太原盆地隱伏斷裂潛在最大震級(jí)及地震危險(xiǎn)性

張龍飛

1 山西省震災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防治中心,太原市水西關(guān)南街2號(hào),030002 2 太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,太原市晉祠鎮(zhèn),030025

太原盆地是典型的斷陷盆地,其內(nèi)隱伏斷裂發(fā)育,地震活動(dòng)頻繁[1]。目前對(duì)太原盆地地震危險(xiǎn)性的研究很多,但主要針對(duì)的是盆地邊界斷裂的活動(dòng)性[2-3],僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)盆地內(nèi)隱伏斷裂的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行過探討[1]。究其原因,一是太原盆地歷史上未發(fā)生過MS≥7強(qiáng)震;二是由于邊界斷裂對(duì)太原盆地的地震活動(dòng)影響更明顯。對(duì)于太原盆地內(nèi)的隱伏斷裂,目前大多無(wú)法獲得有效的晚更新世活動(dòng)的地質(zhì)地貌證據(jù),這類斷裂的潛在最大震級(jí)不能采用震級(jí)-破裂尺度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行估計(jì)[4]。在東部城市活斷層探測(cè)中,常利用現(xiàn)今臺(tái)網(wǎng)和歷史地震資料建立本地區(qū)各斷層小區(qū)的長(zhǎng)期震級(jí)-頻度關(guān)系,進(jìn)而對(duì)斷層的最大發(fā)震能力進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)擬合[4]。

本文首先采用雙差方法進(jìn)行地震精定位,為保證地震目錄的完整性,將研究區(qū)最小完整性震級(jí)設(shè)定為1.0級(jí)。在考慮太原盆地凹陷區(qū)整體潛在最大震級(jí)的背景下,基于太原盆地隱伏斷裂的既有研究成果[1],劃分隱伏斷層統(tǒng)計(jì)小區(qū),按照500 a時(shí)間尺度進(jìn)行歸算,建立太原盆地各斷層小區(qū)的震級(jí)-累積頻度關(guān)系模型。以各斷層小區(qū)的最大震級(jí)與at/b參數(shù)進(jìn)行回歸分析,采用外包絡(luò)原則擬合太原盆地隱伏斷層潛在最大震級(jí)預(yù)測(cè)模型,綜合最大歷史地震結(jié)果,給出各隱伏活動(dòng)斷層小區(qū)的潛在最大震級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果,并利用泊松模型計(jì)算各隱伏活動(dòng)斷層潛在震級(jí)上限地震和各震級(jí)檔地震的發(fā)震概率。

1 太原盆地中小地震精定位

為保證地震目錄震級(jí)的完整性,本文將研究區(qū)范圍內(nèi)能夠被儀器記錄到的最小地震震級(jí)設(shè)定為ML1.0。在系統(tǒng)收集1970年以來山西省臺(tái)網(wǎng)、太原遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)及地震編目系統(tǒng)等地震觀測(cè)資料[5]的基礎(chǔ)上,選取9 885個(gè)地震,采用山西斷陷帶中部速度模型[6],通過統(tǒng)一的hypo2000(絕對(duì)定位)和雙差(相對(duì)定位)算法得到精定位后的地震震源位置。由圖1分析可知,精定位后地震呈集聚狀態(tài)分布于太原盆地中部,且局部表現(xiàn)為明顯的條帶狀特征,除陽(yáng)曲拗陷、孝義拗陷和晉中凸起單元近似呈NNW向分布外,盆地內(nèi)其他構(gòu)造單元總體呈NE-NNE向分布特征,這與太原盆地內(nèi)的斷層展布具有較好的吻合性。上述研究結(jié)果可為后續(xù)太原盆地?cái)鄬有^(qū)的劃分提供精確的地震空間位置屬性。

圖1 精定位后的太原盆地地震分布

2 太原盆地潛在地震最大震級(jí)評(píng)價(jià)

2.1 華北經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用性分析

聞學(xué)澤等[4]利用現(xiàn)今臺(tái)網(wǎng)與歷史地震資料,建立了華北地區(qū)at/b-Mu的區(qū)域經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,其主要考慮的數(shù)據(jù)源為發(fā)生過MS≥7地震的忻定、臨汾盆地內(nèi)8個(gè)地震統(tǒng)計(jì)小區(qū)。由于太原盆地記載的歷史最大地震為MS6.5,其內(nèi)斷層小區(qū)未作為華北經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)源。表1為華北經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取的斷層小區(qū)統(tǒng)計(jì)表,分析可知,8個(gè)斷層小區(qū)具有明顯的歷史震級(jí)偏大趨勢(shì),參與回歸分析的6

