呼和浩特市主要活动断裂未来危险性评价——以大青山山前断裂为例

李彬

(内蒙古自治区地震局， 呼和浩特 010010)

呼和浩特市主要活动断裂未来危险性评价
——以大青山山前断裂为例

李彬

(内蒙古自治区地震局， 呼和浩特 010010)

通过对呼和浩特市活动断层地震危险性评价的技术途径、目标区内主要断裂的活动特征的综合分析，确定目标区内主断裂未来可能发生的最大震级；采用“时间相依”大陆模型、BPT模型及河套模型，对目标区内断裂进行地震危险性的综合评估。结果表明，呼和浩特段的发震危险性高于毕克齐段，在未来100年均具有较高程度的发震危险性，其潜在地震的最大震级均为MS7.2。

活动断层；地震危险性；地震；呼和浩特市

0 引言

20世纪90年代后期，日本、土耳其和我国台湾等地区相继发生了多次城市直下型地震，其灾害之严重引起了高度重视，为了减轻城市地震灾害，保障人民生命财产安全，保持社会稳定和经济建设可持续发展，提出了“大城市活断层探测与地震危险性评价”项目。城市活断层探测工作的主要目标之一就是对目标区内第四纪活动断裂的未来地震危险性进行定量评价，需要解决的问题主要包括有：各断裂(段)未来是否可能发生破坏性地震、可能发生多大震级的地震、发震的可能性(即发震概率)大小如何等。

近年来，随着对活动构造与古地震以及地震孕震机制认识的深入，人们在地震危险性定量评价方面逐步取得了一定的进展。20世纪80年代以前，对地震危险性的概率评估大多采用指数分布、正态分布、高斯分布、威布尔分布、伽马分布等概率模型。由于用于建立地震复发间隔分布的样本不足，这些评估结果会带有较大的人为不确定性。1987年，Nishenko等以环太平洋地震带不同断裂特征地震复发间隔的归一化函数值为统计样本，拟合求得了该带特征地震复发间隔的概率分布密度函数，即NB模型[1]。这一模型的建立初步解决了个别震源区用于建立地震复发间隔分布的样本不足问题。该模型自提出就得到了地质学家的十分重视，并在地震潜势概率评估中加以完善、改进和应用。由于NB模型建模的理论依据和地质依据不够充分，国外一些研究者从物理机制出发，探讨大地震复发时间概率分布模型，并提出了BPT新模型[2]。1999年闻学泽利用中国大陆的历史地震资料借鉴NB模型建模思路提出了中国大陆活动断裂段破裂地震复发间隔的概率分布密度函数(以下简称大陆模型)[3]，用以评估大陆活动断裂段破裂的地震潜势。由于大陆模型没有区分区域地质特点，BPT模型的参数选取可能存在不确定性，陈立春利用地质构造条件基本一致(边界主要活动断裂都是典型的正断层)的河套断陷带与京西北盆邻构造区内的各活动断裂段的古地震资料，建立了强震复发间隔的概率分布模型(以下简称河套模型)[4]，并计算了河套断陷带西部几条主要断裂的地震危险性。

由于自然现象的复杂性和人类认识能力的极为有限性，地震危险性定量评估的技术思路、方法原理以及评估结果都还存在较多的问题和不确定性[5-6]。因此，本文选择呼和浩特市第四纪构造活动较强地区，采用大陆、BPT及河套等多种模型，对目标区内大青山山前断裂的呼和浩特段和毕克齐段进行地震危险性的综合评估，同时，探求当前技术水平条件下对这类地区未来地震危险性定量评估最合适的解决方法。

