劉紅艷 陳宇坤 閆成國 楊 菲
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天津近海海域隱伏斷裂地震危險(xiǎn)性評價(jià)
劉紅艷 陳宇坤 閆成國 楊 菲
(天津市地震局,天津 300201)
以天津市近海海域斷裂探測資料為基礎(chǔ),通過對海河斷裂海域段和海一斷裂的地質(zhì)構(gòu)造、第四紀(jì)活動性、深部構(gòu)造、構(gòu)造應(yīng)力場與形變場以及地震活動性等的研究,綜合判定了海河斷裂海域段和海一斷裂的活動性與構(gòu)造特征。利用地震地質(zhì)、歷史與現(xiàn)今地震活動性資料,建立了按500a歸算的震級-頻度關(guān)系模型,根據(jù)天津地區(qū)的最大震級上限與a/b的關(guān)系,計(jì)算出了海河斷裂海域段和海一斷裂的最大震級。采用泊松概率模型,估算出了海河斷裂海域段和海一斷裂未來50-200a發(fā)生地震的最大震級、發(fā)生概率以及復(fù)發(fā)周期等定量參數(shù)。
地震危險(xiǎn)性 定量評價(jià) 斷層小區(qū) 震級-頻度關(guān)系 最大震級 發(fā)震概率 復(fù)發(fā)周期
天津近海海域位于北東向的河北平原斷裂帶和北西向的張家口—渤海斷裂帶的交匯部位。區(qū)內(nèi)基底斷層縱橫交錯(cuò),各斷裂活動時(shí)代、活動性質(zhì)不清、各斷裂的幾何學(xué)特征、運(yùn)動學(xué)特征及相互之間的切割關(guān)系、斷層分段、地震活動性、地震危險(xiǎn)程度等均有待于進(jìn)一步查明。因此探明天津近海海域斷層的空間位置、延伸范圍、活動時(shí)代及強(qiáng)度,科學(xué)評價(jià)其地震危險(xiǎn)性和斷層活動影響范圍,對天津及濱海新區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)劃、市政建設(shè)、工業(yè)布局及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全等具有重要意義。
天津近海隱伏斷層探測的目標(biāo)區(qū)范圍是總面積1000—1400km的天津近海海域,北起天津新港北,南至歧口,長約40km,東西向?yàn)檠睾0毒€向海上方向延伸25—35km。跨越的地質(zhì)構(gòu)造單元主要有塘沽鼻狀凸起、板橋凹陷和歧口凹陷等。探測的目標(biāo)斷層主要為海河斷裂(海域段)、歧北斷裂、歧中斷裂、海一斷裂及其分支斷裂等(圖1)。
而歧北、歧中斷裂是歧口凹陷內(nèi)部的次級斷裂,水上聲納及鉆孔勘探結(jié)果都表明歧北斷裂、歧中斷裂的分支斷裂眾多,這些斷裂雖然上斷點(diǎn)埋深較淺,斷錯(cuò)了晚更新世中期地層,但是相對于海一斷裂、海河斷裂等大型斷裂來講,其規(guī)模、活動強(qiáng)度都要小的多,雖然歧北、歧中斷裂對新生代地層有一定的控制作用,但控制作用十分有限,是海河斷裂、海一斷裂的派生斷裂,中深層地震剖面顯示歧北斷裂、歧中斷裂在深部都?xì)w并到海河斷裂、海一斷裂上。
因此,作者認(rèn)為歧北斷裂、歧中斷裂不是地震斷層,也不具有發(fā)生中強(qiáng)地震的條件和背景,該斷裂的地震危險(xiǎn)性可參照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(GB 18306-2001)》潛在震源劃分方案中本地區(qū)的本底地震,即其潛在地震的最大震級為5.5級。因此,本文只對海河斷裂海域段、海一斷裂進(jìn)行地震危險(xiǎn)性評價(jià)。對其未來的地震危險(xiǎn)區(qū)段進(jìn)行劃分,確定潛在地震的最大震級和發(fā)震概率。
