龐 煒 謝 超 李瑞莎 張 佩 路 珍

（中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054）

引言

國內(nèi)外學(xué)者利用地震活動(dòng)性法、地震構(gòu)造法、構(gòu)造物理法、地震構(gòu)造活動(dòng)勢態(tài)追蹤法、天文地震法、征兆地質(zhì)法、數(shù)學(xué)地質(zhì)法等提出了多種地震復(fù)發(fā)模式，如實(shí)時(shí)模式、叢集模式、特征地震復(fù)發(fā)模式等（Shimazaki 等，1980；Schwartz 等，1984；Nishenko 等，1987；Savage 等，1987；Kagan，1991；聞學(xué)澤，1991；張秋文等，1999）。部分學(xué)者對上述理論模型進(jìn)行了深入研究，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度定量分析并提出了多種數(shù)學(xué)預(yù)測模型（Nishenko 等，1987；聞學(xué)澤，1995；Ellsworth 等，1999）。

1987 年，Nishenko 等建立了環(huán)太平洋地震帶原地復(fù)發(fā)強(qiáng)震或大地震“通用”復(fù)發(fā)間隔的經(jīng)驗(yàn)分布?NB 模型（Nishenko 等，1987；陳立春等，2002；陳立春，2003）。該模型以整個(gè)環(huán)太平洋地震帶為研究對象，計(jì)算各段落特征地震的復(fù)發(fā)間隔T和平均重復(fù)間隔Ta，將其比值（T/Ta）作為統(tǒng)計(jì)樣本，擬合求得環(huán)太平洋地震帶特征地震復(fù)發(fā)間隔分布的經(jīng)驗(yàn)概率密度函數(shù)（陳立春等，2002）。

不同于太平洋地震帶所處的板緣構(gòu)造環(huán)境，對于大陸內(nèi)部來說，一般地震復(fù)發(fā)周期均較長，單條斷裂上的歷史地震和古地震等數(shù)據(jù)有限，遠(yuǎn)達(dá)不到概率分析模型需要的樣本量，原始的NB 模型無法應(yīng)用?；诖?，前人廣泛開展了關(guān)于大陸內(nèi)部強(qiáng)震復(fù)發(fā)模型的探討和研究工作（張培震等，1996；張秋文等，1999；聞學(xué)澤，1999），但始終無法得到適用于整個(gè)大陸內(nèi)部的概率模型。然而，同一區(qū)域構(gòu)造背景條件下，不同斷裂（段落）的地震復(fù)發(fā)規(guī)律可能一致的（鄧起東等，2004），對于特定的構(gòu)造背景，可借鑒NB 模型，利用區(qū)域斷裂的古地震、歷史地震等數(shù)據(jù)，建立該條件下的強(qiáng)震復(fù)發(fā)概率模型，并進(jìn)行地震危險(xiǎn)性評估，同時(shí)結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合預(yù)測，具有一定的科學(xué)性和實(shí)際意義（陳立春等，2002）。

伴隨著活動(dòng)斷裂研究從理論到技術(shù)的不斷發(fā)展，定量化研究越來越深入（Wesnousky，1986；鄧起東，1991；聞學(xué)澤，1991，1995；張培震等，1996）。通過活動(dòng)斷裂定量研究，目前可獲得斷裂的空間幾何展布特征、分段情況、同震位錯(cuò)與累積位移量、古地震序列、大震離逝時(shí)間、斷裂滑動(dòng)速率和縮短量等參數(shù)（鄧起東等，2004）。采用實(shí)時(shí)預(yù)測模型進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析時(shí)，利用了活動(dòng)斷裂定量研究技術(shù)（Wallace，1970；Anderson，1979；Molnar，1979；Wesnousky，1986；Carlson，1991；聞學(xué)澤，1995；張培震等，1996）。