1 呼和浩特市活动断层地震危险性评价的技术途径

呼和浩特市需要进行地震危险性评价的断层主要是大青山山前断裂。该断裂西起包头市以南的昭君坟，呈NE方向过黄河经麻池，而后转为近EW向通过包头市东河区，向东沿大青山南麓延伸，止于呼和浩特市以东的奎素一带，总体走向为NEE，全长约200 km，是呼和浩特—包头(呼包)凹陷的北边界断裂。断裂在地表基本连续出露，由一系列阶状正断层组成，具有左旋走滑分量，断面南倾，地表倾角较陡，约50°～70°，到深部变缓为45°～65°之间，总体呈铲状。根据影像分析、野外地貌调查、中浅层地震勘探和联合剖面钻孔等多种探测研究结果以及地震活动特征，大青山山前断裂的最新活动时代为全新世。

对于晚更新世以来有过活动的断裂，特征地震与活动构造的研究表明：产生地表破裂的破坏性强烈地震(震级MS一般大于6.5级)往往沿断裂或其某些特定的段落呈一定规律的原地重复发生。因此，如果能准确确定活动断裂的位置、划分活动断裂的段落、确定沿该断裂或其活动段落地震重复发生的规律以及最后一次事件的离逝时间，就可以计算该断裂或活动段落在未来某个时段内发生强震(震级MS一般大于6.5级)的可能性及其大小。但由于单一断裂或活动段落的地震事件数量极少，故如何准确估算地震沿活动断裂或其某些段落原地重复发生的规律以及如何获取可靠的断裂活动定量参数等，一直是活动断裂未来地震危险性评价需要探索和深入的课题。

结合呼和浩特市目标区内主要断裂活动特点、活动构造定量研究与应用的一些最新成果[6]，并参考闻学泽研究员提出的“福州盆地主要断裂的地震危险性评价”技术路线[7]，呼和浩特市活动断层地震危险性评价拟采取的总体技术思路如图1所示。

图1 呼和浩特市活断层地震危险性评价的技术线路途径

2 主要断裂活动性参数

大青山山前断裂晚更新世以来的活动在空间分布上具有明显的不均匀性。前人对该断裂的分段性研究有3种不同的方案[8-10]。作者经过详细比较分析，采用冉勇康等[10]根据约2.2万年以来已揭露的22次古地震事件所反映的段落特征，以及断裂几何分布、第四系沉降中心和隐伏凸体分布特征等，将大青山山前断裂划分为5段(表1，图2)， 这也是被认为是较普遍接受的结果。本文主要研究的是其中的毕克齐段和呼和浩特段。大青山山前断裂呼和浩特段所揭露的古地震事件中推测的最大同震位移约1.65 m,毕克齐段所揭露的古地震事件中估计的同震位移为1.5 m左右；同时，通过断层位移量限定法和多探槽校验法，对大青山山前断裂已揭露的古地震事件的完整性进行的判定表明，呼和浩特段1.9万年以来晚第四纪断裂段的大地震活动历史基本完整，而在毕克齐段2.2万年以来是不完整的。大青山山前断裂晚更新世以来的位移速率大致为：中部的3个段4.75～6.46 mm/a，呼和浩特段2.4～3.5 mm/a，包头以西为2.4～3.4 mm/a[8]。

表1 距今约2.2万年以来大青山山前断裂的分段结果及古地震事件

注： > 表示之前；=>表示之前,但很接近；< 表示之后； <= 表示之后，但很接近； ± 表示附近

图2 大青山山前断裂平面展布及分段示意图(据冉勇康等[10]修改)

3 主要断裂未来地震危险性评价

3.1 主要断裂潜在地震的最大震级评估

3.1.1 评估原则

对大青山山前断裂呼和浩特段和毕克齐段潜在地震的最大震级评估采用如下原则和方法：①断层(段)潜在地震的最大震级参考所在地震区、带的震级上限；②根据历史地震重复性，断层(段)潜在地震的最大震级不应低于该区段内历史最大地震的震级，或不能低于该区段历史遭受最大烈度影响的相应震级；③采用适合于研究区活动断层的M-L(地震震级—地表破裂长度)经验公式、M-D(震级—同震位移)经验关系式等，估算目标区内断层(段)潜在地震的最大震级。

