青藏高原东北隅弧形构造区现代中小地震密集区与历史强震的关系探讨

文亚猛,袁道阳,张 波,3,冯建刚

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.兰州大学地质科学与矿产资源学院,甘肃省西部矿产资源重点实验室,甘肃 兰州 730000;3.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000;4.甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000)

0 引言

传统的历史地震研究工作主要是对地震史料进行系统搜集、整理、考证和综合分析,采用将今论古的方法,确定历史地震的震害特征、重破坏区范围、烈度分布和震级等基本参数[1]。但是由于时间久远、史料记载详略不一等原因,有些历史地震的基本参数确定存在较大的不确定性甚至是错误的[2]。多年来,有关学者一直在探索如何更科学地确定历史地震重破坏区范围、震级等基本参数的方法,以检验是否存在历史地震位置明显偏差或遗漏等相关问题[3-7]。除了传统的地震史料考证方法之外,利用现代小震活动性资料来探讨其与历史强震之间的关系就是重要方法之一。研究表明,一次大地震发生后的数年内,大量小震会在发震断裂及其附近发生,形成明显的小震活动条带,这一时间可持续数十年甚至数百年[8-12],经过相当长时间的恢复后,历史大震震源区的小震逐渐减少,最后形成小震活动空区。基于上述认识,秦保燕等[13]曾利用现代小震活动性资料分析小震密集区或地震空区来研究历史大震的震源区。李宇彤等[14]利用现代小震分布探讨了1861年辽宁普兰店东6级地震的震中位置。王健等[15-16]和Wang等[17]提出了网格点密集值方法,并利用中小地震密集区结合野外实地考察校正了北京地区公元294年延庆6级地震等历史疑难地震;张哲[18-19]利用该方法分析了云南昆明地区的地震密集特征,还进一步探讨了1833年云南嵩明8级地震震中区小震密集特征,并对该地震震中位置提出了修订建议。上述研究将现今地震活动性资料与历史地震研究相结合,弥补了传统历史地震研究主要依靠零散史料考证和田野考古的不足,但该研究未深入讨论历史地震区小震密集活动持续的时间,即对其适用条件未进行限定。因此,本文将进一步研究不同构造区内不同震级历史强震区的现代小震活动持续时间,探讨王健等[15]和Wang等[17]提出的小震网格密集值方法的适用条件,使其在检验和校核历史地震方面发挥更大作用。

青藏高原东北隅弧形构造区位于南北强震构造带的北段,处在青藏、鄂尔多斯和阿拉善三大块体的交汇部位,区内活动构造发育、断裂新活动性强,其构造性质以逆走滑活动为主,历史及现代强震频发,仅8级以上地震就达3次。同时,该地区地震监测台网较密,现代小震活动频繁,地震资料记录连续完整,定位精度高,是探讨现代小震密集区与历史强震关联性的理想地区,也是检验和进一步发展网格点密集值方法适用条件的有利地区。

1 研究区活动断裂及地震活动概况

本文选取青藏高原东北隅弧形构造区为主要研究对象。该区活动构造体系较为完整、断裂活动性质及其动力学机制相似,仅北部银川地区为正断特征,其余地区以逆走滑活动为主,构成了一组向NE方向挤压扩展的弧形断裂系。其主干活动断裂包括NWW向的冷龙岭断裂、海原断裂、中祁连北缘断裂、龙首山北缘断裂及循化南山断裂等,NNW向的庄浪河断裂和牛首山—罗山断裂,近EW向的桃花拉山—阿右旗断裂、河西堡—四道山断裂和香山—天景山断裂等,NNE向的黄河断裂、银川—平罗断裂、贺兰山东麓断裂等(图1)。上述断裂中,NWW向和近EW向断裂多以左旋走滑活动为主,兼具逆断特征,晚第四纪构造活动性强,断错地貌较清晰;而NNE向活动断裂以正断为主,新构造活动强烈。该区曾发生过多次强震甚至大地震(图1)。