祁連山-河西走廊構(gòu)造帶活動(dòng)構(gòu)造密集發(fā)育（Tapponnier 等，1990；國家地震局地質(zhì)研究所等，1993；Gaudemer 等，1995；Xu 等，2010），特別是在祁連山-河西走廊西段這一特定構(gòu)造背景下，發(fā)育多條全新世活動(dòng)強(qiáng)烈的活動(dòng)斷裂，具有較高的研究基礎(chǔ)（陳柏林等，2005；鄭文俊，2009；金卿等，2011；劉興旺等，2014；張波等，2016；李安等，2016；楊海波等，2017；黃雄南等，2018；龐煒等，2018，2019），其資料基本滿足統(tǒng)計(jì)所需的樣本量?；谝陨险撌?，利用目前現(xiàn)有的古地震、歷史地震數(shù)據(jù)等，建立祁連山-河西走廊西段強(qiáng)震復(fù)發(fā)概率模型，并對可能的強(qiáng)震地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

河西走廊在大地構(gòu)造上又被稱為走廊過渡帶，作為北祁連造山帶和北山造山帶之間的典型壓陷性盆地，具有重要的構(gòu)造意義。北山造山帶位于甘肅北部、內(nèi)蒙古西南一帶，多被認(rèn)為是天山造山帶東延的次級構(gòu)造單元（Xiao 等，2010），區(qū)域古生代地層發(fā)育較完整，斷裂十分發(fā)育。北祁連造山帶位于走廊之南，夾持在阿爾金斷裂和海原斷裂之間，是北祁連洋中寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)俯沖縫合帶，由下古生界地層強(qiáng)烈擠壓形成的褶皺組成，同時(shí)代的中基性侵入巖、噴出巖比較發(fā)育。此外，早古生代地層區(qū)域變質(zhì)程度高，范圍廣，受區(qū)域NNE-SSW 方向的應(yīng)力作用，褶皺帶內(nèi)的斷裂以NWW 走向?yàn)橹鳎邩?gòu)成了該區(qū)域復(fù)雜的褶皺-斷裂構(gòu)造系統(tǒng)。走廊過渡帶具有雙基底特征，下部基底為前寒武系中深變質(zhì)巖系，上部基底為古生代活動(dòng)大陸邊緣火山-沉積巖系，其發(fā)展受北祁連褶皺帶構(gòu)造變形的巨大影響，經(jīng)歷了早古生代活動(dòng)大陸邊緣、晚古生代-早中生代前陸盆地、中-晚中生代伸展斷陷及新生代擠壓變形與前陸盆地共4 個(gè)演化階段（宋春暉，2006）。尤其是中-新生代以來，盆地內(nèi)的局部沉降中心在第四系以來的地層沉積厚度超過千米。中央凹陷帶是中-新生代沉降最強(qiáng)烈的地段，但由于受其他方向構(gòu)造的干擾和疊加，沉降中心在第四紀(jì)時(shí)有所轉(zhuǎn)移，使中生代沉積厚度極不均勻，但仍重疊在早先形成的凹陷上，進(jìn)一步可劃分出若干小型盆地，主要包括安西盆地、酒西盆地、酒東盆地、張掖-民樂盆地、潮水盆地和花海-金塔盆地（鄭文俊，2009）。盆地南北兩側(cè)發(fā)育多條大型斷裂，控制了盆地的發(fā)展，也作為祁連山-河西走廊構(gòu)造帶的重要組成，限定了區(qū)域構(gòu)造變形，且直接控制該區(qū)破壞性地震的孕育發(fā)生。

2 祁連山-河西走廊西段主要斷裂

2.1 主要斷裂

祁連山-河西走廊西段主要的大型活動(dòng)斷裂包括合黎山斷裂（鄭文俊，2009；Zheng 等，2013）、金塔南山斷裂（何文貴等，2012；張波等，2016）、旱峽-大黃溝斷裂（國家地震局地質(zhì)研究所等，1993）、玉門-北大河斷裂（陳柏林等，2005；李安等，2016）、榆木山北緣斷裂（金卿，2011）、榆木山東緣斷裂（國家地震局地質(zhì)研究所等，1993；龐煒，2015；龐煒等，2019）、佛洞廟-紅崖子斷裂（黃雄南等，2018）、龍首山南緣斷裂等（國家地震局地質(zhì)研究所等，1993）如圖1 所示，斷裂以逆沖性質(zhì)為主，兼具走滑特征。以上斷裂產(chǎn)狀及分段情況如表1 所示。

