综合石油地质、历史地震等资料评估吉林孤店隐伏断裂的地震危险性

邵博 沈军 李莹甄 于晓辉戴训也 袁俊枫 尉洋

1）防灾科技学院，河北省三河燕郊开发区学院街 065201

2）中国地震局地质研究所，北京 100029

3）中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

0 引言

活断层的地震危险性评价是活动断层探测的目的之一。Tocher（1958）最早将震级与地震地表破裂长度相联系，Anderson等（1996）开始在震级-地表破裂关系中考虑发震断裂的滑动速率，此后很多研究者（Wells et al，1994；闻学泽，1995；龙锋等，2006，入倉孝次郎等，2000；Mohammadioun et al，2001；冉洪流等，2004）使用了多学科的手段以地表破裂约束震源，并提出了适合于特定范围的经验关系式。对于中国西部地表出露的活动断裂，常常可根据活动断裂（段）的规模判断其发震能力。但是，由于中国东部许多活动断裂（段）是隐伏的，虽然发生了7级左右，甚至更大的地震，地表却没有留下与其震级“相称”的地震断层。如1976年唐山7.8级地震和1679年三河-平谷8级地震，地表破裂只有10km左右；1937年菏泽7级、1975年海城7.3级、1830年磁县7.5级、1966年邢台6.8级及7.2级等地震除了地裂缝之外，地表也未出露明显的地震断层。但是，余震的分布和深部探测的结果显示深部存在与其震级相应的发震构造。

2012～2014年笔者在进行松原市活断层探测与地震危险性评价项目时发现了一条隐伏活动断裂带，将其称为孤店断裂，并利用吉林油田提供的三维物探资料获得其空间展布。三维地震剖面显示孤店断裂为逆断层，并且是在早期正断层的基础上，构造运动反转而变为逆断层的；在三维物探资料的基础上布置了浅层地震探测和联合钻孔剖面探测，证实其属于晚更新世活动断裂。孤店断裂恰位于1119年前郭级地震等震线的中央，笔者研究认为该断裂很可能是此次地震的发震构造①邵博等，2014，松原市断层活动性鉴定与地震危险性评价专题报告，也很可能是东北富含石油的松辽盆地内的一条重要的发震构造，因此准确合理地评价该断裂的地震危险性很有必要。

从空间位置上看，孤店断裂位于NE向的扶余-肇东断裂中段，是该断裂带中活动性最强的一条断裂，扶余-肇东断裂带的西南段于2006年3月31日和2013年10～11月发生了一系列5级地震，在其东北向的松原市有密集的小地震，而孤店断裂的连续性和活动性都比这2个地点强，显示它发震的能力可能比较大。

本文利用吉林油田提供的丰富的石油物探资料，得到孤店隐伏断裂的清晰结构，通过地下破裂参数拟合方法，定量评价了该断层的潜在发震能力，并选择时间相依的概率模型，对未来发震概率进行了评估。

1 孤店断裂地震危险性的定性评价

孤店断裂是松原市活断层探测与地震危险评价项目的目标断层之一（图1）。对于孤店断裂，地震部门对其的研究很少，但石油部门开展过很多工作，得到了大量相关地震勘探资料。前人认为，盆地内构造成带出现，绝大多数构造是后生的，其构造定型时期大都是晚白垩世嫩江期末至早白垩世明水期末这段时期。由于孤店断裂总体走向与现代构造应力场主压应力方向垂直，断层面又向东倾，在EW向挤压应力作用下，早期正断层反转上冲，由于基岩正断距很大，故仍保持其正断层性质，而断层上部则表现为逆断层（石国平等，1985；王莉等，1998；李天仁等，2010；付宪弟等，2010）。

在本研究中，我们收集了吉林油田提供的三维物探T04（相当于K1n嫩江组四段底面反射）、T1（相当于K1n嫩江组一段底面反射）、T2（相当于K1n嫩江组一段底面反射）反射层和14个二维物探剖面（图2）。通过对三维地震反射剖面的解译认为，该断裂位于松原市西南，总体呈SN走向，向西凸出的弧形，在三维物探剖面上总长度约为66km，这反映了孤店断裂在覆盖层以下的基岩面上的破裂尺度。

1.1 孤店断裂的结构特征和地球动力学背景

扶余-肇东断裂是松辽盆地内一条重要的发震断裂（付宪弟等，2010），从北到南分别由NE向大洼-薄荷台断裂、穿过松原市区的EW向扶余北断裂、孤店断裂以及NE向查干花断裂组成，其中查干花断裂于2006年3月31日和2013年10～11月发生了一系列5级地震，扶余北断裂2003年以来也频繁发生密集的小震活动。

