论渭河盆地断块运动及地震活动特征.pdf

第2 8 卷第2 期 磅 三 ； 他鹭 GEOLOGY OF S HAANXI 2 0 1 0 1 2 f 文章编 号 ： 1 0 0 1 - 6 9 9 6 ( 2 0 1 0 ) O 2 一 o o 5 9 0 7 论渭河盆地断块运动及地震活动特征 谢振乾 ，杨 建军 ，郑宁平 (1 西安市地震局 ，西安7 1 0 0 0 7 I 2 陕西省国土资源厅 ，西安7 1 0 0 8 2) 摘要 ： 本 文根 据野 外地 质调 查并 综合 前人 资料 ，对 渭河盆地 活动 断裂 和 断块 现今 活动特征进行了较为详细的论述，对秦岭 山前断裂的产状 ( 倾角)提出质疑，提出 了北山山前断裂系和秦岭 山前断裂系的概念 以及运动的差异性，在此基础上，探讨 了盆地地 震形 成模 式及 其 活动特 征。 关 键 词 ：渭河 盆地 ； 断裂 ；断块 ；地 震 ；活 动；特 征 中 图分类 号 ：P 5 4 2 3 文 献标 识码 ： A 渭 河 盆地南依 秦岭 ，北 至北 山 ，西起宝 鸡 ，东抵 潼关 ，为 一三 面环 山 向东 倾斜并 敞 开的 “ 新月形”盆地。新生代以来 ，由于盆地地幔上隆 ，以及南北拉张的构造环境，使盆地 内不 同方向的断裂构造都不同程度的产生正断层活动。它们沿袭继承老断裂的格局 ，控制着盆 地的成生发展 ，并造成盆地内一些构造块体的掀斜运动。 1 渭河盆地 主要断裂 活动特征及断块运 动 1 1活 动断裂 分布 特征 在盆地范围内分布的主要活动断裂有 ：东西 向断裂、北东一北北东向断裂 、北东东向断 裂、北西向断裂。断裂的多期次活动 ，对盆地的形成、发展、演化及现今活动性有着极其重 要 的控 制作用( 图 1 ) 。 1 1 1 东西 向断裂 ：主要包 括 口镇一关 山断裂 、渭河南 ( 北 )岸断 裂 、骊 山北 侧 断裂、余下一铁炉子断裂及秦岭山前断裂等六条断裂。新生代 以来 ，均属正断张 ( 扭) 性 。错断中一晚更新统或全新世地层 。如秦岭山前断裂为关 中盆地与秦岭山地的分界线，东 西长达 4 5 5 k m，总体倾向北 ，倾角为 6 0 。 8 0 。 。北部为渭河冲洪积平原 ，为巨厚新生界沉 积 ，最厚达 8 0 0 0 m，南为秦岭山地 ，出露太古界 、元古界变质岩及前新 生代花岗岩 。沿断 裂在宝鸡 、眉县汤峪 、蓝 田汤峪等地 出露有温泉及地热异常带，断裂带东部华县、潼关一带 还发 生多 次 中强 地震 ( 如著 名 的 1 5 5 6年华 县 8级大 地震等 ) 。据 断层位 移测 量结果 ，盆 地一 侧垂直下降平均速率 0 2 3 3 mm a ，现今仍持续活动。 秦岭山前断裂的倾角是值得质疑的 ( 后面我们要专门讨论) 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 一O 8 作者简介 ：谢振乾，男 ，5 1岁 ，教授级高级工程师。曾发表论文近 3 o 篇 。现从事防震减灾管理工作 。 6 0 陕西地质 第 2 8 卷 1 1 2 北 东一北东 东 向断裂 主要发育在盆地东部，切割了太古 代、古生代、中生代和新生代地层 ，控 制了盆地东部形态轮廓和新生界分布。 主要由韩城一临潼一长安断裂带、禹门 口一朝邑一华县断裂带和孟塬一永济断 裂三条 断裂带组 成 。张 性正断 ，新构 造 活动迹 象明显 。