陳長云

引言

南北地震帶是我國地震比較活躍的地區(qū)之一。西秦嶺北緣斷裂位于青藏高原東北緣、南北地震帶北段，地質(zhì)構(gòu)造上屬于青藏活動地塊區(qū)北部、柴達(dá)木和祁連II級活動塊體的邊界斷裂。地理上該斷裂帶自西向東穿過夏河、臨洮、天水和寶雞等多個縣市，人口眾多。歷史上西秦嶺北緣斷裂帶發(fā)生過多次破壞性地震，如143年甘谷西7?級、734年天水7?級地震。最近的研究也表明該斷裂有較高的地震危險性。例如邵延秀等認(rèn)為西秦嶺北緣斷裂黃香溝段和漳縣段發(fā)生單段破裂的可能性最大，黃香溝段和天水附近具有較高地震危險性。某專項工作組根據(jù)地震精定位和震源深度分布資料，發(fā)現(xiàn)在西秦嶺北緣斷裂帶的洮河以西段和天水以東段存在小震空區(qū)，發(fā)生地震的危險性較高。2014年全國地震趨勢會商認(rèn)為，西秦嶺北緣斷裂帶所在的陜甘寧交界地區(qū)和甘青川交界地區(qū)分別具有發(fā)生6級左右和6～7級地震的危險性。因此對西秦嶺北緣斷裂帶進行強震危險背景的深入研究具有重要的現(xiàn)實意義。同時，西秦嶺北緣斷裂帶兩側(cè)密集分布的GPS測站在陜甘交界地區(qū)積累了大量的觀測記錄，為該斷裂帶形變特征的分析研究提供了良好的研究基礎(chǔ)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造背景與地震活動性

目前，在西秦嶺北緣斷裂及其周邊地區(qū)已經(jīng)開展了大量的研究工作，但大多是利用地震地質(zhì)資料進行研究，如斷裂帶的幾何結(jié)構(gòu)分段、晚新生代特別是第四紀(jì)以來的斷裂局部段的水平和垂直運動特征以及大區(qū)域的構(gòu)造綜合分析等。尚缺乏對西秦嶺北緣斷裂系統(tǒng)的觀測研究?，F(xiàn)有研究工作多針對斷裂帶的某一段展開，缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識；針對大范圍區(qū)域的研究，結(jié)果大多停留在對整體趨勢的簡單分析和討論層面，難以為后續(xù)工作提供詳實、精確的資料。此外，對諸如西秦嶺北緣斷裂各分段運動變形之間的相互關(guān)系這樣的基本問題，認(rèn)識還不是很清晰。因此，有必要對西秦嶺北緣斷裂的形變運動特征進行更加深入的詳細(xì)研究。

西秦嶺北緣斷裂構(gòu)造背景與地震活動性

青藏高原的強烈隆升是印度板塊與歐亞板塊直接碰撞的結(jié)果，是新生代發(fā)生的重大地質(zhì)事件，碰撞的結(jié)果之一是在青藏高原及其周邊形成一系列規(guī)模巨大的斷裂帶。在青藏高原東北緣除北東東向的阿爾金斷裂外，發(fā)育多條北西西向的左旋走滑斷裂帶，構(gòu)成這一地區(qū)晚新生代以來的主要構(gòu)造框架,西秦嶺北緣斷裂帶是其中一條重要的北西西走向活動斷裂帶（圖1）。它位于海原斷裂和東昆侖斷裂之間，長約250千米，第四紀(jì)晚期以來以左旋滑動為主。該斷裂是我國西部地理、地貌、地質(zhì)構(gòu)造及地殼結(jié)構(gòu)的重要分界線，也是我國主要的地震帶之一，在我國西部構(gòu)造格局的形成與演化中占有重要地位。

西秦嶺北緣斷裂帶屬于地震發(fā)生強度和頻度均較高的地區(qū)。有史料記載以來，沿著西秦嶺北緣斷裂發(fā)生了8次歷史強震事件，其中7級以上強震事件2次，包括如143年甘谷西7?級、734年天水7?級地震（圖2）。此外，有學(xué)者認(rèn)為西秦嶺北緣斷裂黃香溝段包含6次古地震大震事件，復(fù)發(fā)間隔約2000年。

