太原盆地隱伏斷裂潛在最大震級及地震危險性

張龍飛

1 山西省震災風險防治中心,太原市水西關南街2號,030002 2 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,太原市晉祠鎮,030025

太原盆地是典型的斷陷盆地,其內隱伏斷裂發育,地震活動頻繁[1]。目前對太原盆地地震危險性的研究很多,但主要針對的是盆地邊界斷裂的活動性[2-3],僅有少數學者對盆地內隱伏斷裂的地震危險性進行過探討[1]。究其原因,一是太原盆地歷史上未發生過MS≥7強震;二是由于邊界斷裂對太原盆地的地震活動影響更明顯。對于太原盆地內的隱伏斷裂,目前大多無法獲得有效的晚更新世活動的地質地貌證據,這類斷裂的潛在最大震級不能采用震級-破裂尺度的經驗關系進行估計[4]。在東部城市活斷層探測中,常利用現今臺網和歷史地震資料建立本地區各斷層小區的長期震級-頻度關系,進而對斷層的最大發震能力進行經驗擬合[4]。

本文首先采用雙差方法進行地震精定位,為保證地震目錄的完整性,將研究區最小完整性震級設定為1.0級。在考慮太原盆地凹陷區整體潛在最大震級的背景下,基于太原盆地隱伏斷裂的既有研究成果[1],劃分隱伏斷層統計小區,按照500 a時間尺度進行歸算,建立太原盆地各斷層小區的震級-累積頻度關系模型。以各斷層小區的最大震級與at/b參數進行回歸分析,采用外包絡原則擬合太原盆地隱伏斷層潛在最大震級預測模型,綜合最大歷史地震結果,給出各隱伏活動斷層小區的潛在最大震級預測結果,并利用泊松模型計算各隱伏活動斷層潛在震級上限地震和各震級檔地震的發震概率。

1 太原盆地中小地震精定位

為保證地震目錄震級的完整性,本文將研究區范圍內能夠被儀器記錄到的最小地震震級設定為ML1.0。在系統收集1970年以來山西省臺網、太原遙測臺網及地震編目系統等地震觀測資料[5]的基礎上,選取9 885個地震,采用山西斷陷帶中部速度模型[6],通過統一的hypo2000(絕對定位)和雙差(相對定位)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分布于太原盆地中部,且局部表現為明顯的條帶狀特征,除陽曲拗陷、孝義拗陷和晉中凸起單元近似呈NNW向分布外,盆地內其他構造單元總體呈NE-NNE向分布特征,這與太原盆地內的斷層展布具有較好的吻合性。上述研究結果可為后續太原盆地斷層小區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評價

2.1 華北經驗模型適用性分析

聞學澤等[4]利用現今臺網與歷史地震資料,建立了華北地區at/b-Mu的區域經驗關系,其主要考慮的數據源為發生過MS≥7地震的忻定、臨汾盆地內8個地震統計小區。由于太原盆地記載的歷史最大地震為MS6.5,其內斷層小區未作為華北經驗模型的數據源。表1為華北經驗模型選取的斷層小區統計表,分析可知,8個斷層小區具有明顯的歷史震級偏大趨勢,參與回歸分析的6

表1 華北經驗模型選取的山西斷層小區

2.2 太原盆地斷層小區建立

由圖1分析可知,太原盆地的地震活動與斷裂分布相關,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。本文借鑒區域活動斷裂的地震活動性研究方法,首先對盆地內隱伏斷層進行可靠性分析,對于可靠性較好的弱-中活動斷層,由于其具備發生較大地震的可能,因此作為重點研究對象直接納入G-R關系研究;對于可靠性較差的早-中更新世隱伏斷層,考慮到對既有地質資料認識的局限性,在不排除這些斷裂未來變為活動斷裂的前提下,假定其具備發生地震的可能,在此基礎上建立隱伏斷層小區。