1:6～6.9级地震和年代;2:7～7.9级地震和年代;3:8级及以上地震和年代;4:1～5级地震;5:城市位置;6:正断层;7:逆断层;8:走滑断层。F1:雅布赖断裂;F2:桃花拉山—阿右旗断裂;F3:龙首山北缘断裂;F4:河西堡—四道山断裂;F5:民乐—永昌断裂;F6:祁连山北缘断裂;F7:冷龙岭断裂;F8:拉脊山断裂;F9:循化南山断裂;F10:庄浪河断裂;F11:白银—白杨树沟断裂;F12:马衔山断裂;F13:香山—天景山断裂;F14:海原断裂;F15:六盘山断裂;F16:牛首山—罗山断裂;F17:黄河断裂;F18:磴口—本井断裂;F19：银川—平罗断裂。图1 青藏高原东北隅弧形构造区活动断裂与地震分布图Fig.1 Distribution map of active faults and earthquakes in the arc-shaped structural area of the northeastern corner of the Tibetan Plateau

本文地震活动性资料采用甘肃省地震局经过小震精确定位的地震目录,在研究区域(100.5°～107.3°E,35.0°～40.5°N)共记录到1级以上地震19 507次(自1970年1月7日至2020年2月22日)。此区地震震级分布列于表1,地震震中分布见图1。由表1可知,1.0～1.9级地震约占75.6%、2.0～2.9级约20.7%,两者合计占比在96%以上,最大地震震级为6.5。研究区地震震中分布并不均匀(图1),具有明显的分区分块特征,存在小震密集区和稀疏区,密集区多数沿活动断裂或历史大震震中区附近分布。上述地震资料满足网格点密集值方法研究所需的地震活动性资料的精度。

表1 仪器记录地震震级分布表Table 1 Distribution of earthquake magnitudes recorded by the instrument

2 网格密集值方法简介

王健等[15-17]提出并发展了网格点密集值方法。该方法是将研究区域进行网格化,然后把每个网格节点作为计算点,将一定时间段内发生在网格节点附近的地震事件进行数值化,得到地震事件密集值来表示节点的密集度,通过对密集度的计算,绘制出等值线图,从而具体地表示研究区的地震频度和震中分布,进而确定地震的密集区域。计算方法是:在研究区内以一定的空间间隔划分网格(图2),以网格的第j节点为中心,假定在以R为半径的范围内对于给定震级Mi和时段t的地震数为n,则该点的密集值为:

图2 区域网格点密集值法原理示意图[18]Fig.2 Principle of the method of density at regional grid nodes[18]

(1)

式中:rij为第i个地震震中距j节点的距离;Mi为第i个地震的震级;R为搜索半径;Δm为归一化因子,其值等于所选区域内震级的最大值与最小值之差,该值可使不同区域的计算具有可比性[15,17-18]。

式(1)的含义是:以地震震中到节点距离对数的反比加和来统计搜索半径R内发生地震对节点的贡献。密集值与地震的次数成正比,与地震震中和网格节点的距离成反比,它综合反映了地震次数和疏密程度。对距离取自然对数,主要考虑到我国目前地震震中定位精度的实际情况,适当降低距离因子的影响。我国目前地震观测精度最高为2～3 km,因此规定rij

3 研究区中小地震密集值分区与历史地震关系探讨

根据上述方法对资料的要求和研究区地震资料的实际情况,本文通过多次对比试验不同的半径和网格间距,根据小震密集区的图像特征,最终将研究区内1970—2020年1～5级地震按照半径R=25 km,网格间距为0.02°×0.02°进行网格化,同时求出每个网格节点的值,绘制成图。根据密集区的分布情况,可以将整个区域划分成21个密集区,作为分析讨论其与历史地震关系的基础。

同时,本文收集整理了研究区内历史强震目录和多次历史地震考证的文献资料和最新研究成果,参考M7专项工作组[20]确定历史地震重破坏区的原则和方法及其给出的青藏高原东北隅弧形构造区的多次历史地震重破坏区(Ⅷ或Ⅶ度区)范围(图3)结合密集区分区来分析其与历史强震的关系。

根据密集区与历史强震的对比分析,可将上述地震密集区分成三类:一类为密集区与历史地震重破坏区能够较好地对应,说明历史地震发生后其小震活动还在持续,例如1号、3～6号、8号、11号、13～15号、17～18号、20～21号密集区。另一类为密集区无历史地震相对应,需要对其成因进行仔细分析,例如2号、7号、9～10号、12号、16号、19号密集区。还有一种情况,就是历史地震及其重破坏区周围无小震密集区。这是小震活动终止,还是位置有偏差需要具体分析。以下将依据图3和图4来详细分析每个地震密集区与历史地震及现代强震重破坏区在平面分布上的关系,重点讨论不吻合的情况及其原因。

