城郯城庐江断裂带北段现今活动习性及地震危险性分析

城郯城庐江断裂带北段现今活动习性及地震危险性分析

0城—引言元当湖-庐江断裂带在中国延伸2400多公里，分为三段：渤海以北的下辽河和北庭；山东省以淮河为中心，淮河以南长江以北为南部。它的活动强度、活动方式及活动规律对我国东部地震活动特征起到重要的杠杆作用。因此,探讨该断裂带现今活动习性与地震危险性有其重要意义。本文主要研究郯城—庐江断裂带北段,即渤海至下辽河段(图1),该段长约820km,以主干断裂为中轴线,向两侧各取1.0度的范围作为研究区域。该区域位于大华北地块区,是中国东部地震活动较为活跃的地区,历史与现代地震活动较频繁,令人关注。其主要地震有1888年6月13日渤海7.5级地震,1969年7月18日渤海7.4级地震,1975年2月4日海城7.3级地震。近年来,国内外有一些地震预报专家将地震活动性参数用于判定断裂带现今活动习性、进而评估地震危险性。在国内的这一研究领域,易桂喜等(2004)率先将b值的空间分布,多地震活动性参数值组合,用于判定断裂带不同段落的现今活动习性与强震危险性。本文根据最近38年的地震资料,利用b值空间分布及多地震活动参数值组合的分析方法,结合历史地震背景,分析郯城—庐江断裂带北段各次级段落的现今活动习性,进而判别出最有可能发生强震、中强震危险段落。1城—地震资料来源历史及近代地震资料来源于《中国历史强震目录》、《中国近代地震目录》以及中国地震局月报地震目录。自公元前780年1月至2008年1月,共记载研究区域Ms≥5.0级地震33次,其中7.0～7.9级地震5次;6.0～6.9级地震3次;5.0～5.9级地震25次,最大地震为1888年6月13日渤海7.5级地震。图1绘出郯城—庐江断裂带北段历史震源区及中-强震中分布状况,震源区长轴沿断裂带走向展布。最近38年,自1970年1月至2008年1月,研究区内共记录ML≥2.0级地震6461次,其中2.0～2.9级地震4890次;3.0～3.9级地震1338次;4.0～4.9级地震210次;5.0～5.9级地震21次;6.0～6.9级地震1次;7.0～7.9级地震1次,最大地震为1975年海城7.3级地震,见图2。2方法和想法2.1b值的空间扫描应用是中期预报的重要方式古登堡和里希特(1954)在研究全球地震活动性时得到经验公式:lgN=a-bM,它表明大小地震频度的对数与震级之间存在线形关系。b值即为直线的斜率,直接反映了大小地震之间的比例关系。从岩石破裂的自相似性分析,断裂结构具有分维性,其分维数D=2b。所以b值的几何意义表明它是地震断裂结构方式的度量。许多震例使人们认识到b值具有一定的前兆信息,b值空间扫描应用于强震的中期预报是有意义的。强震与大地震往往发生在活动断裂带上的相对高应力积累区或闭锁段落上,应力的高低与震级—频度关系中的b值成反比,我们可利用b值的空间分布来揭示和推断活动断裂带不同段落现今应力积累的相对水平,并使其成为应用基于b值空间分布的、多地震活动参数值组合的综合分析方法,研究不同断裂段现今活动习性与强震危险性。2.2断裂带b值的计算沿断裂带的研究区域,以0.1°×0.1°网格化,挑选出以每个网格节点为圆心、半经为20km的统计单元内的地震资料。对每一个统计单元,分别确定出完整记录的震级下限Mmin为2.0,并利用震级ML≥Mmin的资料,由最小二乘法计算出震级ML一累积频度N关系中的b值,作为该统计单元中心点(即网格节点)的计算b值。式中a、b为回归系数。最后,由计算得到的各节点的b值绘制出沿断裂带的b值空间分布等值线图。由上述方法计算获得郯城—庐江断裂带北段b值空间分布等值线图(图3)。该图反映出沿断裂带b值大小的空间分布是很不均匀的,也说明不同断裂部位的现今应力水平存在着显著差异。