如韩城一 临潼一 长安 断 裂带 ：断裂 总 长 2 7 0 k m，重 力 异 常 表 现为一明显的梯级带。沣峪口一临潼段 ( 临潼一 长 安 断 裂 ) ，5 。 4 5 。 ，局 部 为 7 O 。 ，倾 向北西 ，倾角 多在 6 O 。 以上 ，由 三条平行 的断裂构 成 。斜 口一带 可见 断 面倾向北西，倾角 6 8 。 ，错开上更新统 和全新统地层。临潼一洪庆一带及肖家 图 1 关中地 区活动断裂分布 图 Fig 1 Act iv e f a u lt s in Gu a nz ho ng a r e a 寨等地可见有第四纪黄土断层 ，错段中晚更新统。中段 自临潼、经新丰、交 口、进入固市凹 陷内部。北东段经下吉、党睦、韦庄、坊镇至禹门口与吕梁山山前断裂相接。断裂走 向北东 3 O 。 ，倾向南东东 ，倾角 6 5 。 7 8 。 ，地面上构成了基岩山及黄土塬分界。在合阳金水河 ，可 见 断裂带 宽 2 0 0余米 ，由一 系列 阶梯状 正断层构成 ，错断 中一 晚更新 统 。 1 1 3 北东东 向断裂 分布于盆地北缘的岐山一乾县富平一蒲城一带，由近平行展布的两支断裂组成 。为一 明显的重力梯级带，属深大基地断裂。断裂沿走向具有分段性特点 ，西段 ( 泾河以西)北支 断裂走 向北东 6 O 。 ，倾向南南东 ，倾角 4 O 。 5 O 。 ，南支断裂倾 向多为北西。北支 、南支断裂 在中新世一全新世断距分别为 4 0 0 m、5 0 0 m；中段 ( 泾河到洛河之间)断裂走 向为北东一 北东东 向，同时发育一 系列 的次级 断层 ，在 剖面上组成 由北而 南 向盆地 中心逐 级下降 的阶梯 状断裂 带 ，局部 组合成 小型地 堑 、地 垒构造 ，显 示 了拉 张 性质 ，南 支 断裂渐 新世 到 全新 世 ， 断距 8 0 0 1 0 0 0 m，北支断裂上新世 以来 ，断距 9 4 0 i n ，沿 断裂带在蒲城发育有狭 长的凹 地；东段 ( 洛河以东)的北支断裂与韩城一临潼一长安断裂交汇后走向发生明显转变 ，变为 北东到北北东向，上新世以来 ，断距 1 5 0 0 1 8 0 0 m，南支断裂则 以北东东向继续 向东延伸 至临猗附近，并控制了中新世沉积，影响了上新世和第 四纪沉积，为山西运城盆地北界 。 1 1 4 北西 向断裂 总体上具有西强东弱的特点，现今活动主要表现为 ：一是切割了第四系或控制了第四纪 地层的沉积，如陇县一哑柏断裂新生界垂直断距达 2 0 0 0余米，断裂上、下盘第 四纪厚度相 差 2 0 0 m。二是断裂 ( 带)控制了温泉和地热异常的分布。三是沿北西向断裂或者在北西向 断裂与北东 、东西向断裂交汇部位 ，历史上均有中强地震发生。 1 2 渭河盆 地断块活 动特征 1 2 1 断块 的划分 关中地区新生代以来尤其是第四纪以来 ，盆地相对于南北两侧山区强烈下降，盆地内部 第 2期 谢振乾等 ：论渭河盆地断块运动及地震 活动特征 6 1 的新构造运动明显 。根据地球物理场变化特征、活动断裂的规模及其活动性、沉积建造及其 厚度、基底岩相结构 、地貌类型、深部构造特征、地震分布特征等 ，盆地内可划分为四个凸 起 、两 个 凹陷 ， 即宝鸡 凸起 、咸礼 凸起 、蒲 城 凸起 、临蓝 凸起 和西安 凹陷 、固市 凹陷 。 