北京地區地殼速度結構模型的地震響應研究

地殼速度結構和地震地質關系根據多年來北京活動的結果（王良謀等，1990；陳國平等，1994；項宏發等，1995；張賢康等，1996；胡平等，2000；江武義等，2000；馬文濤等，2004），目前，在北京及其附近發現了五處新地表或近地表活動的地質證據和符號。順德-五河（北部）；黃莊-高立營-魏家源段（北部）；南溝-五河斷裂東側三旗交叉口的交叉口。清河斷裂；新夏墊斷裂。另外,在黃莊-高麗營斷裂的蘆井-曉幼營段和南口山前斷裂上發現有晚更新世活動的地質現象。近年來,研究較多的是新夏墊斷裂(徐錫偉等,2001;張先康等,2002),并已根據近垂直深地震反射剖面,建立了發生在該斷裂上的1679年8級地震的發震構造模型,認為發震構造是地殼淺部鏟形斷裂之下近垂直的深斷裂,震源破裂向上改造鏟形斷裂并已出露地表,即新夏墊斷裂。地殼速度結構可以通過天然地震波反演或人工地震探測等方法得到。由于不同地區的地殼在漫長的地質演化中,經歷了不同的構造過程,其內部物質組成、結構、構造和相互關系等,發生了不`同`形式的更新、改造和變動,從而產生了不同樣式的地殼速度等值線分布圖像。因此,對地殼速度等值線分布圖像的正確解釋,是揭示地殼內部結構、構造及其相互關系的關鍵所在。采用先進的地震定位方法可以較精確地確定地殼中發生地震的位置。二者結合,可以幫助我們認識和發現地殼內部存在的地震構造。嘉世旭等(2005)通過對首都圈不同時期的18條人工深地震測深(DSS)測線資料的統一處理,形成了采樣網格密度為0.25°×0.25°×(2—5)km的三維地殼速度結構模型。Huang等(2004)利用首都圈數字地震臺網和華北遙測臺網共123個臺站記錄的2973個區域地震48750個精確P波到時數據,采用地震層析成像方法反演得到了研究區內詳細的三維P波地殼速度結構模型。其空間分辨率在水平方向為25—50km,在深度方向為4—17km。李樂等(2007)應用雙差地震定位法對首都圈及其鄰區1980—2004年發生的地震進行了重新定位,重定位的地震表現為與區域構造更為密切的“井”字形活動分布。本文利用上述由人工地震測深資料得到的三維地殼速度結構模型(簡稱人工地震速度結構模型)和天然地震層析成像得到的三維速度結構模型(簡稱天然地震速度結構模型)及小地震精定位結果,繪制了剖面圖(圖1),并分析了順義-前門-良鄉斷裂北段、黃莊-高麗營斷裂北段和蘆井-曉幼營段、清河斷裂、南口-孫河斷裂的南口-東三旗段的深部地殼速度結構特征,發現由人工地震方法及天然地震層析成像方法得到的斷裂深部地殼速度結構特征具有很好的一致性,起到了相互印證的效果,證明用兩種方法得到的地殼速度結構模型都能很好地反映地殼的速度結構特征,其模型是可信的。1主要活動的深層結構特征1.1不同地區及地區地殼結構、地震地質情況對比順義-前門-良鄉斷裂是北京平原內一條規模較大的隱伏斷裂,根據石油勘探資料,該斷裂走向北東25°—30°,傾向南東,為上陡下緩的鏟形正斷裂,展布于順義、孫河、前門、良鄉一線,大致以北西向的南口-孫河斷裂為界,可分為順義-孫河(北段)和孫河-良鄉兩段(南段)(汪良謀等,1990;陳國星等,1994;徐錫偉等,2002)。黃莊-高麗營斷裂是北京地區一條主要的隱伏斷裂,北起懷柔廟城一帶,向西南經北齊家、衙門口、蘆井、曉幼營,至房山南,總體走向北北東-北東,傾向南東,傾角55°—75°,全長約100km。黃莊-高麗營斷裂發育于早白堊世初,明顯控制了下白堊統的分布。在新生代它是控制北京坳陷西界的主控斷裂。根據整個斷裂帶對第四系沉積厚度的控制作用,及其與北西向斷裂的交切關系、新活動性等,自北而南可劃分為懷柔-北齊家(北段)、立水橋-衙門口、蘆井-曉幼營和郭家墳-房山4段。懷柔-北齊家段為全新世活動(徐錫偉等,2002),蘆井-曉幼營段為晚更新世活動(汪良謀等,1990;陳國星等,1994),其余2個段落未發現晚更新世以來活動證據。順義-前門-良鄉斷裂北段和黃莊-高麗營斷裂北段控制順義凹陷的發育。順義凹陷是北京平原的一個第四紀深凹陷,第四系厚約900m。