綜合石油地質、歷史地震等資料評估吉林孤店隱伏斷裂的地震危險性

邵博 沈軍 李瑩甄 于曉輝戴訓也 袁俊楓 尉洋

1）防災科技學院，河北省三河燕郊開發區學院街 065201

2）中國地震局地質研究所，北京 100029

3）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

活斷層的地震危險性評價是活動斷層探測的目的之一。Tocher（1958）最早將震級與地震地表破裂長度相聯系，Anderson等（1996）開始在震級-地表破裂關系中考慮發震斷裂的滑動速率，此后很多研究者（Wells et al，1994；聞學澤，1995；龍鋒等，2006，入倉孝次郎等，2000；Mohammadioun et al，2001；冉洪流等，2004）使用了多學科的手段以地表破裂約束震源，并提出了適合于特定范圍的經驗關系式。對于中國西部地表出露的活動斷裂，常常可根據活動斷裂（段）的規模判斷其發震能力。但是，由于中國東部許多活動斷裂（段）是隱伏的，雖然發生了7級左右，甚至更大的地震，地表卻沒有留下與其震級“相稱”的地震斷層。如1976年唐山7.8級地震和1679年三河-平谷8級地震，地表破裂只有10km左右；1937年菏澤7級、1975年海城7.3級、1830年磁縣7.5級、1966年邢臺6.8級及7.2級等地震除了地裂縫之外，地表也未出露明顯的地震斷層。但是，余震的分布和深部探測的結果顯示深部存在與其震級相應的發震構造。

2012～2014年筆者在進行松原市活斷層探測與地震危險性評價項目時發現了一條隱伏活動斷裂帶，將其稱為孤店斷裂，并利用吉林油田提供的三維物探資料獲得其空間展布。三維地震剖面顯示孤店斷裂為逆斷層，并且是在早期正斷層的基礎上，構造運動反轉而變為逆斷層的；在三維物探資料的基礎上布置了淺層地震探測和聯合鉆孔剖面探測，證實其屬于晚更新世活動斷裂。孤店斷裂恰位于1119年前郭級地震等震線的中央，筆者研究認為該斷裂很可能是此次地震的發震構造①邵博等，2014，松原市斷層活動性鑒定與地震危險性評價專題報告，也很可能是東北富含石油的松遼盆地內的一條重要的發震構造，因此準確合理地評價該斷裂的地震危險性很有必要。

從空間位置上看，孤店斷裂位于NE向的扶余-肇東斷裂中段，是該斷裂帶中活動性最強的一條斷裂，扶余-肇東斷裂帶的西南段于2006年3月31日和2013年10～11月發生了一系列5級地震，在其東北向的松原市有密集的小地震，而孤店斷裂的連續性和活動性都比這2個地點強，顯示它發震的能力可能比較大。

本文利用吉林油田提供的豐富的石油物探資料，得到孤店隱伏斷裂的清晰結構，通過地下破裂參數擬合方法，定量評價了該斷層的潛在發震能力，并選擇時間相依的概率模型，對未來發震概率進行了評估。

1 孤店斷裂地震危險性的定性評價

孤店斷裂是松原市活斷層探測與地震危險評價項目的目標斷層之一（圖1）。對于孤店斷裂，地震部門對其的研究很少，但石油部門開展過很多工作，得到了大量相關地震勘探資料。前人認為，盆地內構造成帶出現，絕大多數構造是后生的，其構造定型時期大都是晚白堊世嫩江期末至早白堊世明水期末這段時期。由于孤店斷裂總體走向與現代構造應力場主壓應力方向垂直，斷層面又向東傾，在EW向擠壓應力作用下，早期正斷層反轉上沖，由于基巖正斷距很大，故仍保持其正斷層性質，而斷層上部則表現為逆斷層（石國平等，1985；王莉等，1998；李天仁等，2010；付憲弟等，2010）。

在本研究中，我們收集了吉林油田提供的三維物探T04（相當于K1n嫩江組四段底面反射）、T1（相當于K1n嫩江組一段底面反射）、T2（相當于K1n嫩江組一段底面反射）反射層和14個二維物探剖面（圖2）。通過對三維地震反射剖面的解譯認為，該斷裂位于松原市西南，總體呈SN走向，向西凸出的弧形，在三維物探剖面上總長度約為66km，這反映了孤店斷裂在覆蓋層以下的基巖面上的破裂尺度。

1.1 孤店斷裂的結構特征和地球動力學背景

扶余-肇東斷裂是松遼盆地內一條重要的發震斷裂（付憲弟等，2010），從北到南分別由NE向大洼-薄荷臺斷裂、穿過松原市區的EW向扶余北斷裂、孤店斷裂以及NE向查干花斷裂組成，其中查干花斷裂于2006年3月31日和2013年10～11月發生了一系列5級地震，扶余北斷裂2003年以來也頻繁發生密集的小震活動。