表1 華北經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取的山西斷層小區(qū)

2.2 太原盆地?cái)鄬有^(qū)建立

由圖1分析可知,太原盆地的地震活動(dòng)與斷裂分布相關(guān),地震條帶基本與斷裂走向一致,地震分布具有明顯的叢集性。本文借鑒區(qū)域活動(dòng)斷裂的地震活動(dòng)性研究方法,首先對(duì)盆地內(nèi)隱伏斷層進(jìn)行可靠性分析,對(duì)于可靠性較好的弱-中活動(dòng)斷層,由于其具備發(fā)生較大地震的可能,因此作為重點(diǎn)研究對(duì)象直接納入G-R關(guān)系研究;對(duì)于可靠性較差的早-中更新世隱伏斷層,考慮到對(duì)既有地質(zhì)資料認(rèn)識(shí)的局限性,在不排除這些斷裂未來變?yōu)榛顒?dòng)斷裂的前提下,假定其具備發(fā)生地震的可能,在此基礎(chǔ)上建立隱伏斷層小區(qū)。

根據(jù)太原盆地小震精定位結(jié)果,選擇盆地內(nèi)24條隱伏斷裂[1]作為本次斷層小區(qū)劃分的研究對(duì)象。除田莊斷裂[1]、東山山前斷裂[7]具有明確的地質(zhì)和地球物理勘探證據(jù)外,其余斷裂資料均來源于水文地質(zhì)鉆孔、野外地質(zhì)調(diào)查及相關(guān)技術(shù)報(bào)告,表2給出24條隱伏斷裂的現(xiàn)有活動(dòng)性參數(shù)及斷裂可靠度分析結(jié)果。

表2 太原盆地隱伏斷裂特征

綜上所述,太原盆地?cái)鄬有^(qū)的劃分原則如下:1)總體沿?cái)嗔颜共脊串嫈鄬有^(qū);2)在劃分?jǐn)鄬有^(qū)時(shí)還需考慮地震的空間分布特征,尤其是地震的叢集性特征;3)斷層小區(qū)一般按照上盤略大于下盤的原則進(jìn)行勾畫;4)對(duì)于同時(shí)位于2個(gè)斷層小區(qū)范圍的地震,優(yōu)先將其分配給斷層上盤和既有認(rèn)知活動(dòng)性較強(qiáng)的斷層小區(qū);5)對(duì)于地震活動(dòng)頻度較低的斷層小區(qū),為保證有足夠的地震數(shù)參與計(jì)算,斷層小區(qū)面積可適當(dāng)擴(kuò)大;6)對(duì)于附近已發(fā)生過MS≥4.7地震的斷層,該斷層小區(qū)應(yīng)盡量包含歷史記載地震數(shù)目;7)對(duì)于斷裂走向一致的部分鄰近斷層,考慮到級(jí)聯(lián)破裂的可能性,將其進(jìn)行合并統(tǒng)計(jì);8)對(duì)于最大歷史地震遠(yuǎn)低于背景最大潛在震級(jí)的地區(qū),隱伏斷層小區(qū)的建立必須考慮所在盆地的潛在震級(jí)上限,本文根據(jù)前人研究結(jié)果[3],將太原盆地作為一個(gè)潛在震級(jí)上限為MS7.5的背景小區(qū)參與后續(xù)擬合分析。上述劃分方案盡可能選取了盆地內(nèi)所有隱伏斷層小區(qū),樣本數(shù)目的增大在一定程度上能降低劃分方案主觀隨意性帶來的誤差和影響。

2.3 太原盆地?cái)鄬有^(qū)劃分結(jié)果

根據(jù)黃瑋瓊等[8]的研究結(jié)果,華北區(qū)域自1484年以后MS≥4地震記錄基本完整,太原盆地的歷史地震記載始于712年,自1342年以后4級(jí)以上地震基本無(wú)遺漏。本文采用聞學(xué)澤等[4]的研究思路,將各斷層小區(qū)各震級(jí)檔的地震次數(shù)歸算為一個(gè)時(shí)段t=500 a的地震頻度,震級(jí)MS由文獻(xiàn)[9]求得,at/b值為G-R震級(jí)頻度關(guān)系的截距震級(jí),按照該方法給出太原盆地主要隱伏斷層小區(qū)劃分結(jié)果,詳見表3和圖2。

