西秦岭北缘断裂破裂分段与地震危险性评估

邵延秀 袁道阳 王爱国 梁明剑刘 琨 冯建刚

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2)四川省地震局，成都 610041

西秦岭北缘断裂破裂分段与地震危险性评估

邵延秀1)袁道阳1)王爱国1)梁明剑2)刘 琨1)冯建刚1)

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2)四川省地震局，成都 610041

根据最新地质考察和历史地震考证结果，西秦岭北缘断裂带从东到西可划分为宝鸡、天水、武山、漳县、黄香沟和锅麻滩共6个次级断裂段。上述断裂既具有单段破裂，又具有多段组合破裂的特征。利用时间相依的地震潜势概率评估方法，对这6个单段分别进行地震危险性概率评估，其中黄香沟段和漳县段发生单段破裂的可能性最大，天水段发生单段破裂的概率次之。若发生组合破裂，黄香沟段和漳县段组合破裂可能性大。同时，根据沿断裂带的b值扫描图像分析结果显示，黄香沟段和天水附近应力积累较高，这两个地区应是未来发生强震的主要段落，值得关注。

西秦岭北缘断裂 时间相依地震潜势概率 b值扫描 应力积累

0 引言

西秦岭北缘断裂位于南北强震构造带北段，是青藏活动地块区北部的柴达木与祁连Ⅱ级活动块体的分界断裂(张培震等，2003)。有史料记载以来，沿西秦岭北缘断裂带发生过多次破坏性地震甚至大地震，如143年甘谷西7¼ 级地震和734年天水7½级地震(袁道阳等，2007;雷中生等，2007)等，其未来的大震危险性备受关注。曹娟娟等(2003)曾根据前人早期的地质调查结果(滕瑞增等，1994)，对西秦岭北缘断裂的地震危险性做过概率评价，但由于基础资料所限，其结果存在一定的不确定性。近年来，随着对西秦岭北缘断裂带研究的不断深入，断裂几何特征、滑动速率、历史地震破裂习性及古地震特征等(李传友，2005;李传友等，2007;袁道阳等，2007;雷中生等，2007)基本参数得到了及时更新或充实完善。本研究正是基于最新地质考察资料，尤其是历史地震考证结果，对西秦岭北缘断裂进行破裂分段性研究，进而借助“时间相依”的地震潜势概率评估方法(闻学泽，1995)，辅以沿断裂带地震活动性b值图像扫描方法(Wiemer et al.，1997;易桂喜等，2007)，综合评估该断裂未来强震发生的断裂区段及危险程度，为强震短临跟踪与震灾防御提供参考依据。

1 断裂破裂分段及新活动特征

1.1 断裂分段活动特征

西秦岭北缘断裂东起宝鸡，向西经天水、武山、漳县，西至临夏以西的青海同仁一带，全长约420km，总体走向280°～310°。该断裂大致由6条次级断裂段左阶斜列组成，从东往西分别为宝鸡、天水、武山、漳县、黄香沟和锅麻滩等断裂段 (图1)，各段之间有部分重叠，形成了5个张性阶区，分别为北道、温家套、鸳鸯镇、漳县和莲麓阶区(图1;袁道阳等，1999)。各次级段的新活动特征简述如下：

图1 西秦岭北缘断裂几何结构与历史地震破裂分段图Fig.1 The segmentation of structural geometry and historical earthquake rupture along the Western Qinling Fault.

(1)宝鸡断裂段(F1-1)：长约90km，走向270°～300°，倾向 NE，倾角70°～80°。由2～3条次级断裂组成，主要发育于前寒武纪地层与燕山期花岗岩中，并切割了新近系和第四系。中晚更新世以来，具左旋走滑特征，并具逆冲分量。沿断裂未发现全新世活动的可靠证据，主要为晚更新世活动段。根据地震史料记载(谢毓寿等，1983)，推测公元600年天水-陇县6～7级地震发生在该段断裂上。但是根据我们的最新考证研究结果，这次地震也有可能发生在六盘山东麓断裂南段的固关-县功断裂上。

