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重新认识我们的地球（之十一）中国大陆地震成因探讨
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重新认识我们的地球（之十一）
中国大陆地震成因探讨
池顺良
我国大陆地区的地震，除西藏和东北部分地区有少量中深震外，其余均为壳内浅源地震。这类地震频度高、强度大、破坏性强，对其成因的研究十分重要。
（1）中国大陆地震成因与板块碰撞无关
用板块构造难以解释中国大陆内部发生的大地震是我国地震工作者普遍的看法。如在华北地区发生的邢台地震、临汾地震等一系列破坏性大地震就无法用板块碰撞解释。尽管如此，仍能不时见到“印度板块冲撞中国青藏高原，引起某地地震”的说法。
高名修等对青藏高原南缘现今构造活动的研究指出，从中更新世以来，青藏高原南缘处于以差异升降和正断层作用为特征的张性环境，而与碰撞挤压环境完全不同。因而，中国大陆现代地震活动的力源与板块碰撞无关（高名修，青藏高原南缘现今地球动力学研究，地震地质，vol. 18，No.2，1996）
孙鸿烈主编的《青藏高原的形成演化》中介绍了板块构造提出以来，用板块碰撞、插入解释高原形成的8种模式，没有一个模式为大家公认，每种模式都只能解释一部分现象，而与其它事实矛盾。
从地质实际看，近7Ma来，喜马拉雅隆升幅度和南面山前盆地的沉降幅度都在5000米以上。若真是印度次大陆以5 cm∕a 速度向北推进，7Ma中前进350km。插入的印度板块将上下弯曲成S形，弯曲幅度10km。后续板块如何插入，莫非沉积物质能从板块上部穿透到下部！
从力学上分析，在地质时间尺度上，岩层都是塑性的。碰撞只能引起接触地段的塑性变形，产生于板块边缘的碰撞应力无法向板内长距离传递，然而在远离板块边缘数千公里的中国大陆纵深地区仍分布着强度相当大的地震，说明这些内陆地震的发生，不应再用板块碰撞来解释。板块推挤并不是中国大陆地震的真实力源。
如果用高原本身的势能就能解释中国大陆地震，问题就成为探寻高原是如何形成的？而高原的形成并非必须用碰撞机制，印度板块碰撞就不是必须的。何况古地层资料已经表明从寒武纪时印度和西藏地区就是连在一起的（参见：摒弃‘板块说’的理由(三）)。
（2）青藏高原物质重力流引起中国大陆地震活动
李善邦将中国地震区分为地槽区地震带和地台区地震带。属于地槽区地震带的有阿尔泰、天山、昆仑、祁连、秦岭、康滇、三江、台湾地震带。这里的地震大都发生在地槽褶皱带中不同地质构造单元分界处的深断裂上、地槽边缘山前拗陷断裂带上或地槽带与中间地块毗连地带上，是地槽构造活动的结果。
不在构造活动强烈的地槽区发生的地震又该如何解释呢？
我国地震学者在分析大量地震数据、形变测量资料和地质构造特点的基础上，编制了我国大陆构造应力场图（图1）。此图表明我国西部地区主压应力主要沿近南北或北北东一南南西方向，而东部地区的最大水平主压应力方向呈放射状分布；青藏高原的周边处于受较强挤压的应力状态，而青藏高原内部有不少地区处于受张状态，张性区主要分布在挤压边缘带的内侧。以上特征说明我国大陆的现代构造应力场与青藏高原的隆起密切相关。青藏高原成为向外扩张的中心，而大陆的东部和南部在青藏高原向外流展挤压下，沿环线受到张力作用，由此形成区域现代构造应力场的总体格局。
我国大陆构造应力场的决定因素是青藏高原的巨大隆起。地震震源机制解确定的我国东部大陆的地震构造应力场也反映出类似的辐射状特征。
