1879年武都南8級大地震斷層面參數和滑動性質的厘定

劉白云 袁道陽 張 波 陳文凱 牛延平

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 73000

2)中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地，蘭州 730000

3)甘肅省地震局，蘭州 730000

1879年武都南8級大地震斷層面參數和滑動性質的厘定

劉白云1)袁道陽1，2)張 波1)陳文凱3)牛延平3)

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 73000

2)中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地，蘭州 730000

3)甘肅省地震局，蘭州 730000

1879年武都南8級大震發生在高山峻嶺之間，由于受自然環境和交通條件所限，一直難以進行詳細的實地考察。到目前為止，關于此次地震的發震構造的研究較少且觀點不一。依據成叢小震發生在大震斷層面附近的原則以及參考前人給出的極震區長軸形態，我們采用1985—2009年發生在該地震破裂區的精定位地震目錄，選定了一個長條狀研究區域，將模擬退火算法和高斯－牛頓算法結合，給出了1879年武都南8.0級地震震源斷層是一條長約30km、埋深2～23km的NNE走向、高傾角并在NNW－SSE向壓應力作用下發生右旋走向滑動的斷層。該區域地殼深部(H＞24km)至今沒有地震發生，推測震源斷層沒有擴展到地殼深部。震源斷層位置在文縣高樓山(33.01°N，104.74°E)和梨坪(33.22°N，104.90°E)之間。另外，我們發現在極震區以西的雄黃山地區小震成叢發生，但野外調查并未發現明顯的斷面，這些小震應該與1879年武都南8級地震沒有關系。

小震叢集 武都南地震 最小二乘解 斷層面解

0 引言

清光緒五年五月十二日(公元1879年7月1日)，在甘肅階州發生的地震是中國近代歷史上一次巨大地震，影響范圍很廣，多達10余個省市(中央地震工作小組辦公室，1971;顧功敘，1983;謝毓壽等，1985;國家地震局震害防御司，1995)。清政府高度重視此次地震，光緒帝曾多次下旨撥款，責令地方官吏做好賑災工作。因此，有關這次地震的文史資料也較為豐富。前人曾利用有關史料結合地質考察對此次地震做過研究(國家地震局蘭州地震研究所，1985，1989;國家地震局蘭州地震研究所等，1993;馮希杰，2005;侯康明，2005)。但由于該地震發生在高山深溝及交通條件所限，給深入考察帶來了諸多困難，因此對該地震至今仍缺乏系統的、具有說服力的研究成果。這也成為中國19個8級地震中地震與活動斷裂關系仍不明了的三大地震之一(鄧起東等，2003)。

一般來說，大地震發生后的很長一段時間內，大量小震不斷在斷層面及其附近發生。因此，根據小震震源位置的空間分布可以較精確地勾畫出斷層面的產狀和位置。假定發震斷層可以用一個平面來模擬，且設大多數小震發生在此斷層面附近，則可以通過小震震源位置參數求解發震斷層的走向、傾角及位置(王鳴等，1992)。萬永革等(2008)最初采用模擬退火全局搜索和高斯－牛頓局部搜索相結合的方法計算了唐山地震斷層面參數。周翠英(2010)應用此方法，計算反演了1668年郯城8y2級強震震源區地震斷裂在深部的產狀。為該斷裂帶未來強震孕育發生規律及其預測提供基礎依據。

根據成叢小震發生在大震斷層面附近的原則及參考前人給出的極震區長軸方向，我們采用1985—2009年發生在地震破裂區的精定位地震目錄，選定了一個長條狀研究區域，將模擬退火算法和高斯－牛頓算法相結合，給出了利用小震密集程度求解到的主震斷層面走向、傾角和位置。并根據已有的局部應力場參數得到斷層滑動角及其誤差。在此基礎上結合已有的認識，分析了此次地震的震源斷層的幾何學特征及深部產狀。通過本項研究希望這種方法能在甘東南活動斷層探測及歷史地震的研究中發揮一定的作用。