2.3城—断裂带次级段落划分依据为了对断裂带不同段落进行多地震活动性参数值的计算及组合分析,应按照以下4个原则进行划分次级段落:①断裂带构造及几何形态;②历史强震震源区的时、空分布;③现代地震活动的空间分布状况;④b值图像空间分布差异特征等。历史与现今地震活动背景是进行断裂带分段和判定现今活动习性的重要信息。按上述原则将郯城—庐江断裂带北段划分为A、B、C、D4个分段落。图1展示了断裂带北段历史震源区及中-强震中分布,震源区的长轴长度相当于地震破裂的长度,具明显段落性;图2、3、4展示了断裂带北段现代地震空间分布与平面、立体分段和b值空间分布特征,地震丛集区、松散区、震源深度及b值分布差异十分清楚。2.4计算、验证和应用参数值(1)应变能释放率计算公式计算出以下4个参数值,来共同描述特定断裂段的现今活动习性:①参数b¯b¯—断裂段在研究时段的总体b值;②参数a¯/b¯a¯/b¯—断裂段在研究时段的总体a/b值;③参数E√E—断裂段单位面积的应变能年释放率;④参数n—断裂段单位面积的地震年频度。参数b¯b¯值和a¯/b¯a¯/b¯值采用最小二乘法对公式(1)进行计算获得。参数E√E值计算公式为E√=∑i=1NEi−−√/(t×A)(2)E=∑i=1ΝEi/(t×A)(2)即对研究时段t年内全部(N次)ML≥Mmin地震的应变能求和,再按断裂段的平面积A(km2)和研究时段长度t(年)进行归一化。式(2)中的应变Ei−−√Ei由公式:计算,Ei的单位为J。参数n值为断裂段单位面积的地震年频度,计算公式为(2)各局部b值的比对为了保证参数的可靠性,必须对以上断裂段在研究时段的总体参数b值进行误差分析和统计检验,拟采用t检验方法,其检验步骤如下:计算b值的t值,由数理统计原理可知,统计量t值计算公式为:式中Sb为b值的标准差。选取t检验用的显著水平α(通常α=0.05)和自由度df=n-2,查t分布表相应的临界值t0.05,然后进行比较,如果|tb|>t0.05,则说明b值等于零的可能性小于5%,大小地震频度的对数与震级之间线形关系显著。如果|tb|≤t0.05,则说明b值等于零的可能性大于5%,大小地震频度的对数与震级之间线形关系不显著。据表1中的资料,对郯城—庐江断裂带的A、B、C、D4个分段落的b值进行检验。根据计算4个分段落b值的t值分别为10.99、8.07、15.01、7.30,自由度分别为9、7、17、9,查t分布表相应的临界值t0.05,由于A段tb=10.99>t0.05=2.26、B段tb=8.07>t0.05=2.37、C段tb=15.01>t0.05=2.11、D段tb=7.30>t0.05=2.26,所以可认为参数b值是可靠的,大小地震频度的对数与震级之间线形关系显著。(3)线性相关、相对封闭的相对封闭组合应是处于高应力背景下的相对封闭状态应用表1中b¯b¯值、a¯/b¯a¯/b¯值、E√E值、n值4个参数值来共同描述特定断裂段,能更好地反映断裂带各段落的相对应力水平与活动习性,例如,具有低b¯b¯值(反映高应力)、低n值和E√E值(反映低频度地震活动及低应变能释放率)以及较高a¯/b¯a¯/b¯值(反映具有偏高的最大期望震级),这样一种参数值组合的断裂段落,其现今活动习性应是处于高应力背景下的相对闭锁状态;又如具有高b¯b¯值和n值、中等或中偏低E√E值和较低a¯/b¯a¯/b¯值组合的断裂段落,应具有以频繁小震活动为主,无高应力积累的现今活动习性。3城—各分段落现今活动习性及地震危险性分析根据郯城—庐江断裂带北段历史震源区及中-强震中分布图(图1)、现代地震分布与分段平面图(图2)、b值空间分布等值线图(图3)、现代地震震源深度分布与分段图(图4)、各分段落地震活动性参数值与现今活动习性的判定(表1)、历史地震、构造背景等,对郯城—庐江断裂带北段各分段落现今活动习性及地震危险性进行以下分析:3.1级地震位于断裂带南端,历史上曾发生5.0级以上地震11次,其中7.0级以上地震4次,即1548年、1597年、1888年和1969年,分别发生了7.0级、7.0级、7.5级和7.4级地震(图1)。