陳立春 冉勇康 王 虎 李彥寶 馬興全

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

0 引言

6級以下中、小地震活動較好地遵循指數(shù)分布模型，其未來危險性適宜采用b值模型進行中長期預(yù)測，而6級以上地震則明顯偏離G－R關(guān)系式(圖1)，需基于活動構(gòu)造與古地震定量研究成果進行評估。其中，6～7級地震斷錯地表活動往往較弱甚至不斷錯地表，所以難以被地質(zhì)記錄保存，發(fā)震斷裂很容易視為非全新世活動斷裂而被忽略。2013年4月20日發(fā)生的蘆山7.0級地震就未觀察到明晰的地表破裂(http:∥www.ies.ac.cn)。事實上，直接穿經(jīng)中國大中城市目標(biāo)區(qū)(指城區(qū)周邊約20km范圍，下同)的斷錯地表型強烈活動斷裂極少，而可能發(fā)生6～7級強震的地表弱活動斷裂才是需要探測和評價的主要目標(biāo)斷裂。對此，在中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項和城市活斷層探測項目的支持下，我們選擇幾個城市開展了地表弱活動斷裂6～7級地震中長期預(yù)測技術(shù)的專題研究。本文擬結(jié)合幾個典型案例就實施這一技術(shù)的要點予以解析，以推動6～7級地震中長期預(yù)測技術(shù)的進一步深化和發(fā)展。

1 地表弱活動斷裂類型的提出與潛在震級

依據(jù)斷裂的最新活動時代，第四紀(jì)活動斷裂可分為早－中更新世斷裂和晚更新世以來活動斷裂2類或早－中更新世斷裂、晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂3類。其中，全新世活動斷裂為工程或城市建設(shè)需要避讓或設(shè)防的斷裂(中國地震局，2005，2009)。斷裂與晚第四紀(jì)地層的切覆關(guān)系是斷裂活動時代鑒定的最直接證據(jù)。單從這一點而言，早－中更新世斷裂和晚更新世活動斷裂未斷錯晚更新世或全新世地層，未來發(fā)生地表破裂型大地震的可能性不大。然而，早－中更新世斷裂和晚更新世活動斷裂全新世以來的活動其實存在3種可能:1)隨著構(gòu)造條件、環(huán)境的改變，斷裂不再活動，未來不會再發(fā)生地震;2)斷裂仍然活動，但活動強度已減弱至不影響地表，未來存在發(fā)生不斷錯地表中強地震的可能;3)斷裂仍然活動，并影響至地表，但活動弱、位錯量小(比如幾cm至幾十cm)，而沒被地質(zhì)記錄保存下來，實際上為全新世活動斷裂，卻被鑒定為早－中更新世斷裂或晚更新世活動斷裂，這類斷裂未來存在發(fā)生地表弱活動的可能。也就是說，早－中更新世斷裂和晚更新世活動斷裂未來可能不活動，但也可能發(fā)生地表小位錯量或無明顯位錯的中強地震，這類活動斷裂可歸為地表弱活動斷裂(圖2)。

鄧起東等(1992)利用中國及東亞的一些典型震例資料，對震級M、同震位錯D、破裂長度L三者之間的關(guān)系進行了統(tǒng)計分析，提出了一系列的經(jīng)驗關(guān)系式，其中，中國板內(nèi)地震震級M與同震位錯D(單位/m)之間的經(jīng)驗關(guān)系式為M=7.43+0.52lg D。根據(jù)這一關(guān)系式，發(fā)生約5cm同震位錯的震級約，10cm 同震位錯的震級約 6.9，20 ～50cm同震位錯的震級為7.0～7.3。根據(jù)美國學(xué)者 Wells等(1994)建立的矩震級MW－同震位錯 AD(單位/m)經(jīng)驗關(guān)系式MW=6.93+0.82lg(AD)，發(fā)生10cm同震平均位錯的矩震級約MW6.1，20～50cm同震平均位錯的矩震級為MW6.4～6.7。估算結(jié)果顯示6～7級地震的同震位錯量一般為5～20cm，結(jié)合古地震探槽記錄的小位錯量約20cm(圖3)，未明顯斷錯全新世地層的地表弱活動斷裂的潛在震級可能在6～7級。

圖1 特征地震震級－頻度關(guān)系(Schwartz et al.，1984)與中長期預(yù)測技術(shù)Fig.1 Magnitude-frequency relationship of characteristic earthquakes(after Schwartz et al.，1984)and intermediate-and long-term prediction technology.?示意為以往中長期預(yù)測技術(shù)的空區(qū)

圖2 活動斷裂地震中長期預(yù)測技術(shù)路線圖Fig.2 Flow chart showing the intermediate-and long-term prediction technology for active faults.