根據太原盆地小震精定位結果,選擇盆地內24條隱伏斷裂[1]作為本次斷層小區劃分的研究對象。除田莊斷裂[1]、東山山前斷裂[7]具有明確的地質和地球物理勘探證據外,其余斷裂資料均來源于水文地質鉆孔、野外地質調查及相關技術報告,表2給出24條隱伏斷裂的現有活動性參數及斷裂可靠度分析結果。

表2 太原盆地隱伏斷裂特征

綜上所述,太原盆地斷層小區的劃分原則如下:1)總體沿斷裂展布勾畫斷層小區;2)在劃分斷層小區時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)斷層小區一般按照上盤略大于下盤的原則進行勾畫;4)對于同時位于2個斷層小區范圍的地震,優先將其分配給斷層上盤和既有認知活動性較強的斷層小區;5)對于地震活動頻度較低的斷層小區,為保證有足夠的地震數參與計算,斷層小區面積可適當擴大;6)對于附近已發生過MS≥4.7地震的斷層,該斷層小區應盡量包含歷史記載地震數目;7)對于斷裂走向一致的部分鄰近斷層,考慮到級聯破裂的可能性,將其進行合并統計;8)對于最大歷史地震遠低于背景最大潛在震級的地區,隱伏斷層小區的建立必須考慮所在盆地的潛在震級上限,本文根據前人研究結果[3],將太原盆地作為一個潛在震級上限為MS7.5的背景小區參與后續擬合分析。上述劃分方案盡可能選取了盆地內所有隱伏斷層小區,樣本數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 太原盆地斷層小區劃分結果

根據黃瑋瓊等[8]的研究結果,華北區域自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級以上地震基本無遺漏。本文采用聞學澤等[4]的研究思路,將各斷層小區各震級檔的地震次數歸算為一個時段t=500 a的地震頻度,震級MS由文獻[9]求得,at/b值為G-R震級頻度關系的截距震級,按照該方法給出太原盆地主要隱伏斷層小區劃分結果,詳見表3和圖2。

表3 太原盆地斷層小區的G-R關系參數計算結果

圖2 太原盆地地震活動與斷層小區分布

圖3列出了部分斷層小區的G-R關系參數回歸分析結果,圖4為各斷層小區最大震級Mmax與at/b值的散點圖。可以看出,at/b和Mmax之間表現出明顯的正相關性,隨著at/b值的增大,大多數斷層小區的Mmax值呈逐漸增大的趨勢,只有極少數斷層小區Mmax值小于at/b值,可能是由于該小區地震數目偏少。基于at/b和Mmax的關系,建立太原盆地各隱伏斷層小區at/b和Mmax的多項式回歸模型:

圖3 田莊斷層小區的G-R關系回歸分析

圖4 按500 a歸算的at/b參數與Mu經驗關系

(n=8,R=0.991 9,σ=0.345,

4.0≤at/b≤6.6)

(1)

根據式(1)計算出的晚更新世斷層小區震級上限結果見表4。本文綜合最大歷史震級和震級-頻度方法給出潛在震級上限的綜合預測結果,對各活動斷層小區的最大歷史震級Mmax和綜合預測震級MS的差異性進行分析,給出不確定分析的標準差結果。可以看出,華北經驗模型給出的預測結果基本逼近MS8.0,這個震級遠高于盆地最大歷史震級MS6.5,也遠高于盆地邊界交城斷裂的潛在震級上限MS7.2,可以認為華北經驗模型的預測結果高估了太原地區弱活動斷層的潛在震級上限,其在太原地區不具有適用性。同時可以看出,部分斷層小區的預測震級大于歷史震級,這是由于本文的預測結果考慮了太原盆地總體地震構造格局和盆地邊界斷裂對隱伏斷裂活動性的控制。從揭示的地質意義上來說,預測震級大于歷史震級的斷層小區,隱伏斷層與盆地邊界斷裂的構造聯系作用更加緊密,未來發生中強地震的危險性更大。本文給出的預測結果基本能反映各隱伏斷層的真實活動性強弱程度。