圖1 區域主要斷裂及地震分布

圖2 孤店斷裂三維地震反射平面圖

孤店斷裂帶位于松遼盆地中央坳陷區扶余凸起西翼，該斷裂自達里巴經蓋子井東、孤楊、深井子，直至巨龍山南展布。斷裂總體呈向西突出的弧形，傾向E，長66km（付憲弟等，2010）。沿該斷裂走向，斷層結構出現變化，斷裂北段在達里巴和蓋子井東之間連續性較差。在斷層中段蓋子井至孤楊段連續性較好，表現為三維地震反射平面圖中的清晰陡變帶，在孤楊至巨龍山段表現為一個規模較小的弧形斷裂。

綜合對東北地區深淺部構造和地球動力學背景的認識②李 瑩甄等，2014，松原市地震活動性與危險性分析專題報告發現，新近紀以來，東北地區一方面受西伯利亞南突弧向東擠壓作用（楊紀林，2011），另一方面其東邊由于日本海盆封閉，擴張的側向擠壓作用消失，因而主要受太平洋板塊往北西西俯沖的推擋，以及俯沖板塊破裂和消減所伴隨、誘導和形成的深部作用，水平擠壓作用較弱（趙文峰，1989；高立新，2001）。所以區域內構造應力場基本為NEE-SWW向以及近EW向兩組應力的疊加，深部中強地震發生的動力來源于西北太平洋板塊向琿春-牡丹江地區上地幔內590km深處俯沖，并消減于這一帶。板塊的俯沖受到地幔內巖體的阻擋，在巖塊內產生俯沖斷層且在東北發生深源地震（孫文斌等，2004）。松遼盆地是東北地區重要的地震活動區域，具備發生6～7級地震的條件；NE向的扶余-肇東斷裂是松遼盆地內的主要發震構造；區域動力學環境及震源機制解表明，NE向斷裂現今活動性質為逆沖。

1.2 孤店斷裂及鄰區的地震活動特征

根據吉林省區域地震臺網的觀測資料，自1970～2014年7月，本區共記錄到ML≥1.0地震248次（圖1），3.0≤ML≤3.9地震3次。研究區有5個小震震源深度的記錄，深度為9～14km。地震活動主要集中于扶余-肇東斷裂查干花段和扶余北斷裂段，孤店斷裂現代地震活動水平較低。

1.3 孤店斷裂與1119年級地震的關系

同時開展的淺層地震勘探及聯合鉆孔探測揭示了孤店斷裂晚更新世以來的活動證據，且孤店斷裂位于地震破壞區幾何中心附近（圖1），是等震線范圍內唯一具有接近7級地震發震能力的活動構造。李傳友等（1999）分析構造應力場后認為，發震構造走向為NW向或NE向，這也與孤店斷裂各分段的走向一致。故孤店斷裂是1119年級地震最有可能的發震斷裂。

2 孤店斷裂地震危險性的定量評價

2.1 孤店斷裂的活動性

孤店斷裂的活動性鑒定表明③中國地震局地球物理勘探中心，2014，松原市目標斷層淺層地震勘探專題報告，孤店斷裂在深井子測線顯示為一條傾向東、上陡下緩的逆斷層。斷裂切穿T02反射層，相當于上白堊統明水組頂面反射（圖2、3）。經過與鉆探揭示的地層進行對比④吉林建筑工程學院勘探中心，2013，松原活斷層聯合鉆孔剖面探測專題報告認為，上斷點埋深約24m，該深度的地層年代為晚更新世。

圖3 孤店L1200測線解譯剖面

2.2 隱伏活斷層潛在震級估計方法的探討

孤店斷裂位于新構造運動微弱的東北地區，屬于弱活動的非全新世斷層。根據《中國地震活動斷層探測技術系統技術規程》（中國地震局，2005）的要求，此類斷層潛在地震的最大震級無法采用震級-地表破裂長度經驗關系估計，而應參考以下3種方法綜合評估：①震級-地表同震位錯經驗關系中同震位錯最小或趨于最小值時對應的震級范圍；②工作區及鄰區相同構造環境地區中規模相同的同類斷層的歷史地震最大震級；③由目標區或工作區歷史及現今地震的震級-頻度關系外推。在以上3種方法中，第1種震級-地表同震位錯經驗關系很難得到（陳宇坤等，2010）；第3種方法在東部地區城市活斷層探測中應用較廣，如采用聞學澤等（2007）利用現代臺網與歷史地震資料對于華北、華中-華東、華南與東南沿海等3大區域建立的各斷層小區的長期震級-頻度關系，進而對斷層潛在最大震級和活動性參數a/b進行經驗擬合。但由于東北地區固有的地震活動較弱、復發間隔較長的特性以及松原市地震目錄完整性較差的背景，試驗發現該方法很難獲得可靠結果。