(2)天水断裂段(F1-2)：东起天水北道的渭河谷地，经天水市北的牛家山，过吊沟门，西至甘谷东南，走向290°，倾向NE或SE，倾角50°～70°，长约50km。新生代以来断裂控制了新近系发育，晚第四纪尤其是全新世期间仍在活动，其水平走滑速率2.8 mm/a(滕瑞增等，1994)。与宝鸡断裂段以北道阶区左阶羽列，阶距2～3km。根据历史地震考证研究的结果，该段断裂应为734年天水7½级地震的主要发震断裂段(雷中生等，2007)，同时东侧的宝鸡段也可能部分参与了这次地震活动。

(3)武山断裂段(F1-3)：东起凤凰山南麓的胡家沟，经武家河、洛门、武山止于鸳鸯镇西。长约75km，走向280°～290°，倾向NE，倾角6°～70°，具正左旋走滑特点。断裂新活动明显，断错山脊、冲沟和河流阶地等，全新世水平滑动速率为2.8 mm/a(滕瑞增等，1994)。断裂东端与天水断裂段以温家套拉分区左阶错列，阶距2km。根据历史地震资料核查和现场调查结果，该段断裂可能曾发生公元前47年陇西6¾级地震、128年甘谷6½级地震和1765年甘谷-武山6½级等。在其北侧发生过1718年通渭7½级地震，尽管这次地震的发震断裂不是西秦岭北缘断裂，但其震源体却涉及该地区，对该段断裂未来的强震孕育可能有减震作用。

(4)漳县断裂段(F1-4)：东起酸刺湾，向西经丁家门，进入漳县盆地后终止于三岔附近。走向290°，倾向NE，倾角65°，长约45km。断裂东段为逆走滑性质，西段为正走滑性质，晚更新世以来活动明显，全新世水平滑动速率2.5mm/a(滕瑞增等，1994)。与武山断裂段以鸳鸯镇阶区左阶羽列，阶距2.5km。根据历史地震考证研究结果，推断其上曾发生143年7¼ 级地震(袁道阳等，2007)，而黄香沟断裂段(李传友，2005)和武山断裂段也可能参与了这次地震活动。

(5)黄香沟断裂段(F1-5)：东起漳县谷地，沿车厂沟向西，越过分水岭，经黄香沟终止于洮河西岸。走向300°左右，倾向不一，倾角46°～85°，长75km。断裂晚更新世以来的新活动非常强烈，尤其是在黄香沟一带断裂切过了全新世冲洪积扇、阶地等，发育断塞塘、洪积扇侧叠、冲沟和山体位错等构造地貌。晚第四纪以来水平滑动速率 (2.3±0.2)mm/a，垂直滑动速率(0.28±0.08)mm/a(李传友等，2006，2007)。与漳县断裂之间以漳县盆地(阶距3km)左阶羽列。根据地震史料记载(谢毓寿等，1983)：“汉惠帝二年正月地震陇西，压四百余家”，前汉陇西郡治狄道(今临洮)，推测公元前193年临洮地震最有可能发生在该段断裂上，离断裂最近距离达40余km的临洮都死亡400余家，推测其震级≥7级。而锅麻滩断裂也可能参与了这次地震活动。

(6)锅麻滩断裂段(F1-6)：东起洮河西岸的莲麓，经锅麻滩、羊毛沟、松香滩，止于大槐沟附近。由3条斜列的次级断裂组成，长约120km，走向290°～300°，倾向不一，倾角65°～80°。断裂新活动以正走滑活动为主，晚第四纪活动性向西逐渐减弱，其水平滑动速率2.1 mm/a(滕瑞增等，1994)。该断裂与漳县断裂间为莲麓左阶拉分区，阶距2.5km。历史上曾发生1936年康乐 6¾级地震(滕瑞增等，1994)。