图1 区域主要断裂及地震分布

图2 孤店断裂三维地震反射平面图

孤店断裂带位于松辽盆地中央坳陷区扶余凸起西翼，该断裂自达里巴经盖子井东、孤杨、深井子，直至巨龙山南展布。断裂总体呈向西突出的弧形，倾向E，长66km（付宪弟等，2010）。沿该断裂走向，断层结构出现变化，断裂北段在达里巴和盖子井东之间连续性较差。在断层中段盖子井至孤杨段连续性较好，表现为三维地震反射平面图中的清晰陡变带，在孤杨至巨龙山段表现为一个规模较小的弧形断裂。

综合对东北地区深浅部构造和地球动力学背景的认识②李 莹甄等，2014，松原市地震活动性与危险性分析专题报告发现，新近纪以来，东北地区一方面受西伯利亚南突弧向东挤压作用（杨纪林，2011），另一方面其东边由于日本海盆封闭，扩张的侧向挤压作用消失，因而主要受太平洋板块往北西西俯冲的推挡，以及俯冲板块破裂和消减所伴随、诱导和形成的深部作用，水平挤压作用较弱（赵文峰，1989；高立新，2001）。所以区域内构造应力场基本为NEE-SWW向以及近EW向两组应力的叠加，深部中强地震发生的动力来源于西北太平洋板块向珲春-牡丹江地区上地幔内590km深处俯冲，并消减于这一带。板块的俯冲受到地幔内岩体的阻挡，在岩块内产生俯冲断层且在东北发生深源地震（孙文斌等，2004）。松辽盆地是东北地区重要的地震活动区域，具备发生6～7级地震的条件；NE向的扶余-肇东断裂是松辽盆地内的主要发震构造；区域动力学环境及震源机制解表明，NE向断裂现今活动性质为逆冲。

1.2 孤店断裂及邻区的地震活动特征

根据吉林省区域地震台网的观测资料，自1970～2014年7月，本区共记录到ML≥1.0地震248次（图1），3.0≤ML≤3.9地震3次。研究区有5个小震震源深度的记录，深度为9～14km。地震活动主要集中于扶余-肇东断裂查干花段和扶余北断裂段，孤店断裂现代地震活动水平较低。

1.3 孤店断裂与1119年级地震的关系

同时开展的浅层地震勘探及联合钻孔探测揭示了孤店断裂晚更新世以来的活动证据，且孤店断裂位于地震破坏区几何中心附近（图1），是等震线范围内唯一具有接近7级地震发震能力的活动构造。李传友等（1999）分析构造应力场后认为，发震构造走向为NW向或NE向，这也与孤店断裂各分段的走向一致。故孤店断裂是1119年级地震最有可能的发震断裂。

2 孤店断裂地震危险性的定量评价

2.1 孤店断裂的活动性

孤店断裂的活动性鉴定表明③中国地震局地球物理勘探中心，2014，松原市目标断层浅层地震勘探专题报告，孤店断裂在深井子测线显示为一条倾向东、上陡下缓的逆断层。断裂切穿T02反射层，相当于上白垩统明水组顶面反射（图2、3）。经过与钻探揭示的地层进行对比④吉林建筑工程学院勘探中心，2013，松原活断层联合钻孔剖面探测专题报告认为，上断点埋深约24m，该深度的地层年代为晚更新世。

图3 孤店L1200测线解译剖面

2.2 隐伏活断层潜在震级估计方法的探讨

孤店断裂位于新构造运动微弱的东北地区，属于弱活动的非全新世断层。根据《中国地震活动断层探测技术系统技术规程》（中国地震局，2005）的要求，此类断层潜在地震的最大震级无法采用震级-地表破裂长度经验关系估计，而应参考以下3种方法综合评估：①震级-地表同震位错经验关系中同震位错最小或趋于最小值时对应的震级范围；②工作区及邻区相同构造环境地区中规模相同的同类断层的历史地震最大震级；③由目标区或工作区历史及现今地震的震级-频度关系外推。在以上3种方法中，第1种震级-地表同震位错经验关系很难得到（陈宇坤等，2010）；第3种方法在东部地区城市活断层探测中应用较广，如采用闻学泽等（2007）利用现代台网与历史地震资料对于华北、华中-华东、华南与东南沿海等3大区域建立的各断层小区的长期震级-频度关系，进而对断层潜在最大震级和活动性参数a/b进行经验拟合。但由于东北地区固有的地震活动较弱、复发间隔较长的特性以及松原市地震目录完整性较差的背景，试验发现该方法很难获得可靠结果。