表1 研究區(qū)主要斷裂Table 1 Introduction of main faults in the study area

圖1 祁連山-河西走廊西段活動(dòng)斷裂分布圖Fig. 1 Map showing distribution of active faults in western Qilian Mt.-Hexi Corridor

2.2 主要?dú)v史地震

3 強(qiáng)震復(fù)發(fā)概率模型

祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)主要活動(dòng)斷裂以逆沖性質(zhì)為主，且活動(dòng)性較強(qiáng)烈。多年的研究表明，這幾條逆沖斷裂已積累了最新且較完整的古地震數(shù)據(jù)，該區(qū)域歷史地震資料豐富，滿足建模的基本條件。從目前的情況來看，除個(gè)別數(shù)據(jù)外，各斷裂強(qiáng)震復(fù)發(fā)規(guī)律、模式等特征具有較好的一致性。本文選擇祁連山-河西走廊西段具有代表性的活動(dòng)斷裂（圖1），包括玉門-北大河斷裂（李安等，2016）、金塔南山斷裂（何文貴等，2012；龐煒等，2018）、合黎山斷裂（鄭文俊，2009）、榆木山北緣斷裂（陳柏林等，2007；金卿等，2011；金卿，2011）、榆木山東緣斷裂（冉勇康等，1988；李玉龍等，1988；李有利等，1995；龐煒等，2019）及佛洞廟-紅崖子斷裂（黃雄南等，2018）等已有的古地震或歷史地震事件作為此次建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

冉勇康等（1999）根據(jù)多年古地震研究成果，總結(jié)了古地震事件復(fù)長間隔、短間隔的分布形式特征：部分?jǐn)嗔言谝欢螘r(shí)間內(nèi)比較活躍，一段時(shí)間內(nèi)又較平靜，其復(fù)發(fā)行為表現(xiàn)出明顯的長短間隔相間特征，在時(shí)間上，大地震在不同階段有重復(fù)間隔時(shí)間。我國歷史地震記載時(shí)間久，數(shù)據(jù)較完備，張秋文等（1999）經(jīng)過系統(tǒng)整理和分析研究，進(jìn)一步擴(kuò)展認(rèn)為準(zhǔn)周期叢集復(fù)發(fā)具體表現(xiàn)為地震叢之間以準(zhǔn)周期復(fù)發(fā)為主，而地震叢內(nèi)則表現(xiàn)為叢集復(fù)發(fā)?；谝陨侠碚?，根據(jù)研究區(qū)各斷裂（段落）古地震（歷史地震）事件時(shí)間上的的分布特點(diǎn)，將其劃分為相對的長間隔期和短間隔期。

表2 研究區(qū)主要?dú)v史地震Table 2 Main historical earthquakes in the study area

根據(jù)NB 模型的建模思路（Nishenko 等，1987），建立該構(gòu)造區(qū)強(qiáng)震復(fù)發(fā)概率分布模型。首先，對區(qū)域內(nèi)各活動(dòng)斷裂晚更新世以來的古地震資料按照長間隔期和短間隔期進(jìn)行整理，再分別計(jì)算各組強(qiáng)震復(fù)發(fā)間隔（T）和平均復(fù)發(fā)間隔（Ta）的均一化值（T/Ta）如表3 所示。如表3 可知，區(qū)域各活動(dòng)斷裂（段落）的古地震（歷史地震）數(shù)據(jù)均一化結(jié)果表現(xiàn)出了較為相同的規(guī)律。計(jì)算后共得到20 個(gè)值，這些值即為建模的基本數(shù)據(jù)。