1 2 2断块 的运动 关 中地区本身就是一处于秦岭断块山地与鄂尔多斯断快间总体上北仰南俯的不均匀沉降 的新生代断块 ，盆地内表现为南深北浅 ，这种总体格局又被盆地 内部次级断块的掀斜运动所 复杂化。宝鸡凸起位于盆地西部 ，平面上呈北西向展布的似三角形，该凸起以北西翘起 ，南 东下陷的掀斜台升运动为主要活动特征。咸礼凸起和蒲城凸起北翘南俯 ，但总的隆起 幅度及 两侧的差异运动均较小 ，黄土塬和河流的三级阶地逐级向凹陷低落。临蓝凸起是盆地内上升 幅度最大的断块，北翘南俯 ，其塬面海拔 9 0 0米，高出固市凹陷现今地面约 5 0 0 m。西安凹 陷 、固市凹陷是关 中盆地的两大沉降中心，断块北翘南府 ，凹陷南深北浅，尤其是固市凹陷 翘俯的差异幅度最大，在整个断陷带中沉陷最深，其南缘的华山断块翘起幅度最大，两断块 的交 接地 带就 是 1 5 5 6 年 华县 8级 大震 的地震 断层所在 。 由此看来 ，北翘南俯 的掀斜运动是关 中盆地内断块运动的共 同特征。 2 渭河 盆地地震 活动性 和活动特征 渭河盆地位于华北地区鄂尔多斯地块南缘，是汾渭地震带的重要组成部分。盆地内部地 震活动性强 ，陕西省 9次 6级以上地震有 8次就发生在这里 。 2 1地震活 动性 2 1 1地震 活动 的周 期性 图 2是根据渭河地区 M4级的历史地震记录划分的地震活动期 。从 中不难看 出，地震 活动 可分 为 四个活 动期 。 目前 处 于第 四活动期 的平静期 。 2 2地震 活 动的迁 移性 研究表明 ，汾渭地震带 5级以上地震活动区是随时间而转移的 ，即具有某一时间集 中于 某一地段、而下一个时期又转移到另一地段内活动的特点。同时 ，地震活动区的迁移与大震 的迁移 有着 某种 对应 关 系 ，每 一活 动 区中都有 1 一几 次 7级 以上 地震 为 代表 。可 以设 想 ，在 大震发 生前 相 当长时 间 内 ，大震 震源 附近 的 区域 处于不 断积 累应 变能 的阶段 ，在一 些地壳 比 较薄弱的地方 ，先发生一些较小的，甚 至中强地震 ，而在大震发生后的一段时间 ，有一个应 变能继续释放或应力不断调整的过程 ，因而将继续发生一些地震 ，这些地震多为余震形式 ， 这样便形成在大震前后 ，其邻近地区中强地震较为集 中的现象。随着应变能积累区的转移 ， 大震及中强地震活动区也随之转移 。 1 8 9 0年 以后 ，汾渭地 震带 5级 以上地 震 分布 较 散 ，活 动强 度 也 显 得微 弱 的多 ，很 少发 生 6级以上地震。近期一直在汾河地堑 内活动，还未进入渭河地堑。这种现象似乎说明大震 的震中迁移与地震主要活动区迁移密切相关。1 8 9 0年以后，5 级 以上地震分布零散的主要原 因可能与在此期间没有发生大震有关 ，这样使 中强地震活动在较大的范围以内有一定的随机 性 ，结果使 中强地震分布不像 以前那样规律。可以预料，汾渭地震带在下次地震活跃期中如 果有 7级以上地震发生 ，中强地震的主要活动区则可能表现出一定规律。 6 2 陕西地质 第 2 8 卷 2 3 b值分 析 震级 频 度 关 系 N a b M 中 的系数 b反映大小地震比例关系，根据 b值的时空变化预报地震的方法 ，叫 b 值预报法。岩石破裂实验证实：b值的 大小 与岩石 均 匀 程 度及 应 力 强 度 有关 ， 是反 映 某 个 时 期 地 震 活 动 程 度 的物 理 量。b值的几何意义为地震断裂结构方 式的度量，b值等于断裂分维数 D的一 半。