本文基于對上述斷層的幾何結(jié)構(gòu)、活動性分段、歷史地震破壞區(qū)展布、現(xiàn)今地震展布、地球物理場、深淺構(gòu)造關(guān)系、構(gòu)造應(yīng)力場與形變場特征的研究,通過構(gòu)造類比和歷史地震分析,確定斷層未來潛在地震危險(xiǎn)區(qū)段。首先從地質(zhì)上對未來地震的強(qiáng)度(大小)和發(fā)震危險(xiǎn)程度進(jìn)行判定,然后進(jìn)行工作區(qū)和各斷層的地震活動性研究。采用擬合出的天津地區(qū)的a/b-經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,進(jìn)行天津近海海域斷層地震危險(xiǎn)性的定量評價(jià)。
1.1 海河斷裂(海域段)幾何結(jié)構(gòu)特征
海河斷裂海域段西起天津臨港工業(yè)區(qū),呈北東東方向向東延伸22km后,又轉(zhuǎn)為北西西向,全長55km。海河斷裂是塘沽鼻狀凸起與歧口凹陷的分界斷裂,控制了歧口凹陷的沉積發(fā)育歷史。斷裂傾向南,傾角約60°—70°,在地震剖面上表現(xiàn)為上陡下緩、凹面向上的鏟式正斷層,其淺部存在多條分支斷裂,主斷層面向下構(gòu)成主滑脫面,各分支斷層逐漸趨向于該滑脫面。各分支斷層與主斷層形成“Y”字形的地塹式構(gòu)造。
1.2 海河斷裂海域段活動特征
根據(jù)鉆孔勘探與地層對比結(jié)果,綜合水上聲納探測結(jié)果,海河斷裂海域段的最淺上斷點(diǎn)埋深為22.7m,斷距在6.9m左右。結(jié)合該地區(qū)的年代地層學(xué)研究,以及鉆孔樣品的年代學(xué)測試分析,海河斷裂海域段的最新活動時(shí)代至少為晚更新世晚期。
1.3 海河斷裂海域段地震活動特征
1976年7月28日唐山地震發(fā)生當(dāng)天,在天津塘沽地區(qū)的渤海近岸海域發(fā)生了1次5.5(5.8)級地震,這表明海河斷裂東段有發(fā)生中強(qiáng)地震的可能,該區(qū)的地震活動水平較強(qiáng)。
1.4 海河斷裂海域段的深部構(gòu)造特征
通過對大地電磁測深剖面和深地震寬角度折/反射探測及深部構(gòu)造的分析,認(rèn)為海河斷裂海域段同華北地區(qū)一樣,普遍具有獨(dú)特的深部構(gòu)造組合:地殼淺部存在鏟狀正斷裂,在6—8km的深度逐漸消失,沒有再向下延伸;在中地殼發(fā)育有高角度以平移活動為主的深部斷裂,該深部斷裂與地殼淺部斷裂匯而不交,中間以低速層分隔;中地殼下部或下地殼上部發(fā)育高導(dǎo)層或低速層。另外,本區(qū)域位于渤海西部上地幔隆起西邊緣,該區(qū)處于地殼厚度變化梯度帶,地殼厚度自東向西從28km變?yōu)榱?2km。這些構(gòu)造組合在一起,構(gòu)成地震發(fā)生的深部構(gòu)造條件。根據(jù)有效剪應(yīng)力模擬計(jì)算,在10—15km深度的中地殼高導(dǎo)層和低速層之間,往往會形成有效剪應(yīng)力正值區(qū),具有較大的中強(qiáng)地震危險(xiǎn)性。
1.5 現(xiàn)今地殼形變特征
海河斷裂海域段總體走向北西西,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向?yàn)楸睎|東向擠壓,二者具有一定的交角,存在積累較強(qiáng)正應(yīng)力的可能,斷層面強(qiáng)度中等,近年來受華北地區(qū)一系列地震和斷層相互作用的影響,具有較強(qiáng)的中強(qiáng)地震危險(xiǎn)性。
1.6 海河斷裂海域段地震危險(xiǎn)性
綜合上述對海河斷裂海域段構(gòu)造變形特征、斷層活動特征、地震活動、深部構(gòu)造條件、現(xiàn)今地殼變形與形變特征等,考慮華北地區(qū)地震孕育發(fā)生的特點(diǎn),按照構(gòu)造類比的原則與方法,認(rèn)為海河斷裂海域段最新活動時(shí)代至少為晚更新世晚期,具有發(fā)生中強(qiáng)地震的可能。
2.1 海一斷裂的構(gòu)造變形特征