圖3 渭河斷裂庇李村探槽剖面簡圖Fig.3 Cross section in trench at Bili Village on the Weihe Fault.

2 6～7級地震中長期預(yù)測技術(shù)思路與要點

對應(yīng)地表弱活動斷裂，6～7級地震中長期預(yù)測首先是甄別全新世活動地質(zhì)記錄不明顯的中－晚更新世活動斷裂是否屬于地表弱活動斷裂類型，以確定其未來發(fā)生6～7級強震的可能性，然后再結(jié)合構(gòu)造系統(tǒng)與區(qū)域地震活動性對發(fā)震的可能性大小予以概率評估(圖2)。其中，第1步是技術(shù)的關(guān)鍵，由于缺乏直接的地震活動和全新世地質(zhì)記錄，實現(xiàn)這一步的技術(shù)要點在于:1)判定目標(biāo)斷裂所屬構(gòu)造系統(tǒng)的發(fā)震能力，如活動塊體邊界斷裂系統(tǒng)一般具有發(fā)生7級以上大震的發(fā)震能力，川滇塊體等一些活動較強烈的塊體內(nèi)部活動斷裂也具有發(fā)生6～7級甚至7級以上大震的發(fā)震能力;2)構(gòu)建起目標(biāo)斷裂與同一構(gòu)造背景中具歷史地震記載或古地震地質(zhì)記錄的活動斷裂之間的某種聯(lián)系，或者與發(fā)生過6～7級強震的同一級次地表弱活動斷裂類比，或者以記錄有7級以上(古)地震的全新世活動斷裂予以限定，將在下文中結(jié)合實際案例予以具體解析。

3 案例解析

3.1 同一級次相似構(gòu)造類比:以昆明為例

普渡河－西山斷裂(區(qū)域上稱普渡河斷裂)是昆明市目標(biāo)區(qū)內(nèi)的一條晚更新世活動斷裂，控制盆地的西邊界，探槽揭露其斷錯的最新地層測年結(jié)果為105～132ka BP，上覆地層測年結(jié)果約63ka BP①中國地震局地質(zhì)研究所，2007，昆明市目標(biāo)區(qū)主要斷裂地震危險性評價(工作報告)。。區(qū)域構(gòu)造位置上，該斷裂位于川滇菱形塊體內(nèi)部(圖4)。該塊體是青藏高原內(nèi)部一個活動極為強烈的次級塊體，但其構(gòu)造變形和強震活動主要集中在其邊界斷裂帶上，東北、東邊界斷裂帶(鮮水河－安寧河－則木河－小江斷裂帶)活動速率多在10mm/a左右，沿邊界帶共發(fā)生過6.0～6.9地震26次、7.0～7.9地震13次、8級地震1次;西和西南邊界斷裂帶(金沙江－紅河斷裂帶)水平滑動速率多在3～5mm/a，局部地區(qū)垂直差異運動強烈，垂直位移速率最大達7mm/a，沿邊界帶共發(fā)生過MS6.0～6.9地震29次、MS7.0～7.9地震7次。而斷塊內(nèi)部只有理塘斷裂活動相對強烈，左旋走滑速率為3～4mm/a，1948年沿該斷裂發(fā)生過級地震，其他斷裂活動強度較弱，水平滑動速率多數(shù)僅為1～2mm/a，沿斷裂發(fā)生的最大地震為MS6.0～6.7，而且地震次數(shù)也少，僅10次。

圖4 昆明市區(qū)域地震構(gòu)造簡圖Fig.4 Simplified seismotectonic map of Kunming City.