目前普遍认为，b值与地震 活动水 平成反比，即 b值越低，地震活动水平 越 高 ，b值越 高 ，地 震 活动水平 越低 。 陕西地震 局根 据极值 理论 ，按汾 渭 地震 带的几 个地震 活动期 进行 了 b值计 算 ，得出了汾渭地震带各活动期的 b值 如下 ： f f II 川 。卜 。 一二 二 n 卜 ： 卜 二 L 一 一 一 一 L - 一 图 2 关 中地 区 M4级 地震 Mt图 Fi g 2 M- t ch a r t s h o win g Ea r t h q u a k e s wi t h IV l 4 R ich t e r s ca le in t h e Gu a n z h o n g r e g i o n 第一 活动期 ( 1 0 2 2年 1 3 6 8年 ) ： b 一0 4 1 0 0 4 ； 第 二 活动期 ( 1 4 6 7年 1 6 9 5年 ) ： b 一0 4 4 0 0 2 ； 第三 活动期 ( 1 8 1 2年 至今 ) ： b 一0 9 9 0 1 0 ； 1 9 7 0年以来 ，汾渭地震带 2级以上地震用最小二乘法求得 b值为 0 8 4 3 1( 图 3 ) ，关 中 盆地 b值为 0 8 5 3 2( 图 4 ) ，二者接近并低于汾渭地震带第三活动期 ( 1 8 1 2年至今)b值 ( O 9 9 ) ，这 可能预示 汾渭 地震带 的地震 活动性趋 于增强 。今年 以来 ，渭河地震 带 2级 以上地 震 b值出现低值 ( 约 0 6 )变化 。 3 讨论 3 1 关 于秦岭 山前 断 裂的产 状 ： 秦岭山前断裂是控制渭河盆地新生代沉积的深大断裂。众多的地质及物探资料无一例外 地反映，其走向近东西 ，倾向北 ，倾角为 6 0 。 8 O 。 。秦岭山前断裂走向是清楚的 ，但倾向值 得研究。野外调查表明 ，秦岭山前断裂在新生代前是一宽达数公里的挤压带 ，糜棱岩带、碎 裂岩带、挤压片理、矿物定向性等特征充分说明了这一点，也显示了断裂最初形成是以挤压 逆冲为主。从理论上分析 ，断裂形成时以 4 5 。 倾角破裂最容易实现。在华县发现的断层三角 面倾角为 4 6 。 ，为这一分析提供了有力证据 。我们现在所测量到的所谓断层倾角，实际上是 风化剥蚀面或挤压片理、劈理的倾角。 3 2 关于渭 河盆地 的构造 型式 在印度洋板块向欧亚板块碰撞过程中，随着青藏高原 的上隆，岩石圈物质发生流展 ，华 北区将派生出 NE -NE E向的水平挤压力( 邓起东 1 9 8 3 ) 。但关中盆地的构造应力场与其不 第 2 期 谢振乾等 ：论渭河盆地断块运动及地震 活动特征 6 3 图 3 汾 渭地震 带 2级 以上地 震 b值 曲线 图 F ig 3 A cu r v e d ia g r a m s h o win g s e is m i c b v alu e ov e r gr a de 2 o n t he Fe n W e i s e is mic z o ne 图 4 渭河地震 带 2级 以上地 震 b值 曲线 图 Fi g 4 A cu r v e di a gr a m s ho wi ng s e is m i c b v a lue o v e r gr a d e 2 o n t he W e ih e s e is m i c z on e 同 1 ，主要表 现为 垂直应 力 场作用 ，是 在地幔 上拱 、引 张条件 下形 成 的盆 地 ，盆 地 内部不 同 方向的断层在新生代以来 ，均表现为正断层性质 ，各断块虽然都以北翘南俯的掀斜运动为特 征 ，但 由于渭河南部和北部边界断裂分属不同的断裂体系、断裂性质不同，反映出了不同的 运动机制，形成了不同的次级构造结构，即箕状和阶梯状结构。 