天津近海海域隱伏斷裂地震危險性評價1

劉紅艷 陳宇坤 閆成國 楊 菲

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天津近海海域隱伏斷裂地震危險性評價

劉紅艷 陳宇坤 閆成國 楊 菲

（天津市地震局，天津 300201）

以天津市近海海域斷裂探測資料為基礎，通過對海河斷裂海域段和海一斷裂的地質構造、第四紀活動性、深部構造、構造應力場與形變場以及地震活動性等的研究，綜合判定了海河斷裂海域段和海一斷裂的活動性與構造特征。利用地震地質、歷史與現今地震活動性資料，建立了按500a歸算的震級－頻度關系模型，根據天津地區的最大震級上限與a/b的關系，計算出了海河斷裂海域段和海一斷裂的最大震級。采用泊松概率模型，估算出了海河斷裂海域段和海一斷裂未來50－200a發生地震的最大震級、發生概率以及復發周期等定量參數。

地震危險性 定量評價 斷層小區 震級－頻度關系 最大震級 發震概率 復發周期

引言

天津近海海域位于北東向的河北平原斷裂帶和北西向的張家口—渤海斷裂帶的交匯部位。區內基底斷層縱橫交錯，各斷裂活動時代、活動性質不清、各斷裂的幾何學特征、運動學特征及相互之間的切割關系、斷層分段、地震活動性、地震危險程度等均有待于進一步查明。因此探明天津近海海域斷層的空間位置、延伸范圍、活動時代及強度，科學評價其地震危險性和斷層活動影響范圍，對天津及濱海新區區域經濟發展、城市規劃、市政建設、工業布局及人民的生命財產安全等具有重要意義。

天津近海隱伏斷層探測的目標區范圍是總面積1000—1400km的天津近海海域，北起天津新港北，南至歧口，長約40km，東西向為沿海岸線向海上方向延伸25—35km。跨越的地質構造單元主要有塘沽鼻狀凸起、板橋凹陷和歧口凹陷等。探測的目標斷層主要為海河斷裂（海域段）、歧北斷裂、歧中斷裂、海一斷裂及其分支斷裂等（圖1）。

而歧北、歧中斷裂是歧口凹陷內部的次級斷裂，水上聲納及鉆孔勘探結果都表明歧北斷裂、歧中斷裂的分支斷裂眾多，這些斷裂雖然上斷點埋深較淺，斷錯了晚更新世中期地層，但是相對于海一斷裂、海河斷裂等大型斷裂來講，其規模、活動強度都要小的多，雖然歧北、歧中斷裂對新生代地層有一定的控制作用，但控制作用十分有限，是海河斷裂、海一斷裂的派生斷裂，中深層地震剖面顯示歧北斷裂、歧中斷裂在深部都歸并到海河斷裂、海一斷裂上。

因此，作者認為歧北斷裂、歧中斷裂不是地震斷層，也不具有發生中強地震的條件和背景，該斷裂的地震危險性可參照《中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2001）》潛在震源劃分方案中本地區的本底地震，即其潛在地震的最大震級為5.5級。因此，本文只對海河斷裂海域段、海一斷裂進行地震危險性評價。對其未來的地震危險區段進行劃分，確定潛在地震的最大震級和發震概率。

本文基于對上述斷層的幾何結構、活動性分段、歷史地震破壞區展布、現今地震展布、地球物理場、深淺構造關系、構造應力場與形變場特征的研究，通過構造類比和歷史地震分析，確定斷層未來潛在地震危險區段。首先從地質上對未來地震的強度（大小）和發震危險程度進行判定，然后進行工作區和各斷層的地震活動性研究。采用擬合出的天津地區的a/b－經驗關系，進行天津近海海域斷層地震危險性的定量評價。