图1. 我国大陆现代构造应力场特征示意图（汪素云、许忠淮，中国东部大陆的地震构造应力场，地震学报，vol．7，No.1，1985）
周玖、黄修武的研究进一步指出中国大陆地区的地震活动起因于青藏高原地壳内贮藏巨大数量剩余势能的释放。由于青藏高原面积占中国大陆面积的四分之一，宽度为大陆的一半，因而高原的影响几乎扩展到整个中国大陆（周玖、黄修武，青藏高原地壳的地球动力学特征，地震科学研究，2期，1981）
高原周边地形陡峭的地区，如紧邻青藏高原东缘的四川盆地，高原、盆地间高差悬殊。其间的川西龙门山冲断系，冲断、重力滑覆等构造十分发育，这些地区发育了许多由盖层形成的薄皮构造。这里地势高差极大，重力势能转化为巨大的水平侧向推力，造成推覆、逆冲构造，5.12汶川8.0级大地震就发生在这里。
向东是地台区。地台原是以古老岩层为基底，一般认为是相对稳定的。但我国东部地台区，尤其像华北沉降区地震带上发生的强震其成因就值得进一步研究。60年代中期至70年代中期，中国东部经历了一轮地震活动高潮期，短短10年间发生7级以上地震12次，频度高、强度之大、发震范围之广均为史所罕见。
对于离开高原边缘较远的地区，青藏高原的影响通过下述方式表现出来。
地壳厚度变化的中国大陆，在上部地壳负重和下部地幔浮力的作用下，地壳中存在强大的差异应力场，周玖称其为地壳结构力源（图2）；
图2. 青藏高原地壳结构力源及其作用方式
(a)地壳厚度不均匀结构及力源示意；(b)平面应力场作用方式
1．地幔浮力和高原地层重力；2．壳内水平应力；3．逆冲断层方向；
4．断层运动方向；5．地幔；6．地壳物质优势流
对华北地区新构造运动的分析指出，西起银川，东至天津的广大华北地区，由贺兰、鄂尔多斯、太行及沧县四个北北东向的掀斜断块组成，断块的结合线是贺兰东断裂、口泉交城龙祠断裂、太行东断裂及沧东断裂，断块一律向东掀起，向西倾伏，掀起部位为贺兰、吕梁、太行及沧县隆起，倾伏部位为银川、山西及河北断陷带。断块都一致地向东滑移，表明新生代中国大陆地壳表层向太平洋方向扩张和滑动（杨承先，华北新生代裂谷系的断块结构及重力滑动构造，地震，No.6，1981 ）。
对漳州一厦门地区的新生代辉绿岩岩墙群、盆地和地堑构造等研究，发现福建沿海和台湾海峡地区新生代以来也处于伸展构造环境，伸展方向大体垂直于海岸线（赵勇，漳州一厦门地区新生代伸展构造兼论台湾海峡成因，中国地震，v01.4，No.1，1988 ）。
大陆岩石圈从流变学角度大体可分为地壳盖层和上地壳结晶基底刚硬层、中地壳塑性层、下地壳刚硬软弱复合层及上地幔刚硬层。在高原下方及平原下方的中、下地壳塑性层中，同一水平面上的自重压差可达到120 MPa，压力降方向从青藏高原放射状指向四周。如此巨大的定向压力必然推动塑性的中、下地壳物质向四周流展，并从上地壳底部拉动上地壳地层向四周扩张，形成陆缘一系列向外凸出的弧形构造。由于上地壳的脆性，在从底部来的拉张力作用下，地层产生张性正断层，形成并发育一系列断层方向垂直于中、下地壳物质流动方向的拉分盆地。与断层形成同时，位于断层底部的中地壳处，压力骤降又诱发岩浆活动。由于断裂只发展到中地壳深度，溢出的岩浆以玄武岩为主。作者所在的鹤壁位于太行山下，东临的汤阴地堑就是个拉分盆地。这里就有玄武岩活动形成的黑山。玄武岩因耐磨被开采作高速公路的路面石料。
在这里，所谓的拉张力实际来自流展的中地壳对上地壳的牵动。因此，华北地区地壳物质向洋方向水平扩展就是青藏高原的地壳结构力源驱动中下地壳物质向洋重力流展的结果(图3)。
图3. 华北地壳物质流区平面展布示意图（马杏垣主编，重力作用与构造运动，地震出版社，p.131，1989）