表3 太原盆地?cái)鄬有^(qū)的G-R關(guān)系參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖2 太原盆地地震活動(dòng)與斷層小區(qū)分布

圖3列出了部分?jǐn)鄬有^(qū)的G-R關(guān)系參數(shù)回歸分析結(jié)果,圖4為各斷層小區(qū)最大震級(jí)Mmax與at/b值的散點(diǎn)圖。可以看出,at/b和Mmax之間表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性,隨著at/b值的增大,大多數(shù)斷層小區(qū)的Mmax值呈逐漸增大的趨勢(shì),只有極少數(shù)斷層小區(qū)Mmax值小于at/b值,可能是由于該小區(qū)地震數(shù)目偏少。基于at/b和Mmax的關(guān)系,建立太原盆地各隱伏斷層小區(qū)at/b和Mmax的多項(xiàng)式回歸模型:

圖3 田莊斷層小區(qū)的G-R關(guān)系回歸分析

圖4 按500 a歸算的at/b參數(shù)與Mu經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

(n=8,R=0.991 9,σ=0.345,

4.0≤at/b≤6.6)

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算出的晚更新世斷層小區(qū)震級(jí)上限結(jié)果見表4。本文綜合最大歷史震級(jí)和震級(jí)-頻度方法給出潛在震級(jí)上限的綜合預(yù)測(cè)結(jié)果,對(duì)各活動(dòng)斷層小區(qū)的最大歷史震級(jí)Mmax和綜合預(yù)測(cè)震級(jí)MS的差異性進(jìn)行分析,給出不確定分析的標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果。可以看出,華北經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒o出的預(yù)測(cè)結(jié)果基本逼近MS8.0,這個(gè)震級(jí)遠(yuǎn)高于盆地最大歷史震級(jí)MS6.5,也遠(yuǎn)高于盆地邊界交城斷裂的潛在震級(jí)上限MS7.2,可以認(rèn)為華北經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果高估了太原地區(qū)弱活動(dòng)斷層的潛在震級(jí)上限,其在太原地區(qū)不具有適用性。同時(shí)可以看出,部分?jǐn)鄬有^(qū)的預(yù)測(cè)震級(jí)大于歷史震級(jí),這是由于本文的預(yù)測(cè)結(jié)果考慮了太原盆地總體地震構(gòu)造格局和盆地邊界斷裂對(duì)隱伏斷裂活動(dòng)性的控制。從揭示的地質(zhì)意義上來說,預(yù)測(cè)震級(jí)大于歷史震級(jí)的斷層小區(qū),隱伏斷層與盆地邊界斷裂的構(gòu)造聯(lián)系作用更加緊密,未來發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)性更大。本文給出的預(yù)測(cè)結(jié)果基本能反映各隱伏斷層的真實(shí)活動(dòng)性強(qiáng)弱程度。

表4 晚更新世斷層小區(qū)潛在最大震級(jí)預(yù)測(cè)和不確定性分析結(jié)果

3 發(fā)震概率預(yù)測(cè)分析

根據(jù)表2和3選取現(xiàn)狀條件下資料認(rèn)識(shí)度和可靠性較高的活動(dòng)斷層作為本文的研究對(duì)象,綜合表4的不確定性分析結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算各活動(dòng)斷層的地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果(表5)。

表5 太原盆地晚更新世隱伏斷層小區(qū)地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果

由表5可知,太原盆地內(nèi)部有2個(gè)地震活動(dòng)相對(duì)危險(xiǎn)的區(qū)域,第1個(gè)區(qū)域?yàn)樘璧刂?西部田莊-文水-汾陽(yáng)斷層統(tǒng)計(jì)片區(qū),預(yù)測(cè)的潛在震級(jí)上限為MS6.7～7.0,復(fù)發(fā)間隔為2 305～2 753 a;第2個(gè)區(qū)域位于太原盆地東南部,沿東陽(yáng)斷裂向南延伸,包含三佳、洪山和平遙斷層統(tǒng)計(jì)片區(qū),預(yù)測(cè)的潛在震級(jí)上限為MS6.9,復(fù)發(fā)間隔為2 747 a。這是由于在整個(gè)太原盆地中,這2個(gè)片區(qū)的歷史地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻度最大,區(qū)內(nèi)NE向隱伏斷層條數(shù)較多,斷層多具平行展布的特征。同時(shí),第1個(gè)片區(qū)位于盆地邊界交城斷裂以東,第2個(gè)片區(qū)位于盆地邊界太谷斷裂以西,2個(gè)片區(qū)內(nèi)部地震活動(dòng)性水平同時(shí)受邊界斷裂的影響和控制。基于泊松模型,計(jì)算上述各隱伏活動(dòng)斷層各震級(jí)檔地震的發(fā)震概率(表6)。

