松原市扶余北隐伏活动断裂地震潜势研究①

邵　博,沈　军,于晓辉,2,万永魁,尉　洋,祁　高

(1.防灾科技学院,河北 三河 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,甘肃 兰州 730000)



松原市扶余北隐伏活动断裂地震潜势研究①

邵博1,沈军1,于晓辉1,2,万永魁1,尉洋3,祁高1

(1.防灾科技学院,河北 三河 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,甘肃 兰州 730000)

扶余肇东断裂带是松辽盆地中一条重要的隐伏发震断裂带,2006年和2014年在此断裂带上发生了多次近6级地震,地震活动主要集中在断裂的东北段和查干花段。在2012—2014年的松原市活断层探测工作中,探明扶余肇东断裂带东北段经过松原市区,该段呈近EW向,具有明显的分段性和独立性,将其命名为扶余北断裂。通过三维物探资料和浅层人工探测,确定了扶余北断裂的空间展布和剖面特征,并利用联排钻孔探测和光释光测年技术,确定该断裂存在晚更新世以来的活动;利用石油物探资料获得的基岩面破裂规模,对扶余北断裂的地震潜势进行了估计,并进行了概率性地震危险性研究。

松原地震; 扶余北断裂; 发震构造; 概率性地震潜势

0　引言

扶余—肇东断裂整体呈NE走向,自北向南由肇东途经扶余北延伸至第二松花江。该断裂属于深大基底断裂,以扶余—肇东断裂为界,其东西两侧分别为盆地东南隆起区和中央坳陷区,揭示该断裂地处基底等深线的突变带上,控制了区域第四纪沉积,在构造上易于积累能量以孕育地震[5-8]。在不同地质单元相交的部位,存在多个产状各异的疑似活动构造[9-10]。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590 km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并在东北发生深源地震[11]。

为确立区域断裂构造,厘定潜在的发震断层,松原市活断层探测与地震危险性评价项目针松原地区,以区域及其附近大量的石油勘探资料为基础,对整个松原市范围进行了多手段综合探测,在松原主城区北侧、距主城区仅10 km处发现一条近EW走向的隐伏断裂,命名为扶余北断裂(图1)。

图1　区域主要活动断裂及地震分布图Fig.1　Main active faults and earthquakes distribution in the study area

1　扶余肇东断裂带和扶余北断裂的地震活动

自上世纪七十年代东北地区各省区陆续建立了区域测震观测台网。根据焦远碧等[12]的研究结果,1989年之后东北地区处于区域地震台网对M≥2.5 地震的有效监测范围之内。

表1　松原地区2006年及2013年破坏性地震目录(根据吉林省地震局提供资料)

表2　2013年前郭查干花MS5.8震群震源机制参数(根据中国地震台网中心提供资料)

2　扶余北断裂的活动性探测

扶余北断裂位于扶余隆起的北部边界,走向近EW,西起孙家围子,向东延伸至大洼镇附近。由于第二松花江流域地表流水侵蚀严重,该断裂接近松原市区,但市区并未发现地震地表破裂和变形带存在。

在松原市活断层探测工作中,根据已有的白垩统青山口组界面、姚家组界面及嫩江组界面的三维地震勘探构造平面图及由西向东横穿扶余北断裂的12条二维地震勘探剖面,确定扶余北断裂的空间展布,及其在基岩面破裂长度约26 km(图2)。石油二维剖面揭示断层倾向S,视倾角较陡,约60°～80°,早期表现为正断层,新构造运动以来表现为逆冲作用。断裂两侧青山口组埋深梯度变化显著,且控制性钻孔得到的该地层岩芯中存在较多裂缝,表明扶余北断裂可能有过强烈的地震活动。

为弥补石油资料在浅部的缺失,查明其变形幅度及深浅构造关系,在横跨扶余北断裂布设了复兴村和伯都—罗斯屯2条浅层人工地震测线(图2)。剖面中TB5(青山口组底)强反射同相轴下方出现了明显的波形紊乱、畸变和同轴错断现象,据此在剖面中部、双程走时约1.00 s处解译出一个断点FP2,断层为逆断层,倾向S,倾角近直立。TQ(第四系底界)至TB5(青山口组底)强反射同相轴虽较为连续,但均出现了不同程度的弯曲变形,且随深度增加弯曲变形的幅度也明显增强。浅层人工地震勘探揭示扶余北断裂新构造运动以来受持续的挤压应力作用,致使断层下盘不断坳陷,上盘逐渐隆起,最终造成断层两侧沉积地层有一定差异。

