太原盆地地震潛勢分析*

張井飛 謝富仁 荊振杰 杜 義 黃學(xué)猛

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

太原盆地地震潛勢分析*

張井飛 謝富仁 荊振杰 杜 義 黃學(xué)猛

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

將太原盆地劃分為4個區(qū)段，利用近年來在各區(qū)段取得的古地震數(shù)據(jù)，通過實時概率模型，對每個區(qū)段分別進行強震潛勢的定量評估。得出太原-文水區(qū)與太谷區(qū)未來50年內(nèi)發(fā)生7級以上強震的概率分別為7.1%和15%，100年內(nèi)為13.9%與27.8%，而介休-平遙區(qū)與汾陽區(qū)發(fā)生7級以上強震的可能性極小。

太原盆地;活動斷裂;地震潛勢;地震構(gòu)造;實時概率模型

1 引言

山西斷陷盆地帶是鄂爾多斯斷塊與太行山斷塊的分界構(gòu)造帶。GPS觀測結(jié)果表明［1］，鄂爾多斯斷塊與太行山斷塊間的差異運動明顯，為右旋剪切拉張狀態(tài)。太原盆地位于山西斷陷帶中部，為地震多發(fā)盆地。前人對山西斷陷帶的地震危險性進行過一些研究，徐錫偉等［2］根據(jù)歷史地震資料和太原盆地張性傾滑分量較大的特點，認為太原盆地最大震級在6～6.5級左右。易桂喜等［3］將太原盆地劃分為南(介休-汾陽段)北(太原-徐溝段)兩段，認為介休-汾陽段處于較高水平的應(yīng)變積累和較低水平的地震矩釋放階段，太原-徐溝段的應(yīng)變積累水平中等偏低，并估算出此段的強震復(fù)發(fā)間隔為：M6.5～7.0地震的平均復(fù)發(fā)間隔為510～1 430年。劉靜［4］曾給出交城斷裂中段未來20年、50年、100年發(fā)生強震的條件概率分別為＜0.09%、＜0.22%、＜0.43%。但當(dāng)時關(guān)于交城斷裂的活斷層資料還相當(dāng)少［5］，評估結(jié)果的不確定性很大。近年來，在交城斷裂及太谷斷裂開展了大量的地質(zhì)調(diào)查［6-8］，積累了豐富的古地震資料，為太原盆地地震潛勢的評估提供了新的數(shù)據(jù)。

2 太原盆地區(qū)段的劃分

太原盆地內(nèi)斷層發(fā)育，主要有北東向、北北東向和北西向3組，其中北東向斷層規(guī)模最大，基本控制著太原盆地的地貌格局。太原盆地總體走向北東，平面展布呈一矩形，長約150 km，最寬處約40 km。自西北向東南，分別為呂梁山、太原盆地和太岳山脈。盆地基底起伏不平，主要分為4個基底構(gòu)造地貌單元(圖1)。西谷-南莊凹陷位于盆地中部西側(cè)，基底由東南向西北傾斜，該區(qū)東南側(cè)基底埋深僅400 m，而西北側(cè)深達3 000～3 800 m。侯城-平遙陷隆位于西谷-南莊凹陷東南，基底受不同方向斷層的切割，埋深從200～800 m不等，西側(cè)斷裂處下陷深至600～800 m，陷隆寬度為5～15 km。孝義斷階位于太原盆地的西南端，邊界受北西向斷裂和北東向斷裂控制，基底埋深600～1800 m不等。太原斷陷位于太原盆地的西北端，南北長40 km，東西寬10～15 km，斷陷西側(cè)有一條近南北向斷層，由于它的活動使其東側(cè)靠近斷層處陷落深達1000 m，向東逐漸變淺，呈一向西傾斜的斷陷。

圖1 太原盆地新生界等厚線及基底構(gòu)造單元Fig.1 Isopach of cainozoic and basal tectonic units in Taiyuan basin