1 海河斷裂海域段的構造變形特征

1.1 海河斷裂（海域段）幾何結構特征

海河斷裂海域段西起天津臨港工業區，呈北東東方向向東延伸22km后，又轉為北西西向，全長55km。海河斷裂是塘沽鼻狀凸起與歧口凹陷的分界斷裂，控制了歧口凹陷的沉積發育歷史。斷裂傾向南，傾角約60°—70°，在地震剖面上表現為上陡下緩、凹面向上的鏟式正斷層，其淺部存在多條分支斷裂，主斷層面向下構成主滑脫面，各分支斷層逐漸趨向于該滑脫面。各分支斷層與主斷層形成“Y”字形的地塹式構造。

1.2 海河斷裂海域段活動特征

根據鉆孔勘探與地層對比結果，綜合水上聲納探測結果，海河斷裂海域段的最淺上斷點埋深為22.7m，斷距在6.9m左右。結合該地區的年代地層學研究，以及鉆孔樣品的年代學測試分析，海河斷裂海域段的最新活動時代至少為晚更新世晚期。

1.3 海河斷裂海域段地震活動特征

1976年7月28日唐山地震發生當天，在天津塘沽地區的渤海近岸海域發生了1次5.5（5.8）級地震，這表明海河斷裂東段有發生中強地震的可能，該區的地震活動水平較強。

1.4 海河斷裂海域段的深部構造特征

通過對大地電磁測深剖面和深地震寬角度折/反射探測及深部構造的分析，認為海河斷裂海域段同華北地區一樣，普遍具有獨特的深部構造組合：地殼淺部存在鏟狀正斷裂，在6—8km的深度逐漸消失，沒有再向下延伸；在中地殼發育有高角度以平移活動為主的深部斷裂，該深部斷裂與地殼淺部斷裂匯而不交，中間以低速層分隔；中地殼下部或下地殼上部發育高導層或低速層。另外，本區域位于渤海西部上地幔隆起西邊緣，該區處于地殼厚度變化梯度帶，地殼厚度自東向西從28km變為了32km。這些構造組合在一起，構成地震發生的深部構造條件。根據有效剪應力模擬計算，在10—15km深度的中地殼高導層和低速層之間，往往會形成有效剪應力正值區，具有較大的中強地震危險性。

1.5 現今地殼形變特征

海河斷裂海域段總體走向北西西，區域構造應力場方向為北東東向擠壓，二者具有一定的交角，存在積累較強正應力的可能，斷層面強度中等，近年來受華北地區一系列地震和斷層相互作用的影響，具有較強的中強地震危險性。

1.6 海河斷裂海域段地震危險性

綜合上述對海河斷裂海域段構造變形特征、斷層活動特征、地震活動、深部構造條件、現今地殼變形與形變特征等，考慮華北地區地震孕育發生的特點，按照構造類比的原則與方法，認為海河斷裂海域段最新活動時代至少為晚更新世晚期，具有發生中強地震的可能。

2 海一斷裂的地震構造變形特征

2.1 海一斷裂的構造變形特征

海一斷裂是控制黃驊坳陷內次級構造單元歧口凹陷的邊界斷裂，與海河斷裂共同控制了歧口凹陷的沉積發育歷史。該斷裂西起沙井子水庫南側，向東逐漸進入海域，走向北東東-北東，傾向北西，長約55km，為西北盤下降的正斷層。該斷裂控制了歧口凹陷中、新生代的沉積發育歷史，是長期繼承性發育的主干斷裂。新近紀以來該斷裂活動強烈，斷陷區新生代最大沉積厚度超過10000m。

海一斷裂傾角比較陡，淺部存在多條分支斷裂，共同組成花狀構造，呈復式地塹結構，并向上部散開，分支斷裂大致在深度方向3km左右逐漸歸并。在地震剖面上，海一斷裂明顯斷錯了新近系明化鎮組、館陶組、古近系東營組、沙河街組、中生界及古生界奧陶系地層。

2.2 海一斷裂的活動特征

根據鉆孔勘探與地層對比結果，海一斷裂的最淺上斷點埋深為36.9m，斷距在4.5m左右，結合該地區的年代地層學研究，以及鉆孔樣品的年代學測試分析，海河斷裂海域段的最新活動時代為晚更新世早期。海一斷裂規模較大，活動性較強，具備發生中強以上地震的危險性。

