【原】中国地震震源深度与强震活动状态之研究 -关于“地震地热说”的假说

陈立军

摘要  本文对中国绝大部分地区1970年以来有仪器测定震源深度的地震资料进行详细分析，并提出了“地震地热说”的假说对分析结果作出解释，得出了一个对于中国强震活动大形势的全新观念，认为中国强震活动受到吉林、新疆兴都库什、台湾和西藏日喀则等4个地壳深部“热点”70年代强震活动的牵引，完成了一个由地震活动高潮期（1970？~1982）、调整期（1983~1992）和消减期（1993~1999？）所组成的地震链全过程，目前消减期尚未结束，但从1999年4月8日吉林7.0深震开始，新的一轮地震链过程已在酝酿之中。

主题词： 震源深度  强震活动  地震地热说  热点  地震链  高潮期  调整期  消减期

引言

大陆地壳内强震的震源深度分布问题，历来为许多学者所重视（马宗晋，1983，1997；段星北，1997；韩健等，1998）。从1970年起我国建立了全国性的地震台网，取得了丰富的地震震源参数资料，为震源深度分布的研究积累了30年的大量数据。

作者以为，地震震源的深度分布，如同地震震中的地理分布一样，带给我们大量有关地壳深部构造和地震之间相互关系的信息，尤其中国幅员广阔，地震类型多种多样，具有得天独厚的条件来研究强震活动在纵深剖面上是如何相互影响的。

本文利用我国丰富的地震资料，经过反复分析处理，制作了大量图表，从中得出了一些重要的结论，某种意义上可以改变我们对于我国地震活动总趋势的一些认识与判断，甚至可以使得我们的地震趋势判断工作从此迈出更加稳健的步伐。

1  资料的选取与预处理

1.1  资料的选取

本文资料取中国地震台网1970年以来地震目录中提供了震源深度的地震，选取M_L≥3.0地震（缺失深度数据的地震较多）作一般性研究，取M_L≥4.0地震作时序分析，取M_L≥5.0地震作空间分析。地理范围包括15°~55°N、70°~135°E中国地震台网所提供的中国及邻区地震。鉴于中国东部和西部地区余震序列的差异，难以建立统一的剔除余震模型，加上5级甚至6级以下的余震对本文的结果也不会造成太大的影响，因而本文所采用的地震目录均未剔除余震。

 

图1.1  中国地震最大震源深度1970~1999年平面扫描等值线图

1.2  资料的预处理

研究区内近30年来地震震源深度的平面扫描结果如图1.1所示。图中a、b、c、d分别为M_L≥3.0、4.0、5.0和6.0的平面扫描结果，图1.1a为2°X 2°范围内取最大震源深度所作等值线图，其余3张均为2°X 2°范围并以1°步长滑动取最大震源深度所作的等值线图。对比这4张图，可以得到如下一些认识：

⑴  我国存在3个重要的中、深源地震区，即吉林省的延吉地区（最大深度600㎞）、新疆自治区的兴都库什地区（最大深度250㎞）和台湾地区（最大深度近300㎞）^①。这3个区的地震强度可达6级以上。另外，还有1个次一级的中、深源地震区，即西藏自治区的日喀则地区，最大深度为100㎞左右，地震强度在6级以下。

⑵  研究区内5级以上地震的最大震源深度总体上小于5级以下地震的深度，前者的优势分布均在30㎞以上的地壳内部，而后者则可以深入到地壳的底部乃至上地幔去。

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①徐明同，台湾的地震活动及一些有关问题，中国科学技术情报研究所译自BIISEE，1971，Vol.8，41-160

⑶  4张图中，随着地震强度的加大，其平面图象与人们通常所说的地表构造形迹偏离也加大，图1.1a、b上可以见到诸如南北地震带、南天山和北天山地震带、青藏块体，等等，而在图1.1d上则似乎变得浑然一体了。当然，并不排除样本数减少的关系，但至少南北地震带上的样本数是足够描述它的。