在东部地区的潜在震级估计中，陈达生（1984）、宋龙伯等（1987）、叶文华等（1996）、龙锋等（2006）、冉洪流（2009）等对不同区域范围、不同类型地震造成的地表破裂的下限震级进行了估计，利用这些方法得到的潜在震级应是较为可靠的结果，且在活断层探测和工程地震安全性评价中被广泛应用。

入倉次郎等（2000）系统总结了全球范围现代地震矩M0与地震时地表断层同震位移D的经验关系（图4）。根据这一关系，伴有地表断层位错的最小地震矩为M0=3.162×1024dyn·cm。

图4 入倉-三宅经验关系

由 Hanks等（1979）提出的关系式以及地震矩与面波震级的经验关系式（冉洪流，2009）

可知，在统计意义上，东北地区震级小于MW5.6或MS5.3地震不会伴有地表断层的同震错动。考虑到在地表流水侵蚀严重的地区，即使沿断层的地表迹线产生小于25cm的位错，也很不容易保存和积累下来，故可估计相应的震级为MS6.0。显然，对于发生过1119年级地震的松原地区，这种评价方法的结果是偏低的。

考虑到东部平原深隐伏区地震地表破裂因受上覆层厚度不同的影响，导致地表位错尺度变化的因素比较复杂，在同样无地表破裂的情况下，覆盖层较厚的东北地区可能发生过更大震级的地震。这一结果同时说明，基岩破裂尺度是对地下实际破裂尺度的一种逼近估计，其成因较复杂，除与震级相关外，还与其他震源参数、覆盖层厚度（Jonathan et al，1994）、覆盖土层力学参数（刘守华等，2005；Anastasopoulos et al，2007）、地下水位等有关。考虑到三维物探资料反映的基岩破裂尺度不受覆盖层的影响，故可将三维反射剖面上量取的破裂长度代入震源破裂长度-震级的经验关系式中，以估计其发震规模。

2.3 潜在最大震级估计

Wells等（1994）基于大量样本数建立了全球不同类型地震断层的震源参数数据库，数据主要来源于公开发表的野外考察、地震学研究、地震学调查等方面的专著和论文，他们从数据库中挑选部分地震来确定震级和不同震源参数之间的经验关系。其中，地下震源破裂长度AD与矩震级MW间的经验关系及其建模样本如图5所示。根据陈永前等（2014）对该经验关系统计置信度和参数相关关系的研究，使用震源破裂参数拟合法估计中国大陆地震震级的参数相关系数为0.94～0.96，能够较好地拟合中国大陆潜在的地震能力，同时这种方法内也蕴含一定的地质意义。

图5 根据震源破裂长度预测断层的最大发震能力

孤店断裂盖子井东至孤杨段（图2（a）中AB段）的地下破裂长度为28.5km，利用Wells等（1994）经验拟合公式（图5）估计，潜在地震的最大震级为MW6.55；孤杨至巨龙山段（图2（a）中BC段）的地下破裂长度为19.5km，潜在地震的最大震级为MW6.3；巨龙山以南段（图2（a）中CD段）长度为18km，潜在地震的最大震级为MW6.25。考虑3段同时破裂的可能，利用Hanks等（1979）提出的地震矩与矩震级间的转换关系（式（1））分别计算3个地震的地震矩并求和，计算得到同时破裂的潜在最大矩震级为MW6.72。分段破裂的依据主要是孤店断裂的几何形态为逆冲断裂的弧形破裂组合以及三维物探资料所反映的孤店断裂在巨龙山附近的不连续性。

需要说明的是，如果总长度66km的孤店断裂整体发生贯穿性破裂，则潜在地震的最大震级为MW7.1。但根据活断层探测过程中专家组对于综合区域发震能力及断裂几何学的认识，同时考虑到未在孤店断裂上发现地表破裂，故分段破裂可能是概率更高的结果，因此在本文中我们主要以这种破裂组合进行研究。