太原斷陷盆地北以石嶺關(guān)橫向隆起與忻定斷陷盆地相連，南以靈石隆起與臨汾盆地相接。西部的交城斷裂和東部的太谷斷裂是控制盆地邊界的主要斷裂［6，7］。盆地內(nèi)的深斷陷帶沿交城斷裂帶分布，東部的太谷斷裂斷陷幅度相對較小，盆地具有西深東淺的特點。盆地的新構(gòu)造運動表現(xiàn)出明顯的不對稱性，交城斷裂較太谷斷裂活動性要強。

交城斷裂在黃村鎮(zhèn)西被突出的山嘴基巖分隔為南北兩段，盆地西南角為交城斷裂的南段控制，西北角為交城斷裂的北段控制，交城斷裂向北伸入太原凹陷，被石嶺關(guān)隆起阻擋。盆地的西南角為太谷斷裂的南段控制，太谷斷裂在此處繼續(xù)向南延伸與綿山西側(cè)斷裂相接，盆地東北角為太谷斷裂北段控制，太谷斷裂在此處也被基巖阻擋而終止。兩條斷裂在構(gòu)造的延伸性上，具有中心對稱的特點。

2.1 交城斷裂分段

交城斷裂北段交城-清徐一線上新世活動速率為0.45 mm/a，早更新世活動速率為0.33 mm/a，中更新世以來活動速率為0.38 mm/a［9］。該段活動強度有減緩趨勢，但同南、中兩段相比，仍保持較大的活動速率。斷裂的南段，即汾陽地區(qū)，活動強度次之。上新世、早更新世及中更新世以來活動速率分別為0.23 mm/a、0.20 mm/a、0.43 mm/a，活動強度稍有增加。斷裂的中段，上新世、早更新世及中更新世以來的活動速率分別為0.37mm/a、0.34mm/a、0.29 mm/a，活動強度呈減緩趨勢［9］。

謝新生等［10］通過斷層沿線多個大探槽古地震事件的對比，認為交城斷裂南段全新世不活動，北段及中段全新世存在多期活動，并具有同步性，它們在全新世共同發(fā)生過3次7級以上強震。從強震破裂的角度，交城斷裂北段和中段不存在分段問題，因此，北段和中段可看作同一個破裂段，從文水向南的段落全新世不活動，單獨為一段。本研究采用以文水為界的南北兩段的破裂分段方式。

2.2 太谷斷裂分段

太谷斷裂太谷縣后山盤道地區(qū)上新世、早更新世和中更新世以來的活動速率分別為＞0.11 mm/ a、0.11 mm/a、0.31 mm/a，有增強趨勢。斷裂南段的洪山-東泉一線，活動強度稍小，上新世、早更新世和中更新世以來的平均速率分別為＞0.01 mm/a、0.13 mm/a、0.25 mm/a，呈增強趨勢。北段范村一帶活動強度小，上新世、早更新世和中更新世以來的平均速率分別為＞0.03 mm/a、0.14 mm/a、0.24 mm/a［9］。

根據(jù)筆者在太谷斷裂的野外調(diào)查及探槽開挖，在介休市上曹麻村南的探槽中，距地表2 m左右的一層紅黏土的斷距達9 m以上，在斷面附近發(fā)現(xiàn)大量沙土液化現(xiàn)象。而在上曹麻以北30 km的北賈村附近發(fā)現(xiàn)的斷層剖面，紅黏土的斷距只有0.5 m。由此認為，在太谷斷裂南段的石屯-常樂段，受臨汾盆地霍山山前斷裂活動的影響最大，活動性較強，向北逐漸減弱。在峪口以北，太谷斷裂活動已不受霍山山前斷裂的影響，它的活動具有獨立性。由此，以峪口為界，將太谷斷裂分為南北兩段(圖2)。

2.3 太原盆地地震震中分布特征

從圖2我們可以看出，作為一個活動盆地，地震集中分布在盆地內(nèi)部，山區(qū)也有個別相對較密集的地段，如太原東邊的山地、平遙以東的山地。這與兩條邊界斷裂都傾向盆地內(nèi)部有關(guān)。以盆地中軸線為界分為兩個條帶，它們具有相對獨立的震中密集區(qū)。地震震中呈現(xiàn)盆地西北角太原凹陷附近與東南角介休附近相對密集，而東北角晉中附近與西南角汾陽附近相對稀疏的特征，這與盆地構(gòu)造上的中心對稱相一致。