表3 祁連山-河西走廊西段主要活動(dòng)斷裂(段落)強(qiáng)震復(fù)發(fā)間隔數(shù)據(jù)Table 3 Strong earthquake recurrence intervals on some active faults in western Qilian Mt.-Hexi Corridor

對表3 中的均一化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到其均值為0.998，標(biāo)準(zhǔn)差為0.230 1。利用直方圖將表3 中的均一化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，如圖2 所示可看出均一化值（T/Ta）符合正態(tài)分布。

圖2 均一化值（T/Ta）直方圖Fig. 2 Histogram of standardized value (T/Ta) of the strong earthquake recurrence intervals

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的最大似然估計(jì)法（數(shù)學(xué)手冊編寫組，1979；劉淑琴等，1997），分布密度為N（μ，σ2）的正態(tài)總體，μ和σ的最大似然估計(jì)為（陳家鼎等，1983）：

根據(jù)式（1）計(jì)算可得：μ=1，σ=0.224 3。因此，祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)內(nèi)各活動(dòng)斷裂（段落）的地震復(fù)發(fā)間隔均一化值（T/Ta）服從正態(tài)分布N（1，0.224 32），其概率密度函數(shù)為：

4 祁連山-河西走廊西段未來地震潛勢

4.1 發(fā)震概率計(jì)算

根據(jù)祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)古地震及歷史地震數(shù)據(jù)建立強(qiáng)震復(fù)發(fā)間隔概率分布模型，對研究區(qū)內(nèi)主要的幾條活動(dòng)斷裂（段落）未來某時(shí)段內(nèi)發(fā)生大震的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。計(jì)算過程中，重點(diǎn)關(guān)注強(qiáng)震發(fā)生的累計(jì)概率，計(jì)算公式如下：

由表4 可知，佛洞廟-紅崖子斷裂、金塔南山斷裂梧桐墩西-瓜勾山東段最后一次地震事件的離逝時(shí)間均為410a，強(qiáng)震的累計(jì)概率均近于零，即這兩條斷裂（段落）上發(fā)生強(qiáng)震的可能性幾乎為零。金塔南山斷裂瓜勾山東-紅墩段、玉門-北大河斷裂上強(qiáng)震離逝時(shí)間均較平均復(fù)發(fā)間隔小，強(qiáng)震累計(jì)概率較小。榆木山東緣斷裂臨澤段最近一次地震事件的離逝時(shí)間相比于平均復(fù)發(fā)間隔，累計(jì)概率為70%左右，危險(xiǎn)性相對較高，而對于榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段，強(qiáng)震累積概率為 100%，且最后一次地震事件的離逝時(shí)間為5000 年，已超過歷史地震的最長間隔時(shí)間，因此，強(qiáng)震發(fā)生的可能性非常大。榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個(gè)泉段最后一次古地震事件的離逝時(shí)間遠(yuǎn)高于平均復(fù)發(fā)間隔，累計(jì)概率為100%，強(qiáng)震復(fù)發(fā)可能性較大。

表4 祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)活動(dòng)斷裂（段落）地震潛勢定量評估表Table 4 Quantitative estimates of seismic potential on some active faults in western Qilian Mt.-Hexi Corridor

將本文建立的概率模型和BPT 模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)二者得到的結(jié)果較一致，說明本文建立的計(jì)算模型具有一定可信度。

4.2 發(fā)生強(qiáng)震斷裂預(yù)測

古地震法和消失率法作為常用的確定性分析方法，常用于確定活動(dòng)斷裂（段落）未來發(fā)生強(qiáng)震的可能性。古地震法利用最后一次大震的離逝時(shí)間與大震平均重復(fù)間隔做對比，當(dāng)最后一次地震事件到預(yù)測時(shí)間段的總時(shí)間跨度（即離逝時(shí)間與預(yù)測時(shí)段總和）接近、等于或大于大震平均復(fù)發(fā)間隔，則認(rèn)為斷裂（段落）在預(yù)測時(shí)段內(nèi)有發(fā)生地震事件的可能；反之，不考慮發(fā)生地震事件的可能性。消失率法利用最后一次大震離逝時(shí)間（Te）與預(yù)測時(shí)段（ΔT）之和與大震平均重復(fù)間隔（Ta）做對比，比值稱為消失率（V），假使V＞0.5，則認(rèn)為斷裂（段落）在預(yù)測時(shí)段內(nèi)存在地震發(fā)生的危險(xiǎn)。計(jì)算公式為：