由于地震发生时间的先后差异以及史料记载的详略程度不同，沿西秦岭北缘断裂带发生的上述历史地震其等震线信度也不一样。总体上时间越近或史料记载越详细，等震线确定的相对较好，如734年天水7½级地震、1936年康乐6¾级地震等，相反则差些，尤其是涉及相邻断裂段是否参与活动的问题。在现有资料的基础上，综合分析发现沿西秦岭北缘断裂带的地震活动具有分段破裂的特征，与断裂的几何分段具有较好的一致性。其中，7级以下地震大多具有单段破裂活动的特征，但7级以上地震多为2～3段组合破裂，如734年天水7½级地震除了天水次级段以外，东侧的宝鸡段也可能部分参与了活动;143年甘谷西7¼ 级地震除了漳县段活动外，黄香沟段和武山段也可能参与了活动。据此可将西秦岭北缘断裂带分段活动及历史地震破裂等基本参数归纳如表1。

表1 西秦岭北缘断裂带分段活动特征表Table 1 The segmentation of activities of the Western Qinling Fault

1.2 历史地震活动特征

由图1可知，沿西秦岭北缘断裂所发生的8次历史强震在时间分布上具有明显的丛集性和周期性。主要分为3个时间段：

(1)公元前193年至公元143年的336a间在西秦岭北缘断裂带天水以西的主断裂上共发生了4次6.5～7.5级左右地震，主要包括公元前193年临洮≥7级地震、公元前47年陇西6¾级地震、128年甘谷-武山6½级地震和143年甘谷西7¼ 级地震。这些地震依次发生在不同次级断裂段上，强震之间平均间隔大约为140～180a(平均约160a)左右。

(2)公元600年至734年在西秦岭北缘断裂天水以东的天水段和宝鸡段发生了2次7级左右强震，时间间隔为134a。

(3)公元1765年至今的主要强震活动又集中在西秦岭北缘断裂天水以西的断裂上，目前已发生了2次6级以上强震。其中，从1765年甘谷-武山6½级地震到1936年的康乐6¾级地震的时间间隔为171a，与上述2个地震丛集期内主要强震时间间隔大体相当。若认为1718年通渭7½级地震也发生在该丛集期的话，则已发生3次7级左右大震。

(4)强震活动还具有一定周期性，从图1可见，在西秦岭北缘断裂中西段主断裂上，在第1个丛集期(公元前193—143年)结束后，自1718年起又开始了新一期的地震丛集活动。根据前一个强震丛集期(公元前193年至公元143年)约330a估计，新的强震丛集期将持续到公元2048年前后。也就是说，西秦岭北缘断裂带中西段未来百年内存在发生7级左右大震的潜在危险性(图1，地震空区1)。由于西秦岭北缘断裂在天水以西和以东其新活动性存在较大差异，推测其强震丛集活动也不同步，可能相对滞后。不过由于最近的734年天水地震距今已经1,276a，同样存在再次发生强震的危险性 (图1，地震空区2)。

2 西秦岭北缘断裂地震潜势概率估算

2.1 评估方法和原理

时间相依地震潜势概率评估方法(闻学泽，1995)的基本原理是，地震之间的时间间隔T服从于对数正态分布，概率密度为

闻学泽(1999)由历史地震资料，建立了针对中国大陆活动断裂的破裂地震的2种主要复发行为的复发间隔经验分布。对于时间可预报模式，T/很好地服从于对数正态分布ln(μt=-00.00，σ2t=0.152)，对于准周期复发模式，T/服从于对数正态分布ln(μq=-00.00，σ2q=0.242)。

地震在［0，Tc+ΔT］区间内发生的累积概率为

地震在［Tc，Tc+ΔT］内发生的条件概率为

2.2 地震复发间隔及地震潜势概率

特征地震的复发间隔是计算地震潜势概率的重要参数，复发间隔选取的合理与否直接关系到概率计算结果是否有意义。本研究通过综合以下几种计算方法，以期较为合理地给出每一段落的复发间隔。

2.2.1 古地震方法(P)

n次古地震m(=n-1)次复发间隔的算术平均值和中位数(闻学泽，1995)为

其中 σD=0.215。

2.2.2 断层滑动法(G)

断层滑动法的总体思想是，破裂断层的滑移速率是均匀的，只要通过地质或其他方法(闻学泽，1995)得出破裂断层的平均滑移速率和相应的同震位移量均值u¯，就可以通过公式

