任俊杰謝富仁劉冬英張愛武

1）中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

3）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2010年玉樹地震的構(gòu)造環(huán)境、歷史地震活動及其復(fù)發(fā)周期估計1

任俊杰1,2)謝富仁2)劉冬英2)張愛武3)

1）中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

3）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2010年4月14日青海省玉樹發(fā)生了7.1級地震，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和重大的經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)生該地震的甘孜-玉樹斷裂是川滇菱形塊體的邊界斷裂，晚第四紀(jì)左旋走滑運動強烈。震中所處的甘孜-玉樹斷裂中段，震前歷史地震活動與東南段相比較弱。本文利用玉樹地震的基本參數(shù)資料和地震破裂反演結(jié)果，綜合歷史地震法和地震矩率法估算出了玉樹地震的復(fù)發(fā)周期約為200年。

玉樹地震 構(gòu)造環(huán)境 復(fù)發(fā)周期 甘孜-玉樹斷裂帶

引言

2010年4月14日7時49分37秒，在我國青海省玉樹縣發(fā)生了MS7.1級地震，震中位于玉樹縣西北（北緯33.2°，東經(jīng)96.6°）。據(jù)地震部門現(xiàn)場應(yīng)急工作隊的初步調(diào)查，玉樹地震波及的范圍約3萬km2，主要造成玉樹縣和稱多縣部分地區(qū)共12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，受災(zāi)人口約10萬人；極重災(zāi)區(qū)約900km2，主要集中在玉樹州府所在地的結(jié)古鎮(zhèn)，最大烈度達(dá)到9度強；地震造成了震中附近90%的房屋倒塌，截至4月25日已造成2220人死亡，同時還導(dǎo)致了數(shù)萬人無家可歸和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文分析了玉樹7.1級地震的區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境和歷史地震活動特征，并根據(jù)斷裂活動和玉樹地震基本參數(shù)，利用歷史地震和地震矩率法對玉樹地震的復(fù)發(fā)周期進(jìn)行了估算。

1 玉樹地震基本特征

據(jù)中國地震局地球物理研究所陳運泰院士課題組利用全球 31個臺站的波形資料反演得到的地震矩張量解結(jié)果，2010年玉樹地震的標(biāo)量地震矩約為4.4×1019N·m，對應(yīng)的矩震級為7.02，與USGS的結(jié)果基本一致3。其表征震源機制的2個節(jié)面分別為：走向119°/傾角83°/滑動角-2°和走向209°/傾角88°/滑動角-173°。根據(jù)玉樹地區(qū)的斷層構(gòu)造背景，判定走向119°/傾角83°的斷層為發(fā)震斷層。

關(guān)于震源深度，美國地質(zhì)調(diào)查局的研究結(jié)果是 13km1http://www.earthquake.usgs.gov/earthquakes/recenteqsww/Quakes/us2010vacp.php（同前頁引用2）；中國地震局公布的研究結(jié)果為14km2http://www.cea.gov.cn/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a018300cf/_content/10_04/14/1271240830963.html；而陳運泰研究小組對主震發(fā)生后至4月15日11h:09m:12s期間，47個有震相資料的地震精定位結(jié)果分析表明，主震震源深度約10km，其余震震源深度主要分布在3—13km3。上述三者的結(jié)果大致相同。地震破裂機制結(jié)果表明，地震的破裂主要由西北向東南方向擴展，破裂滑移量最大的區(qū)域位于玉樹城區(qū)附近，破裂長度約為80km，其中，震中西北方向約25km，震中東南方向約55km3http:/www.cea.igp.ac.cn/更多圖片新聞/放大圖片/青海玉樹地震-big.pdf（同前頁引用3）。破裂長度與余震序列的分布大致相當(dāng)（圖1）。

圖1 2010年青海玉樹地震構(gòu)造特征及余震序列Fig.1 Seismo-tectonics and aftershocks of Yushu 2010 earthquake, Qinghai Province