图1.2  中国1970~1999年地震震源深度垂直剖面图

图1.2为M_L≥5.0地震纵深剖面随时间的分布图。分析表明：

⑴  当取深度h为56㎞时，正好将上述4个中、深源地震区划分开来。换句话说，除了4个中深源地震区外，h≤55㎞地震的纵深分布都是与当地的地壳厚度相一致的，因为40~55㎞的地震只分布在南北地震带（含银川地震）、天山地震带和青藏块体内部等少数几个地区，这里都是地壳厚度偏大的地区（马宝林等，1994）。

⑵  h为56~300㎞地震呈带状展布在从台湾-日喀则-兴都库什的北西条带上，为一中深地震活动条带。该带地震活动带有明显的韵律，近30年来大致经历了3次活动过程，即1970~1980年、1986~1990年和1997年以来的活动。

⑶  h为500~600㎞地震只分布在吉林深震区，是我国境内唯一的深震区。该区1970年以来也经历了3次强震活动，即1973年、1981~1987年和1999年，但1981~1987年的活动强度较弱，没有7级以上地震。

⑷  h≥56㎞的地震活动虽然分布在4个不同的中、深源地震区，但在地震活动时间和强度上存在一定的同步性，显然受到了某种共同因素的制约。

1.3  震源深度资料分析的初步约定

    对震源深度资料的分析，本应结合地壳的结构来划分，但由于中国幅员广阔、地壳结构复杂，因而本文只根据上述讨论结果对地震深度作形式上的划分，即0~10㎞为H₁层，11~20㎞为H₂层，21~30㎞为H₃层，31~40㎞为H₄层，41~55㎞为H₅层，56~300㎞为H₆层，301~600㎞为H₇层，并以H₁₅表示对地表影响较大的地震总体，以H₆₇表示所有中、深源的地震活动总体。显然，对于地面各点，各个深度层可以或缺，几乎没有一个点是具有完全7层的。

2  震源深度资料的时序分析

相对于H₁~H₇层M_L≥5.0的M-t图和M_L≥4.0的年频次图分别如图2.1的a、b所示，M_L≥4.0的年蠕变图和年能量释放单值图分别如图2.2的a、b所示。

2.1  M-t图的分析

由图2.1a的M-t图可见，深度各层的地震活动存在一些共性，也存在一些个性，大致是：

⑴  各层都大致经历了3个地震活动阶段（表1），只有H₃层的第二与第三阶段的界限不太清晰。以下我们将表1中H₁₅层所划分的地震活动时段作为1970年以来中国地震活动时段的划分标志。

⑵  惟有H₄和H₅层无7级以上地震活动。

表1  中国地壳各层的地震活动时段表

 2.2  年频次图的分析

由图2.1b，从地震活动年频次的角度讲，第一活动时段H₁、H₂是中国地震活动的主体单元，第三活动时段H₃、H₄则成为中国地震活动的主体单元，第二活动时段无明显的主体活动层。

 

图2.1  1970~1999年的M-t图和地震年频次图

图2.2  1970~1999年的蠕变曲线和年能量释放曲线图

图2.3  1970~1999年年能量释放5点滑动曲线图

2.3  蠕变曲线的分析

图2.2a的地震活动年蠕变曲线与频次图具有类似的情形。值得特别指出的是，在第一活动时段的各地层呈现出整体能量释放的特征，而且，H₁、H₂呈同步大释放，H₆、H₇也呈同步大释放，后者比前者在时间上要早3年。从图2.2a由下往上看，第一活动时段内陆壳各层的蠕变积累明显地由下层向上层在时序上呈依次地增强。

2.4  年能量释放单值曲线的分析

图2.2b的年能量释放单值曲线呈现两个突出的特点，一是H₁层除了80年代中期短短的5、6年外，其余时段均处于高值释放过程，二是H₂层30年来能量释放一直呈直线下降的趋势。

为了更好地分析深度各层的能量释放特征，取图2.2b的资料作5点滑动平均，结果如图2.3所示。图2.3中，a）为H₁₅层的能量释放滑动曲线，b）以下分别为H₁~H₇层的能量释放滑动曲线。各曲线纵坐标的单位为1.0X10⁹焦耳（即将年能量释放值转换成了该单位值的倍数），除H₇层有曲线值为0的断点外，其它各条曲线在图面的相对值均为连续的而且是大于1的值。分析图2.3，可以得到如下几点：