3.1.2 具体方法

由于研究区内断层样本及相应的历史地震比较少，无法拟合小区域范围内的M-L经验公式、M-D经验关系式。因此，采用前人总结的经验关系式(表2),对区内的大青山山前断裂呼和浩特段和毕克齐段潜在地震的最大震级进行评估。然后以上述估值为基础，根据公式的适用性、断层(段)地震地质特征等方面的分析判断估值的合理性，给出最后的合理取值。

表2 选取的潜在地震最大震级评估经验公式

注：M—面波震级；MW—矩震级；M0—地震矩；D—同震平均位移/km；L—破裂长度/m

3.1.3 估算结果与讨论

采用上述经验公式，估算了大青山山前断裂呼和浩特段和毕克齐段潜在地震的最大震级的初步结果(表3),以此为基础,讨论估值的合理性和最终取值。

表3 各断层(段)潜在地震最大震级的估值

从表3各个经验公式的估值看,存在一定误差范围,虽然取了均值,但是不能完全消除其误差范围。这里，综合公式的适用性、断层(段)地震地质特征等方面的分析判断估值的合理性，给出最后的合理取值。

表2中，经验公式1的统计资料基本上是地表破坏性非常强烈的典型震例,且走滑分量较大,而大青山山前断裂活动的走滑分量与倾滑分量相比很小, 因此由其估计的最大震级结果可能偏大。同样，经验公式3和4更适合于走滑断层，对于基本上属于倾滑性质的断层来说，其估计结果也可能偏大，但仍可作为参考。另外，大青山山前断裂的呼和浩特段和毕克齐段与其土右旗西段(雪海沟—土右旗段)具有相当的可比性。它们在大地构造上处于同一新构造区，即河套断陷带内，从属同一断裂带，都为张性正断性质，全新世时期都发生过多次古地震事件。虽然断裂的呼和浩特段和毕克齐段的长度(分别为46 km和49 km)大于土右旗西段(35 km)，但总体上，这2段在第四纪全新世时期的活动强度不及土右旗西段强烈[8]。大青山山前断裂带的全新世活动性研究中，由揭露的古地震事件及古地震遗迹表明，发生于公元849年河套地震的宏观震中位于包头东铝厂至永富村一带，地理坐标约为北纬40.4°，东经110.2°[17]。根据地理位置判定应处于大青山山前断裂的雪海沟—土右旗段(土右旗西段)上，由地震造成的地面破裂带长度估算，震级应为7.7级[17]。

综合表3中的估计结果，并考虑公式的适用性、断层(段)地震地质特征等方面的分析，将呼和浩特段和毕克齐段未来潜在地震的最大震级都确定为MS7.2较为适宜。

3.2 主要断裂(段)地震危险性评价

对于全新世活动断裂，采用活断层定量资料进行定量的、时间相依的概率评价时，首先要确定强震复发的概率模型。前述国内外研究者提出了多种强震复发的概率模型。考虑地质构造条件及模型的区域适用性，本评价采用大陆模型、BPT模型及河套模型，对目标区内大青山山前断裂的呼和浩特段和毕克齐段进行地震危险性的综合评估。

3.2.1 大陆模型

大陆模型用以评估中国大陆活动断裂段破裂的地震危险性，其活动断裂段破裂地震复发间隔的概率分布密度函数为[3]：

(1)

其中:μ=0.00，σ=0.24；为各断裂段落强震复发间隔，Ta为平均强震复发间隔。

3.2.2BPT模型

BPT模型的基本理论是：应力随时间积累达到某个固定的极限水平Yf时，地震发生，应力释放、回跳至某个固定的基态水平Yo；应力的积累过程可视为2部分，一部分以恒定速率积累(λt)，另一部分则为非恒速的随机性积累(δW(t))，可描述为布朗运动。其中，W表示标准布朗运动。因此，应力积累的状态函数即可表示为Y(t)=λt+δW(t)，地震之间的间隔时间服从BPT分布，其模型的地震复发间隔的概率分布密度函数为[2]：

(2)