表6 太原盆地晚更新世隱伏斷層小區(qū)各震級(jí)檔發(fā)震概率預(yù)測(cè)結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明,田莊、文水-汾陽(yáng)、平遙-洪山斷層小區(qū)未來發(fā)生MS≥6.5地震的概率較高,這3個(gè)斷層小區(qū)控制了太原盆地中部和南部的基本地質(zhì)構(gòu)造格局;文水-汾陽(yáng)斷層小區(qū)的發(fā)震概率高于平遙洪山斷層小區(qū),表明太原盆地中西部的地震危險(xiǎn)性要高于中東部,這個(gè)結(jié)論與交城斷裂的活動(dòng)性強(qiáng)于太谷斷裂的現(xiàn)有結(jié)論吻合;棋子山、北田-王湖斷層小區(qū)未來發(fā)生MS≥6.0地震的概率較低,這是由于這2個(gè)斷層小區(qū)內(nèi)主要發(fā)育NW向隱伏斷層,而這些隱伏斷層與太原盆地NE向主體斷裂構(gòu)造格局不一致,其地震活動(dòng)強(qiáng)度及頻度最低。本文給出的各隱伏活動(dòng)斷層地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果與太原盆地的地震活動(dòng)性和地震構(gòu)造總體格局特征是一致的,較好地梳理了太原盆地各隱伏斷層的活動(dòng)性,對(duì)未來該地區(qū)的相關(guān)研究具有重要的參考意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)聞學(xué)澤等[4]提出的華北經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型在太原地區(qū)的適用性進(jìn)行了分析,由于太原盆地歷史記載的最大地震震級(jí)是MS6.5,華北經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型在該地區(qū)的適用性較差,使用該模型會(huì)造成太原盆地?cái)鄬咏y(tǒng)計(jì)小區(qū)潛在震級(jí)上限預(yù)測(cè)結(jié)果偏高。

在地震精定位的基礎(chǔ)上,對(duì)太原盆地隱伏斷層進(jìn)行斷層小區(qū)劃分,采用外包絡(luò)擬合方法構(gòu)建太原盆地第四紀(jì)隱伏斷層最大地震震級(jí)與震級(jí)-頻度關(guān)系參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在不確定性分析的基礎(chǔ)上,綜合最大歷史地震與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果,給出各隱伏活動(dòng)斷層小區(qū)的潛在震級(jí)上限預(yù)測(cè)值。采用泊松概率模型,給出太原盆地隱伏活動(dòng)斷層小區(qū)發(fā)生潛在震級(jí)上限地震的發(fā)震概率預(yù)測(cè)結(jié)果,并劃定太原盆地內(nèi)部2個(gè)地震活動(dòng)水平相對(duì)較高的危險(xiǎn)區(qū)域。結(jié)果表明,太原盆地中西部田莊-文水-汾陽(yáng)斷層統(tǒng)計(jì)片區(qū)和太原盆地東南部三佳-洪山-平遙斷層統(tǒng)計(jì)片區(qū)潛在震級(jí)上限相對(duì)較高,是未來發(fā)生MS≥6.5地震的相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)統(tǒng)計(jì)片區(qū)的地震活動(dòng)情況。相對(duì)而言,以NW向隱伏活動(dòng)斷層為主的棋子山、北田-王湖斷層小區(qū)未來發(fā)生MS≥6.0地震的概率水平較低。

本文是基于地震活動(dòng)性統(tǒng)計(jì)方法給出的太原盆地隱伏斷裂地震危險(xiǎn)性研究結(jié)果,后續(xù)研究中會(huì)進(jìn)一步結(jié)合有效的地質(zhì)和地球物理勘探資料對(duì)斷裂的地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行修正,在考慮太原盆地深部構(gòu)造背景的前提下,通過地質(zhì)及構(gòu)造類比法對(duì)本文結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。