表4 晚更新世斷層小區潛在最大震級預測和不確定性分析結果

3 發震概率預測分析

根據表2和3選取現狀條件下資料認識度和可靠性較高的活動斷層作為本文的研究對象,綜合表4的不確定性分析結果進一步計算各活動斷層的地震危險性預測結果(表5)。

表5 太原盆地晚更新世隱伏斷層小區地震危險性預測結果

由表5可知,太原盆地內部有2個地震活動相對危險的區域,第1個區域為太原盆地中-西部田莊-文水-汾陽斷層統計片區,預測的潛在震級上限為MS6.7～7.0,復發間隔為2 305～2 753 a;第2個區域位于太原盆地東南部,沿東陽斷裂向南延伸,包含三佳、洪山和平遙斷層統計片區,預測的潛在震級上限為MS6.9,復發間隔為2 747 a。這是由于在整個太原盆地中,這2個片區的歷史地震活動強度和頻度最大,區內NE向隱伏斷層條數較多,斷層多具平行展布的特征。同時,第1個片區位于盆地邊界交城斷裂以東,第2個片區位于盆地邊界太谷斷裂以西,2個片區內部地震活動性水平同時受邊界斷裂的影響和控制。基于泊松模型,計算上述各隱伏活動斷層各震級檔地震的發震概率(表6)。

表6 太原盆地晚更新世隱伏斷層小區各震級檔發震概率預測結果

計算結果表明,田莊、文水-汾陽、平遙-洪山斷層小區未來發生MS≥6.5地震的概率較高,這3個斷層小區控制了太原盆地中部和南部的基本地質構造格局;文水-汾陽斷層小區的發震概率高于平遙洪山斷層小區,表明太原盆地中西部的地震危險性要高于中東部,這個結論與交城斷裂的活動性強于太谷斷裂的現有結論吻合;棋子山、北田-王湖斷層小區未來發生MS≥6.0地震的概率較低,這是由于這2個斷層小區內主要發育NW向隱伏斷層,而這些隱伏斷層與太原盆地NE向主體斷裂構造格局不一致,其地震活動強度及頻度最低。本文給出的各隱伏活動斷層地震危險性評價結果與太原盆地的地震活動性和地震構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性,對未來該地區的相關研究具有重要的參考意義。

4 結 語

本文對聞學澤等[4]提出的華北經驗關系模型在太原地區的適用性進行了分析,由于太原盆地歷史記載的最大地震震級是MS6.5,華北經驗關系模型在該地區的適用性較差,使用該模型會造成太原盆地斷層統計小區潛在震級上限預測結果偏高。

在地震精定位的基礎上,對太原盆地隱伏斷層進行斷層小區劃分,采用外包絡擬合方法構建太原盆地第四紀隱伏斷層最大地震震級與震級-頻度關系參數的經驗模型,在不確定性分析的基礎上,綜合最大歷史地震與經驗模型結果,給出各隱伏活動斷層小區的潛在震級上限預測值。采用泊松概率模型,給出太原盆地隱伏活動斷層小區發生潛在震級上限地震的發震概率預測結果,并劃定太原盆地內部2個地震活動水平相對較高的危險區域。結果表明,太原盆地中西部田莊-文水-汾陽斷層統計片區和太原盆地東南部三佳-洪山-平遙斷層統計片區潛在震級上限相對較高,是未來發生MS≥6.5地震的相對危險區域,應重點關注這2個統計片區的地震活動情況。相對而言,以NW向隱伏活動斷層為主的棋子山、北田-王湖斷層小區未來發生MS≥6.0地震的概率水平較低。

本文是基于地震活動性統計方法給出的太原盆地隱伏斷裂地震危險性研究結果,后續研究中會進一步結合有效的地質和地球物理勘探資料對斷裂的地震危險性評價結果進行修正,在考慮太原盆地深部構造背景的前提下,通過地質及構造類比法對本文結果進行進一步優化。