其中:T为各断裂段落强震复发间隔，Ta为平均复发间隔，参数α直接取Ellsworth等建议的0.5[2]。

3.2.3 河套模型

该模型是对河套断陷带和京西北盆岭构造区一些主要的活动断裂段落古地震事件的重复间隔，按照长间隔、短间隔进行分组整理，求取均一化值，然后再从统计学角度出发建立了仅适合河套断陷带的强震复发间隔概率分布模型。河套模型强震复发间隔的概率分布密度函数为[4]：

(3)

其中:T为各断裂段落强震复发间隔，Ta为平均复发间隔。

应用上述模型，评价目标区全新世活动断裂段未来某个时段内可能强震的发震概率，有2种评估方法：①计算累积概率——自上次强震事件累积到现在的发震概率；②计算条件概率——在已知自最后1次强震事件到现在尚未发生强震的条件下，未来若干年内(如100年)发生强震的概率。计算公式分别是：

(4)

(5)

这里，t为最后1次事件的离逝时间，Ta为平均复发间隔，Δt为预测的时段。

使用表1中大青山山前断裂的呼和浩特段和毕克齐段的古地震数据，应用公式(1)～(5)计算了这2个活动段落到目前的累积发震概率及未来100年发震的条件概率(表4)。尽管可能有人对使用古地震资料预测强震发生的概率产生疑问(主要是古地震资料的不确定性及精度问题)，但这种方法是在类似河套这样缺乏历史强震序列资料的地区，开展“时间相依”强震危险性评估的唯一途径。

表4 呼和浩特段和毕克齐段至目前累积发震概率及未来100年发震条件概率

注: +表示大于，-表示小于。

虽然毕克齐段2.2万年以来是不完整的，仍然对毕克齐段的发震概率进行了计算，以做参考。从表4看到，与毕克齐段比较，呼和浩特段的累积发震概率及未来100年内发震的条件概率都是较高的。从具体数据分析，呼和浩特段的累积发震概率最大者近于100%，其条件概率为0.262～0.332，这些结果表明了该段未来100年内具有发生强震(MS≥7.0)的危险性。

依据消逝率V的计算公式：

呼和浩特段V=1.677，毕克齐段V=1.046。表明了呼和浩特段和毕克齐段在未来100年内具有“高”危险程度的发震危险性。毕克齐段因2.2万年以来古地震事件的不完整性，其值仅做参考。

另外，从3种模型的发震概率的计算结果分析，大陆模型和河套模型所得结果相近，而BPT模型的计算结果与前2者相比则明显偏小，这与陈立春[4]得到的认识相类似，可能与BPT新模型包含的2个参数(即地震复发间隔平均值和准周期值)，特别是所有地震复发序列都取准周期值为0.5有关。

4 结论与讨论

1)目标区内的主要活动断裂是大青山山前断裂的毕克齐段和呼和浩特段，其最新活动时代为全新世，未来潜在地震的最大震级均为MS7.2。

2)使用古地震资料，利用 “时间相依”的几种地震危险性分析概率模型计算分析，呼和浩特段和毕克齐段未来100年发生强震(MS≥7.0)的最大概率分别为0.262～0.332和0.07，可能发生的震级均为MS7.2；消逝率分析表明，呼和浩特段和毕克齐段在未来100年均具有较高程度的发震危险性，其中，呼和浩特段的发震危险性又高于毕克齐段。

3)需要说明的是，本评价采用了“时间相依”的几种地震危险性分析概率模型计算，评价结果正确与否高度依赖于地震资料的准确性。鉴于呼和浩特地区无确切的历史强震资料，采用了古地震资料预测强震发生的概率，由于古地震资料的不确定性及精度问题，上述评估结果有待于进一步确认。但这种方法是在类似河套这样的缺乏历史强震序列资料的地区，目前开展“时间相依”强震危险性评估的唯一途径。

[1] Nishenko S P, Buland R. A generic recurrence interval distribution for earthquake forecasting[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1987, 77(4): 1382-1399.

