部湾地震（Ms=6.1）。

1993年底我们在“1994年中国大陆地震趋势研究”的报道中将广西沿海地区列为地震危险区[15]。直至于1994年11月分析预报中心召开会商会时，该区未发生过任何中强地震，但当我们研究1992.09.01～1994.08.31时段中国大陆LURR的空间分布时，发现该区域的Y值异常仍非常突出[16]，因此我们认为该区域仍可能在年内发生强烈地震，结果在1994年最后一天发生了北部湾Ms=6.1级地震，并于1995年1月10日再次发生Ms=6.2级地震。

以上震例是成功的例子，但也有些Y值较高的区域，在预测的时段内并未发生强烈地震。这些区域在一定时段内加卸载响应比升高，说明该区域的地震孕育过程正在进行，但随后却可能发生了卸载使地震孕育过程推迟甚至中断，对于这种情况，如何判别是以后要着力研究的课题。

4　加卸载响应比的时空演化特征

大量的震例研究表明，LURR的空间分布图像是很复杂的。当一个地区未来要发生强烈地震前，将出现一系列高Y值区，这些高Y值区往往连成一个环状，形成面包圈图像[7]，大部分未来的地震将会在发生面包圈内或其邻域。图5是1979.03.14云南普洱Ms=7.0级地震震前一年间该区域内Y值的空间分布。由图可见，高Y值区围绕着未来的震中形成一个面积约为5°×5°的面包圈。将LURR的空间分布作成立体图，每一个高Y值区形成一个高峰，很多个高Y值区就形成群峰突起的图像。形成鲜明对比的是，在地震活动性低（指未发生强震）的区域内，Y值在1°上下轻微起伏，所以LURR的空间分布立体图就像平原地区的地形，我们形象地称这种图像为“一马平川”。

图5　1979.03.14云南普洱Ms=7.0级地震震前一年时段内，Y=2.0的等值线图图中符号代表未来的震中

对于同一地区，在地震孕育过程中，不同时段的LURR空间分布图像是不同的，也就是说，空间分布图像随时间发生变化。我们发现一个非常有趣的现象：即强震前多个高Y区向未来的震中迁移，称之为高Y值区的会聚现象[8]。

研究了1970年后中国大陆的12个Ms≥7.0大震[8]。12个震例中，有11个发现了会聚现象，且未来的震中处于面包圈内，只有1992.04.23中缅边界上的Ms=7.0级地震，未来的震中处于面包圈外，距圈的外边界约50km。这可能与该地震发生在两国边境地区，缅甸一侧的数据不好收集有关。

进一步，我们还发现：强震发生前，高Y值区迁移速度在同一地区，近似不变，大致为100km/a的量级。但不同地区的迁移速度有所差异[8]。

Scholz曾经撰文说，华北地区的形变锋（deformation front）传播速度约为150km/a,Press和Allen则观测到美国南加州地区的形变波（deformotion wave）速度为100km/a。这三者在物理上是有关系的，而且其数值在数量级上也是彼此相符的。

5　展望

前已述及，除了地震能量外，其他许多有关的地球物理参数（如地下水位、地壳体应变、地倾斜、地磁参数、尾波Q…）均可选择为响应，进行加卸载响应比的研究[1,2,4,10]。图6为取尾波Q值的例数作为响应，计算LURR—YQ的例子。图6所示为美国加利福尼亚州南部北岭地震（1994.01.17,Mw=6.6）前该区YQ随时间的变化情况，将它与图4e作比较后可以看出，二者在定性上是一致的。

图6　美国加利福尼亚州南部北岭地震的YQ变化图

对同一时空域用众多的参数可以计算出众多的LURR值，然后进行综合预报，必然会提高用加卸载响应比理论进行地震预报的精度。

简而言之，加卸载响应比理论可能为地震预报开辟了一条新途径。现在国内地震界有不少人在研究，应用与改善它[5]。

近来通过研究，表明北京地区的有感地震（指6＞M≥4）前[9]甚至北京地区的矿震（M＞2）前，Y值也有较明显的升高。这说明，除天然地震外，对于诱发地震（矿震、水库地震[4]…）以及某些其他地震灾害（如岩爆、滑坡、火山喷发…），也可能用LURR理论进行预测。

致谢　谨向傅承义、Keiti Aki、秦馨菱、王仁、陈章立、何永年、葛治州、陈鑫连、梅世蓉、罗灼礼、张国民、李宣瑚、张伯民教授及n、、博士致以诚挚的谢意，感谢他们多方面的支持与帮助。

本项目得到国家自然基金会（批准号　19732006）、国家科委及国家地震局“八五”及“九五”攻关项目、地震学基金会以及中国科学院LNM开放实验室（Lab of Nonlinear Mechanics of Continuous Media,Institute of Mechanics）的资助。

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