該地震的余震序列豐富。截至4月19日14時，共發(fā)生3級以上的余震12個，其中，6—6.9級1次，4—4.9級3次，3.0—3.9級8次2。

2 地震構(gòu)造環(huán)境

青海玉樹MS7.1級地震發(fā)生在甘孜-玉樹斷裂帶上。該斷裂是青藏高原內(nèi)部的一條大型走滑斷裂帶，同時也是川滇菱形塊體重要的邊界斷裂（周榮軍，1997）。該斷裂在大地構(gòu)造上位于金沙江臺緣帶內(nèi)，是玉樹-玉隆斷坳的南界斷裂。斷裂形成于早華力西期，印支期有過強烈運動，以后以推覆活動為主，是一條長期活動的斷裂，第四紀(jì)以來有明顯的活動特征（聞學(xué)澤，1985；Wang等，2008）。

該斷裂帶是廣義的鮮水河斷裂向西北延伸的部分，也是青藏高原川滇菱形塊體向東擠出的北部邊界，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（圖1）（聞學(xué)澤，1985；周榮軍等，1996；冉洪流等，2006；Wang等，2008）。甘孜-玉樹斷裂走向為北西西-北西，傾向呈波狀陡立，絕大部分展布于高原藏族牧區(qū)，局部為無人區(qū)。該斷裂從青海治多縣那王草曲塘，經(jīng)當(dāng)江、玉樹、鄧柯、玉隆，至四川甘孜縣城南拖壩，全長約500km。斷層傾向以北東為主，傾角近直立，約70°—85°。該斷裂規(guī)模巨大，其破碎帶寬50m至數(shù)百米，主要發(fā)育在三疊紀(jì)地層中（李閩峰等，1995）。

該斷裂第四紀(jì)活動具有明顯的分段活動特征，根據(jù)地貌表現(xiàn)特征、地震活動時代、活動方式及2010玉樹地震破裂特征等，可分別以結(jié)隆西北和玉樹劃分為3段（李閩峰等，1995）（圖1）：

（1）東南段（玉樹-甘孜段），即指狹義上的甘孜-玉樹斷裂。該段活動程度最強，研究程度也最高，它由一組斜列的左旋斷裂組成，斷裂活動形成了甘孜左階拉分盆地。彭華等（2006）根據(jù)斷錯地貌得到的東南段晚第四紀(jì)平均水平滑動速率為5.4mm/a；聞學(xué)澤等（2003）根據(jù)斷錯地貌和相關(guān)沉積物年齡，確定近 5萬年來斷裂的東南段平均左旋滑動速率為 12± 2mm/a，認(rèn)為與鮮水河斷裂的平均左旋滑動速率和沿川滇-羌塘活動地塊的北-東北邊界的晚第四紀(jì)水平運動總體上是協(xié)調(diào)的。沿斷裂發(fā)育有眾多呈“串珠”狀排列的第四紀(jì)盆地，且沿斷裂帶的上古地震遺跡眾多（圖1）。

（2）中段（結(jié)隆西北-玉樹段），以強烈走滑運動為主，并在斷裂北側(cè)形成一系列斷陷盆地。破碎帶寬達(dá)數(shù)百米，地貌上表現(xiàn)為規(guī)模巨大的斷層槽地，并在玉樹城西發(fā)育有大量傾向北東的斷層三角面。

（3）西北段（結(jié)隆西北至拉日段），地貌上表現(xiàn)為斷錯谷地、山埡口、斷層槽地。航衛(wèi)片上可見明顯的線性特征，山前洪積扇被斷裂左旋錯動。

關(guān)于中段和西北段的活動速率不同研究得到的結(jié)果也不同。李閩峰等（1995）認(rèn)為，中段全新世不活動，與玉樹7.1級地震的發(fā)生顯然不符；周榮軍等（1996）通過斷錯地貌和年代學(xué)研究認(rèn)為，中段和西北端的滑動速率約為7.2—7.3mm/a；王閻昭等（2008）基于GPS資料約束的連接斷層元模型反演結(jié)果認(rèn)為，中段和西北段的滑動速率為（3.1±2.8mm/a）。

