太原盆地隐伏断裂潜在最大震级及地震危险性

张龙飞

1 山西省震灾风险防治中心,太原市水西关南街2号,030002 2 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,太原市晋祠镇,030025

太原盆地是典型的断陷盆地,其内隐伏断裂发育,地震活动频繁[1]。目前对太原盆地地震危险性的研究很多,但主要针对的是盆地边界断裂的活动性[2-3],仅有少数学者对盆地内隐伏断裂的地震危险性进行过探讨[1]。究其原因,一是太原盆地历史上未发生过MS≥7强震;二是由于边界断裂对太原盆地的地震活动影响更明显。对于太原盆地内的隐伏断裂,目前大多无法获得有效的晚更新世活动的地质地貌证据,这类断裂的潜在最大震级不能采用震级-破裂尺度的经验关系进行估计[4]。在东部城市活断层探测中,常利用现今台网和历史地震资料建立本地区各断层小区的长期震级-频度关系,进而对断层的最大发震能力进行经验拟合[4]。

本文首先采用双差方法进行地震精定位,为保证地震目录的完整性,将研究区最小完整性震级设定为1.0级。在考虑太原盆地凹陷区整体潜在最大震级的背景下,基于太原盆地隐伏断裂的既有研究成果[1],划分隐伏断层统计小区,按照500 a时间尺度进行归算,建立太原盆地各断层小区的震级-累积频度关系模型。以各断层小区的最大震级与at/b参数进行回归分析,采用外包络原则拟合太原盆地隐伏断层潜在最大震级预测模型,综合最大历史地震结果,给出各隐伏活动断层小区的潜在最大震级预测结果,并利用泊松模型计算各隐伏活动断层潜在震级上限地震和各震级档地震的发震概率。

1 太原盆地中小地震精定位

为保证地震目录震级的完整性,本文将研究区范围内能够被仪器记录到的最小地震震级设定为ML1.0。在系统收集1970年以来山西省台网、太原遥测台网及地震编目系统等地震观测资料[5]的基础上,选取9 885个地震,采用山西断陷带中部速度模型[6],通过统一的hypo2000(绝对定位)和双差(相对定位)算法得到精定位后的地震震源位置。由图1分析可知,精定位后地震呈集聚状态分布于太原盆地中部,且局部表现为明显的条带状特征,除阳曲拗陷、孝义拗陷和晋中凸起单元近似呈NNW向分布外,盆地内其他构造单元总体呈NE-NNE向分布特征,这与太原盆地内的断层展布具有较好的吻合性。上述研究结果可为后续太原盆地断层小区的划分提供精确的地震空间位置属性。

图1 精定位后的太原盆地地震分布

2 太原盆地潜在地震最大震级评价

2.1 华北经验模型适用性分析

闻学泽等[4]利用现今台网与历史地震资料,建立了华北地区at/b-Mu的区域经验关系,其主要考虑的数据源为发生过MS≥7地震的忻定、临汾盆地内8个地震统计小区。由于太原盆地记载的历史最大地震为MS6.5,其内断层小区未作为华北经验模型的数据源。表1为华北经验模型选取的断层小区统计表,分析可知,8个断层小区具有明显的历史震级偏大趋势,参与回归分析的6

表1 华北经验模型选取的山西断层小区

2.2 太原盆地断层小区建立

由图1分析可知,太原盆地的地震活动与断裂分布相关,地震条带基本与断裂走向一致,地震分布具有明显的丛集性。本文借鉴区域活动断裂的地震活动性研究方法,首先对盆地内隐伏断层进行可靠性分析,对于可靠性较好的弱-中活动断层,由于其具备发生较大地震的可能,因此作为重点研究对象直接纳入G-R关系研究;对于可靠性较差的早-中更新世隐伏断层,考虑到对既有地质资料认识的局限性,在不排除这些断裂未来变为活动断裂的前提下,假定其具备发生地震的可能,在此基础上建立隐伏断层小区。