在渭河以南 ，由于受秦岭山前铲状断裂的控制 ，地壳浅部的垂直差异运动在一定程度上 转化为地壳沿断裂倾 向方向上 的水平伸展，由引张转化为压缩 ，块体发生旋转式陷落 ，形成 倾角 较缓 的箕状 结构 特 征 。在 渭河 以北 ，受北 山 山前 断裂 的控制 ，在 地壳 引张 的条件下 ，块 体 主要表 现为垂 直升 降运 动 。陈强 ( 1 9 7 8 ) 曾对 铲式 断层进 行过 构造力 学分 析 ，指 出箕状 结 构表现显著的区域伸展和下陷，阶梯状结构表现以区域下陷沉降为主。 由此看来 ，掀斜运动是在拉伸构造环境 中产生的，是由于地壳不均匀沉降作用和伸展作 用 ，是块 体 沿着 断 层 面 发 生 不均 匀 下 滑 运 动 而形 成 的。B We r n ick e和 B C B u r ch fie l ( 1 9 8 2 )在详细分析了拉伸区的大型应变之后 ，建立了不 同类型的拉伸构造模 型 ( 旋转拉伸 和无旋转 拉 伸) 。在关 中盆 地这样 一个 拉伸 系统 中，实 际上 包 含 了不 同的拉 伸 构造 模 型 ，且 铲状断裂( 箕状结构)随深度增加，引张作用变弱 ，到一定深度转化为压缩用，这和渭河以 北的北山山前断裂系形成的阶梯状结构的断裂完全不同。因此，秦岭山前断裂、临潼一长安 断裂等铲形特点，导致在长期缓慢下滑正断过程中，在其断面陡倾与水平转化部位以及水平 滑动阻滞部位，容易形成应力集中而孕育地震 ，渭河盆地地震震源深度基本在 2 0 k m 以内， 大多数在 5 1 5 k m其层状分布特点可能是这种地震形成模式 的反映。 3 3关 于渭 河盆地 的地震 活 动 前 已述及 ，汾渭 地震 带是 华北地 震 区最 重要 的一个 地震 带 。有资料 表 明华 北地 震 区历 史 上曾发生多次 8级大地震。大致可分为三个活动期 ( 自公元 1 0 0 0年以来) 2 ： 第 一 活动期 ：1 0 6 9 1 3 6 8年( 2 9 9年 ) 平静段：1 0 6 9年1 l6 9年 1 0 0年，活动段 ：l1 7 O 1 3 6 8年 1 9 8年 第二活动期 ：1 3 6 9 1 7 3 0年 ( 3 6 1 年) 6 4 陕西地质 第 2 8 卷 平静段 ：1 3 6 9年 1 4 5 3年 8 4年，活动 段 ：1 4 5 4 1 7 3 0年 2 7 6年 第三活动期 ：1 7 3 1 2 0 6 6年? 平静段 ：1 7 3 1 1 8 1 4年 8 3年 ，活 动段： 1 8 1 5 今 1 9 5年 第二活动期主体活动在西安怀来地震带 上 ，共 发生 4次 8级 地 震 ：1 5 5 6年 1月 陕 西 华 县 8级 地震 ，1 6 6 8年 7月 山东 莒县 8 1 z级 地 震 ，1 6 7 9年 9月 河 北 三 河 平 谷 8级 地 震 ， 1 6 9 5年 5月山西临汾 8级地震。