1 理論基礎

王澤皋(1985)通過對中國內陸地區歷史上一些7級以上大震區地震活動時、空、強的統計分析發現，許多大震區時過幾十年、幾百年乃至近千年，都還有不少小震活動，從而提出了大震區的“長期活動”概念，認為這是一種普遍現象。這是因為大震之后的長時間內震區處于應力調整狀態，大量小震會在發震斷層面附近發生，斷層完全愈合需要較長時間。這使得通過現今小震的活動情況來推斷歷史大震震源的狀況成為可能。近年來的研究表明，在具有長期活動的歷史大震區，可通過對現今小震震源位置群體特征和震源機制的研究，給出歷史大震震源斷層的位置及其在構造應力場作用下的運動方式(劉瀾波等，1995;刁桂苓等，1999;胡新亮，2002)。這種采用地震學分析，由眾多小地震資料反推震源斷層空間取向及其運動方式的嘗試，對于認識歷史大震發震構造、形成機制是有幫助的。然而，以往的研究只是大致給出了震源斷層空間取向及其運動方式等定性化結果，而未給出確定斷層走向和傾角的誤差、斷層面位置及斷層上滑動角的估計方法。

近年來，隨著計算機硬件的發展，計算速度越來越快。同時，國內外學者相繼提出一些效率更高的反演算法，使得我們在求解一個超定非線性擬合問題時，不僅能夠快速獲得最佳解，還可求得解的誤差范圍，從而對解進行評價。萬永革等(2008)首次將模擬退火算法和高斯－牛頓算法相結合，利用小震密集程度求解唐山地震主震斷層面走向、傾角、位置及其誤差。在此基礎上考慮區域構造應力參數，給出了估計在已求得的斷層面上的滑動角的方法。其基本思路是，尋求一個平面，使所有小震震源位置到這個平面距離的平方和最小(王鳴等，1992)。建立目標函數為所有小震到斷層面垂直距離與觀測誤差比值的平方和

其中，E為關于ρ，φ，δ的三元非線性函數;n為參加擬合的小震數目;σi為第i個小震的定位誤差;Di為第i個震源點(x，y，z)到所求平面的距離;ρ為斷層面距坐標原點的距離;φ，δ分別為所求斷層面的走向和傾角。

尋找參數ρ，φ，δ的值，使得上式為最小值。在此基礎上，根據給定的局部應力場參數，可進一步求出斷層的滑動角。

根據小震密集程度確定斷層面位置。由于確定斷層段斷層參數的小震已知，因此采用90%的小震所在區域為斷層面的位置似乎是合理的。這樣只有10%的小震落在斷層面外的區域。因此，我們將震源最淺的2.5%小震的底邊界作為該斷層面的上邊界，將震源最深的2.5%的小震的頂界作為該大震斷層面的下邊界，將地震叢集最左端的2.5%小震的右邊界作為大震斷層面的左邊界，將地震叢集右端的2.5%小震的左邊界作為大震斷層面的右邊界。由此可以確定大震斷層面的4個頂點位置(萬永革等，2008)。

2 資料的選取

2.1 地震資料的選擇

甘肅測震臺網始建于1970年，組建之初臺站數量少，觀測設備以模擬儀器為主。經過“九五”、“十五”兩次大規模地擴建、改建，現在臺站數量已達到44個，臺站布局也進一步趨向合理，而且臺站儀器已完全實現了數字化，監控能力進一步提升，對大部分地區的監測能力達到ML2.5以上。資料的大大增加，為研究歷史地震的震源斷層狀況提供了基礎條件。另一方面，隨著地震精定位方法在地震學中的應用(楊智嫻，2003;朱艾斕，2005)，小震定位精度越來越高，可達到＜1km的精度，基本可以滿足地震構造分析的需求。豐富的觀測資料以及較高的定位精度，使得采用小震的叢集性定量化描述深部活斷層幾何形態成為可能。中國地震局蘭州地震研究所馮建剛工程師曾利用Hyp2000定位程序對1985—2009年甘肅測震臺網記錄的地震資料進行了重新定位。Hyp2000定位法非常重視因結構復雜而產生的誤差，它可以在震源區設立非常復雜的結構模型。對區域地質進行一定的研究后可獲得大量的結構信息，從這些結構信息出發，預先構制所需要的模型，可提高定位的精度，反演出地震構造的精細特征(李文軍，2004)。

