東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段大震危險性分析和探討

東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段大震危險性分析和探討

溫燕林1， 宋治平2， 趙文舟1， 朱佳苗1， 馬欽忠1

(1.上海市地震局，上海200062； 2.中國地震臺網中心，北京100045)

摘要：在巴彥喀拉塊體邊界地震活動和構造分析的基礎上，從地震活動空間圖像、時間序列演化兩方面對巴彥喀拉塊體北邊界東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁空區的大震危險性進行探討。與以前震例進行對比發現當前甘青川交界區域已形成與共和大震前相似的平靜區，活動性參數計算表明東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段有逼近的大震危險性。

關鍵詞：東昆侖斷裂帶； 瑪曲—瑪沁空區； 地震活動時空演化； 大震危險性

收稿日期：*2014-04-13

基金項目：上海市地震局科技專項(2012專10)；上海市科委科研計劃(12231202700)；中國地震局地震科技星火計劃(XH12016)

作者簡介：溫燕林(1981-)，男(漢族)，四川儀隴人，助研，從事地震活動性和海嘯研究.E-mail:wenzhengyi@sina.com

中圖分類號:P315.75文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0175

Analysis and Discussion of Large Earthquake Risk along

the Maqu-Maqin Segment of the East Kunlun Fault Zone

WEN Yan-lin1， SONG Zhi-ping2， ZHAO Wen-zhou1， ZHU Jia-miao1， MA Qin-zhong1

(1.SeismologicalBureauofShanghai，Shanghai200062，China； 2.ChinaEarthquakeNetworksCenter,Beijing100045，China)

Abstract：In this paper， based on the seismicity and seismic structural analysis of the margin of the Bayan Har block，we discuss the risk of large earthquakes in the Maqu-Maqin seismic gap with regard to spatial seismicity patterns and temporal evolution of event sequences.According to paleo-earthquake and historical earthquake seismicities，there was an initial seismic gap at Maqu-Maqin along the east Kunlun fault，and therefore，large earthquakes will recur in this area.A second seismic gap，the seismic quiescence of no ML≥5.0 earthquakes，has been detected in the same area since 2008.A comparison with previous earthquake cases showed that a similar period of seismic quiescence formed in the region of Gansu-Qinghai-Sichuan provinces before the 1990 Gonghe M7.0 earthquake. The distribution of ML≥4.0 earthquakes in the current seismic quiescence is also similar to that of the Gonghe M7.0 case；hence，we think there is a risk of a large earthquake in the current gap.From the temporal sequences evolution analysis (M-T relations)，we found that seismicity in the Gonghe gap had undergone strong-weak-strong stages prior to the Gonghe M7.0 earthquake. However，the seismicity in the current seismic gap in the region of Gansu-Qinghai-Sichuan provinces has also undergone the first two stages，and therefore，we conclude that it will soon reach the strong seismicity stage.We scanned the b-value distribution in this region，which showed that the b-values are very low around the east Kunlun fault and that there is locking in this area.We also calculated the spatial correlation lengths (SCL)and multiple fractal dimensions from the earthquake catalog of the Bayan Har block using GeoTaos.All the statistical seismicity parameters indicate that the risk of a large earthquake on the Maqu-Maqin segment of the east Kunlun fault is increasing，and therefore，researchers should monitor and study this area.

Key words： east Kunlun fault zone； Maqu-Maqin seismic gap； temporal and spatial evolution of seismicity； large earthquake risk

0引言

過去10多年來中國大陸7級以上大震都是沿巴彥喀拉塊體邊界斷裂帶活動，是大陸本次地震活動期內大地震發生的主體地區(圖1)。自2001年11月14日巴彥喀拉塊體北邊界的東昆侖斷裂帶庫賽湖段發生8.1級地震后，國內不少地震學者就注意到了同樣位于東昆侖斷裂帶上的瑪曲—瑪沁段的潛在地震危險性。隨著巴彥喀拉塊體東邊界的汶川8.0級、蘆山7.0級地震和巴彥喀拉塊體南邊界的玉樹7.1級地震的發生，作為巴彥喀拉塊體北邊界東段地震空區的瑪曲—瑪沁段的大震危險性引起越來越多研究人員的高度關注[1-2]。2010年智利中南部8.8級和2011年日本東北海域9.0級地震都是發生在環太平洋俯沖帶的地震空區上[3-5]。按照日本地震學家茂木清夫(K.Mogi)的劃分法，空區分為兩類：第一類地震空區指破裂空段，即板塊邊界帶或活動斷裂帶上那些相對于鄰段已有較長時期未發生大地震破裂的段落(地震活動背景空區)；而第二類地震空區則是指大地震發生之前，環繞潛在震源區及其周圍的較小地震(如中強地震和背景地震)的活動相對平靜的區域，也稱地震活動平靜區[6]。本文在前人識別出的第一類地震空區的基礎上，從潛在震源區周圍的背景地震活動時空演化特征方面進一步分析瑪曲—瑪沁段已經形成的第二類地震空區，探討該斷裂段業已逼近的大震危險性。