图3 历史地震破坏区图[20]Fig.3 Map of historical earthquake damage area[20]

1:历史强震震中;2:城市位置;3:活动断层;4:小震密集区;5:密集区等值线。断裂编号同图1。图4 小震密集区分区与历史地震孕震区分布图Fig.4 Distribution map of small earthquake-intensive areas and seismogenic areas of historical earthquakes

为了更详细地了解历史地震与小震密集区之间的关系,本文将每个密集区内1970 —2020年之间的地震事件进行提取,从时间轴上分析二者之间的关系。按照震级(1≤M1<2,同理M2、M3、M4、M5、M6也一样)分级划分绘制成图5。根据地震发震时间连续情况、密集区近期是否有5级及以上地震，历史强震位置等,综合分析其是否与历史地震有较好的对应关系。同时对具有显著峰值的密集区域进行分析,分析其显著峰值出现的原因。

3.1 密集区与历史地震相对应

有历史地震相对应的密集区有1号、3号、4～6号、8号、11号、13～15号、17～18号、20～21号共14个密集区,其图像特点为发震时间连续且无明显的时间间断,每天24小时的时间分布统计也没有明显时段聚集,或者在1970年至今发生过5级以上地震,在地震发生前后存在峰值,同时结合前人对每次历史地震或其发震断层的研究结果判断其与历史地震的对应情况。因为每个历史地震和其密集区都有其不同的特点,下面将分别描述每个密集区与历史地震的对应情况。

3号密集区包括1954年民勤7级地震及其重破坏区。根据图像[图5(c)]及薛丁等[24]的研究结果,其地震发震频次随着时间的延长而逐渐降低,无明显时间间断和时段聚集,因此认为3号密集区形成原因为1954年民勤7级地震后余震活动的影响。

4号密集区包含2003年民乐—山丹6.1级和5.8级地震及其重破坏区。根据图像[5(d)]和何文贵等[25]、郑文俊等[26]及卢育霞等[27]对震区发震构造的研究结果,结合小震活动性分析,在2003年以前地震发震时间连续性差,出现明显的时间间断且在2003年出现明显聚集峰值,之后频次逐渐降低,无明显时段聚集。综合分析认为密集区形成原因为2003年民乐—山丹6.1级和5.8级地震的影响。

5号密集区包含1986年门源6.4级地震、2016年门源6.4级地震和1540年7.2级地震[28]及其重破坏区,根据图像[图5(e)]及姜文亮等[29-30]、雷东宁等[31]、郭鹏等[32]的研究结果,1540年、1986年和2016年地震均发生于冷龙岭断裂带及其附近,三次地震震中相距不远,其图像显示几次峰值都对应着5级以上地震,发震时间无明显时段聚集。综合分析认为5号密集区形成原因为1986地震和2016年地震及其余震的影响,也可能与1540年地震有关,但难以区分开。

6号密集区包含1927年古浪8级地震重破坏区,还包括三次6级以上的强余震。根据图像[图5(f)]及谢虹等[33]及侯康明等[34]对历史地震史料考证和发震构造的研究成果,6号密集区内地震活动频繁且连续,无明显时段聚集,密集区形成原因为1927年古浪8级地震及其余震活动的影响。

8号密集区对应1995年永登5.8级地震区。根据图像[图5(h)]和邢成起等[35]对发震断裂的研究结果分析,地震活动始于1995年永登5.8级地震前后,其后一直很活跃,同时存在发震时段聚集现象,主要集中在每天12～19时。因此,综合分析认为8号密集区形成原因为1995年永登5.8级地震及其余震的影响,可能还受该区采矿引起的小震活动影响。

11号密集区包含1990年天祝6.2级地震和1888年景泰6～7级地震及其重破坏区,根据图像[图5(k)]及周俊喜等[36]对发震断裂的研究,其地震发生频率在一个较高的水平且连续性好,无明显间断和时段聚集,出现两次峰值对应着两次5级以上地震事件。综合分析认为该密集区为1888年地震和1990年地震两次地震及其余震的共同影响。