馮建剛利用Hyp2000對甘肅地區小震進行了精定位，張元生利用T－D定位程序對甘東南臺陣記錄的震區小震進行了精定位，我們采用他們的定位結果，同時考慮到＜2.0級的地震的隨機性較強而予以剔除。根據小震叢集程度、大震等震線長軸取向等，在1879年武都南8.0級地震最高烈度(Ⅹ度)區域范圍內選擇小震樣本，反演此次地震震源斷層的幾何形態。選擇范圍如圖1中矩形框所示。

2.2 局部應力場參數的選擇

在研究地震震源機制和構造應力場之間的關系時，不僅需要知道應力場P軸走向φp、俯角δp、T軸走向φT、俯角δT，還需引入表示主應力相對大小的量R。萬永革(2009)將中國大陸劃分為2°×2°的子區，利用中國及其鄰區地殼應力數據庫和哈佛大學1976—2005年的矩心矩張量目錄資料，反演出每個子區內的構造應力場主應力方向和相對應力大小值。其中就包括我們研究的甘東南地區的構造應力場和R值的大小。考慮到8級大震應當受大尺度構造應力場的控制，而甘東南構造應力場的應力方向在百年尺度上是穩定的，我們選取了其研究結果中能代表該區域的構造應力場參數(表1)。這些數據說明該區現代地殼應力活動以水平運動為主導，震源類型多為走滑擠壓型。這與其他學者給出的該區域地震構造應力方向一致(鄧起東等1979;許忠淮等，1989)。

圖1 1879年武都南震區的小震(圓圈)分布、反演斷層走向和傾角所用的小震范圍(粗方框)Fig.1 Spatial distribution of small earthquakes(circles)and the data selection area(thick rectangle)used for inversion of fault strike and dip.

3 計算結果及其分析

利用在斷層矩形區域內選擇的小震事件(圖l)進行反演，求得了斷層的走向、傾角、距坐標原點的距離、滑動角及斷層的4個頂點位置(表2)。

表1 武都地區(震區)平均應力張量Table 1 Regional stress field of Wudu(seismic region)and adjacent area

反演過程中總共選擇了103個小震參與擬合震源斷層面的計算，這些小震基本上都分布在1879年武都南8級地震的最高烈度區域范圍內(國家地震局蘭州地震研究所等，1993)。反演得到斷層近于直立(圖2 c)。小震距反演斷層面距離的分布(圖2 d)表明大部分小震分布在所求斷層面的附近，并且基本以斷層為中心向兩邊呈對稱分布。

表2 使用精定位小震資料反演得到的武都南8級地震斷層面走向、傾角和位置Table 2 Fault plane parameters determined using precisely located earthquakes

圖2 震區精確定位的小震分布Fig.2 Distribution of precisely located small earthquakes in earthquake area.

基于模擬退火算法和高斯－牛頓算法相結合，擬合出的震源斷層的幾何形態為:走向38°、傾角89.5°、距坐標原點的距離0.8m，其各自的標準差分別為1.5°、1.5°、160m。反演得到的斷層面頂點位置見表2。其下界深度23km，上界埋深約2km(圖2 c)。反演得到的滑動角為－162°，標準差為23°，表明其滑動性質為以右旋為主兼有部分正斷，震源斷層未切穿地殼至地表。震源斷層的長度約30km，由南向北從文縣高樓山(33.01°N，104.72°E)延伸至文縣梨坪(33.22°N，104.90°E)。

前人對該地震斷層面的研究較少，只有侯康明(2005)給出過研究結果是主斷面走向N38°～70°E，與本文的走向38°基本一致，而本文研究結果與小震的分布更為接近(圖2 a)。對于斷層的傾角，前人只是說近于直立，沒有給出具體的數值，我們反演到的傾角為89°。從震源深度剖面圖(圖2 c)上似乎可以看出，在擬合到的震源斷層兩側小震對稱分布，根據其分布特征可以勾勒出另外2條高傾角斷層，其與主斷層的距離在3km左右。它們的傾角向下逐漸變緩，最終收斂于地下23km處。另外，根據局部應力場數據得到的震源斷層以右旋走滑運動為主兼具一定的正斷，而前人給出的地表斷裂卻以左旋為主并具有較大的傾向滑動分量(侯康明，2005)。我們認為這可能意味著武都震區深部構造與淺部構造是不一致的，淺部斷裂是在深部震源斷層的牽引下產生某種扭動作用的結果。