圖2 西秦嶺北緣斷裂帶及鄰區(qū)主要活動構(gòu)造與地震活動性圖中①鍋麻灘段；②漳縣段；③鴛鳳段；④天水—寶雞段

圖3 西秦嶺北緣斷裂及周邊相對于歐亞框架的GPS速度場（1999—2007年和2009—2013年）圖中①鍋麻灘段；②漳縣段；③鴛鳳段；④天水—寶雞段

GPS反映的斷裂運動特征

研究使用的GPS數(shù)據(jù)主要來自 “中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”位于西秦嶺斷裂所在青藏高原東北緣地區(qū)的GPS連續(xù)站和流動站（圖3）。通過一系列數(shù)據(jù)處理，最終得到西秦嶺北緣斷裂及周邊地區(qū)相對歐亞板塊的速度場，如圖3所示，能比較清晰地看出研究區(qū)在整體上有沿著順時針方向轉(zhuǎn)動的趨勢。

西秦嶺北緣斷裂自北西向南東可分為鍋麻灘段、漳縣段、鴛鳳段和天水—寶雞段四條次級斷裂。為了分析西秦嶺北緣斷裂各分段運動變形特征、更加清晰地獲取西秦嶺北緣斷裂兩側(cè)GPS站點速度所表現(xiàn)出的空間特征，對不同斷裂段進行GPS剖面分析，圖3給出GPS剖面范圍及GPS站點分布情況。利用跨斷層剖面，對斷裂帶兩側(cè)站點速度分別進行沿剖面方向和垂直剖面方向的投影，由剖面兩側(cè)站點速度平均值之差估算斷層的滑動或張/壓速率，并且利用誤差傳播定律計算速率誤差。通過投影得到的GPS站點速度分量剖面，能夠直觀反映由于斷層發(fā)生走滑（擠壓/拉張）活動造成的站點速率隨著站點與斷層之間距離的變化情況。

分別計算1999—2007年和2009—2013年兩個時段的西秦嶺北緣斷裂四條次級斷裂（圖4）的運動特征。平行斷層的GPS速度（圖4a—d）表明各分段斷裂均以左旋走滑運動為主；垂直斷層的GPS速度（圖4e—h）表明各分段斷裂均表現(xiàn)為擠壓運動特征，各次級斷裂的走滑/張壓速率見表1。本文計算結(jié)果中左旋走滑速率小于利用地震地質(zhì)資料獲取的斷裂滑動速率2.1～2.8mm/a，垂直斷裂運動速率與已有研究結(jié)果（0.2～0.7mm/a）基本一致。地震地質(zhì)結(jié)果反映的是數(shù)千年乃至上萬年尺度的平均運動，GPS反映的是近十年尺度的最新運動特征，其相對于地震地質(zhì)結(jié)果偏小可能是因為斷裂帶在長期構(gòu)造運動作用下閉鎖程度增強，導(dǎo)致近十年的平均速率小于數(shù)千年的平均速率。

表1 西秦嶺北緣斷裂各分段斷裂活動特征

圖4 橫跨西秦嶺北緣斷裂帶次級斷裂的GPS速度剖面

GPS反映的區(qū)域水平形變特征

水平速度場空間分布的不一致性是地殼形變的直接反映，而應(yīng)變場是地殼形變的主要參數(shù)，是描述區(qū)域形變的重要指標(biāo)，該指標(biāo)不受相對坐標(biāo)的影響，并且能以不同分辨率反映區(qū)域變形特征。利用GPS資料進行應(yīng)變分析，可以監(jiān)測研究區(qū)應(yīng)變場隨著時間和空間的變化過程。本文利用1999—2007年、2009—2013年期間的 GPS數(shù)據(jù)，采用最小二乘配置獲得西秦嶺北緣帶及其鄰區(qū)的主應(yīng)變率場（圖5），進一步分析得到應(yīng)變率場反映的斷裂帶分段變形特征。1999—2007年主應(yīng)變率結(jié)果（圖5a）顯示西秦嶺北緣斷裂及其鄰區(qū)地殼變形特征主要受NE向主壓應(yīng)變控制。GPS應(yīng)變場顯示沿西秦嶺北緣斷裂的主應(yīng)變率場具有明顯的分段性，盡管西秦嶺北緣斷裂各次級斷裂所受主壓應(yīng)變的方向基本一致，均為NE向，但是主壓應(yīng)變的量值變化較為明顯，其中鍋麻灘段和鴛鳳段的主壓應(yīng)變明顯高于漳縣段和天水—寶雞段。同1999—2007的結(jié)果相比較，2009—2013主應(yīng)變率結(jié)果（圖5b）表明沿西秦嶺北緣斷裂漳縣段的主張應(yīng)變明顯增加，其他三條次級斷裂，即鍋麻灘段、鴛鳳段和天水—寶雞段的主應(yīng)變率值仍然較小。漳縣段主張應(yīng)變率增加的原因可能與2013年發(fā)生的岷縣漳縣地震有關(guān)，震后累積能量的釋放使得西秦嶺北緣斷裂漳縣段活動性增強，閉鎖程度有所降低。