基于浅层地震探测结果,又布置2个控制性钻孔和12个联排钻孔对上断点位置进行约束,证实扶余北断裂受强烈的挤压应力作用,其中晚更新世地层存在扰动,并在推测上断点位置形成陡坎(图3),跨上断点所取释光样品测年结果分别为距今(23.9±0.6)ka和(28.9±0.6)ka,证实扶余北断裂晚更新世以来存在地震活动。

3　扶余北断裂的地震潜势

Tocher[13]最早将震级与地震地表破裂长度相联系,Anderson等[14]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[15-19]使用多学科的手段以地表破裂约束震源,并提出适合于特定范围的经验关系式。

考虑到东部平原深隐伏区地震地表破裂受上覆层的影响,在同样无地表破裂的情况下,较厚覆盖层的东北地区可能发生过更大震级的地震。地表位错尺度的影响因素比较复杂,除与震级相关外,还与其他震源参数、覆盖层厚度[20-22]、覆盖土层力学参数[23-24]、地下水位等有关。基岩破裂尺度本身也是对地下实际破裂尺度的更确切的逼近估计,考虑到三维地震资料反映的基岩破裂尺度不受覆盖层的影响,可将三维反射剖面上量取的破裂长度代入震源破裂长度和震级的经验关系公式来估计其发震规模。

美国学者Wells等[16]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,其数据主要来源于公开发表的野外考察、地震学研究、地震学调查结果的专著和论文,并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RLD与矩震级MW的经验关系及其建模样本如式(1),这种方法也具备一定的地质意义。

图2　扶余北断裂物探位置及典型二维剖面图[(a)、(b)为浅层人工地震剖面;(c)～(e)为二维石油物探勘探剖面，其中(d)中解释断层为扶余北断裂]Fig.2　Location of geophysical prospecting and typical 2D profile of the north Fuyu Fault [profile (a),(b)are shallow artificial seismic profiles;(c)～(e)are 2D oil geophysical profile,and the interpreted fault in (d)is the north Fuyu Fault]

图3　复兴村联合钻孔剖面Fig.3　Combined borehole profile of Fuxing village

M=4.38+1.49*lg(RLD)

(1)

根据三维地震剖面上获得的扶余北断裂在白垩统青山口组界面的基岩破裂长度为26 km,计算得其潜在最大震级为MW6.5,相当于MS6.6[25]。

4　概率性地震危险性评价

(2)

(3)

式中:μ为剪切模量;A为破裂面积;S为滑动速率。破裂面积据Wells等[16]给出的震级(矩震级)-破裂面积的经验关系得出。

lg(RA)=-3.49+0.91M

(4)

前人研究表明东北地区晚更新世或全新世以来断层的垂直滑动速率为0.1～1.0 mm/a[26],海城断裂全新世以来断层的垂直滑动速率为0.1 mm/a,金州断裂为0.1～1.0 mm/a。根据断层活动性鉴定的结果,考虑到扶余北断裂带的活动时代、东北各区域地震活动水平的差异,由深井子地区钻孔得到的Q3马兰黄土底界对应层9 m的变形程度及钻孔中对应的粉砂、粉土样品光释光(OSL)年龄为50 ka(因采用细粒石英测年方法,实际年龄可能大于5 ka),我们将扶余肇东断裂带的滑动速率定为0.2 mm/a进行计算。

目前用于活动断裂地震危险性估计的概率模型很多,但常用的有4种,分别为泊松模型(Possion model)、经验模型(Empirical model)、布朗过程时间模型(Brownian Passage Time model)及时间可预测模型(Time-Predictable model)[27-29]。