15号密集区包含1622年固原北7级地震、1306年固原南6级地震和1921年固原6级地震(为1920年海原地震强余震)及其部分重破坏区。根据图像[图5(o)]及任雪梅等[39]研究结果分析,地震发生频率稳定并且有逐渐降低的趋势,无明显峰值、时间间断和时段聚集。综合分析认为15号密集区更可能与震级较大的1622年地震7级地震及其后中强震活动叠加的影响。

图5 地震频率随时间变化图Fig.5 Change of seismic frequency with time

18号密集区内没有历史地震,根据图像[图5(r)]分析其小震活动时间连续,在2008年开始变得活跃,之前小震活动较为平静,而且其发震时间主要集中在每天11-21时,具有明显的时段聚集,同时结合雷启云等[40]的研究结果认为1739年平罗地震的发震断层为贺兰山东麓断裂而非银川隐伏断裂。综合考虑认为18号密集区可能受1739年平罗地震及贺兰山西麓断裂活动性增强的共同影响,而2008年后出现的两次小震峰值可能为采矿活动的影响。

20号密集区包含1976年阿左旗6.2级地震及其重破坏区,结合图像[图5(t)]分析,该密集区出现在1976年阿左旗6.2级地震震中的两端,表明地震发生后在破裂两端发生应力调整从而形成密集区,其地震发生时间无明显时段聚集。综合考虑认为20号密集区形成原因为1976年地震的影响。

21号密集区位于1352年会宁7级地震极震区附近,根据图像[图5(u)]结合地震定位误差分析认为,1352年地震附近形成的密集区应为本次地震的影响。

3.2 有密集区但无历史地震对应

没有历史地震相对应的密集区包括2号、7号、9～10号、12号、16号、19号,其地震图像可分为三类:(a)小震频率随时间变化图像无明显的时间间断,且每天24时时段统计没有明显的聚集时段,认为这是断裂活动的影响或为某次遗漏地震。(b)密集区位于采矿区,小震频率随时间变化图像连续性差或出现明显时间间断或时间聚集,其每天24小时时段统计具有明显的时段聚集且正好和采矿活动时间相对应,其余时段没有或有少量地震发生。认为此情况为采矿活动引起的。(c)密集区位于采矿区附近,小震频率随时间变化图像相对较连续,24时时段统计有明显的时段聚集,其聚集时段与人类采矿活动相对应,其余时段也有小震发生,但其水平相对聚集时段较低,认为此类为活动断裂影响同时受到人类采矿活动影响。下面将每个密集区按照其不同的性质进行分析表述。

9号密集区包含1125年兰州7级地震、1590年永靖东南6级地震和406年夏官营6级地震及其重破坏区。根据图像[图5(i)]和袁道阳等[41-42]、宋方敏等[43]和雷中生等[44]对发震构造的研究结果,结合该区小震活动性分析,其地震发震时间相对连续,存在明显时间间断和时段聚集,主要集中在每天10-21时。综合分析认为其密集区形成原因可能为1125年7级地震的影响,也可能与马衔山断裂活动性增强有关,同时受到采矿活动的影响。

10号密集区内没有历史地震。根据图像[图5(j)]分析,地震发生时间有明显的时间间断并且存在明显的峰值,峰值没有中强地震对应。根据统计密集区内24小时地震的分布情况,地震时间集中每天12-21时之间,其余时段几乎没有地震发生,综合分析认为密集区形成原因主要为采矿引起小震活动的影响。

12号密集区内没有历史强震发生。结合图像[图5(l)]分析本区域内发震时间连续性差,有明显的时间间断和时段聚集,主要集中在每天17-21时,且地震震级都是1～3级小震,综合分析认为12号密集区为罐罐岭断裂距今约1 000年形成地震地表破裂带[45]的地震活动影响,并且受到采矿活动的影响。

19号密集区没有历史地震,结合图像[图5(s)]分析其地震发震时间连续性好,无明显时段聚集,同时高泽民等[49]通过探槽揭露的最近古地震事件距今已超过万年,综合分析其形成原因为桌子山西缘断裂活动性增强的影响,也可能为遗漏的某次没有产生地表破裂的影响。