對比川滇菱形內(nèi)部的活動斷裂，普渡河斷裂與其西側(cè)的元謀斷裂、易門斷裂走向基本一致，第四紀(jì)活動性相當(dāng)，早、中更新世均有過較強烈活動，晚更新世早期局部見有斷錯地表的弱活動，晚更新世晚期以來尚未發(fā)現(xiàn)斷錯地表的確鑿證據(jù)。這3條斷裂的活動水平也基本接近，元謀斷裂晚更新世以來斷裂的左旋位移速率為0.5～1.6mm/a，垂直滑動速率約0.25mm/a;易門斷裂晚更新晚期以來的水平滑動速率為1～3.5mm/a，垂直滑動速率為0.8～1.5mm/a;普渡河斷裂帶的長期左旋位移速率為0.9～2mm/a。深部結(jié)構(gòu)上，這3條斷裂尤其是普渡河和元謀斷裂特征基本一致(圖4)，為小江斷裂帶的平行次級斷裂。構(gòu)造環(huán)境、深部結(jié)構(gòu)和地表晚第四紀(jì)活動性反映3條斷裂屬川滇菱形塊體內(nèi)部的同一級次相似構(gòu)造，地震構(gòu)造條件相當(dāng)。歷史上，沿易門斷裂附近共發(fā)生MS5以上地震7次，其中有2次M6.5地震;沿元謀斷裂附近共發(fā)生級以上地震5次，最大震級，沿普渡河斷裂帶附近共發(fā)生級以上地震10余次，最大震級MS6.3。綜合斷裂的晚第四紀(jì)地表活動特征與類比結(jié)果，可以判定普渡河－西山斷裂為晚更新世以來地表弱活動斷裂，存在發(fā)生小位錯量事件的可能，最大潛在震級為6.5～7.0級。

3.2 同一構(gòu)造系統(tǒng)不同孕震構(gòu)造單元類比:以漢中和蘆山為例

2008年汶川地震后，龍門山斷裂帶南、北段一度成為社會關(guān)注的焦點。人口密集的漢中市隨即開展了城市活斷裂探測工作。調(diào)查結(jié)果顯示:漢中市目標(biāo)區(qū)內(nèi)的幾條主要斷裂中，梁山南麓斷裂斷錯了晚更新世早－中期地層，剖面要么無上覆地層，要么僅上覆薄層全新世殘坡積物或現(xiàn)代耕作土或人工堆積，但斷裂所穿經(jīng)T1階地未見明顯變形跡象，屬晚更新世活動斷裂;漢中盆地北緣和南緣斷裂以及梁山北緣斷裂斷錯了地層，而上覆地層，屬早－中更新世斷裂①中國地震局地質(zhì)研究所，2012，漢中市目標(biāo)區(qū)主要斷裂地震危險性評價(工作報告)。。就地表－淺表地質(zhì)記錄而言，漢中盆地未來發(fā)生7級以上地表強烈破壞型大地震的可能性不大。

從構(gòu)造環(huán)境上看，漢中盆地位于青藏高②同482頁①。原東緣的彌散邊界帶內(nèi)，為龍門山構(gòu)造系統(tǒng)北段右旋走滑的尾端張性盆地(圖5)，主要依據(jù)有:1)龍門山斷裂帶北段以右旋走滑為主，漢中盆地就位于其尾端，而周邊的勉縣－略陽斷裂雖為區(qū)域性斷裂，但晚第四紀(jì)活動跡象不明顯;2)漢中盆地為一新生代開始發(fā)育的張性斷陷盆地，但邊界斷裂延伸不大，第四紀(jì)沉積中心位于盆地西部邊界附近，向東迅速減薄至200～400m;3)盆地內(nèi)主要斷裂晚第四紀(jì)活動甚弱，迄今僅梁山南麓斷裂有晚更新世活動跡象。樊春等(2008)認(rèn)為漢中盆地是青川斷裂尾部的變換構(gòu)造，它吸收了青川斷裂的大部分右行位移量。

走滑斷裂的尾端張性構(gòu)造區(qū)的孕震活動有2種可能:一是與走滑斷裂屬于同一地震構(gòu)造單元，二者的孕震能力一致;二是已發(fā)展為獨立的孕震構(gòu)造單元，一般而言，其構(gòu)造和活動強度要小于剪切區(qū)。也就是說，漢中盆地活動構(gòu)造系的孕震能力與龍門山斷裂帶北段的孕震能力一致或偏小。龍門山斷裂帶北段的主要斷裂中，前山斷裂晚第四紀(jì)活動不明顯③中國地震局地質(zhì)研究所，2008，汶川8.0級地震科學(xué)考察項目“汶川地震的發(fā)震構(gòu)造與斷裂活動性調(diào)查”(科研報告)。(李傳友等，2004;陳國光等，2007;陳立春等，2008)，而青川斷裂、梁山南麓斷裂和茶壩－林庵寺斷裂具晚更新世活動跡象(楊曉平等，2008;樊春等，2008)，汶川地震后，有2次6級以上強震就發(fā)生在青川斷裂上，最大震級為MS6.5，未見地表破裂報道。以之類比，漢中盆地活動構(gòu)造系存在發(fā)生6.5級地震可能，最大潛在震級為6.5～7.0級。