4 發震機制討論

1879年武都南8級大震發生在青藏高原東北緣地區，本區的東昆侖斷裂帶與西秦嶺北緣斷裂帶的2條大型左旋走滑斷裂之間可以看成是一個巨大的左階巖橋區(袁道陽，2004)，它們之間通過多條次級剪切斷裂實現構造轉換，其上有多次中強地震發生。在這2條大型走滑斷裂的“挾持”下，其內部塊體發生逆時針旋轉，此次地震正是發生在轉換部位。我們認為其發震機理是青藏塊體原來由西向東的推擠作用，在受到SN向構造帶阻擋后，這種推擠作用沿SN向構造帶轉換為以剪切作用為主的結果。在這一剪切力的作用下，在秦嶺與南北構造帶交會的武都南地區形成應力集中區，最終孕育此次大地震。破裂強度以西強東弱、南強北弱為特征，小震活動性也證實了這一點(圖1)，其破裂方式類似汶川8.0級地震(張培震，2009)。甘東南地區P軸優勢方向主要在NE和近NS向，基本與青藏高原邊緣呈垂直分布。研究區內多數震源機制解反映的現代構造應力場的主壓應力軸方向呈現出規律性變化，整體構造應力場在較長時間內基本上保持穩定狀態。構造應力場研究表明甘東南地區的應力作用以水平擠壓為主，與區域主要活動斷裂走向基本一致，表明了區域內的現代構造運動方式以走滑活動為主，與本文得出的結論一致。

5 主要結論和認識

大地震的成因是很復雜的，研究震源狀況對于開展地震預測是有意義的(郭安寧等，2010)?，F代地震學研究結果認為，淺源構造地震的彈性振動發源于地殼內擴展的剪切破裂面，這個不連續面被稱為震源斷層。構造斷層是巖層或巖體的一條或一組破裂面，沿破裂面兩側的巖層或巖體發生了顯著相對位移，對于地震破裂而言是地質歷史時期形成的先存斷裂。地震斷層則是強震區伴隨地震出現的地面破裂帶，是震源斷層延伸到地表的結果。華北地區的邢臺、唐山等強震區的深淺構造關系研究表明，發震斷層是在深部陡立的震源斷層的牽引下，淺部鏟形斷裂產生相應的走滑或傾滑等調整運動(邵學鐘等，1993)。因此，震源斷層、構造斷層、地震斷層是既互相聯系又有一定區別的概念(高祥林等，1992)。震源斷層更多地代表了地震斷層的深部情況。本文基于小震叢集性反演得到了1879年武都南8級地震震源斷層狀況，結果表明這是一條長約30km、埋深2～23km的NNE走向、高傾角并在NNW－SEE向壓應力作用下，發生右旋走向滑動的斷層。地殼深部(H＞24km)至今沒有地震發生，推測震源斷層沒有擴展到地殼深部。

1993年由蘭州地震研究所、甘肅省計劃委員會完成的“甘肅省地震危險區劃研究”，對該次地震進行了考察，收集補充了大量野外觀測資料，對地表破裂現象進行了分類歸納。在此基礎上，首次提出武都南地震的宏觀震中位于文縣的屯寨一帶，并給出長軸為NNE—NE向的橢圓形極震區形態(國家地震局蘭州地震研究所等，1993)。其長軸走向基本上與我們反演得到的斷層面走向一致。馮希杰等(2005)通過對TM衛星影像解譯，認為此次地震的發震斷裂為NEE向的范家壩－臨江斷裂。2009年甘肅省地震局在汶川地震隴南災后重建項目開展的1/5萬地震地質填圖中，對這條斷裂進行了詳細的地震地質調查，認為該斷裂晚第四紀以來活動性不強，排除了其為1879年武都南地震發震斷裂的可能性。另外，采用小震精定位結果，我們首次發現極震區以西的雄黃山地區小震明顯呈條帶狀分布，根據小震的叢集程度也可擬合出另一條震源斷層。但在地質填圖過程中對該區域進行調查時，沒有發現明顯的斷面。且距離極震區較遠，應該與1879年武都南8級地震無關。