⑴  第一活动时段内陆壳各层呈现整体活动，各层均出现30年中的最大能量释放，是一次真正意义上的地震活动高潮。

⑵  第二、三活动时段的主体活动只出现在H₁层，即0~10㎞的地表层，地表以下各层虽然出现不同程度的响应，但活动规模很小，而且越往深处响应规模越小。第二活动时段H₁层和H₆层的活动响应主要反应了中国西部即新疆喀什地区、西藏以及云南地震活动的特征。

⑶  由H₁₅层的能量释放滑动曲线清楚地表明，在中国大地上，经历了70年代本世纪最后一次地震活动高潮以后，再没有出现过真正意义上的地震活动高潮。

3 震源深度资料的空间分布特征

3.1  震源深度资料的地理分布

各地层按照表1中各自活动时段M_L≥5.0的震中分布图如图3所示。图中第1~5行分别为H₁~H₅层，第6行为H₆₇层；第1~3列分别为第一、二、三活动时段。限于图内篇幅，各分图未分别给出南海诸岛的地图，在第3行第2列统一给出，以示紧要。分析图3，可得以下几点认识：

⑴  第一活动时段内，全国范围各个地层的地震活动都非常活跃，几乎除了华南内陆和黑龙江以外，随地皆震，尤以南北带、台湾、西藏、新疆和环渤海地区为甚。地震的区域集中度高，地震条带也很明显。第二活动时段内除了H₁层和H₆层南北地震带震中具有一定的集中优势外，其它地区均处于随机的活动状态。第三活动时段内则除了新疆地震略为集中外，全国其它地区活动水平都很低下。

图3  1970~1999年中国各地层不同时段的震中分布图

⑵  第6行H₆₇层的震中分布图很好地说明了中、深源地震的活动对中国强震活动的深刻影响。第一活动时段内4个中、深源地震区同时出现较为频繁的5级以上的地震活动，最大地震为1973年9月29日吉林深震区的M_S7.6地震（震中41°48ˊN，130°54ˊE；深度h=589㎞）。第二活动时段内只有吉林和新疆2个中、深源地震区出现中等强度的地震活动，最大地震为1986年8月21日新疆的M_S6.2地震（震中36°06ˊN，71°06ˊE；深度h=223㎞）。第三活动时段内4个中、深源地震区均无6级以上地震活动，只是到了1999年4月8日才发生吉林M_S7.0地震（震中43°24ˊN，130°18ˊE；深度h=540㎞），它对中国地震活动的影响在本文所研究的资料段内尚未显露出来。

3.2  不同地层地震能量释放的能流密度分析

不同地层地震能量释放的能流密度空间扫描等值线图分析结果（将专文研究，图略）表明，H₁~H₄层或者H₁₅层的能流密度图显示出了各地层不同时段地震活动的格架，从高值区的值域、面积、分化、转移等方面佐证了前面所作时空分析的结果。

4 关于“地震地热说”的假说

4.1  有关地壳热状态的一般原理

A.H. Lachenbruch等（1977）在讨论地热特征时将地壳里热的发生、传递和储存关系简化为一维的由地底向上的简单模型q（z），关系式为

                         (1)

式中，q为垂直向上的传导热流通量（单位HFU，即10^-6卡/厘米²·秒），θ为温度（单位℃），ρ和ρˊ分别表示静止和运动物质的密度（单位为克/厘米³），c和cˊ分别表示物质的静止和运动的热容（单位为卡/克·℃），v是体积热容为ρˊcˊ的物质向上的体积通量（单位为厘米³/厘米²·秒），ρc则是任一静态单元中相应的量；z为深度，t为时间。