3 歷史強震活動

甘孜-玉樹斷裂的歷史強震活動與相鄰的鮮水河斷裂帶相比較弱，僅發(fā)生過多個6—7級地震，其中最大的地震為1896年的7級地震（圖1）（國家地震局震害防御司，1995）。西北段和中段活動強度明顯弱于東南段。

圖2 1738年玉樹地震等震線（周榮軍等，1997）Fig.2 Isoseismals of Yushu 1738 earthquake

而北西段無歷史地震記載，中段僅發(fā)生過1738年玉樹西北的6?級地震，震中烈度為Ⅷ度，震中位置為北緯33.3°，東經(jīng)96.6°，4類精度（≤100km）（顧功敘等，1983）。該次地震影響的范圍較大，據(jù)《中國地震歷史資料匯編》記載（謝毓壽，1983），玉樹附近十一族共計被傷“番民”一百五戶，內(nèi)傷亡無存者四十四戶，尚堪成戶者四十九戶，止存婦女幼孩不堪成戶者十二戶。根據(jù)歷史地震資料勾繪的該次地震等震線圖，震中位于安圖司附近（圖2）。周榮軍等（1997）曾認(rèn)為，中段晚第四紀(jì)以來沒有明顯活動，該地震可能是西北段活動的結(jié)果，且其震級應(yīng)大于7級。但此次玉樹地震的發(fā)生表明，中段也是全新世活動斷裂，歷史記載得到的等震線基本代表了當(dāng)時的地震破壞程度。另外，聞學(xué)澤等（2003）對東南段歷史地震的調(diào)查表明，該地區(qū)歷史地震震級的估計值偏低。因此，推斷1783年玉樹西北地震震級可能為7級左右，其震中位于玉樹西北安圖司附近。

4 復(fù)發(fā)周期的估計

4.1 歷史地震法

歷史地震法要求具有至少2次以上的強震記錄，通過地震之間的時間間隔估計地震的復(fù)發(fā)周期。2010年玉樹地震和1783年地震都發(fā)生在玉樹縣城的西北，并且震級都在7級左右，因而，可以推斷甘孜-玉樹斷裂中段發(fā)生7級地震的復(fù)發(fā)間隔為227年。

4.2 地震矩率法

（1）基本原理

地震矩M0具有明確的物理意義，它的理想化震源模式是：在地下H km處開始破裂，破裂以傳播速度V擴展并穿過斷層面，最后發(fā)展成為平均長度L，寬度為W，平均錯距為D的破裂區(qū)而停止。假定介質(zhì)的剛度系數(shù)為μ，則定義地震矩M0=μLWD。因此，地震矩反映了地震的大小，與地震震級呈正相關(guān)(Molnar，1979)。

而地震矩率 為單位時間內(nèi)地震矩平均釋放率，它反映了一個斷裂帶的活動水平，地震矩率大表示該帶地震活動性強。如果一個斷裂帶或斷裂段內(nèi)地震復(fù)發(fā)符合特征地震模式，那么，便可以通過一個地震復(fù)發(fā)間隔內(nèi)釋放的標(biāo)量地震矩和地震矩率，估算地震的平均復(fù)發(fā)間隔（Field等，2009）：

?

式中，M0為一個復(fù)發(fā)間隔內(nèi)釋放的標(biāo)量地震矩；M0為地震矩率。

?