沿汶川地震地表破裂帶往南，幾條主斷裂帶發(fā)散為一系列近平行的NE向斷裂帶和弧形沖斷裂束，斷裂帶寬度顯著增大，但單條斷裂的晚第四紀(jì)活動性明顯較弱。龍門山斷裂帶中段的中央斷裂和前山斷裂都是全新世活動斷裂，多處揭露出保存較好的古地震遺跡，單次事件同震位錯量一般在 1m 以上(冉勇康等，2008;Yongkang Ran et al.，2010，2013;Lichun Chen et al.，2013)。而南段僅零星見有全新世活動剖面(楊曉平等，1999)，大川－雙石斷裂(前山斷裂)揭露出古地震遺跡，但斷錯現(xiàn)象并不典型，一次事件的位錯量在0.3m左右④中國地震局地質(zhì)研究所，2011，雅安市主要活動斷裂調(diào)查與填圖項目成果報告(工作報告)。?；阢氪ǖ卣鸷蟮臄嗔鸦顒有耘c古地震調(diào)查結(jié)果，我們認(rèn)為龍門山斷裂帶南段與中段區(qū)域上雖屬龍門山同一活動構(gòu)造系統(tǒng)，但二者為不同的孕震構(gòu)造單元，南段最新活動相對前展，活動強度要弱于中段，并由此評估并給出:龍門山斷裂帶南段的大川－雙石斷裂為全新世弱活動斷裂，未來存在發(fā)生6.5級左右地表弱活動強震可能。此次蘆山地震的震級雖然高于6.5級，但仍在評估范圍內(nèi)，而地表破裂調(diào)查結(jié)果(http:∥www.eq-igl.ac.cn)也證實我們的評估結(jié)果較為合理。

圖5 龍門山斷裂帶地震構(gòu)造簡圖Fig.5 Simplified seismotectonic map of the Longmen Shan Fault zone.

3.3 特定構(gòu)造過程不同階段構(gòu)造級次類比:以寶雞為例

隴縣－寶雞斷裂帶是寶雞市目標(biāo)區(qū)內(nèi)的一條重要活動斷裂帶，與其北側(cè)的海原和香山－天景山左旋走滑斷裂帶、六盤山逆沖褶皺構(gòu)造一起構(gòu)成青藏高原東邊界北段活動構(gòu)造系。斷裂帶主要由桃園－龜川寺、固關(guān)－虢鎮(zhèn)和隴縣－岐山－馬召斷裂組成(圖6)，呈向NW收斂、SE撒開的束狀，正斷或左旋正斷性質(zhì)，反映青藏高原東北緣強烈左旋走滑－擠壓逆沖，往南過渡為尾端拉張兼有左旋走滑的構(gòu)造環(huán)境。

圖6 隴縣－寶雞斷裂帶地震構(gòu)造簡圖Fig.6 Simplified seismotectonic map of the Longxian-Baoji Fault zone.