计算出特征地震的复发间隔。

对于不同的复发模式，同震位移量均值u¯的选取和误差计算方法不同，曹娟娟等(2003)已有详述，在此不再涉及。

2.2.3 地震矩率法(V)

闻学泽(2007)①闻学泽，2007，中强-弱及隐伏活动断层的现今活动习性与地震危险性评价方法，中国数字地震观测网络-城市活断层试验探测结题报告。给出了利用地震矩M0和地震矩年释放率VM0计算特征地震平均复发间隔

利用中国大陆地区M0与震级M的经验关系，计算M0

若在一段落上，发生过n(≥2)次破坏性历史地震，则VM0可以用下式估计

式(9)中τ为最晚历史地震和最老历史地震的时间间隔，M0，i为第i次地震的矩。如果主要地震的复发过程表现出时间可预报行为，则VM0用下式估计

2.2.4 综合评估

在一些破裂分段上，可靠的资料较为丰富，可以利用多种方法进行特征地震复发间隔的估值。然后通过加权平均，综合给出最佳值。每一种方法给出的复发间隔Ti的权重wi，由其变异系数σi决定，具体计算公式如下

标准差ST为

这种方法同样适用于同震位移量均值的加权平均。

根据以上方法计算西秦岭北缘断裂各分段复发间隔和概率结果如表2。

表2 西秦岭北缘断裂地震空区段地震潜势概率估值Table 2 The seismic potential probability of the seismic gap of the Western Qinling Fault

从表2可见，西秦岭北缘断裂带6个次级断裂段在未来50，100，200a发生地震破裂的概率，黄香沟段和漳县段发生单段破裂可能性最大，天水段发生单段破裂的概率次之，宝鸡段因主要为晚更新世活动段，缺乏相关参数，未做评价。若考虑组合破裂的情况，黄香沟段和漳县段发生组合破裂其震级可能会大些，同样具有较大的发震危险性。

3 西秦岭北缘断裂的b值扫描

3.1 方法原理

震级M-频度N关系，也称为Gutenberg-Richter关系，其表达式如下

其中，M为震级，N为在一定时间段内发生M≥M c(最小完整性震级)的地震数量，a，b为经验常数。

Wiemer等(1997)第1次利用此关系中的a，b值等分析和判定活动断裂带现今相对应力水平的空间分布，辨别出高应力积累段落或凸凹体，为强震和大地震的中长期危险性评估提供了一定的依据①同84页①。。在国内，由易桂喜等于2004年率先引进并在其后开展了一系列研究(易桂喜等，2004a，b，2005，2006，2007，2008)。其中，b值越大，应力积累较低，发震危险性低; 而 b 值小(通常＜0.7)，则应力积累较大，发震危险性高。

3.2 数据选择及计算方法

为保证足够多的地震样本量，我们采用1970年6月至2009年4月沿断裂带的精定位地震目录，如图2所示。

图2 沿西秦岭北缘断裂带震中分布图Fig.2 Seismic activity along the Western Qinling Fault.

计算b值的地震样本量不少于50，如果少于50个地震，计算出来的b值误差比较大(Wiemer et al.，2002)，一般在50～500。在计算每一个b值之前，我们都会对选取的样本进行统计，利用 MAXC 法(Wiemer et al.，2000;Woessner et al.，2005)确定最小完整性震级 M c(MAXC)，最后采用的最小完整性震级还需要引进一个修正量 0.2(Woessner et al.，2005)，即 M c=M c(MAXC)+0.2(图3)。b 值的计算有最大似然法(Aki，1965，Woessner et al.，2005;Daniel，2007)和最小二乘法①同84页①。。我们采用在国内应用比较多的最小二乘拟合法进行计算。

图3 MAXC法确定最小完整性震级M cFig.3 Estimating themagnitude of completeness(M c)with the MAXCmethod.