[2] Ellsworth W L. A physically-based earthquake recurrence model for estimation of long-term earthquake probabilities[R]. US Geological Survey Open-File Report, 1999: 99-552.

[3] 闻学泽. 中国大陆活动断裂段破裂地震复发间隔的经验分布[J]. 地震学报, 1999, 21(6): 616-622.

[4] 陈立春. 河套断陷带的古地震、强震复发规律和未来可能强震地点[D]. 北京: 中国地震局地质研究所, 2002.

[5] 闻学泽. 活动断裂地震潜势的定量评估[M]. 北京: 地震出版社, 1995.

[6] 邓起东, 陈立春, 冉勇康. 活动构造定量研究与应用[J]. 地学前缘, 2004, 11(4): 383-392.

[7] 闻学泽. 福州盆地主要断裂的地震危险性评价[M]//朱金芳, 陈锡伟, 黄宗林, 等. 福州市活断层探测与地震危险性评价. 北京: 科学出版社, 2005.

[8] 李克, 吴为民, 杨发, 等. 大青山山前活动断裂分段性研究[M]//中国地震学会地震地质专业委员会, 中国活动断层研究. 北京: 地震出版社, 1994: 102-113.

[9] 江娃利, 肖振敏, 王焕贞, 等. 内蒙大青山山前活动断裂带的地震破裂分段特征[J]. 地震地质, 2001, 23(1): 24-34.

[10] 冉勇康, 张培震, 陈立春. 河套断陷带大青山山前断裂晚第四纪古地震完整性研究[J]. 地学前缘, 2003, 10(S): 207-216.

[11] 邓起东, 于贵华, 叶文华. 地震地表破裂参数与震级关系的研究[M]//国家地震局地质研究所. 活动断裂研究(2). 北京: 地震出版社, 1992: 247-264.

[12] Wells D J, Coppersmith K J. New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1994, 84(4): 974-1002.

[13] Hanks T C, Kanamori H. A moment magnitude scale[J]. Journal of Geophysical Research, 1979, 84(B5): 2348-2350.

[14] 万永革, 沈正康, 甘卫军, 等. 华北地区大地震矩释放率和GPS应变率的一致性研究[J]. 中国地震, 2005, 21(1): 33-40.

[15] Солоненко В П, Хромовский В О,. 根据古地震错动确定地震构造年龄和地震烈度[J]. 关玉奎, 译. 地震地质译丛, 1982, 4(1): 33-37.

[16] 郭增建, 秦保燕. 震源物理[M]. 北京: 地震出版社, 1979.

[17] 聂宗笙, 吴卫民, 马保起. 公元849年内蒙古包头东地震地表破裂带及地震参数讨论[J]. 地震学报, 2010, 31(1): 94-107.

Hohhot Main Active Faults Risk Assessment in the Future: Taking Daqingshan Piedmont Fault as an Example

LI Bin

(Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China)

The technology method of active faults seismic risk assessment in Hohhot city and the activity characteristic of the major faults in the target area are analyzed to find out the maximum magnitude of potential earthquake in the major active faults. Through technology method of seismic hazard assessment of active fault, and the comprehensive analysis of the main fracture characteristics of target zone, we determine the future possible maximum magnitude of fracture in the target area. Using “time dependent” mainland model, BPT model and Hetao model, the seismic risk of target zone fracture was assessed comprehensively. The results show that the Hohhot segment and the Biqeq segment have a high degree of seismic risk in the coming 100 annual average. Among them, the seismic risk of the Hohhot segment is higher than the Biqeq section, the maximum magnitude of potential earthquake isMS7.2.

active fault; risk of earthquake; earthquake; Hohhot

2016-07-29

李彬(1980—)，女，甘肃景泰人，工程师，从事工程地震等工作．E-mail：22187569@qq.com

P315.2

A

1003-1375(2017)02-0076-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.02.013

李彬．呼和浩特市主要活动断裂未来危险性评价——以大青山山前断裂为例[J]．华北地震科学，2017，35(2):76-81.