1．地壳等厚度线；2．地壳结构力源水平应力；3．华北地壳物质重力扩展方向；4．华北新生代断陷区；5．地壳物质滞流区；6．活动正断层
根据三维地震层析资料可知，青藏高原南缘是坚硬的前寒武纪印度地盾，之下的高速介质的深度可达到300 km。西部的克什米尔和北面的波罗的一乌拉尔地盾之下也是高速介质。相对低速的介质存在于青藏高原的东部和东南部（张禹慎，青藏高原及其邻近地区的上地幔速度结构和地球动力学研究，陈运泰主编，中国固体地球物理学进展，海洋出版社，150-161页，1994）。因而，高原中、下地壳物质向南流展受到强制阻挡，南缘发育了规模宏大的弧形向南突出的接触断层。这里的中强地震集中在主边界断裂和主中央断裂之间的小喜马拉雅带内。
青藏高原物质向东扩展，受到相对高速的四川盆地和地幔隆起区的阻挡，形成龙门山逆掩推覆构造带。在龙门山西南端至喜马拉雅山东端之间的宽广地带，高原物质向南南东方向推进，形成了东至泸定、马边，西至察隅的西南地壳物质流区。地处川西高原的鲜水河断裂带，其东北盘，地壳物质流展受到四川盆地的阻滞，而西南盘物质得以向南东方向扩展。中地壳物质在平面上不等速流展，带动上地壳产生走滑断裂。按鲜水河断裂带下部中地壳物质横向非均匀扩展的情况，鲜水河走滑断裂应该是左旋的。
高原地壳物质向南南东方向扩展，遇到渡口一楚雄地幔上隆区的阻滞，形成东、西两个物质分流区。区内走滑断裂形成、走向及旋向都可按物质流的受阻滞或相对顺畅确定（图4）。云南及邻近地区的三维速度图像显示沿红河断裂带两侧波速差异很大，说明红河断裂带起因于断裂两侧物质流运动速度的差异。实际上，该区大部分5级以上地震发生在速度梯度较大的地方。揭示出走滑断裂形成、地震活动机制受中、下地壳物质流展的速度差异所控制（[刘瑞丰、陈培善、李强，云南及其邻近地区三维速度图像，地震学报，vol. 15，No.1，1993]。
图4. 西南地区地壳结构、物质流展及断裂构造图（引自马杏垣主编，重力作用与构造运动，地震出版社，p.133，1989）
1．莫霍面等深线；2．地幔隆区；3．地幔下陷区；4．走滑断层； 5．逆冲断层；6．震源主压应力轴；7．高原地壳物质流展方向 断裂带名称：I.鲜水河断裂带；Ⅱ．龙门山断裂带；Ⅲ，安宁河断裂带；Ⅳ．则木河断裂带；V．小江断裂带；Ⅵ，红河断裂带；Ⅶ，澜沧江断裂带；Ⅷ．怒江断裂带；Ⅸ，金沙江断裂带
青藏高原物质向东北方向扩展，经过相对高速的鄂尔多斯地块南部，进入相对低速的山西和华北平原，流展速度加快，拉动上部地壳一同向洋方向扩展。于是，在华北地区形成一系列拉分地堑和盆地。
华北地区的地震活动，空间分布与晚新生代以来继承性断陷盆地一致。如山西断陷盆地、河北平原拗陷、渤海拗陷和下辽河拗陷中都发生过7级以上的大地震。这些地震的主压应力轴在平面上以北东东方向为中轴向洋呈辐射状展布。90%以上的地震的震源深度分布在10—20 km。地震时，除走滑分量还伴有倾滑分量，往往在大范围内地面发生不同程度的沉降，普遍出现张扭性裂缝，显示出正断层下滑引起的典型地面变形。因此，华北的大部分地震是断陷盆地形成中的构造地震。
华北地区新生代拉分盆地从始新世开始发育（正是青藏高原隆升时期），形成了近70个半地堑或地堑式断陷盆地。目前盆地的伸展速率约0. 12 mm/a，由此估算中、下地壳塑性层物质的流动速率可达1-5 mm/a。将中、下地壳塑性流体看成牛顿粘滞流体，对于一维槽状流模型，塑性层的平均流速u可由下式表述：
u ＝（h2∕12μ）dp ∕dx (1)