圖1　巴彥喀拉塊體邊界大震活動分布 Fig.1　Distribution of large earthquakes along the boundary of Bayan Har block

1構造及大震危險背景

東昆侖活動斷裂帶是青藏高原內部以左旋走滑運動為主的一條大斷裂帶，為昆侖—柴達木塊體和巴顏喀拉塊體的邊界斷裂，它西起青海省可可西里湖北側的布喀達坂峰以西，向東經庫賽湖、西大灘、東大灘、阿拉克湖、托索湖、阿尼瑪卿峰、瑪沁，止于甘川交界的瑪曲以東，總體走向NWW向[7](圖2)。東昆侖斷裂帶東段(瑪沁—瑪曲)地處甘、川、青三省交界的青藏高原東北部，處于地震較多的南北地震帶中段及中國東西部構造和南北向構造交匯部位，它西起阿尼瑪卿山北麓，經過東傾溝、大武灘、扎木兒山前、納姆擦克耳山北側、西貢周、莫哈湯、西科河羊場、唐地，在克生托洛穿過黃河，展布在哲合拉布肖山前，過瑪曲后，隱伏在若爾蓋高原沼澤內，在羅叉北出沼澤地與塔藏斷裂相交，形成10°的擠壓彎曲，全長約330 km，總體走向NW295°,傾向以SW為主，傾角70°～80°,局部近直立[8]。該段廣泛分布的構造地貌和古地震造成的破裂標志表明其曾經歷過多次活動。東昆侖斷裂在莫哈湯南側和西貢周西側分別與阿萬倉斷裂的東、西兩支相交，形成西貢周斷層交匯區，構成構造不連續點，可作為障礙體和應力集中區。這兩個障礙體和應力集中區可將東昆侖斷裂瑪沁—瑪曲段分成兩條地表破裂段：瑪沁段和瑪曲段。根據古地震探槽研究，發現全新世以來瑪沁段至少發生過3次古地震事件：第一次發生在距今(4 593±330)～(2 150±156) a之間；第二次發生在距今(2 150±156) a；第三次發生于距今(1 070±180) a。最近兩次古地震事件間大致有1 000 a左右的時間間隔。由于該段上長期平均水平滑動速率值在6～8 mm/a之間，在(1 070±180) a的時間范圍內瑪沁段可以積累5.5～9.5 m的潛在位錯值。從現代地震的最大同震水平位錯與震級的統計關系看，這一位錯值與一次7級以上強震的最大同震位錯量相當，即瑪沁段上已具備發生M≥7地震的潛勢[7]。瑪曲段古地震揭露的大震平均復發間隔為1 000～2 000 a，最近三次古地震的復發間隔大致為1 000 a。最新一次古地震事件的離逝時間大約1 000 a，已經接近最新的復發間隔，地震危險性非常嚴峻[9]。

2001年昆侖山口西8.1級地震后，Wen Xueze等[10]對東昆侖斷裂帶歷史地震破裂段落進行研究，并識別出了第一類地震空區(圖2)。中國地震局組織的M7專項工作組根據瑪曲一帶的地震空區長度估算其潛在震級為M=7.3～7.7，估計地震可能發生在2010—2021年之間(約95%置信度)[6]。2008年5月12日汶川M8.0地震對瑪沁—瑪曲斷裂段造成了庫侖應力加載[11]，增強了瑪沁—瑪曲段的地震危險性。

圖2　 東昆侖斷裂帶歷史地震破裂圖像 [10] Fig.2　Sketch map of rupture of historical earthquakes in East Kunlun fault [10]

2地震活動圖像空間演化分析

許多震例表明，在大地震發生之前，潛在震源區及其周圍會出現中強地震或者背景地震活動的相對平靜區域，而平靜區域周邊的地震活動反而相對增強，形成環繞地震平靜區域的、近于環狀的地震分布圖像，即所謂的第二類地震空區。研究發現這種地震活動圍成“平靜區”現象較為普遍，可作為大地震中期前兆[12-16]。根據中國地震臺網中心編制的最新地震目錄(截止到2013年10月)作出了自2008年汶川8.0級大震后至今甘青川交界區域地震活動分布圖像，運用活動圖像相似性演化分析方法[17]，與該區附近1990年4月26日發生的共和7級地震之前的背景地震活動圖像進行對比。該區域1990年前與當前地震活動圖像空間演化形態相似，均形成了大范圍空區(以下未專門指明的空區均指第二類地震空區)。

2008年以來，ML5地震空區內4級地震集中發生在巴顏喀拉塊體邊界東北緣地區(圖3(b))。目前該地區存在5級地震圍空，特別是5級地震空區內4級地震集中特點與1990年4月26日共和7級地震前具有類似特點。對比活動圖像分析發現，當前甘青川交界區域已形成與共和地震前相似的平靜區，且當前空區范圍稍大。但考慮到共和斷裂上次地震逝去時間很短，未來一段時間該斷裂上再發生大地震可能性小，故認為該平靜區內未來的大地震更可能發生在東昆侖斷裂上的第一類空區上。對比分析表明，共和7級地震前也存在5級地震空區內4級地震集中活動的特點，而共和地震發生在該4級地震集中區附近，因此未來7級以上地震發生在巴顏喀拉塊體邊界東北緣地區的可能性較大。