海一斷裂是控制黃驊坳陷內(nèi)次級構(gòu)造單元歧口凹陷的邊界斷裂,與海河斷裂共同控制了歧口凹陷的沉積發(fā)育歷史。該斷裂西起沙井子水庫南側(cè),向東逐漸進(jìn)入海域,走向北東東-北東,傾向北西,長約55km,為西北盤下降的正斷層。該斷裂控制了歧口凹陷中、新生代的沉積發(fā)育歷史,是長期繼承性發(fā)育的主干斷裂。新近紀(jì)以來該斷裂活動強(qiáng)烈,斷陷區(qū)新生代最大沉積厚度超過10000m。
海一斷裂傾角比較陡,淺部存在多條分支斷裂,共同組成花狀構(gòu)造,呈復(fù)式地塹結(jié)構(gòu),并向上部散開,分支斷裂大致在深度方向3km左右逐漸歸并。在地震剖面上,海一斷裂明顯斷錯(cuò)了新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系東營組、沙河街組、中生界及古生界奧陶系地層。
2.2 海一斷裂的活動特征
根據(jù)鉆孔勘探與地層對比結(jié)果,海一斷裂的最淺上斷點(diǎn)埋深為36.9m,斷距在4.5m左右,結(jié)合該地區(qū)的年代地層學(xué)研究,以及鉆孔樣品的年代學(xué)測試分析,海河斷裂海域段的最新活動時(shí)代為晚更新世早期。海一斷裂規(guī)模較大,活動性較強(qiáng),具備發(fā)生中強(qiáng)以上地震的危險(xiǎn)性。
2.3 海一斷裂的地震活動特征
由于海域地震監(jiān)測能力較低,地震記錄缺失比較多,歷史上1624年2月1日和1624年4月19日在渤海海域發(fā)生2次級地震,這2次地震有可能是海一斷裂活動引起的,這表明海河斷裂東段有發(fā)生中強(qiáng)地震的可能,該區(qū)的地震活動水平較強(qiáng)。
2.4 海一斷裂的深部構(gòu)造特征
通過對大地電磁測深剖面和深地震寬角度折/反射探測及深部構(gòu)造的分析,認(rèn)為海一斷裂同華北地區(qū)一樣,普遍具有獨(dú)特的深部構(gòu)造組合:地殼淺部存在鏟狀正斷裂,在6—8km的深度逐漸消失,沒有再向下延伸;在中地殼發(fā)育有高角度以平移活動為主的深部斷裂,該深部斷裂與地殼淺部斷裂匯而不交,中間以低速層分隔;中地殼下部或下地殼上部發(fā)育高導(dǎo)層或低速層。另外,本區(qū)域位于渤海西部上地幔隆起西邊緣,該區(qū)處于地殼厚度變化梯度帶,地殼厚度自東向西從28km變?yōu)榱?2km。這些構(gòu)造組合在一起,構(gòu)成地震發(fā)生的深部構(gòu)造條件。根據(jù)有效剪應(yīng)力模擬計(jì)算,在10—15km深度的中地殼高導(dǎo)層和低速層之間,往往會形成有效剪應(yīng)力正值區(qū),具有較大的中強(qiáng)地震危險(xiǎn)性。
2.5 現(xiàn)今地殼形變特征
海一斷裂總體走向?yàn)楸睎|東-北東,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向?yàn)楸睎|東向擠壓,二者交角較小,不會積累較大的正應(yīng)力,斷層面強(qiáng)度較小,但近年來受華北地區(qū)一系列地震和斷層相互作用的影響,存在發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)性。
2.6 海一斷裂地震危險(xiǎn)性
綜合上述對海一斷裂的構(gòu)造變形特征、斷層活動特征、地震活動、深部構(gòu)造條件、現(xiàn)今地殼變形與形變特征等,考慮華北地區(qū)地震孕育發(fā)生的特點(diǎn),按照構(gòu)造類比的原則與方法,認(rèn)為海一斷裂控制了歧口凹陷中、新生代的沉積發(fā)育歷史,是長期繼承性發(fā)育的主干斷裂。新近紀(jì)以來該斷裂活動強(qiáng)烈,其最新活動時(shí)代已達(dá)晚更新世早期,具有發(fā)生中強(qiáng)地震的可能。
海河斷裂海域段、海一斷裂的地震危險(xiǎn)性評價(jià)方法參照聞學(xué)澤等(2007)對中國東部中-弱活動斷層地震危險(xiǎn)性評價(jià)的研究方法:首先劃分本地區(qū)的斷層小區(qū),統(tǒng)計(jì)斷層小區(qū)各震級檔歸算到統(tǒng)一時(shí)間長度后的地震累積頻度,擬合震級與累積頻lg()的關(guān)系;震級與累積頻度lg()關(guān)系()中的、值及/值可以用來估計(jì)研究區(qū)特定時(shí)段內(nèi)的最大地震期望震級,也稱為“最大截距震級”。