Lachenbruch等根据美国的热流测量和地壳状态，认为式（1）右边的第一项A代表地壳中放射性物质衰变所产生的热，不论地壳里还会发生什么过程，放射性物质衰变是一直进行着的。式（1）右边的第二项代表地壳和上地幔之间物质相对运移所产生的热对流，最后一项则表示固体岩块沿断层的运动、岩浆和水溶液流体的涌入等所造成的间歇的或短暂的瞬变扰动，地震、火山、热泉等就属于这一类扰动。美国西半部的地热流高异常区与美国西海岸（太平洋东岸）的强震带相吻合，以及全球火山分布与强震分布惊人的相似（阜新煤矿学院，1961），就是明显的例证。反过来似乎也可以认为，地震、火山和热泉与地热是互为因果的。也就是说，这些过程可能是地热扰动的原因之一，但同时也可能是地热扰动的结果之一。或者说，地震活动与火山爆发正是地壳热状态趋于平衡的调节方式。

4.2  地震地热说及其对中国强震活动状态的解释

长期以来，人们一直在设想，地球可能基本上是一个“热机”（北京大学地震地质教研室等，1982；A. E. Scheidegger，1982）。也就是说，引起地球动力学效应的能量可能来源于热现象。然而，对于地球的热历史和热状态，迄今人们了解得非常不够，很多问题都处于推理甚至推测之中（李四光，1972；张少泉，1988；J. A. Jacobs，1974）。本文只就中国近30年来有仪器记录的地震史，局限在地震活动性力学的范畴内（傅征祥，1997），对强震活动的总体规律寻求某种理论上的解释，因而提出了“地震地热”的假说。

假说认为，中国的4个中、深源地震区可能是四大深部“热点”（A. E. Scheidegger, 1982; 刘肇昌，1985），高温高压下的地幔物质和岩石圈底部部分熔融的物质在某种共同机制的制约下相互作用，以快速运移或者暴沸的方式形成中、深源地震，其能量释放主要以热能的方式通过传导和迁移（高温高压下的气体、卤水或岩浆等）依次传达到地壳内各地层，相继引发各地层的地震活动，最后达到近地表层，通过地表层的晚期随机地震活动将剩余热能消减完毕，构成一个完整的“地震链”过程。如此往复，周而复始，4个“热点”活动错落交替，构成了中国地震活动复杂的过程与格局。但是，只有当4个深部“热点”整体活动时，才有可能形成犹如70年代那样的地震活动高潮期。

按照这一假说，中国近30年来的强震活动状态可以得到非常好的解释。60年代中期至80年代初期，中国经历了一场地震的大灾难。图2.2a和图2.3显示了东北深震以后地热从岩石圈底部逐渐向地表传递的全过程，第二、三活动时段以近地表地层的活动为主而且由有序活动向随机过程转化的活动状态正是调整与消减的过程。在整个“地震链”的过程中，H₆₇层是一个“能动层”；H₁、H₂层是“多震层”，也就是“散热层”（将热能转化为以机械能为主的能量形式消耗掉）；H₃、H₄层能量呈渐进式释放，相当于“储能层”。如果将式（1）中右边的第一项视为常量（以常规方式产生，以常规方式释放），则这个“地震链”的过程是通过第二、三两项的相互调整、此消彼长来达到动态平衡的。一个完整的地震链过程大致包括能量的大释放（高潮期）、近地表层的集中释放（调整期）和地表层随机的残余释放（消减期）等3个地震活动阶段。

4.3  地震地热说的证据

⑴  深源地震本身的证据  众所周知，即使7级以上的强烈地震也不会造成地表破坏。就是说，它的能量并没有得到真正意义上的释放，只是实现了能量的转移，由深层向浅表、由高热处向低热处的转移。蒋凡（1978）曾经指出过东北地区深震与浅源地震的相关性。

⑵  深部探测方面的证据  华北地区深部探测揭示了两个重要的事实（刘国栋，1989）。一是强震活动主要分布在上地幔高导层隆起带的两侧和高导层隆起宽度发生突然变化的地带以及高导层构造方向发生转折的地带。上地幔高导层具有较高的部分熔融含量，易表现为较大规模的底辟上移或对流上升。二是强震带一般分布在大地热流值从高值向低值过度的地带，即居里等温点深度较浅或变化较快的地带。高温-低温过度区是承受挤压的地带，也是温差剪切应力最大的地带。南北地震带也发现类似的情形（南北地震带近期强震危险性研究组，1989；闫志德等，1989）。