第三活动期 在 约 8 3年 的平 静 段 后 ，从 1 8 1 5年 进 入 活动 段 ，至今 已有 1 9 5年 的时间 。如果 按第一 活动 期 推算 ，在 2 0 1 3前 后 年华 北 地 震 区 ，有可 能 发 生 7级 左 右 的 地 震 ；如 果按 第 二 活 动 期 推 算 ，则活 动时段 还 有 8 1年 左 右 。因此 ，在 此 期间 ( 尤其是 2 0 1 3年前后) ，汾渭地震带地震 图 5 关 中盆地不 同类型块体 的掀斜运 动示意 图 Fig 5 A s k e t ch ma p s h o win g t il t in g mo ve me n t o f di f f e r e nt f a ult bl o cks in t h e Gu a n z ho n g Ba s in 活动应引起高度关注。张建中等人 3 曾利用概率预报方法得出汾渭盆地在 2 0 4 3年前后将有 一 次地震 高潮出现 。 从 2 0 0 8年汶川 8级地 震之后 ，汾渭 地震 带 地震 活 动 明显 增强 ：2 0 0 8年 5月 1 5日凤 翔 县南发 生 ML 3 2级地震 、7月 6日宝 鸡县东 发 生 ML 3级地震 ，2 0 0 9年 3月 2 8日山西原 平 ML 4 7级地 震 ( 打 破 了汾 渭 地 震 带 4级 以 上 地 震 长 期 平 静 格 局 ) 、 1 1月 5 日陕 西 高 陵 ML 4 8级 ( 余震达 1 7 0余次，实属罕见) ，2 0 1 0年 1 月 2 4日山西河津 ML 5级、4月 4日山 西大同 ML 5级 、6月 5日山西 阳曲 ML 5级地震( 6月 2 4日陕西三原 县与 富平 县交界 ML 3 8级、6 月 3 0日高陵县临潼区交界 ML 2 8级 、8月 1 0日周至县 ML 3 2级) ，地震活 动水平 明显增强 。 3 4 潜在震 源危 险区分析 在 渭河盆地( 基底 ) ，最大 剪应力等 值 线 图 、应 变能 密 度等值 线 图表 明 4 ，盆 地西 部 陇 县岐山一带( 西安一周至凹陷西缘) 、高陵一临潼一西安之间和蓝 田一带、泾阳 口镇 以西 ( 口镇一关山断裂西端) 、盆地东部的华县一朝邑等区域 ，均为高值或较高值区，结合盆地地 震活动和 M 面变化特征分析 ，这些区域应是未来地震发生概率最大的地域，即潜在震源危 险区，在今后 3 5年 ，应引起高度关注 。 4 结语 尽管中长期地震趋势预测 已经取得了一定的成果 ，但地震预报 目前 尚属世界科学难题 ， 需要进行多学科综合研究和探索。本文根据 以往的研究和综合前人资料所提 出的一些观点， 或许带有一定的片面性，但不失为一种有益的探索 ，旨在提出要从更广泛的角度思考地震发 生的机制和地震活动的规律 ，从而为部署一个区域的防震减灾工作提供更为科学的依据。 第 2期 谢振乾等：论渭河盆地断块运动及地震活动特征 6 5 参考文献 E 1 3 谢振乾 ，等 渭河盆地 构造应力场演变及盆地形成机制分析 J 西安地质学院学报 ，1 9 9 0 ，1期 2 郭增建 ，等 城市地震对策 M地震 出版社 ，1 9 9 1 3 张建 中，等 地震发生时间的概率预报( 二) J 地球物理学报 ，1 9 7 4 ，3期 4 3 熊润清 ，等 西安地区区域地壳稳定性评价 J 陕西地 质 ，1 9 9 2 ，1期 CHARACTERI S TI CS oF FAULT BLo