2.3 海一斷裂的地震活動特征

由于海域地震監測能力較低，地震記錄缺失比較多，歷史上1624年2月1日和1624年4月19日在渤海海域發生2次級地震，這2次地震有可能是海一斷裂活動引起的，這表明海河斷裂東段有發生中強地震的可能，該區的地震活動水平較強。

2.4 海一斷裂的深部構造特征

通過對大地電磁測深剖面和深地震寬角度折/反射探測及深部構造的分析，認為海一斷裂同華北地區一樣，普遍具有獨特的深部構造組合：地殼淺部存在鏟狀正斷裂，在6—8km的深度逐漸消失，沒有再向下延伸；在中地殼發育有高角度以平移活動為主的深部斷裂，該深部斷裂與地殼淺部斷裂匯而不交，中間以低速層分隔；中地殼下部或下地殼上部發育高導層或低速層。另外，本區域位于渤海西部上地幔隆起西邊緣，該區處于地殼厚度變化梯度帶，地殼厚度自東向西從28km變為了32km。這些構造組合在一起，構成地震發生的深部構造條件。根據有效剪應力模擬計算，在10—15km深度的中地殼高導層和低速層之間，往往會形成有效剪應力正值區，具有較大的中強地震危險性。

2.5 現今地殼形變特征

海一斷裂總體走向為北東東-北東，區域構造應力場方向為北東東向擠壓，二者交角較小，不會積累較大的正應力，斷層面強度較小，但近年來受華北地區一系列地震和斷層相互作用的影響，存在發生中強地震的危險性。

2.6 海一斷裂地震危險性

綜合上述對海一斷裂的構造變形特征、斷層活動特征、地震活動、深部構造條件、現今地殼變形與形變特征等，考慮華北地區地震孕育發生的特點，按照構造類比的原則與方法，認為海一斷裂控制了歧口凹陷中、新生代的沉積發育歷史，是長期繼承性發育的主干斷裂。新近紀以來該斷裂活動強烈，其最新活動時代已達晚更新世早期，具有發生中強地震的可能。

3 潛在地震最大震級評價方法

海河斷裂海域段、海一斷裂的地震危險性評價方法參照聞學澤等（2007）對中國東部中－弱活動斷層地震危險性評價的研究方法：首先劃分本地區的斷層小區，統計斷層小區各震級檔歸算到統一時間長度后的地震累積頻度，擬合震級與累積頻lg()的關系；震級與累積頻度lg()關系()中的、值及/值可以用來估計研究區特定時段內的最大地震期望震級，也稱為“最大截距震級”。

海河斷裂海域段、海一斷裂均屬于晚更新世斷層，二者均無全新世以來的活動證據，屬于典型的中國東部中強活動斷層，其構造變形特征、深部構造背景及其與歷史地震活動關系等方面表明，二者均具有發生中強地震的構造條件，只是由于目前的探測技術尚不能獲得它們確切的斷層活動性參數。基于這些考慮，本文采用在天津地區隱伏斷裂地震危險性定量評價的經驗與成果（陳宇坤等，2010），根據其擬合出的天津地區的a/－經驗關系（式1），從而計算估計海河斷裂海域段、海一斷裂潛在地震的最大震級。

根據工作區主要斷層的空間位置、斷層活動、分段特征等，考慮以往本地區潛在震源的劃分情況，對斷裂沿走向有明顯變化或有明顯分段標志的分段劃分斷層小區，共劃分了20個斷層小區，5為海河斷裂海域段的斷層小區，20為海一斷裂的斷層小區，見圖2。

4 海河斷裂海域段、海一斷裂的地震危險性評價

4.1 潛在地震的最大震級評估

華北地區是中國文化發展最早的地區之一，地震史料記載比較長，地震資料的完整性和可靠性相對較好，自1484年以來以上地震基本沒有遺漏。天津地區自1345年以來4級以上地震基本無遺漏；1960年以來3.0級以上地震基本無遺漏；1970年以來2.0級以上地震基本無遺漏（黃瑋瓊等，1994a；1994b）。