西秦嶺北緣斷裂的深部運動變形特征

地震的發(fā)生過程是地殼運動引起區(qū)域應(yīng)力—應(yīng)變積累、集中、釋放的過程，因此，研究地殼應(yīng)變積累集中區(qū)是地震危險性判定的有效途徑之一。目前除了上述利用地表應(yīng)變場分析某一區(qū)域（尤其是大尺度區(qū)域）應(yīng)變積累分布特征外，最主要的方法就是通過反演斷層的閉鎖程度與滑動虧損來研究斷裂深部的應(yīng)變積累程度。后者由于直接關(guān)注發(fā)震斷層上的應(yīng)變積累，且結(jié)果不包含斷層的滑動成分，能夠更有效地識別出未來強震發(fā)生的危險地段。

閉鎖深度是研究斷裂運動變形的一個重要參數(shù)，Savage等（1973）較早提出了斷層閉鎖深度的概念，他認(rèn)為若斷層之間存在閉鎖作用，那么斷層可以分為兩層，位于閉鎖深度以下的斷層可以自由滑動，位于閉鎖深度以上的斷層存在閉鎖作用，不能自由滑動。通常斷裂閉鎖深度越深，所造成的應(yīng)變影響范圍越大。Savage等（1973）提出一維彈性位錯模型，用于定量計算目標(biāo)斷層的閉鎖深度，將震間地表點的位移速率與斷裂的長期滑動速率很好地聯(lián)系起來，其關(guān)系表達(dá)式為：

式中，v為地表站點速率，b0為垂向偏移量，b為斷裂長期滑動速率，D為斷裂的閉鎖深度，x為站點到邊界斷裂的距離。

在一個完整的地震周期中，斷層的活動通常劃分為震間、震前、同震和震后四個變形階段，反映了一次地震的孕育、發(fā)生和結(jié)束的整個過程，其中震間期是從一次強震發(fā)生后到下一次強震發(fā)生前的時間段，在這段時間內(nèi)，斷裂帶在某一深度范圍（閉鎖深度）以上處于閉鎖狀態(tài)，在閉鎖深度以下，斷裂帶以相同的速度滑動。利用GPS速度場結(jié)果可以約束斷裂的閉鎖深度。隨著斷裂閉鎖深度的改變，斷裂周邊GPS速度場的速度殘差隨之變化。速度殘差最小時對應(yīng)的閉鎖深度的平均值為斷層最優(yōu)閉鎖深度?；谖髑貛X北緣斷裂帶周邊GPS速度場結(jié)果、斷裂自身的幾何長度，利用上述方法分析得出西秦嶺北緣斷裂帶的閉鎖深度為19.8km±9.2 km（圖6）。

圖6 西秦嶺北緣斷裂速度殘差隨閉鎖深度變化

西秦嶺北緣斷裂地震危險性綜合分析

地震矩平衡原理是指震間期，同一斷裂帶上地震矩累積量與釋放量趨于平衡。依據(jù)此原理可以評估地震矩累積率與同震矩釋放率之間的關(guān)系，根據(jù)地震矩虧損量進一步估算在某一斷裂上潛在發(fā)生地震的震級，進而評價一條斷裂帶上長期潛在的地震危險性。地震矩釋放總量與震間時間長度的比值為地震矩釋放率；地震矩累積率是活動塊體邊界斷裂錯動率和其面積以及地殼介質(zhì)剪切模量的乘積，可以由斷層面的大?。ㄓ砷]鎖深度和斷層長度決定）、斷層長期平均滑動速率和地殼介質(zhì)的性質(zhì)（剛度或者剪切模量）來確定。當(dāng)?shù)卣鹁蒯尫怕蚀笥诘卣鹁乩鄯e率時，超出部分稱為地震矩剩余；當(dāng)?shù)卣鹁乩鄯e率大于地震矩釋放率時，超出部分稱為地震矩虧損。地震矩虧損值的大小決定了區(qū)域潛在地震危險性大小。