根据太原盆地小震精定位结果,选择盆地内24条隐伏断裂[1]作为本次断层小区划分的研究对象。除田庄断裂[1]、东山山前断裂[7]具有明确的地质和地球物理勘探证据外,其余断裂资料均来源于水文地质钻孔、野外地质调查及相关技术报告,表2给出24条隐伏断裂的现有活动性参数及断裂可靠度分析结果。

表2 太原盆地隐伏断裂特征

综上所述,太原盆地断层小区的划分原则如下:1)总体沿断裂展布勾画断层小区;2)在划分断层小区时还需考虑地震的空间分布特征,尤其是地震的丛集性特征;3)断层小区一般按照上盘略大于下盘的原则进行勾画;4)对于同时位于2个断层小区范围的地震,优先将其分配给断层上盘和既有认知活动性较强的断层小区;5)对于地震活动频度较低的断层小区,为保证有足够的地震数参与计算,断层小区面积可适当扩大;6)对于附近已发生过MS≥4.7地震的断层,该断层小区应尽量包含历史记载地震数目;7)对于断裂走向一致的部分邻近断层,考虑到级联破裂的可能性,将其进行合并统计;8)对于最大历史地震远低于背景最大潜在震级的地区,隐伏断层小区的建立必须考虑所在盆地的潜在震级上限,本文根据前人研究结果[3],将太原盆地作为一个潜在震级上限为MS7.5的背景小区参与后续拟合分析。上述划分方案尽可能选取了盆地内所有隐伏断层小区,样本数目的增大在一定程度上能降低划分方案主观随意性带来的误差和影响。

2.3 太原盆地断层小区划分结果

根据黄玮琼等[8]的研究结果,华北区域自1484年以后MS≥4地震记录基本完整,太原盆地的历史地震记载始于712年,自1342年以后4级以上地震基本无遗漏。本文采用闻学泽等[4]的研究思路,将各断层小区各震级档的地震次数归算为一个时段t=500 a的地震频度,震级MS由文献[9]求得,at/b值为G-R震级频度关系的截距震级,按照该方法给出太原盆地主要隐伏断层小区划分结果,详见表3和图2。

表3 太原盆地断层小区的G-R关系参数计算结果

图2 太原盆地地震活动与断层小区分布

图3列出了部分断层小区的G-R关系参数回归分析结果,图4为各断层小区最大震级Mmax与at/b值的散点图。可以看出,at/b和Mmax之间表现出明显的正相关性,随着at/b值的增大,大多数断层小区的Mmax值呈逐渐增大的趋势,只有极少数断层小区Mmax值小于at/b值,可能是由于该小区地震数目偏少。基于at/b和Mmax的关系,建立太原盆地各隐伏断层小区at/b和Mmax的多项式回归模型:

图3 田庄断层小区的G-R关系回归分析

图4 按500 a归算的at/b参数与Mu经验关系

(n=8,R=0.991 9,σ=0.345,

4.0≤at/b≤6.6)

(1)

根据式(1)计算出的晚更新世断层小区震级上限结果见表4。本文综合最大历史震级和震级-频度方法给出潜在震级上限的综合预测结果,对各活动断层小区的最大历史震级Mmax和综合预测震级MS的差异性进行分析,给出不确定分析的标准差结果。可以看出,华北经验模型给出的预测结果基本逼近MS8.0,这个震级远高于盆地最大历史震级MS6.5,也远高于盆地边界交城断裂的潜在震级上限MS7.2,可以认为华北经验模型的预测结果高估了太原地区弱活动断层的潜在震级上限,其在太原地区不具有适用性。同时可以看出,部分断层小区的预测震级大于历史震级,这是由于本文的预测结果考虑了太原盆地总体地震构造格局和盆地边界断裂对隐伏断裂活动性的控制。从揭示的地质意义上来说,预测震级大于历史震级的断层小区,隐伏断层与盆地边界断裂的构造联系作用更加紧密,未来发生中强地震的危险性更大。本文给出的预测结果基本能反映各隐伏断层的真实活动性强弱程度。