在東部地區的潛在震級估計中，陳達生（1984）、宋龍伯等（1987）、葉文華等（1996）、龍鋒等（2006）、冉洪流（2009）等對不同區域范圍、不同類型地震造成的地表破裂的下限震級進行了估計，利用這些方法得到的潛在震級應是較為可靠的結果，且在活斷層探測和工程地震安全性評價中被廣泛應用。

入倉次郎等（2000）系統總結了全球范圍現代地震矩M0與地震時地表斷層同震位移D的經驗關系（圖4）。根據這一關系，伴有地表斷層位錯的最小地震矩為M0=3.162×1024dyn·cm。

圖4 入倉-三宅經驗關系

由 Hanks等（1979）提出的關系式以及地震矩與面波震級的經驗關系式（冉洪流，2009）

可知，在統計意義上，東北地區震級小于MW5.6或MS5.3地震不會伴有地表斷層的同震錯動。考慮到在地表流水侵蝕嚴重的地區，即使沿斷層的地表跡線產生小于25cm的位錯，也很不容易保存和積累下來，故可估計相應的震級為MS6.0。顯然，對于發生過1119年級地震的松原地區，這種評價方法的結果是偏低的。

考慮到東部平原深隱伏區地震地表破裂因受上覆層厚度不同的影響，導致地表位錯尺度變化的因素比較復雜，在同樣無地表破裂的情況下，覆蓋層較厚的東北地區可能發生過更大震級的地震。這一結果同時說明，基巖破裂尺度是對地下實際破裂尺度的一種逼近估計，其成因較復雜，除與震級相關外，還與其他震源參數、覆蓋層厚度（Jonathan et al，1994）、覆蓋土層力學參數（劉守華等，2005；Anastasopoulos et al，2007）、地下水位等有關。考慮到三維物探資料反映的基巖破裂尺度不受覆蓋層的影響，故可將三維反射剖面上量取的破裂長度代入震源破裂長度-震級的經驗關系式中，以估計其發震規模。

2.3 潛在最大震級估計

Wells等（1994）基于大量樣本數建立了全球不同類型地震斷層的震源參數數據庫，數據主要來源于公開發表的野外考察、地震學研究、地震學調查等方面的專著和論文，他們從數據庫中挑選部分地震來確定震級和不同震源參數之間的經驗關系。其中，地下震源破裂長度AD與矩震級MW間的經驗關系及其建模樣本如圖5所示。根據陳永前等（2014）對該經驗關系統計置信度和參數相關關系的研究，使用震源破裂參數擬合法估計中國大陸地震震級的參數相關系數為0.94～0.96，能夠較好地擬合中國大陸潛在的地震能力，同時這種方法內也蘊含一定的地質意義。

圖5 根據震源破裂長度預測斷層的最大發震能力

孤店斷裂蓋子井東至孤楊段（圖2（a）中AB段）的地下破裂長度為28.5km，利用Wells等（1994）經驗擬合公式（圖5）估計，潛在地震的最大震級為MW6.55；孤楊至巨龍山段（圖2（a）中BC段）的地下破裂長度為19.5km，潛在地震的最大震級為MW6.3；巨龍山以南段（圖2（a）中CD段）長度為18km，潛在地震的最大震級為MW6.25。考慮3段同時破裂的可能，利用Hanks等（1979）提出的地震矩與矩震級間的轉換關系（式（1））分別計算3個地震的地震矩并求和，計算得到同時破裂的潛在最大矩震級為MW6.72。分段破裂的依據主要是孤店斷裂的幾何形態為逆沖斷裂的弧形破裂組合以及三維物探資料所反映的孤店斷裂在巨龍山附近的不連續性。

需要說明的是，如果總長度66km的孤店斷裂整體發生貫穿性破裂，則潛在地震的最大震級為MW7.1。但根據活斷層探測過程中專家組對于綜合區域發震能力及斷裂幾何學的認識，同時考慮到未在孤店斷裂上發現地表破裂，故分段破裂可能是概率更高的結果，因此在本文中我們主要以這種破裂組合進行研究。