這樣就可以根據(jù)斷裂帶的平均滑動速率與地震矩率的關(guān)系獲得M0（Brune，1968）：

式中，μ為剪切模量，對于殼內(nèi)淺源地震一般取μ＝（3-3.3）×1010N/m2，本文取3×1010N/m2；A為斷層面積，A=LW；L為震源體長度；W為破裂寬度，本文取各段發(fā)生地震的平均深度H/sinθ，θ為斷層的傾角；ν?為斷層的長期平均滑動速率。

該方法已被應(yīng)用于多個斷裂帶復(fù)發(fā)周期的估算和地震區(qū)劃的研究中（任俊杰等，2004；冉洪流等，2006；任俊杰等，2008；任俊杰等，2009；Field等，2009）。

（2）玉樹地震復(fù)發(fā)周期估算

因為余震釋放的地震矩與主震相比小得多，因此，在本文的計算中把主震釋放的地震矩作為整個地震序列釋放的地震矩（任俊杰等，2009）。根據(jù)地震矩張量解的結(jié)果，玉樹7.1級地震主震釋放的標(biāo)量地震矩為 4.4×1019N·m。震源體破裂長度取震源破裂機制反演得到的破裂長度80km，斷層傾角為90°，震源深度取中國地震局公布的結(jié)果14km。關(guān)于甘孜-玉樹斷裂中段的晚第四紀(jì)滑動速率，采用地震地質(zhì)學(xué)方法得到的結(jié)果為7.2—7.3mm/a（周榮軍等，1996），而通過GPS反演得到結(jié)果為3.1±2.8mm/a（王閻昭等，2008）。由于GPS測量的是短期內(nèi)斷層的運動特征，難以反映斷裂的長期活動習(xí)性，所以，在本次的計算中取通過地震地質(zhì)學(xué)方法得到的較長時間的平均滑動速率結(jié)果，并考慮存在 10%的蠕滑量（Field 等，2009）。

將上述參數(shù)代入式（1）進(jìn)行計算，可得到甘孜-玉樹斷裂中段的地震矩率為 2.17× 1017N·m/a；代入式（2）可得到玉樹地震的復(fù)發(fā)周期為202年。

5 結(jié)論

2010年玉樹7.1級地震的發(fā)震斷裂是甘孜-玉樹斷裂中段。該段的地震活動相對東南段較弱，歷史上發(fā)生的1738年地震可能與2010年玉樹7.1級地震震中位置相同、震級相當(dāng)。玉樹地震的發(fā)生是青藏高原沿著甘孜-玉樹斷裂向東運動的結(jié)果。綜合歷史地震法和地震矩率法獲得的結(jié)果，可推斷甘孜-玉樹斷裂中段7級強震復(fù)發(fā)周期為200年左右。

本文研究的復(fù)發(fā)周期值只是一個初步結(jié)果，確切的結(jié)果還需進(jìn)一步進(jìn)行震后詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查和古地震研究。

致謝：感謝匿名審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見。

顧功敘，林庭煌，時振梁，李群，1983. 中國地震目錄（公元前1831—公元1969年）. 北京：科學(xué)出版社.

國家地震局震害防御司，1995. 中國歷史強震目錄. 地震出版社：北京.

李閩峰，邢成起，蔡長星，國文秀，1995. 玉樹斷裂活動性研究. 地震地質(zhì)，17（3）：218—224.

彭華，馬秀敏，白嘉啟，杜德平，2006. 甘孜玉樹斷裂帶第四紀(jì)活動特征. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，12（3）：295—304.

冉洪流，何宏林，2006. 鮮水河斷裂帶北西段不同破裂源強震震級（M≥6.7）及復(fù)發(fā)間隔研究. 地球物理學(xué)報，49（1）：153—161.

任俊杰，陳虹，2004. 東昆侖斷裂帶地震復(fù)發(fā)周期與發(fā)震概率研究. 大地測量與地球動力學(xué)，24（3）：51—56.

任俊杰，張世民，馬保起，田勤儉，2009. 龍門山斷裂帶中北段大震復(fù)發(fā)特征與復(fù)發(fā)間隔估計. 地震學(xué)報，31（2）：160—171.