根據北京市地震局震害防御與工程地震研究所的淺層地震探測資料1,順義-前門-良鄉斷裂北段錯斷了距今3—8萬年的地層,胡平等(2000)根據斷裂沿線地面存在地裂縫等現象,認為全新世也可能活動,并主要表現為蠕動。圖2a是穿過順義凹陷的人工地震速度結構剖面(剖面位置見圖1中的剖面一)。在該剖面上,順義凹陷與大廠凹陷下方地殼速度結構存在關聯和相似性,垂向和橫向上都存在不均勻性,在8—13km深度上存在一個低速體,同時在18—22km和25—30km深度上亦存在規模較小的低速體。低速體的東側即是夏墊深斷裂所處的位置,目前小地震有不甚明顯的垂直定向排列。但在此低速體西側,即順義-前門-良鄉斷裂北段和黃莊-高麗營斷裂北段所處位置,小地震垂直定向排列非常明顯,集中分布于低速體西側7—16km深度。圖2b是與圖2a位置相同的天然地震速度結構剖面,這2條剖面的速度結構在10km以上和22km以下的速度結構基本相似。在10km以上總體表現為層狀速度結構模型,且盆地形態反映明顯,并在5—10km深度上存在數個局部高速體。在22km以下表現為相對簡單的速度結構,速度值向下迅速遞增,并且大廠凹陷下25—30km的低速體在2個剖面上都存在,形態上也相似。在10—22km之間的速度結構具體形態雖不盡相同,但大廠、順義、延慶等盆地之下速度結構在橫向上的不均勻仍很明顯,尤其是大廠凹陷下幾個垂向排列的高、低速體仍然存在。從上述對比可說明,用兩種不同方法得到的地殼速度結構具有很大的相似性,均反映出大廠、順義盆地之下存在速度結構橫向不均勻,同時小地震明顯沿低速體邊緣或速度結構差異帶定向排列,說明上述地區地殼內可能存在深斷裂。值得注意的是,在同一剖面上,寧河下方應為唐山地震斷層的延伸,也表現了類似的地殼速度結構特點,出現速度結構的橫向不均勻和20km以上地震震中的垂直定向排列現象,說明唐山地震導致中、上地殼破裂。延慶盆地下方地殼速度結構亦出現類似順義、大廠盆地的結構特點。一個值得注意的現象是,大廠與寧河下方的小地震定向排列,向上有直達地表的趨勢,而順義下方的小地震卻在5km以上突然消失,似乎說明順義下方的殼內斷裂還處于隱伏狀態,與地殼淺部控制順義凹陷發育的順義-前門-良鄉斷裂或黃莊-高麗營斷裂呈“匯而未交”之狀態,而大廠與寧河下方的殼內斷裂已破裂至地表。1.2馬池口凹陷小地震地質特征清河斷裂北起小湯山以北,南止于三家店以南,總體走向北東30°—40°,全長約36km。該斷裂對地形、第四系厚度有明顯的控制作用。清河斷裂是馬池口凹陷的東邊界斷裂,馬池口凹陷位于北京平原西北部,是一個西北、東北、東南三面分別受南口山前斷裂、南口-孫河斷裂和清河斷裂控制的第四紀深凹陷,第四系深約300m。清河斷裂附近曾發生過1730年6?級地震,南口-孫河斷裂上發現過全新世古地震3次(江娃利等,2001),南口山前斷裂曾發現晚更新世活動證據。穿過馬池口凹陷的人工地震速度結構剖面(圖3a)顯示,清河斷裂下方地殼速度結構存在橫向上的不均勻,在8—12km深度上存在低速體,但低速體并不是直接位于凹陷的下方,而是位于凹陷下方東側。在清河斷裂下方,8—22km存在小地震垂直定向排列。這一地殼速度結構與小地震垂直定向排列特征,與同一剖面懷來盆地下方的小地震排列有相似之處,說明清河斷裂下方可能存在近垂直的深斷裂,它是現代發生于馬池口凹陷東南側一系列小地震的發震構造,也可能是1730年6?級地震的發震構造。同時,在夏墊斷裂向南延伸部位下方,雖無小地震發生,但地殼速度結構存在明顯的橫向不均勻性。而在控制馬池口凹陷西北側的南口山前斷裂之下,未出現明顯的橫向地殼速度結構變化及小地震定向排列現象。同樣,與順義凹陷下方的情況類似,清河斷裂下方的小地震在8km以上突然消失,說明地殼內部近直立的斷裂處于隱伏狀態。圖3b是相同位置的天然地震速度結構剖面,與圖3a的人工地震速度結構相比,10km以淺基本相似,水平分層明顯,與地殼淺部構造單元對應較好,部分地段7—10km存在速度擾動。22km以下速度結構相對簡單,基本相似。