1879年武都南8級地震破裂長度不足60km，與同樣發生在青藏高原東北緣的汶川8級地震形成的長達240km的地震破裂帶相比，本文反演到的震源斷層似乎是短了一些。作者認為此次地震破裂雖以走滑破裂為主，但卻兼有較明顯的正斷層傾滑活動。野外實測得到的斷層陡坎分布資料表明，武都南地震同震斷裂走滑量平均可達6m，傾滑量3～5m，發震斷裂垂直與水平分量之比為1︰2～1︰1.2(侯康明，2005)。由于較大的傾滑分量分解吸收了沿走滑方向的擴展量，這是造成地震破裂相對較短的原因。

2009年甘肅省地震局承擔了汶川災后重建隴南轄區活斷層調查項目，其中一項很重要的任務就是要查明此次8級地震的發震斷裂。但由于本次地震為多點破裂(從等震線分析具有從SW向NE擴展的特征)，致使地表破裂形跡不清楚，加之受后期侵蝕、人為改造等因素的影響以及受限于自然環境、交通不便的原因，進行詳細野外調查是非常艱難的。目前可見最清晰的地震地表破裂帶長度僅15km左右。這對于認識此次地震的發震構造是遠遠不夠的。歷史大地震區持續有小地震發生，是大震區長期活動的一種表現，屬于震源體附近地殼的繼承性活動。因此，可以由這些小地震的群體特征來描述歷史大地震震源體的特征。這種采用地震學分析，由眾多小地震資料推測震源斷層空間取向及其運動方式的嘗試，對認識地震構造尤其是歷史疑難地震的發震構造情況是有益的。本文利用小震分布情況反演了此次地震的震源斷層狀況，并結合已有的研究結果詳細分析了1879年武都南8級地震發震斷裂的幾何學特征、滑動性質等。作為主震斷層面詳細探測的一部分工作，彌補了由于交通不便導致野外無法完成的任務。希望這種方法能在甘東南地區確定主震斷層面和探測活斷層位置及歷史地震的研究中發揮一定的作用。

致謝 在本文的完成中萬永革研究員給予了悉心的指導，計算所用地震目錄由西部強震預測研究室邵延秀提供，在此一并深表謝意。

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DETERMINATION OF FAULT PARAMETERS AND SLIDING BEHAVIOR OF THE 1879 SOUTHERN WUDU M8.0 EARTHQUAKE

LIU Bai-yun1)YUAN Dao-yang1，2)ZHANG Bo1)CHEN Wen-kai3)NIU Yan-ping3)

1)Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
2)Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
3)Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

The southern Wudu M8.0 great earthquake occurred in 1879，many places in Wudu and adjacent areas had suffered destruction in various degrees.So far，the research results on the causative structure of this earthquake are less and inconsistent.Because it occurred in lofty mountains and the traffic is inconvenient，it is hard to make detailed field study on the earthquake site.Based on the assumption that clustered small earthquakes often occur in the vicinity of fault plane of large earthquake，and referring to the morphology of the major axis of the meizoseismal area obtained by the predecessors，we selected a strip-shaped zone from the relocated earthquake catalog which occurred near the earthquake rupture zone in the period from 1985 to 2009 to calculate fault plane parameters of the earthquake，such as strike and dip，with the simulated annealing and Gauss-Newtonian nonlinear inversion algorithms.On this condition，the rake angles of the fault plane are further inferred from regional tectonic stress parameters.We discussed the causal mechanism of the earthquake and finally identified the length and location of the seismogenic fault.In addition，clustered small earthquakes occurred frequently in the Xionghuangshan area west of the mezoseismal area，but we didn't find clear fault planes in field investigation，so，they should not have relation with the 1879 M8 southern Wudu earthquake.

small earthquake clustering，the southern Wudu earthquake，least-squares solution，fault plane solution

P312.5

A

0253－4967(2012)03－0415－10

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.003

2011－11－23收稿，2012－05－28改回。

中國地震局蘭州地震研究所地震科技發展基金(2012Y03)和星火計劃項目(XH12047)聯合資助。

劉白云，男，1980年生，2004年畢業于西北師范大學電子工程專業，現為中國地震局蘭州地震研究所在讀碩士研究生，工程師，主要從事活動構造與地震關系等方面的研究，電話:0931－8275393，E －mail:leng168258@sohu.com。