由于渤海海域地震監測能力有限，地震目錄可能有遺漏，因此本文選取了1980年以來的小震目錄，利用震級轉換公式=1.13-1.08（國家地震局震害防御司，1990），將地方震級統一換算成面波震級，取震級分檔間距0.3。與1484年以來有歷史記載以來的強震目錄合并，將各斷層小區各震級檔的地震目錄按照500a的統一時間長度進行歸算，其計算公式為（聞學澤等，2007）：

用最小二乘法擬合出它們的GR關系，給出其GR關系參數及其歷史最大震級。

根據式（2），將海河斷裂海域段斷層小區選取的地震目錄統一歸算到500a，再由G—R關系擬合海河斷裂海域段的斷層小區的震級－頻度關系為：

圖3給出了海河斷裂海域段斷層小區震級－頻度關系圖。由式（3）得出海河斷裂海域段的a/值為6.65，根據擬合公式（1）估算，海河斷裂海域段的潛在地震的最大震級為6.8級。

上述計算是在劃分斷層小區的基礎上開展的，歧北斷裂是歧口凹陷內部的次級斷裂，同時也是海河斷裂的派生斷裂，中深層地震剖面顯示歧北斷裂在深部都歸并到海河斷裂上。由于歧北斷裂可能是海河斷裂的分支斷裂，這種斷層小區在空間上和地震活動性上必定包含了歧北斷裂的部分，可以說歧北斷裂未來的地震活動與海河斷裂海域段裂密切相關，因此，評價海河斷裂海域段的地震危險性，必然要考慮歧北斷裂的因素。

通過對斷裂的構造變形特征及幾何特征的研究，認為海河斷裂是歧口凹陷的邊界斷裂，控制了歧口凹陷新生代的沉積發育歷史，是長期繼承性發育的主干斷裂，其最新活動時代為晚更新世，斷裂規模較大，活動性較強，在未來存在著發生中強地震的條件和背景。1976年7月28日唐山地震發生當天，在天津塘沽地區的渤海近岸海域發生了1次5.5（5.8）級地震，因此，海河斷裂海域段潛在地震的最大震級為6.8級的結果與該斷裂的構造地質條件是相互匹配的。

同理，根據上述方法選取海一斷裂斷層小區的地震目錄，根據公式（2）統一歸算到500a，再由G—R關系擬合海一斷裂斷層小區的震級－頻度關系為：

圖4給出了海一斷裂斷層小區震級－頻度關系圖。由公式（4）得出海河斷裂海域段的a/值為6.301，根據擬合公式（1）估算，海一斷裂的潛在地震的最大震級為6.3級。

上述計算是在劃分斷層小區的基礎上開展的，歧中斷裂是歧口凹陷內部的次級斷裂，同時也是海一斷裂的派生斷裂，中深層地震剖面顯示歧中斷裂在深部都歸并到海一斷裂上。由于歧北斷裂可能是海一斷裂的分支斷裂，這種斷層小區在空間上和地震活動性上必定包含了歧北斷裂的部分，可以說歧北斷裂未來的地震活動與海河斷裂海域段裂密切相關，因此，評價海河斷裂海域段的地震危險性，必然要考慮歧北斷裂的因素。

通過對斷裂的構造變形特征及幾何特征的研究，認為海一斷裂是歧口凹陷的邊界斷裂，控制了歧口凹陷新生代的沉積發育歷史，是長期繼承性發育的主干斷裂，最新活動時代為晚更新世早期，斷裂規模較大，活動性較強，在未來存在發生中強地震的條件和背景，歷史上曾發生過2次級地震，因此，海一斷裂潛在地震的最大震級為6.3級的結果與該斷裂的構造地質條件是相互匹配的。

4.2 地震復發間隔與發震概率

采用上述地震資料，建立海河斷裂海域段斷層小區的地震年發生率與震級的關系的基本表達式為：

式中：

（6）

這里，將海河斷裂海域段小區上地震發生的時間進程可以近似地看作泊松過程（Connell, 1968）。這種過程是無記憶的，即在給定時段內地震發生的概率與過去的破壞性地震發生的時間、地點無關。從而在任意給定時段內，小區內任一具有發震能力的斷層(或小段)上發生次震級地震的概率可由泊松分布近似表示(聞學澤，2007)：