海河斷裂海域段、海一斷裂均屬于晚更新世斷層,二者均無全新世以來的活動證據(jù),屬于典型的中國東部中強(qiáng)活動斷層,其構(gòu)造變形特征、深部構(gòu)造背景及其與歷史地震活動關(guān)系等方面表明,二者均具有發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造條件,只是由于目前的探測技術(shù)尚不能獲得它們確切的斷層活動性參數(shù)?;谶@些考慮,本文采用在天津地區(qū)隱伏斷裂地震危險(xiǎn)性定量評價(jià)的經(jīng)驗(yàn)與成果(陳宇坤等,2010),根據(jù)其擬合出的天津地區(qū)的a/-經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(式1),從而計(jì)算估計(jì)海河斷裂海域段、海一斷裂潛在地震的最大震級。
根據(jù)工作區(qū)主要斷層的空間位置、斷層活動、分段特征等,考慮以往本地區(qū)潛在震源的劃分情況,對斷裂沿走向有明顯變化或有明顯分段標(biāo)志的分段劃分?jǐn)鄬有^(qū),共劃分了20個(gè)斷層小區(qū),5為海河斷裂海域段的斷層小區(qū),20為海一斷裂的斷層小區(qū),見圖2。
4.1 潛在地震的最大震級評估
華北地區(qū)是中國文化發(fā)展最早的地區(qū)之一,地震史料記載比較長,地震資料的完整性和可靠性相對較好,自1484年以來以上地震基本沒有遺漏。天津地區(qū)自1345年以來4級以上地震基本無遺漏;1960年以來3.0級以上地震基本無遺漏;1970年以來2.0級以上地震基本無遺漏(黃瑋瓊等,1994a;1994b)。
由于渤海海域地震監(jiān)測能力有限,地震目錄可能有遺漏,因此本文選取了1980年以來的小震目錄,利用震級轉(zhuǎn)換公式=1.13-1.08(國家地震局震害防御司,1990),將地方震級統(tǒng)一換算成面波震級,取震級分檔間距0.3。與1484年以來有歷史記載以來的強(qiáng)震目錄合并,將各斷層小區(qū)各震級檔的地震目錄按照500a的統(tǒng)一時(shí)間長度進(jìn)行歸算,其計(jì)算公式為(聞學(xué)澤等,2007):
用最小二乘法擬合出它們的GR關(guān)系,給出其GR關(guān)系參數(shù)及其歷史最大震級。
根據(jù)式(2),將海河斷裂海域段斷層小區(qū)選取的地震目錄統(tǒng)一歸算到500a,再由G—R關(guān)系擬合海河斷裂海域段的斷層小區(qū)的震級-頻度關(guān)系為:
圖3給出了海河斷裂海域段斷層小區(qū)震級-頻度關(guān)系圖。由式(3)得出海河斷裂海域段的a/值為6.65,根據(jù)擬合公式(1)估算,海河斷裂海域段的潛在地震的最大震級為6.8級。
上述計(jì)算是在劃分?jǐn)鄬有^(qū)的基礎(chǔ)上開展的,歧北斷裂是歧口凹陷內(nèi)部的次級斷裂,同時(shí)也是海河斷裂的派生斷裂,中深層地震剖面顯示歧北斷裂在深部都?xì)w并到海河斷裂上。由于歧北斷裂可能是海河斷裂的分支斷裂,這種斷層小區(qū)在空間上和地震活動性上必定包含了歧北斷裂的部分,可以說歧北斷裂未來的地震活動與海河斷裂海域段裂密切相關(guān),因此,評價(jià)海河斷裂海域段的地震危險(xiǎn)性,必然要考慮歧北斷裂的因素。
通過對斷裂的構(gòu)造變形特征及幾何特征的研究,認(rèn)為海河斷裂是歧口凹陷的邊界斷裂,控制了歧口凹陷新生代的沉積發(fā)育歷史,是長期繼承性發(fā)育的主干斷裂,其最新活動時(shí)代為晚更新世,斷裂規(guī)模較大,活動性較強(qiáng),在未來存在著發(fā)生中強(qiáng)地震的條件和背景。1976年7月28日唐山地震發(fā)生當(dāng)天,在天津塘沽地區(qū)的渤海近岸海域發(fā)生了1次5.5(5.8)級地震,因此,海河斷裂海域段潛在地震的最大震級為6.8級的結(jié)果與該斷裂的構(gòu)造地質(zhì)條件是相互匹配的。