2.4 复发间隔

断层地震危险性分析所需的危险性参数中最重要的是复发间隔T或年发生率λ，且有

断层（段）的最大潜在地震的平均复发间隔可由该潜在地震的地震矩M0与相对危险段地震矩累积率的比率估算（冉洪流，2006），即

其中，由式（1）得到地震矩M0=1.3×1025dyn·cm；地震矩累积率可由下式得到

式中，μ为剪切模量；A为破裂面积；S为滑动速率。

另据Wells等（1994）给出的矩震级MW-破裂面积的经验关系

式中，MW为矩震级；RA为破裂面积（单位：km2）；由式（5）得到孤店断裂最大震级MW为6.72的地下破裂面积RA=418.09km2。

邓起东等（2002）的研究结果为，海城断裂全新世以来断层的垂直滑动速率为0.1mm/a，金州断裂的为0.1～1.0mm/a，故可推定东北地区晚更新世或全新世以来断层的垂直滑动速率为0.1～1.0mm/a量级。根据断层活动性鉴定的结果，考虑到孤店断层的活动时代、东北各区域地震活动水平的差异、由钻孔工作得到的Q3马兰黄土底界对应层9m的变形程度以及钻孔中对应的粉砂、粉土样品光释光（OSL）年龄为50ka（因采用细粒石英测年方法，实际年龄可能大于5ka）等，我们计算中将孤店断层的滑动速率设定为0.2mm/a。

根据上述给出的孤店断层滑动速率和破裂面积，由式（3）得到孤店断层MW6.72破坏性地震的复发间隔为2591a，年发生率为3.85×10-4。

2.5 地震概率模型与发震概率

目前，常用的活动断裂地震危险性估计的概率模型有泊松模型、对数正态模型、时间相依的概率模型等（冉洪流，2006；张永庆等，2007）。

Nishenko等（1987）整理了环太平洋板缘地震带不同段落“特征地震”的复发时间资料，构建了适用于板缘强地震活动带的通用概率模型，简称NB模型。NB模型对数正态分布的拟合效果较好，其概率密度分布函数为

其中T为实际复发间隔，Tave为平均复发间隔。对于中国大陆内部所有的活动断裂，由最大似然法估计出平均值μ=-0.1206，标准差σ=0.5054（张培震等，1996）。

利用上述的活动大陆内部地震复发的通用概率密度分布，在已知地震平均复发间隔和最近一次地震至今离逝时间的条件下就可计算出不同活动断裂（段）的地震危险性概率。

本文根据闻学泽（1995）的“时间相依”的地震复发概率方法。假设已知某个震源或断裂段特征地震之间复发时间间隔T具有某种连续型的概率分布，其概率密度函数为f（T），并设上一次地震发生以来，时间已消逝的长度为Te；事件A｛T≤Te｝表示下一次地震在［0，Te＋ΔT］区间内发生，事件 B｛T＞Te｝表示下一次地震在［0，Te］区间没有发生。那么，事件 A、B的概率分别为

进而可以得到在事件B已经发生的条件下，事件A在未来时间区间［Te，Te＋ΔT］内发生的条件概率

利用式（7）、（8）、（9）进行计算，可得到孤店断裂50～200a的强地震复发概率（表 1）。

表1 孤店断裂强震复发概率评价结果

3 结论与讨论

3.1 结论

通过基岩破裂参数拟合等多种方法的对比评估，综合考虑松原地区的背景地震活动水平、资料的可靠程度和研究深度以及所得结果的不确定性等，认为孤店晚更新世活断层的潜在地震最大震级的估值为MW6.72。此外，采用地震矩方法获得复发周期、年发生率等定量参数，假定孤店断裂为1119年级地震的发震构造，利用时间相依的概率模型估算出该断裂未来50～200a发震概率。

研究认为，孤店断裂是继闵伟等（2011）确认依兰伊通断裂全新世活动以来，东北地区确定的另一条具有7级左右地震活动能力的晚更新世活动断层。

3.2 讨论

本文中根据三维物探资料获得的最大震级与前人对于该区域潜在发震能力的评估相符，也符合松原地区1119年发生接近7级地震的历史背景，而以震级-地表破裂关系下限方法估计的结果则偏小。这是因为，地表破裂尺度是对震源实际破裂尺度的一种逼近估计，其成因较地下破裂复杂，除与震级相关外，还与其他震源参数、覆盖层厚度、覆盖土层力学参数、地下水位等有关，故对于平原区隐伏弱活动断层，基岩破裂尺度能够更好地反映断层发震能力。特别是在三维物探资料丰富的采油区，可以比较准确地获得基岩破裂尺度，这种估计方法较为适宜。

致谢：本文基于松原市活断层探测项目，文中三维物探资料由吉林油田提供，光释光测年由山东省地震工程研究院释光实验室完成；成文过程中得到了汪一鹏研究员、杨主恩研究员的悉心指导，感谢其他为本文作出贡献的项目组成员，同时也感谢审稿人对本文提出宝贵修改意见。