（8）

當＝0時，其概率為：

那么，未來關注時段內至少發生1次地震的概率可表示為：

（10）

采用式（10）和式（7）可計算出海河斷裂海域段斷層小區發生相應震級檔地震的平均復發間隔和發震概率(見表1)。

表1 海河斷裂海域段斷層小區地震平均復發間隔和發震概率

采用式（10）和式（11）可計算出海一斷裂斷層小區發生相應震級檔地震的平均復發間隔和發震概率（見表2）。

表2 海一斷裂地震平均復發間隔和發震概率

5 結論

（1）通過對海河斷裂海域段和海一斷裂的地質構造、第四紀活動性、深部構造、構造應力場與形變場等的研究，綜合判定了海河斷裂海域段和海一斷裂的活動性與構造特征。研究表明，海河斷裂海域段和海一斷裂都屬于晚更新世斷裂，

（2）建立了海河斷裂海域段和海一斷裂斷層小區按500a歸算的震級－頻度關系模型，并利用天津地區的最大震級上限與a/b的經驗關系，得出海河斷裂海域段潛在地震最大震級為6.8，海一斷裂潛在地震最大震級為6.3。

（3）采用泊松概率模型，計算出了海河斷裂海域段和海一斷裂未來50—200a地震發生的概率及復發周期等定量參數，其結果詳見表1和表2。

陳宇坤，劉芳，袁盾等，2010. 天津地區隱伏斷裂地震危險性定量評價. 地震地質，32（1）：138－149.

國家震害防御司，1990. 地震工作手冊. 北京：地震出版社.

黃瑋瓊，李文香，曹學鋒，1994a. 中國大陸地震資料完整性研究之一：以華北地區為例.地震學報，16（3）：273－280.

黃瑋瓊，李文香，曹學鋒，1994b. 中國大陸地震資料完整性研究之二：分區地震資料基本完整的起始年分布圖象. 地震學報，16（4）：423－432.

聞學澤，徐錫偉，龍鋒等，2007. 中國大陸東部中—弱活動斷層潛在地震最大震級評估的震級—頻度關系模型. 地震地質，29（2）：236－253.

Cornell C.A., 1968. Engineering seismic risk analysis. Bull. Seis. Soc. Am., 58 (5): 1583—1606.

Seismic Risk Evaluation on Blind Faults in Tianjin Offshore Areas

Liu Hongyan, Chen Yukun, Yan Chengguo and Yang Fei

（Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China）

The tectonic structure, Quaternary activity, deep structure, stress and strain fields and seismicity on the faults in Tianjin offshore areas are studied through field surveying in order to determine the activity and tectonic features synthetically. Using seismo-geological data, as well as the historical and modern seismicity data, the frequency-magnitude relationship model reckoning by 500 years is established. Based on the relationship between the upper limit of maximum magnitudeanda/, we calculate the maximum magnitude of the Haihe river fracture sea section and Haiyi fault. Then Poisson probability model is adopted and quantitative parameters such as the maximum magnitude, occurrence probability, recurrence period of the faults in south Tianjin offshore areas in coming 50-200 years are calculated.

Seismic risk; Quantitative evaluation; Fault sub-area; Frequency-magnitude relationship; Maximum magnitude; Occurrence probability; Recurrence period

天津市“十一五”地震安全基礎工程（津發改投資【2009】1230號）、天津市地震局青年基金（編號0905）和天津市科技興海項目（KJXH2012-30）聯合資助

2013-01-10

劉紅艷，女，生于1983年。工程師。2008年7月于中國科學院地質與地球物理研究所獲得碩士學位，現在天津市地震災害防御中心工作。主要從事地震活動性和工程地震的研究等工作。E-mail: liuhongyan_012@163.com

2聞學澤等，2007. 中強－弱隱伏活動斷層的現今活動習性與地震危險性評價方法，中國數字地震觀測網絡項目“城市活斷層試驗探測”子項目的子專題研究報告.