共和地震前1年4級地震在震中周圍形成大范圍平靜區(圖4)，震前10個月，即1989年6月16日在該平靜區內只發生了1次4.7級地震，而共和地震與該次4.7級地震相距200 km。目前，自2013年4月20日蘆山7級地震后4級地震也在甘青交界地區形成大范圍平靜區，在青海都蘭、興海、瑪多三縣交界地區于2013年5月8日發生ML4.3地震。類比分析認為,在該次4.3地震200 km范圍內發生7級地震的危險性在逼近。

3地震活動時間序列分析

以圖3中空區為研究區域，對比分析共和地震前和當前5級空區外圍5級以上地震序列和空區內4級地震活動時間過程(圖5)。共和地震前，空區外圍經歷三階段過程“強活動-弱活動-強活動”，即1984—1986年5級地震活動處于強活動狀態，1987—1989年上半年處于弱活動狀態，在震前1年左右又處于強活動過程；而5級空區內部的4級地震是在外圍弱活動階段活動，在震前1年左右空區內4級地震處于平靜狀態。當前的5級空區內4級和外圍5級地震活動也存在與共和地震前類似活動過程。類比分析表明，當空區外圍5級地震處于強活動狀態時，仍存在發生1～2次6級地震的可能；空區內處于4級地震平靜或弱活動狀態。統計結果表明：中國大陸7級地震的自然發生率每年平均約為0.68次,在地震活躍期內平均每年約為1次。當平靜期超長(大于135天)后，平靜打破后一年內發生7 級以上大震的可能性明顯增強[18]。這是因為在活躍期內，由于空區內較長時間的5級地震活動缺乏，為7級地震的能量快速積累創造了有利條件。共和地震5級空區內4級地震平靜時間在震前10個月，當前5級空區內最近一次4級地震發生在2013年5月，據此分析，在此后1年里甘青川空區內發生7級以上地震的可能性較大。

圖3　共和地震與當前5級地震空區圖像對比 Fig.3　Comparison of seismic gap before Gonghe earthquake and current gap of M5.0 earthquake

圖4　共和地震前1年與當前4級地震對比 Fig.4　Comparison of seismic gap within a year before Gonghe earthquake and that after current M4.0 earthquake

4地震活動參數分析

G-R關系中的b值大小可以反映地震帶應力水平高低，b值越低應力越高。使用中國地震臺網中心編制的地震目錄(2009-01—2013-10)和GeoTaos軟件對甘青川交界區域的b值進行空間掃描，計算結果表明東昆侖斷裂帶周緣地區為現今地震活動的異常低b值區(小于0.7，圖6)，即處于高應力閉鎖狀態，具備大震發生中期危險性背景。

巖石破裂實驗表明，主破裂前較明顯臨界指標有：(1)能量積累加速；(2)b值降低；(3)分數維與空間相關尺度SCL(或相關尺度CL)(spatial correlation length)在逐漸降低過程中在破裂前有增加過程。研究認為，b值降低和能量積累增加可作為中期地震預測指標，而分數維與空間相關尺度SCL在逐漸降低過程中的前兆性增加可作為短期預測指標[19]。使用GeoTaos軟件對巴彥喀拉塊體地區2009-1—2013-10的地震目錄進行累積能量、SCL、分數維D1_2計算，結果顯示2013年9月后這些活動性參數隨時間進程變化進入了逐漸降低過程中(圖7)。

圖5　甘青川地區共和地震前與當前的空區內外M-t圖對比 Fig.5　M-t relations in and out of seismic gap before Gonghe earthquake compared with that of current seismic gap in Gansu，Qinghai and Sichuan province

圖6　東昆侖斷裂帶周緣地區b值空間掃描 Fig.6　Spatial scanning of b-value distribution surrounding the East Kunlun fault

圖7　巴彥喀拉塊體地區2009—2013年地震累積能量及SCL、D1_2參數變化曲線 Fig.7　Curves of cumulative energy，SCL and D1_2 from 2009 to 2013 in Bayan Har block.

5結論

本文在巴彥喀拉塊體邊界構造和第一類地震空區背景分析的基礎上，從地震活動空間圖像、時間序列演化兩方面對甘青川交界地區(巴彥喀拉塊體北邊界——東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段)大震危險性進行了探討。與以前震例進行對比，發現當前甘青川交界區域已形成與共和大震前相似的平靜區(第二類地震空區)；時間進程對比表明，在巴顏喀拉塊體北邊界東段地區有7級以上地震危險的時間緊迫性。2008年至今東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段周緣地震活動時空圖像演化和活動性參數變化預示著該區域可能孕育著一次大震，因此應當強化監視該區的地震危險性。

致謝：感謝日本產業技術綜合研究所雷興林研究員提供GeoTaos軟件并在使用上給予很大幫助。

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