将选定区域以0.1°的间距进行网格划分①，计算每个网格节点的b值。以网格节点为圆心，20km为半径的圆为样本统计单元，如果统计单元内的样本量少于50，则将圆半径增加为30km，再次进行样本统计，如果样本量还达不到50，则此节点的b值无法计算，其在最终的b值图像上为空白①。最后利用所有节点b值数据，绘成沿断裂空间分布的b值等值图。

利用以上方法和数据，我们计算出沿断裂带所有节点在平面上的b值，并绘成等值图 (图4)。从图4中我们可以看出，在黄香沟段和天水附近表现为低b值区，与上文计算给出的高地震潜势概率区域吻合很好。说明近40年来黄香沟段和天水附近地区应力积累较大，发震危险性很高，尤其是天水地区，异常低b值(≤0.4)分布范围大，而且还处于2条断裂的交汇处，未来在此发生的大震很有可能会贯穿这2条断裂。而对于武山段和锅麻滩段，其分别在1765年与1936年发生过强震，现在应该正处于应力积累期，在未来200a内不太可能再次发生强震。漳县段的地震潜势概率和b值都很高，可能是因为武山段上1765年甘谷-武山6½级地震对其有影响，像1718年通渭7½级地震一样，对其有减震作用。

4 结论

(1)根据最新地质考察和历史地震考证结果，西秦岭北缘断裂带从东到西可划分为宝鸡、天水、武山、漳县、黄香沟和锅麻滩共6个次级断裂段。上述断裂既具有单段破裂，又具有多段组合破裂的特征。

图4 沿西秦岭北缘断裂b值图像Fig.4 b-value image along theWestern Qinling Fault.

(2)利用时间相依地震潜势概率评估方法，采用可靠历史地震资料给出的特征地震复发间隔，计算出6个次级断裂段在未来50，100，200a发生地震破裂的概率，其中黄香沟段和漳县段发生单段破裂可能性最大，天水段发生单段破裂的概率次之。若发生组合破裂，黄香沟段和漳县段组合破裂可能性大。

(3)根据近40a来精定位的小震目录，沿西秦岭北缘断裂，计算出b值分布图像。分析b值图像表明，在黄香沟段和天水附近b值异常低，应力积累高。

(4)由地震潜势概率和b值图像结果表明，未来发生强震的危险区集中在宝鸡段西部、天水段、漳县段和黄香沟段，尤其应该高度关注天水附近和黄香沟段。

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THE SEGMENTATION OF RUPTURE AND ESTIMATE OF EARTHQUAKE RISK ALONG THE NORTH MARGIN
OFWESTERN QINLING FAULT ZONE

SHAO Yan-xiu1)YUAN Dao-yang1)WANG Ai-guo1)LIANG Min-jian2)LIU Kun1)FENG Jian-gang1)
1)Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China

2)Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China

We divide the northmargin ofWestern Qingling Fault zone into six segments on the basis of new geology data，namely，Baoji，Tianshui，Wushan，Zhangxian，Huangxianggou and Guomatan segment from east to west.Each segment not only can rupture independently，but also can rupture togetherwith others.The probability of seismic potential on these six segments and two combination segments is computed with the time-dependent seismic potential probability estimatemethod.We find from the result that，both the Huangxianggou and Zhangxian segments have the biggest probability of rupture in the future;and Tianshuisegment is the second.If therewill be a combined rupture，it ismost likely to happen in Huangxianggou and Zhangxian segments，both ofwhich have higher earthquake risk.We also compute b value along the fault zone.The image of b value indicates a high accumulated stress on the Huangxianggou and Tianshui segments.So we suppose that the two areas are the main locations where strong earthquakesmay occur in the future.

the northmargin ofWestern Qinling Fault，time-dependent seismic potential probability，b value image，stress accumulation

P315.9

A

0253-4967(2011)01-0079-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.008

2010-01-04收稿，2010-06-07改回。

甘肃省地震局青年地震科学基金(2009262)和国家自然基金(40872132)共同资助。中国地震局兰州地震研究所论著号：LC2010021。

邵延秀，男，1984年生，2007年毕业于兰州大学地质工程系，现为中国地震局兰州地震研究所在读研究生，主要研究方向为新构造运动与地震危险性分析，电话：0931-8273226，E-mail：hawking.shao@gmail.com。