在10—22km深的層位,地殼速度結構具體形態出現較大差別,但兩種速度結構剖面在馬池口、延懷盆地下方的橫向不均勻特點及低速體都存在,證明了對人工地震速度結構剖面解釋的合理性。1.3地殼二維速度結構剖面的對比分析圖4a是穿過黃莊-高麗營斷裂蘆井-曉幼營段的人工地震速度結構剖面,地殼淺部(10km以淺)新生代盆地形態明顯,延懷盆地、北京坳陷、大興隆起、冀中坳陷形態清楚?？刂婆璧匕l育的斷裂,如黃莊-高麗營斷裂、大興隆起東緣斷裂具有鏟形特征,不會延伸到地殼10km以下。斷裂下方地殼速度結構橫向上較均勻,小地震定向排列不明顯。在該剖面中,與圖3、圖5一樣,延懷盆地下方都存在速度結構橫向不均勻及低速體。圖4b是與圖4a位置相同的天然地震速度結構剖面,兩個剖面在20km以下速度結構特點相似。但在20km以上地殼速度結構的具體形態差異較大,天然地震速度剖面對10km以淺的盆地形態反映不如人工地震速度剖面好。延懷盆地下方的垂向低速體盡管位置有較大差異,但在形態上具有一定的相似性,這一現象在穿過延懷盆地的深地震反射剖面中亦存在(圖5),表現為漫反射事件(張先康等,1996)。在兩個剖面中,人工地震速度剖面在延懷盆地下方橫向不均勻特點明顯,而天然地震速度剖面不明顯。但在黃莊-高麗營斷裂下方均不存在速度結構差異,分析認為黃莊-高麗營斷裂蘆井-曉幼營段下方可能并不存在像順義、清河斷裂下方那樣的地殼結構特點。1.4區域地質背景南口-孫河斷裂是北京平原北部一條重要的隱伏斷裂,斷裂西端起自南口,往東南經七間房、百泉莊、東三旗,至孫河鎮東北,總體走向北55°西,長約58km,由一系列北西西向次級斷裂呈右階斜列組成。第四系厚度分析表明,該斷裂有可能延伸到通縣西北一帶。斷裂西北段(東三旗以西,長約26km)為傾向南西的正斷裂,傾角70°左右,控制馬池口凹陷的發育;東南段(東三旗以東,長約32km)傾向北東,控制斷裂東北側順義凹陷的南界。從斷裂控制的第四紀凹陷與地貌組合關系及西北段與東南段傾向相反等特征分析,該斷裂除具有強烈的傾滑活動外,還具有較明顯的左旋平移活動。大地測量資料也證實了該斷裂的這一活動特征(車兆宏,1994)。江娃利等(2001)在昌平舊縣曾開挖過探槽,發現南口-孫河斷裂全新世期間有過3次古地震事件,最新1次古地震時間為距今3987—3670年之間。圖6a是近垂直穿過南口-孫河斷裂西北段的人工地震地殼速度結構剖面,剖面中沙河下方的盆形速度結構為馬池口凹陷的反映,在南口-孫河斷裂下方,深8—12km有一低速體存在,但斷裂兩側地殼速度結構并沒有明顯差異,斷裂下方小地震定向排列不明顯。圖6b是相同位置的天然地震層析成像速度結構剖面,該剖面速度結構與圖6a的速度結構形態具有較好的相似性,尤其是南口-孫河斷裂下方的低速體雖然在深度上有誤差,但形態非常相似。2強震區地殼深部構造條件分析近年來,通過對華北地區的三河、唐山、邢臺、延懷盆地等強震區地殼深部結構的探測和研究(劉昌銓等,1986;陸涵行等,1988;曾融生等,1988;徐杰等,1988;王椿鏞等,1993;徐錫偉等,2001;張先康等,2002),逐漸認識到地殼淺部控制第四紀盆地發育的斷裂有時并不是真正的發震斷裂,而存在于上述強震區地下10—25km的近直立的殼內深斷裂才是真正的發震斷裂,人們在地表所見的活動斷裂有的是發震斷裂的出露,而有的根本不是發震斷裂,而可能只是對發震斷裂活動的一種響應,雖然它們也屬于活動斷裂。根據對北京地區幾條地表發現有晚更新世以來活動證據或跡象的斷裂深部地殼速度結構及小地震空間分布特點的分析,并與三河、唐山、延懷盆地等強震區地殼深部結構特征的對比,我們認為順義凹陷、馬池口凹陷下方存在近垂直的深斷裂,此深斷裂可能為未來的發震斷裂,地殼淺部與此對應的活動斷裂是順義-前門-良鄉斷裂北段、黃莊-高麗營斷裂北段以及清河斷裂,地殼內部的深斷裂與地殼淺部控制盆地發育的活動斷裂之間可能處于“匯而未交”之狀態,根據與三河、唐山、延懷盆地構造特征的對比,我們認為具有地震孕育的深部構造條件。而黃莊-高麗營斷裂蘆井-曉幼營段下方未發現地殼速度結構的橫向變化及小地震定向排列現象,說明其下方可能不存在類似三河、延懷