任俊杰，張世民，冉洪流，2008. 活斷層定量資料在大震年發(fā)生率評定中的應(yīng)用. 震災(zāi)防御技術(shù)，3（3）：282—291.

王閻昭，王恩寧，沈正康，王敏，甘衛(wèi)軍，2008. 基于 GPS 資料約束反演川滇地區(qū)主要斷裂現(xiàn)今活動速率.中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，38（5）：582—597.

聞學(xué)澤，1985. 甘孜-玉樹斷裂帶的新構(gòu)造特征與地震危險性估計. 地震地質(zhì)，7（3）：23—32.

聞學(xué)澤，徐錫偉，鄭榮章，謝英情，萬創(chuàng)，2003. 甘孜-玉樹斷裂的平均滑動速率與近代大地震破裂. 中國科學(xué)D輯，33（B04）：199—208.

謝毓壽，1983. 中國地震歷史資料匯編. 北京：科學(xué)出版社.

周榮軍，1997. 甘孜-玉樹斷裂帶的近代地震與未來地震趨勢估計. 地震地質(zhì)，19（2）：115—124.

周榮軍，馬聲浩，1996. 甘孜-玉樹斷裂帶的晚第四紀(jì)活動特征. 中國地震，12（3）：250—260.

Brune J., 1968. Seismic moment，seismicity，and rate of slip along major fault zones. Journal of Geophysical Research, 73 (2): 777—784.

Field E., Dawson T., Felzer K., Frankel A., Gupta V., Jordan T., Parsons T., Petersen M., Stein R., Weldon R., 2009. Uniform California Earthquake Rupture Forecast, Version 2 (UCERF 2). Bulletin of the Seismological Society of America，99 (4): 2053—2107.

Molnar P., 1979. Earthquake recurrence intervals and plate tectonics. Bulletin of the Seismological Society of America, 69 (1): 115—133.

Wang S., Fan C., Wang G., Wang E., 2008. Late Cenozoic deformation along the northwestern continuation of the Xianshuihe fault system，Eastern Tibetan Plateau. Geological Society of America Bulletin, 120 (3-4): 312—327.

Study of Tectonics, Seismicity and Recurrence Interval of Yushu 2010 Earthquake，Qinghai Province

Ren Junjie1,2), Xie Furen2), Liu Dongying2)and Zhang Aiwu3)

1) Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029, China
2) Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085, China
3) China Earthquake Networks Center，Beijing 100045, China

The April 14, 2010 Yushu earthquake (MS7.1) in Qinghai province, led to severe casualties and a huge economic loss. This earthquake occurred along the middle segment of Ganzi-Yushu fault zone, which is the important boundary fault of Sichuan-Yunnan block and have a strong dextral movement during late Quaternary. The middle segment has a lower historical seismicity than the southeastern segment. In this paper, we apply two methods of historical earthquakes and seismic moment rate, with the basis of parameters from Yushu earthquake and its inversion of earthquake rupture process, estimate the recurrence interval of large earthquakes by about 200 years on the middle segment of Ganzi-Yushu fault zone.

Yushu earthquake；Tectonic content；Recurrence interval；The Ganzi-Yushu fault zone

任俊杰，謝富仁，劉冬英，張愛武，2010. 2010年玉樹地震的構(gòu)造環(huán)境、歷史地震活動及其復(fù)發(fā)周期估計. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（2）：228—233.

中國地震局地殼應(yīng)力研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項（ZDJ2009-16）資助

2 http://www.cea-igp.ac.cn/更多圖片新聞/放大圖片/青海玉樹地震-big.pdf

3 http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/recenteqsww/Quakes/us2010vacp.php

2010-04-21

任俊杰，男，生于1979年。在職博士。主要從事活動構(gòu)造、構(gòu)造地貌與地震危險性分析等方面的研究。E-mail：renjunjie@gmail.com