b值空间分布等值线图显示该段以中等的b值为主,其特点是越靠近断裂带中心b值越低,反映应力水平越高,而周围b值较高(图3),该段具有整个断裂带上中等的n值、b¯b¯值、E√E值和偏高的a¯/b¯a¯/b¯值地震活动参数值组合(见表1),表明该段断层面现今活动习性处于中等应力背景下的相对闭锁状态,以小地震活动为特征,应属于有一定应变积累的潜在强震危险段落。3.2各段地震地质条件历史上曾发生5.0级以上地震4次,即1855年、1856年、1861年和1922年,分别发生了5.5级、5.2级、6.0级和6.5级地震(图1)。b值空间分布等值线图显示该段以高b值为主(图3),局部低b值显示该断裂带上存在局部高应力小区,但因尺度较小,不具备发生大震的条件。该段具有整个断裂带上最高的b¯b¯值,最低的n值、E√E值和a¯/b¯a¯/b¯值的地震活动参数值组合(见表1),表明该断层面处于较低应力水平下稀疏小地震滑动状态,近期内发生中强以上地震的可能性不大。3.3河口—营口—海城段历史上曾发生5.0级以上地震15次,其中7.0级以上地震1次,即1975年2月4日7.3级海城地震(图1)。b值空间分布等值线图显示该段以低b值为主,b值大小的空间分布很不均匀。该段具有整个断裂带上最低的b¯b¯值,最高的n值、E√E值和a¯/b¯a¯/b¯值的地震活动参数值组合(表1),表明营口—海城段断层面处于高应力状态,于1975年发生了7.3级强震后晚期余震活跃,积累多年的能量逐步释放,闭锁状态已被打开,现处于震后震源断层面应力调整阶段,出现低b¯b¯值,高应力水平下的频繁中小地震滑动。因此,短期内不可能再复发强震。3.4空间分布差异特征历史上曾发生5.0级以上地震3次,即1596年、1765年和1775年各发生了5.5级地震(图1)。b值空间分布等值线图显示该段以低b值为主,空间分布差异特征明显。该段具有整个断裂带上偏低的b¯b¯值、最低的n值、偏低的E√E值和a¯/b¯a¯/b¯值的地震活动参数值组合(表1),表明沈阳—昌图段断层面其现今活动习性处于高应力背景下的相对闭锁状态,以稀疏小地震滑动为特征,自1775年距今已232年没有发生5.0级以上地震了,有长期的应变积累,是未来最有可能发生中强震的段落。4未来中强震的落叶(1)根据最近38年的地震资料,应用b值空间分布及多地震活动参数值组合的分析方法,分析了郯城—庐江断裂带北段各次级段落的现今活动习性,判别出潜在的强震、中强震危险段落。结果表明:郯城—庐江断裂带北段存在着4个具有不同现今活动习性的次级段落,其中,渤海中南段断层面现今活动习性处于中等应力背景下的相对闭锁状态,以小地震活动为特征,应属于有一定应变积累的潜在强震危险段落;沈阳—昌图段断层面现今活动习性处于偏高应力背景下的相对闭锁状态,以稀疏小地震滑动为特征,有长期的应变积累,是未来最有可能发生中强震的段落;营口—海城段于1975年发生了7.3级强震后余震活跃,现处于震后震源断层面应力调整阶段,出现低b¯b¯值,高应力状态,以频繁中小地震滑动为特征,因此,短期内不可能再复发强震;辽东湾段落,其现今活动习性均具有偏低应力水平,以稀疏小震滑动为特征,未来不太久的时期内复发中强以上地震的可能性较小。(2)本文所判定渤海中南段有一定应变积累,是潜在的强震危险段落;沈阳—昌图段有长期的应变积累,是未来最有可能发生中强震的段落。在时间的尺度上为中—长期类,但很难对危险的时间界限给出确切的定义。这一问题有待于更多的同类研究后作出相应的判断。就目前的研究来说,判定的相对高应力段主要是基于近40年的地震活动性。因此,这些段落相对于其它段落,至少在过去的近40年中处于更高应力的积累状态,从地震中—长期预测的角度看,相对于其它段落未来的地震危险性也更高。(3)郯城—庐江断裂带渤海至下辽河段,近年来一直被列为地震危险重点监视区,该带东距西太