由于扶余北断层缺少离逝时间参数(上一次事件至今),时间可预测模型(通常为对数正态分布)无法应用,而布朗过程时间模型在这种情况下趋近于泊松模型[30]。因此这里只考虑泊松模型:

fexp(t)=λe-λt

(5)

其中:fexp(t)为该模型的概率密度函数;λ为年平均发生率。

由计算得到的扶余北断层相对危险段最大潜在地震MW6.5的年平均发生率及式(5),得到其50 a、100 a及200 a破坏性地震MW6.5的发震概率(表3)。

表3　扶余北断层地震危险性评估结果

5　结论与讨论

(1)基于在石油部门提供的深部物探资料基础上叠加的浅层物探和钻孔联合探测确定的断裂基岩破裂尺度,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,得出扶余北晚更新世断层的最大潜在震级为MW6.5。这和前人对于该区域潜在发震能力的评估相符,也符合1119年扶余肇东断裂上发生近7级地震的历史地震情况;通过基于地震矩方法的概率性地震危险性计算,给出了未来50年、100年、150年的概率性地震危险性评价结果。

(2)基岩破裂尺度是对震源实际破裂尺度的一种逼近估计,对于难以得到甚至不存在地表破裂参数的平原区深隐伏弱活动断层来说,基岩破裂能够更好地反映断层发震能力;特别是在三维地震资料丰富的采油区,可以比较准确地获得大区域活动断裂基岩破裂尺度,进一步统计得到更接近实际情况的震级-破裂参数经验公式,这对于缺乏历史强震记录的隐伏平原区长复发周期潜在发震断层的研究来说是一个突破,且对于不同覆盖层条件对地震地表破裂规模的影响研究也有一定的意义。

致谢:松原市活断层探测过程中,松原市地震局孟凡斌局长、金显廷科长等给予大力支持;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,项目进行及成文过程中杨主恩研究员和何正勤研究员给予悉心指导和帮助,谨在此一并致谢。

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Seismic Potential Research along the North Fuyu Fault in Songyuan City

SHAO Bo1,SHEN Jun1,YU Xiao-hui1,2,WAN Yong-kui1,YU Yang3,QI Gao1

(1.Institute of Disaster Prevention,Sanhe 065201,Hebei,China; 2.Institute of Geology,CEA,Beijing 100029,China;3.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,Gansu,China)

The Fuyu—Zhaodong Fault is an important buried seismogenic fault in the Songliao Basin.In 1119A.D.an MS6.75 earthquake occurred on the fault,the largest ever recorded before the Haicheng earthquake of Northeast China in 1975.In 2006 and 2014 several earthquakes below MS6.0 occurred along the fault; these recent earthquakes were mainly centralized on the northeast segment and the Chaganhua segment.Active faults were detected in Songyuan city from 2012 to 2014 and the northeast segment of the Fuyu—Zhaodong Fault was proven to cross downtown with a near-EW trend and showed obvious segmentation and independence.The urgency and importance of meticulous detection of the fault is obvious for this urban environment.Using three-dimensional geophysical data from oilfield and shallow geophysical prospecting,the space distribution and profile characteristics of this fault (named the north Fuyu Fault)were determined.The combined methods of borehole detection and optical stimulated luminescence dating were also used to confirm the seismicity along the fault since late Pleistocene.Using the rupture scale of bedrock surface from the three-dimensional geophysical data,this paper estimates the seismic potential along the north Fuyu Fault and studies its probabilistic seismic risk using a probabilistic calculation method.A Poisson probability model is adopted and quantitative parameters,such as maximum magnitude,recurrence period,and occurrence probability in the coming 50～200 years,are calculated.This presents a breakthrough in the study of potential seismogenic faults that have few historical earthquake records and long return periods.

Songyuan earthquake; north Fuyu Fault; causative structure; probabilistic seismic potential

2015-06-17

国家自然科学基金(41372216)；中国地震局教师科研基金(20120101)

邵博(1992-),男,在读硕士研究生,主要从事活动构造解析及地震危险性评价方面的研究。E-mail:632975575@qq.com。通信作者：沈军,研究员。E-mail:shenjuneq@qq.com。

P546

A

1000-0844(2016)04-0616-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0616