同理,根據(jù)上述方法選取海一斷裂斷層小區(qū)的地震目錄,根據(jù)公式(2)統(tǒng)一歸算到500a,再由G—R關(guān)系擬合海一斷裂斷層小區(qū)的震級-頻度關(guān)系為:
圖4給出了海一斷裂斷層小區(qū)震級-頻度關(guān)系圖。由公式(4)得出海河斷裂海域段的a/值為6.301,根據(jù)擬合公式(1)估算,海一斷裂的潛在地震的最大震級為6.3級。
上述計(jì)算是在劃分?jǐn)鄬有^(qū)的基礎(chǔ)上開展的,歧中斷裂是歧口凹陷內(nèi)部的次級斷裂,同時(shí)也是海一斷裂的派生斷裂,中深層地震剖面顯示歧中斷裂在深部都?xì)w并到海一斷裂上。由于歧北斷裂可能是海一斷裂的分支斷裂,這種斷層小區(qū)在空間上和地震活動性上必定包含了歧北斷裂的部分,可以說歧北斷裂未來的地震活動與海河斷裂海域段裂密切相關(guān),因此,評價(jià)海河斷裂海域段的地震危險(xiǎn)性,必然要考慮歧北斷裂的因素。
通過對斷裂的構(gòu)造變形特征及幾何特征的研究,認(rèn)為海一斷裂是歧口凹陷的邊界斷裂,控制了歧口凹陷新生代的沉積發(fā)育歷史,是長期繼承性發(fā)育的主干斷裂,最新活動時(shí)代為晚更新世早期,斷裂規(guī)模較大,活動性較強(qiáng),在未來存在發(fā)生中強(qiáng)地震的條件和背景,歷史上曾發(fā)生過2次級地震,因此,海一斷裂潛在地震的最大震級為6.3級的結(jié)果與該斷裂的構(gòu)造地質(zhì)條件是相互匹配的。
4.2 地震復(fù)發(fā)間隔與發(fā)震概率
采用上述地震資料,建立海河斷裂海域段斷層小區(qū)的地震年發(fā)生率與震級的關(guān)系的基本表達(dá)式為:
式中:
(6)
這里,將海河斷裂海域段小區(qū)上地震發(fā)生的時(shí)間進(jìn)程可以近似地看作泊松過程(Connell, 1968)。這種過程是無記憶的,即在給定時(shí)段內(nèi)地震發(fā)生的概率與過去的破壞性地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)無關(guān)。從而在任意給定時(shí)段內(nèi),小區(qū)內(nèi)任一具有發(fā)震能力的斷層(或小段)上發(fā)生次震級地震的概率可由泊松分布近似表示(聞學(xué)澤,2007):
(8)
當(dāng)=0時(shí),其概率為:
那么,未來關(guān)注時(shí)段內(nèi)至少發(fā)生1次地震的概率可表示為:
(10)
采用式(10)和式(7)可計(jì)算出海河斷裂海域段斷層小區(qū)發(fā)生相應(yīng)震級檔地震的平均復(fù)發(fā)間隔和發(fā)震概率(見表1)。
表1 海河斷裂海域段斷層小區(qū)地震平均復(fù)發(fā)間隔和發(fā)震概率
采用式(10)和式(11)可計(jì)算出海一斷裂斷層小區(qū)發(fā)生相應(yīng)震級檔地震的平均復(fù)發(fā)間隔和發(fā)震概率(見表2)。
表2 海一斷裂地震平均復(fù)發(fā)間隔和發(fā)震概率
(1)通過對海河斷裂海域段和海一斷裂的地質(zhì)構(gòu)造、第四紀(jì)活動性、深部構(gòu)造、構(gòu)造應(yīng)力場與形變場等的研究,綜合判定了海河斷裂海域段和海一斷裂的活動性與構(gòu)造特征。研究表明,海河斷裂海域段和海一斷裂都屬于晚更新世斷裂,
(2)建立了海河斷裂海域段和海一斷裂斷層小區(qū)按500a歸算的震級-頻度關(guān)系模型,并利用天津地區(qū)的最大震級上限與a/b的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,得出海河斷裂海域段潛在地震最大震級為6.8,海一斷裂潛在地震最大震級為6.3。