要精確估算一個地區(qū)的地震矩釋放率、地震矩虧損和分析強震危險背景，首先需要考察該地區(qū)強震目錄的完整性和可靠性。巴顏喀拉塊體及其周緣的不同地區(qū)，地震記錄的起始時間和完整性也不同。甘肅的天水和隴南地區(qū)自漢代開始就有6級以上地震的記載，有學(xué)者推斷該地區(qū)包含東昆侖斷裂帶東段、岷江斷裂和西秦嶺北緣斷裂帶在內(nèi)，具有約2000年的完整強震記載。結(jié)合上述分析，通過對中國歷史強震目錄以及相關(guān)文獻的閱讀，共收集整理西秦嶺北緣斷裂上的強震記錄5個（表2）。

表2 發(fā)生在西秦嶺北緣斷裂帶上的強震

估算地震矩釋放率用到地震的矩震級，

式中，MW為矩震級，M0為一次地震釋放的地震矩，單位為N·m。

我國通常使用面波震級來表示地震的震級，同一地震事件，中國地震臺網(wǎng)提供的地震震級與矩震級不一致，因此估算地震矩釋放率首先需要將面波震級轉(zhuǎn)換到矩震級。沙海軍等（2015）從1990—2014年中國地震臺網(wǎng)目錄和GCMT矩震級目錄中選取806個面波震級大于4.5級的淺源地震數(shù)據(jù)，使用加權(quán)最小二乘方法，統(tǒng)計得到面波震級和矩震級的經(jīng)驗關(guān)系式及其標(biāo)準(zhǔn)差：

MS為面波震級。利用公式（2）和公式（3）即可估算斷裂帶上多次地震釋放的地震矩，進一步得到地震矩釋放率。

根據(jù)西秦嶺北緣斷裂的運動速率、閉鎖深度、幾何展布以及發(fā)生在各邊界斷裂上的強震，分別估算各次級斷裂上的地震矩累積和地震矩釋放，得到該斷裂的地震矩虧損（表3），同時利用公式（2）計算了潛在的地震震級（表3）。

表3 邊界斷裂（段）的運動性質(zhì)與地震矩平衡

圖7 黃香溝溝口斷裂作用導(dǎo)致的洪積扇變形

結(jié)論

基于對研究區(qū)GPS資料的分析，研究了西秦嶺北緣斷裂帶及其鄰近地區(qū)現(xiàn)今地殼水平運動的速度場和應(yīng)變場的空間分布特征，結(jié)合斷裂帶上完整性強震歷史目錄，基于地震矩平衡原理分析了斷裂帶的潛在地震危險性，得到以下主要認(rèn)識：

（1）利用跨斷層GPS剖面分析得到，西秦嶺北緣斷裂各分段斷裂均表現(xiàn)出左旋走滑兼擠壓的運動特征。1999—2007年GPS跨斷層剖面結(jié)果表明，鍋麻灘段的活動性明顯高于其他3段；2009—2013年漳縣段的左旋滑動速率明顯增加，可能與2013年岷縣漳縣地震有關(guān)。

（2）GPS應(yīng)變場顯示，西秦嶺北緣斷裂4條次級斷裂所受主壓應(yīng)變的方向基本一致，均為NE向；但是各分段主壓應(yīng)變的量值變化較為明顯。主壓應(yīng)變所表現(xiàn)出的分段特征與跨斷裂GPS站點剖面反映的結(jié)果比較一致。 受2013年岷縣漳縣地震的影響，2009—2013年漳縣段的主張應(yīng)變率增加。

（3）總體而言，斷裂帶整體表現(xiàn)出左旋擠壓特征，但分段運動特征明顯。結(jié)合跨斷層剖面和主應(yīng)變率場反映的斷裂帶遠(yuǎn)場和近場變形特征，進一步分析認(rèn)為，西秦嶺北緣斷裂4條次級斷裂業(yè)已處于閉鎖狀態(tài)，并且存在一定的應(yīng)變積累。其中天水—寶雞段無論是平行斷裂滑動速率，還是垂直斷裂的擠壓速率均較低，較低的活動性可能表明其在西秦嶺北緣斷裂4個次級斷裂中閉鎖程度最高。

（4）根據(jù)斷裂滑動速率、最優(yōu)閉鎖深度，結(jié)合區(qū)域主要斷裂上的歷史強震目錄分別估算了各次級斷裂的地震矩累積和釋放，通過對比分析，認(rèn)為西秦嶺北緣斷裂地震矩虧損較為嚴(yán)重，存在發(fā)生8級左右地震的可能，需要關(guān)注其中長期地震危險性。