2.4 復發間隔

斷層地震危險性分析所需的危險性參數中最重要的是復發間隔T或年發生率λ，且有

斷層（段）的最大潛在地震的平均復發間隔可由該潛在地震的地震矩M0與相對危險段地震矩累積率的比率估算（冉洪流，2006），即

其中，由式（1）得到地震矩M0=1.3×1025dyn·cm；地震矩累積率可由下式得到

式中，μ為剪切模量；A為破裂面積；S為滑動速率。

另據Wells等（1994）給出的矩震級MW-破裂面積的經驗關系

式中，MW為矩震級；RA為破裂面積（單位：km2）；由式（5）得到孤店斷裂最大震級MW為6.72的地下破裂面積RA=418.09km2。

鄧起東等（2002）的研究結果為，海城斷裂全新世以來斷層的垂直滑動速率為0.1mm/a，金州斷裂的為0.1～1.0mm/a，故可推定東北地區晚更新世或全新世以來斷層的垂直滑動速率為0.1～1.0mm/a量級。根據斷層活動性鑒定的結果，考慮到孤店斷層的活動時代、東北各區域地震活動水平的差異、由鉆孔工作得到的Q3馬蘭黃土底界對應層9m的變形程度以及鉆孔中對應的粉砂、粉土樣品光釋光（OSL）年齡為50ka（因采用細粒石英測年方法，實際年齡可能大于5ka）等，我們計算中將孤店斷層的滑動速率設定為0.2mm/a。

根據上述給出的孤店斷層滑動速率和破裂面積，由式（3）得到孤店斷層MW6.72破壞性地震的復發間隔為2591a，年發生率為3.85×10-4。

2.5 地震概率模型與發震概率

目前，常用的活動斷裂地震危險性估計的概率模型有泊松模型、對數正態模型、時間相依的概率模型等（冉洪流，2006；張永慶等，2007）。

Nishenko等（1987）整理了環太平洋板緣地震帶不同段落“特征地震”的復發時間資料，構建了適用于板緣強地震活動帶的通用概率模型，簡稱NB模型。NB模型對數正態分布的擬合效果較好，其概率密度分布函數為

其中T為實際復發間隔，Tave為平均復發間隔。對于中國大陸內部所有的活動斷裂，由最大似然法估計出平均值μ=-0.1206，標準差σ=0.5054（張培震等，1996）。

利用上述的活動大陸內部地震復發的通用概率密度分布，在已知地震平均復發間隔和最近一次地震至今離逝時間的條件下就可計算出不同活動斷裂（段）的地震危險性概率。

本文根據聞學澤（1995）的“時間相依”的地震復發概率方法。假設已知某個震源或斷裂段特征地震之間復發時間間隔T具有某種連續型的概率分布，其概率密度函數為f（T），并設上一次地震發生以來，時間已消逝的長度為Te；事件A｛T≤Te｝表示下一次地震在［0，Te＋ΔT］區間內發生，事件 B｛T＞Te｝表示下一次地震在［0，Te］區間沒有發生。那么，事件 A、B的概率分別為

進而可以得到在事件B已經發生的條件下，事件A在未來時間區間［Te，Te＋ΔT］內發生的條件概率

利用式（7）、（8）、（9）進行計算，可得到孤店斷裂50～200a的強地震復發概率（表 1）。

表1 孤店斷裂強震復發概率評價結果

3 結論與討論

3.1 結論

通過基巖破裂參數擬合等多種方法的對比評估，綜合考慮松原地區的背景地震活動水平、資料的可靠程度和研究深度以及所得結果的不確定性等，認為孤店晚更新世活斷層的潛在地震最大震級的估值為MW6.72。此外，采用地震矩方法獲得復發周期、年發生率等定量參數，假定孤店斷裂為1119年級地震的發震構造，利用時間相依的概率模型估算出該斷裂未來50～200a發震概率。

研究認為，孤店斷裂是繼閔偉等（2011）確認依蘭伊通斷裂全新世活動以來，東北地區確定的另一條具有7級左右地震活動能力的晚更新世活動斷層。

3.2 討論

本文中根據三維物探資料獲得的最大震級與前人對于該區域潛在發震能力的評估相符，也符合松原地區1119年發生接近7級地震的歷史背景，而以震級-地表破裂關系下限方法估計的結果則偏小。這是因為，地表破裂尺度是對震源實際破裂尺度的一種逼近估計，其成因較地下破裂復雜，除與震級相關外，還與其他震源參數、覆蓋層厚度、覆蓋土層力學參數、地下水位等有關，故對于平原區隱伏弱活動斷層，基巖破裂尺度能夠更好地反映斷層發震能力。特別是在三維物探資料豐富的采油區，可以比較準確地獲得基巖破裂尺度，這種估計方法較為適宜。

致謝：本文基于松原市活斷層探測項目，文中三維物探資料由吉林油田提供，光釋光測年由山東省地震工程研究院釋光實驗室完成；成文過程中得到了汪一鵬研究員、楊主恩研究員的悉心指導，感謝其他為本文作出貢獻的項目組成員，同時也感謝審稿人對本文提出寶貴修改意見。