(3)采用泊松概率模型,計(jì)算出了海河斷裂海域段和海一斷裂未來50—200a地震發(fā)生的概率及復(fù)發(fā)周期等定量參數(shù),其結(jié)果詳見表1和表2。
陳宇坤,劉芳,袁盾等,2010. 天津地區(qū)隱伏斷裂地震危險(xiǎn)性定量評價(jià). 地震地質(zhì),32(1):138-149.
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Seismic Risk Evaluation on Blind Faults in Tianjin Offshore Areas
Liu Hongyan, Chen Yukun, Yan Chengguo and Yang Fei
(Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China)
The tectonic structure, Quaternary activity, deep structure, stress and strain fields and seismicity on the faults in Tianjin offshore areas are studied through field surveying in order to determine the activity and tectonic features synthetically. Using seismo-geological data, as well as the historical and modern seismicity data, the frequency-magnitude relationship model reckoning by 500 years is established. Based on the relationship between the upper limit of maximum magnitudeanda/, we calculate the maximum magnitude of the Haihe river fracture sea section and Haiyi fault. Then Poisson probability model is adopted and quantitative parameters such as the maximum magnitude, occurrence probability, recurrence period of the faults in south Tianjin offshore areas in coming 50-200 years are calculated.
Seismic risk; Quantitative evaluation; Fault sub-area; Frequency-magnitude relationship; Maximum magnitude; Occurrence probability; Recurrence period
天津市“十一五”地震安全基礎(chǔ)工程(津發(fā)改投資【2009】1230號)、天津市地震局青年基金(編號0905)和天津市科技興海項(xiàng)目(KJXH2012-30)聯(lián)合資助
2013-01-10
劉紅艷,女,生于1983年。工程師。2008年7月于中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所獲得碩士學(xué)位,現(xiàn)在天津市地震災(zāi)害防御中心工作。主要從事地震活動性和工程地震的研究等工作。E-mail: liuhongyan_012@163.com
2聞學(xué)澤等,2007. 中強(qiáng)-弱隱伏活動斷層的現(xiàn)今活動習(xí)性與地震危險(xiǎn)性評價(jià)方法,中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目“城市活斷層試驗(yàn)探測”子項(xiàng)目的子專題研究報(bào)告.