隴縣－寶雞斷裂帶幾條組成斷裂的活動由西向東逐次變新，最西側(cè)的桃園－龜川寺斷裂是隴山與渭河盆地的邊界，控制白堊紀(jì)固關(guān)－寶雞斷陷盆地的發(fā)育，但第四紀(jì)以來活動明顯減弱，斷錯最新地層為新近系紅黏土，上覆厚1～2m的沖洪積礫石層或厚約10m的中更新統(tǒng)黃土。固關(guān)－虢鎮(zhèn)斷裂控制白堊紀(jì)固關(guān)－寶雞斷陷盆地與景福山－千陽嶺隆起的邊界，第四紀(jì)早期活動明顯，斷錯了中更新世末—晚更新世初地層，但晚更新世中、晚期以來斷錯地表活動不明顯，上覆OSL測年結(jié)果約53.8ka BP的地層，個別剖面見古土壤S1未斷錯(但可能隆起)①中國地震局地質(zhì)研究所，2012，寶雞市目標(biāo)區(qū)主要斷裂地震危險性評價(工作報告)。。隴縣－岐山－馬召斷裂控制鄂爾多斯塊體的西南邊界，晚第四紀(jì)以來仍表現(xiàn)出強烈活動性，斷錯了地表晚更新世晚期地層，塬面上形成非常清晰的斷裂陡坎、反向溝槽等活動地貌。渭河盆地的演化、分異也反映鄂爾多斯西南隅青藏高原與華北塊體的主邊界已東遷至隴縣－岐山－馬召斷裂，一方面，該斷裂兩側(cè)第四紀(jì)沉積環(huán)境明顯不同，東側(cè)盆地內(nèi)沉積了較厚的第四系，而西側(cè)第四紀(jì)以來相對隆起，沉積非常薄，局部河床中直接露出新近紀(jì)地層;另一方面，該斷裂兩側(cè)主要斷裂的晚第四紀(jì)活動性存在明顯差異，東側(cè)，盆地南緣的秦嶺北麓斷裂中－東段全新世活動強烈，盆地內(nèi)部的渭河斷裂也是全新世活動斷裂，而西側(cè)，秦嶺北麓斷裂西段斷錯地表的最新活動時代在晚更新世早－中期，屬晚更新世活動斷裂，與渭河斷裂相連的西秦嶺北緣斷裂晚第四紀(jì)活動也不明顯;第三，該斷裂兩側(cè)斷裂的深部結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出較大的差異，西側(cè)，秦嶺北麓斷裂西段與西秦嶺北緣斷裂寶雞段組成復(fù)雜地塹，與鄂爾多斯南緣斷裂深部交會關(guān)系不清楚，東側(cè)，多條斷裂深部交會至秦嶺北麓斷裂，并與渭河斷裂呈對稱地塹。也就是說，隨著白堊紀(jì)以來的構(gòu)造演化，隴縣－岐山－馬召斷裂已發(fā)展成為隴縣－寶雞斷裂帶的最新活動斷裂，是青藏高原與華北塊體主邊界的重要組成之一，具有發(fā)生7級以上地表強烈破壞型大震的構(gòu)造條件，結(jié)合其剪切尾端拉張的區(qū)域構(gòu)造屬性，隴縣－岐山－馬召斷裂的潛在震級為7.5級左右。固關(guān)－虢鎮(zhèn)斷裂的構(gòu)造級次相對降低，晚第四紀(jì)活動性和發(fā)震能力也相對減弱，潛在震級為6.5～7.0級。桃園－龜川寺斷裂的晚第四紀(jì)活動性相對最弱，未來發(fā)生斷錯地表活動的可能性不大，潛在震級應(yīng)在6.0～6.5級。

4 小結(jié)

(1)地表弱活動斷裂具有發(fā)生6～7級強震的發(fā)震能力，未來可能發(fā)生小位錯量或地表無明顯位錯的強震事件。

(2)甄別全新世活動地質(zhì)記錄不明顯的中－晚更新世活動斷裂是否為地表弱活動斷裂是6～7級地震中長期預(yù)測技術(shù)的關(guān)鍵，技術(shù)要點在于:在目標(biāo)斷裂所屬構(gòu)造系統(tǒng)的發(fā)震能力判定基礎(chǔ)上，構(gòu)建起目標(biāo)斷裂與同一構(gòu)造背景中具歷史地震記載或古地震地質(zhì)記錄的活動斷裂之間的某種聯(lián)系。

(3)實際案例解析結(jié)果表明同一級次相似構(gòu)造、同一構(gòu)造系統(tǒng)不同孕震構(gòu)造單元以及特定構(gòu)造過程不同階段構(gòu)造級次的類比是地表弱活動斷裂6～7級地震中長期預(yù)測較為有效的技術(shù)方法，昆明市普渡河－西山斷裂、龍門山斷裂帶北段的漢中盆地活動構(gòu)造系和南段的大川－雙石斷裂、隴縣－寶雞斷裂帶的固關(guān)－虢鎮(zhèn)斷裂為地表弱活動斷裂，潛在震級估計為6.5～7.0，隴縣－寶雞斷裂帶的桃園－龜川寺、固關(guān)－虢鎮(zhèn)以及隴縣－岐山－馬召斷裂潛在震級依次為6.0～6.5、6.5～7.0、7.5級左右。

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