⑶  浅源地震成因方面的证据  我国绝大多数地震都发生在切割地表较深的活动断裂带上。活断层的活动方式主要有两种：蠕动与粘滑。这两种活动方式都需要高温、高压的条件。试验表明，温度低于500℃时断层两侧岩体可以产生粘滑，大于500℃时则呈缓慢的蠕动和蠕变（黄培华等，1982；韩健等，1998）。如果按照地震的粘滑机制说，地震能否发生，温度是一个极为重要的边界条件。

⑷  地震前兆方面的证据  地震地热说必然导致地壳内部热状态的异常。地壳内部热状态的异常几乎可以对所有目前我们所观测到的地震前兆现象作出十分有利的解释。地温（刘培洵等，1997）、地热（中国地震局预测预防司，1998）、地光（黄录基等，1979）、地形变、大地形变测量（沈永坚等，1989）、重力、地磁、地电、地下水等等学科类的异常，甚至包括地震学方面的波速异常与品质因子的变化，都有可能与地壳内部热状态的异常有关。梅世蓉教授等（1993）解释地震前兆异常机制时提到了岩浆的冲熔作用和暴沸机制。陈章立教授（1998）在他主编的《大陆地震预报的方法和理论》一书中指出：“地热对地震孕育与发生过程的贡献，可能还远不只是对应力-应变与断裂活动方式的影响。初步研究结果表明，在华北北部地区的强震发生过程中，地热可能起着决定性的作用。”

⑸  理论研究方面的证据  徐常芳教授（1996a，1996b）根据MT法探测结果指出，中国大陆地壳中存在高导层，其内活动着高温、高浓度的卤水，可能是形成浅源地震的主要原因。傅承义教授（1976）的红肿学说、车用太教授等（1997）的坚固体膨胀-热物质涌落（DR）模式是和“地震地热说”相吻合的。朱传镇教授等（1982）的研究表明唐山地震发生时可能有热物质的上涌，曾融生教授（1988）进一步指出了热物质上涌的通道条件。这些，无疑都是“地震地热说”的极好证据。

5 讨论与结论

5.1  讨论

⑴  关于地震目录  中国地震目录中M_L≥4.0地震缺少震源深度资料的地震不少，但主要是在台湾地区和西藏西部地区，即中国大陆地震台网监测能力较弱的地区。从总体分析结果来看，这部分地震的缺失对大形势分析的影响不是太大的。同时，由于没有1970年以前的全国地震目录，因而未涉及1966~1969年这个重要地震活动时段的情形。

⑵  关于垂直投影剖面  本文作为一级近似，将研究区内的所有地震投影到了同一个垂直剖面上。由于中国地壳结构复杂，划分若干个区域来讨论全国的大形势也是很难的，但对垂直剖面分层的细微划分似乎还有待进一步研究。

⑶  1999年4月8日吉林7.0深震的前兆意义  按照本文所提出来的“地震地热说”的假说，1999年4月8日的东北深震，可能是新一轮“地震链”的开始。但是，有两点值得指出：一是考虑到地震链过程与深震能量大小的关系，新一轮地震链的强度不会高于上一轮的强度；二是还要看其它3个“热点”的响应程度。

5.2  结论

本文对中国绝大部分地区1970年以来有仪器测定震源深度的地震资料进行详细分析，并提出了“地震地热说”的假说对分析结果作出解释，得出了一个对于中国强震活动大形势的全新观念。分析结果认为，中国强震活动可能受到吉林延吉地区、新疆兴都库什地区、台湾东部岛弧地区以及西藏日喀则地区4个地壳深部“热点”70年代强震活动的牵引，完成了一个由地震活动高潮期（1970？~1982）、调整期（1983~1992）和消减期（1993~1999？）所组成的地震链全过程，目前消减期尚未结束，但从1999年4月8日吉林7.0深震开始，新的一轮地震链过程已在酝酿之中。

（1999.8.2 初稿，2020.7.23 校订）

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