運(yùn)用上述公式計(jì)算祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)各斷裂在未來100 年發(fā)生大震的可能性結(jié)果如表4 所示，由表4 可知，榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個(gè)泉段V＞2，發(fā)生地震的可能性很大；榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段V＞1.9，發(fā)生地震的可能性較大；金塔南山斷裂梧桐墩西-瓜勾山段、玉門-北大河斷裂及佛洞廟-紅崖子斷裂V＜0.5，發(fā)生地震可能性較??；金塔南山斷裂瓜勾山東-紅墩段V＞0.5，有發(fā)生強(qiáng)震的可能。綜上所述，榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個(gè)泉段和榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段地震危險(xiǎn)性相對較大。

基于以上分析，以本文建立的強(qiáng)震復(fù)發(fā)概率模型、BPT 模型計(jì)算結(jié)果為主，綜合消失率法計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)代中強(qiáng)地震分布規(guī)律，認(rèn)為祁連山-河西走廊西段未來最有可能發(fā)生強(qiáng)震的斷裂（段落）是榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個(gè)泉段，榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段次之（圖3）。

圖3 榆木山北緣斷裂及東緣斷裂北段展布圖Fig. 3 Map of the distribution of northern Yumushan fault and north part of eastern Yumushan fault

5 討論與結(jié)論

根據(jù)祁連山-河西走廊西段強(qiáng)震復(fù)發(fā)模型，最終得到該區(qū)未來可能發(fā)生強(qiáng)震的危險(xiǎn)斷裂（段落）是榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個(gè)泉段和榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段。該結(jié)果與消逝率等確定性分析方法獲得的結(jié)論一致。需要明確的是，古地震事件的準(zhǔn)確性、完整性對計(jì)算結(jié)果有影響，同時(shí)河西地區(qū)由于以沖洪積物沉積為主，地層序列不明顯，測年樣品采集有難度，且誤差較大。目前的數(shù)據(jù)限于上述客觀因素，數(shù)量還需進(jìn)一步增加，質(zhì)量也需進(jìn)一步提升。

祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)的多條活動(dòng)斷裂已確定多次大的古地震事件，歷史文獻(xiàn)也詳細(xì)記載了多次破壞性大地震，說明該區(qū)域地震活動(dòng)一直很強(qiáng)烈，因此，對該區(qū)域大震中長期預(yù)報(bào)工作的不斷探索很有必要，不斷摸索總結(jié)該區(qū)域強(qiáng)震發(fā)生的特點(diǎn)和規(guī)律，是進(jìn)行地震危險(xiǎn)區(qū)判定、中長期預(yù)測的重要基礎(chǔ)。本文借鑒前人思路，從強(qiáng)震復(fù)發(fā)間隔和平均復(fù)發(fā)間隔的比值入手，建立了祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)強(qiáng)震復(fù)發(fā)概率模型，進(jìn)而對強(qiáng)震潛勢進(jìn)行評估，對可能的強(qiáng)震復(fù)發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行了預(yù)測，得到以下結(jié)論：

（1）祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)斷裂（段落）強(qiáng)震復(fù)發(fā)間隔均一化值服從祁連山-河西走廊西段模型，即服從正態(tài)分布N（1，0.224 32）；

（2）祁連山-河西走廊西段構(gòu)造區(qū)未來強(qiáng)震潛在危險(xiǎn)斷裂（段落）為榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個(gè)泉段和榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段。