式中，h为流层厚度；μ为等效粘滞系数；dp /dx为压力梯度。由式(1)得知，要中地壳塑性层产生1-5 mm/a的流动速率，则中、下地壳物质的等效粘滞系数应为1016 Pa•s的量级。图5. 示意中地壳塑性向洋流动带动上地壳形成拉分断陷盆地。
图5. 中地壳塑性层向洋流动带动上地壳形成拉分断陷盆地
1．壳内物质重力扩展塑性向洋流；2．沉降断陷盆地高热流区；3．上地幔
华北地区地球物理测深结果显示，该区地下15-25 km之间存在着低速高导层。刘国栋等提出低速高导层可能起因于长英质矿物的部分熔融，因而具有相对低的粘度（刘国栋、史书林、王宝钧，华北地区壳内高导层及其与地壳构造活动性的关系，中国科学，B辑，9期，1984 ）。
岩石流变学的研究指出，对于石英在500℃时的压熔蠕变，其等效粘滞系数可能达刭1016Pa•s这样低的数值（特科特，D.L．，舒伯特，G.，地球动力学，地震出版社，220 - 226页，1986）。
中、下地壳物质向洋流展，将上地壳拉开。被拉裂的地层，断层上盘失去下盘支撑。原先连续的地层状态下，平衡的应力分布被打破。上盘断层一侧地层失去支承，别的地段的支承力必然加大，引起应力集中，应变能在某个区域集中。这些断块的尺度达到万米量级，自重应力十分巨大（一幢千米高的大厦，底层的材料都会在楼的自重下压碎）。断块在下沉过程中，块体的重力位能转换为应力集中区的应变能，最终引发地震。
一个长100公里、宽20公里、厚10公里的断块，只要下沉1厘米，其重力位能就够发生一次7级地震！
图6. 是渭河盆地的形成模式。历史上这里曾发生过多次大地震。1556年在渭河盆地发生的关中大地震，“压死官吏军民奏报有名者八十三万有奇，无名者不知其数”。
图6. 渭河盆地的形成模式图（引自：张洪卫，1992）
a) 中、下地壳物质流展，将上地壳拉裂；b) 上盘断层一侧地层失去支撑向下塌落，沉降区充填沉积物；c)继续拉伸下另一侧发生断陷，沉积物继续充填；d) 盆地继续发展
华北地区地震活动与拉分断陷盆地的关系，有很多专著讨论，这里不再详述（高名修、王椿镛、张之立、曾融生等）。
图7. 中国东部地区临界等温面深度图
1．临界等温面等深线；2．无壳内低阻层地区
（引自徐常芳、赵国泽、詹燕，壳内低阻层的形成及其与地震的关系，见：国家地震局地质研究所编，现今地球动力学研究及其应用，地震出版社，100 -107页，1994）
从图7. 可见，华南地区不存在壳内低阻层，该区中、下地壳的粘滞系数较高，中、下地壳物质以较低的速率流动，因而不能形成像华北地区那样的拉分盆地，其地震活动性自然也较低。
青藏高原物质向四周流展，在高原周边形成冲断、推覆构造及走滑断层，发生强烈地震；青藏高原地壳结构力源推动周围中、下地壳塑性物质向洋流展，携带上地壳脆性地块向外扩展，在华北地区形成断陷盆地，伴生地震。随着距离的增远，这种影响的强度逐渐减小，直到中国大陆东缘，新的动力因素出现为止。
正是在巨大的青藏高原的影响下，中国东部地台区具有了一定的活动性，而不像其他地区的地台那样稳定。
以上关于中国大陆地震成因机制的探讨，是从事地震监测预报重任的地震工作者，摆脱了板块说对地震成因的框框，依据中国地震活动的实际，作出的分析。随着对中国大陆地震资料的积累，认识会进一步深化，终将引导中国地震工作者，揭开中国大陆地震成因之谜。
高原的成因成为中国大陆地震成因更深层原因。后文将探讨青藏高原的成因：高原是内波物质迁移运动和地幔物质分异及大陆生长过程的产物。
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