3.3 有历史地震但无密集区对应

此外,研究区内的1682年民勤6.2级地震、1820年民勤6.2级地震、1477年银川西6级地震、1143银川6级地震和1495年中卫东6级地震等中强地震,距今年限分别已达339年、201年、554年、878年和526年,经过分析其与附近的密集区没有关系,可能因为其发震时间距今时间较长,震区小震活动已趋于平静。

3.4 历史地震与小震密集区持续时间分析

我们将研究区内所有6级及以上历史地震与密集区的对应情况进行统计(表2)。从表2可知,研究区内共有6级及以上地震38次,其中,M6(6≤M6<6.9)地震28次,有密集区对应的历史地震时间最长的是距今133年的1888年景泰6～7级地震,M6地震没有密集区对应的最近地震为距今169年的1852年中卫西南6级地震。因此,M6地震有密集区对应的年限应该在130～170年左右。

表2 历史地震与地震密集区关系表Table 2 Relationship between historical earthquakes and earthquake-intensive areas

M7(7≤M7<7.9)地震事件有7次,有密集区对应的地震事件最早为距今约669年的1352年会宁7级地震。而1125年兰州7级地震(距今时间896年)极震区与小震密集区大体对应,但是存在不确定性,因此,M7地震有密集区的对应事件在669～900年左右。

M8(8≤M8)地震事件3次,距今时间分别为282年、101年和94年,都有密集区对应,需要更多的数据来探讨密集区的持续时间。

根据上述研究结果,历史地震重破坏区与小震密集区关系的总体趋势是:大多数密集区均有历史强震相对应,二者之间有较密切的关联性;地震震级越大,密集区持续时间越长。本文拟合出不同震级历史地震对应密集区可能的持续时间并绘制成图(图6)。从图6可知,除了1709年7级地震和1820年6.2级地震存在异常外,其余地震都符合曲线公式。公式为:T=4.38×10-7×M10.91(T为小震密集区持续时间(年);M为历史及现今强震震级)。

图6 地震震级与离逝时间关系图Fig.6 Relationship between earthquake magnitude and elapsed time

4 结论与讨论

本文采用小震网格点密集值法对青藏高原东北隅弧形构造区历史强震与现代中小地震密集区对应关系进行了详细分析,研究区内共发生了6级及以上地震38次。其中,M6(6≤M6<7)地震28次,其地震密集区对应的时间为130～170年;M7(7≤M7<8)地震事件7次,其地震有密集区的对应事件达到669～900年左右。M8(8≤M8)地震事件仅有3次,即1739年平罗8级地震、1927年古浪8级地震和1920年海原8.5级地震,都有密集区对应(其持续时间分别为282年、94年和101年)。由于M8地震事件样本数量只有3次且距今时间最长不到300年,需要更多的数据来探讨密集区的持续时间。在分析的过程中发现部分密集区内存在多次地震,其震中位置及年代相距较近,无法确定具体是哪次地震形成的密集区,或者为几次地震的共同影响。其次部分地震震中相距较近,但年代相距较远,从图像及前人对地震史料考证结果无法确定前一次地震是否对密集区的形成有所影响。因此需要采取其他方法来区分,这是本研究方法的局限。

在研究中发现有小震密集区却没有历史地震记载的情况,一种可能是存在历史地震遗漏的情况,另一种可能是该断裂新活动性的增强。对于这种密集区需查找历史文献和其断层活动资料,注意其未来发震风险。

综合分析得到以下几点认识:

(1) 在21个密集区中有14个密集区有历史地震对应,7个密集区无历史地震对应,即大约有66.7%的密集区对应历史地震,表明该方法对多数历史地震的有效性。网格点密集值方法可用于校核历史地震震中位置、重破坏区范围等重要参数。

(2) 历史地震与密集区关系总体上表现为历史地震震级越大,其小震密集区持续活动时间越长,历史地震震级与密集区持续时间符合统计规律T=4.38×10-7×M10.91。

(3) 网格点密集值方法可以用于识别历史大震空区,为预测未来的大震风险区提供依据。其没有历史地震对应的小震密集区,未来的地震风险值得注意。