表4 晚更新世断层小区潜在最大震级预测和不确定性分析结果

3 发震概率预测分析

根据表2和3选取现状条件下资料认识度和可靠性较高的活动断层作为本文的研究对象,综合表4的不确定性分析结果进一步计算各活动断层的地震危险性预测结果(表5)。

表5 太原盆地晚更新世隐伏断层小区地震危险性预测结果

由表5可知,太原盆地内部有2个地震活动相对危险的区域,第1个区域为太原盆地中-西部田庄-文水-汾阳断层统计片区,预测的潜在震级上限为MS6.7～7.0,复发间隔为2 305～2 753 a;第2个区域位于太原盆地东南部,沿东阳断裂向南延伸,包含三佳、洪山和平遥断层统计片区,预测的潜在震级上限为MS6.9,复发间隔为2 747 a。这是由于在整个太原盆地中,这2个片区的历史地震活动强度和频度最大,区内NE向隐伏断层条数较多,断层多具平行展布的特征。同时,第1个片区位于盆地边界交城断裂以东,第2个片区位于盆地边界太谷断裂以西,2个片区内部地震活动性水平同时受边界断裂的影响和控制。基于泊松模型,计算上述各隐伏活动断层各震级档地震的发震概率(表6)。

表6 太原盆地晚更新世隐伏断层小区各震级档发震概率预测结果

计算结果表明,田庄、文水-汾阳、平遥-洪山断层小区未来发生MS≥6.5地震的概率较高,这3个断层小区控制了太原盆地中部和南部的基本地质构造格局;文水-汾阳断层小区的发震概率高于平遥洪山断层小区,表明太原盆地中西部的地震危险性要高于中东部,这个结论与交城断裂的活动性强于太谷断裂的现有结论吻合;棋子山、北田-王湖断层小区未来发生MS≥6.0地震的概率较低,这是由于这2个断层小区内主要发育NW向隐伏断层,而这些隐伏断层与太原盆地NE向主体断裂构造格局不一致,其地震活动强度及频度最低。本文给出的各隐伏活动断层地震危险性评价结果与太原盆地的地震活动性和地震构造总体格局特征是一致的,较好地梳理了太原盆地各隐伏断层的活动性,对未来该地区的相关研究具有重要的参考意义。

4 结 语

本文对闻学泽等[4]提出的华北经验关系模型在太原地区的适用性进行了分析,由于太原盆地历史记载的最大地震震级是MS6.5,华北经验关系模型在该地区的适用性较差,使用该模型会造成太原盆地断层统计小区潜在震级上限预测结果偏高。

在地震精定位的基础上,对太原盆地隐伏断层进行断层小区划分,采用外包络拟合方法构建太原盆地第四纪隐伏断层最大地震震级与震级-频度关系参数的经验模型,在不确定性分析的基础上,综合最大历史地震与经验模型结果,给出各隐伏活动断层小区的潜在震级上限预测值。采用泊松概率模型,给出太原盆地隐伏活动断层小区发生潜在震级上限地震的发震概率预测结果,并划定太原盆地内部2个地震活动水平相对较高的危险区域。结果表明,太原盆地中西部田庄-文水-汾阳断层统计片区和太原盆地东南部三佳-洪山-平遥断层统计片区潜在震级上限相对较高,是未来发生MS≥6.5地震的相对危险区域,应重点关注这2个统计片区的地震活动情况。相对而言,以NW向隐伏活动断层为主的棋子山、北田-王湖断层小区未来发生MS≥6.0地震的概率水平较低。

本文是基于地震活动性统计方法给出的太原盆地隐伏断裂地震危险性研究结果,后续研究中会进一步结合有效的地质和地球物理勘探资料对断裂的地震危险性评价结果进行修正,在考虑太原盆地深部构造背景的前提下,通过地质及构造类比法对本文结果进行进一步优化。