圖2 太原盆地地震震中分布Fig.2 Distribution of epicenters in Taiyuan basin

2.4 區(qū)段劃分

根據(jù)太原盆地兩條主控斷裂的分段活動性、地震活動及構(gòu)造地貌特征，將太原盆地劃分為太原-文水、汾陽、介休-平遙和太谷4個評估區(qū)段(圖3)。太原-文水區(qū)和汾陽區(qū)的主要發(fā)震構(gòu)造分別是交城斷裂北段和交城斷裂南段，它們的界限在文水附近，即交城斷裂南北兩段的分界點。介休-平遙區(qū)和太谷區(qū)的主要地震構(gòu)造為太谷斷裂南段和太谷斷裂北段，它們的界限在峪口，即太谷斷裂南北兩段的分界點。

組間的自變量是讓被試在所提供的實驗材料(社交媒體)中進行情境回憶，分為同步溝通和異步溝通兩組。兩個實驗組的被試分別被要求回憶并寫下最近一次在網(wǎng)絡(luò)社區(qū)瀏覽帖子或新聞時留言評論后，很快就收到回復(fù)(同步)或是過了很久才收到回復(fù)(異步)的經(jīng)歷，同時進行啟動檢驗。隨后進行量表填寫，測量與研究一相同。

太原-文水區(qū)和汾陽區(qū)與介休-平遙區(qū)和太谷區(qū)的分界基本就是盆地縱軸線。太谷斷裂和交城斷裂基本都與盆地縱軸線平行，它們各自控制著盆地兩個邊界的地震活動，而圖2地震震中分布也顯示出了這個特征。盆地縱軸線西北一側(cè)較東南一側(cè)斷陷速度快，沉降幅度大，存在差異，以盆地縱軸線作為分區(qū)界線較為合理。

3 地震潛勢評估

3.1 評估方法

地震復(fù)發(fā)的條件概率公式為：

其中te為離逝時間，Δt為預(yù)測的時間段，f(t)為概率密度函數(shù)，F(xiàn)(t)為概率分布函數(shù)。利用此方法進行地震潛勢的評估，需要具備的數(shù)據(jù)有目標(biāo)區(qū)最后一次特征地震的離逝時間以及特征地震平均復(fù)發(fā)間隔。

古地震序列的平均復(fù)發(fā)間隔，按

3.2 地震平均復(fù)發(fā)間隔

表1為交城斷裂北段古地震資料，兩個探槽揭示的3次同步事件分別為E1：2 748±100 a，E2：5 910±510 a，E3：8 350±90 a～8 360±710 a。事件E3取平均年齡為8 355±357 a。

利用式(2)計算得到的交城斷裂全新世古地震復(fù)發(fā)間隔中位數(shù)估計結(jié)果見表2。

表1 交城斷裂全新世古地震事件一覽Tab.1 Holocene paleoearthquake events in the Jiaocheng fault

表2 交城斷裂北段古地震事件的復(fù)發(fā)間隔中位數(shù)Tab.2 Recurrence interval median of paleoearthquakes on the north section of Jiaocheng fault

文獻［7］獲得的太谷斷裂南、北段的古地震資料如表3所示。南段(介休-平遙區(qū))3次事件分別取E1：707 a，E2：3 500 a，E3：6 400 a。北段(太谷區(qū))3次事件的分別為E4：3 000 a，E5：4 700 a，E6：7 800 a。

表3 太谷斷裂古地震數(shù)據(jù)Tab.3 Paleoearthquake data in the Taigu fault

利用式(2)計算得到的太谷斷裂古地震復(fù)發(fā)間隔的中位數(shù)如表4。

3.3 各區(qū)段發(fā)震條件概率

根據(jù)文獻［12］，計算地震復(fù)發(fā)的條件概率公式分別為：

對各區(qū)段按照公式(1)，分別用正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布計算未來100年、200年大地震復(fù)發(fā)的條件概率，結(jié)果列于表5。

表4 太谷斷裂古地震事件的復(fù)發(fā)間隔中位數(shù)Tab.4 Recurrence interval median of paleoearthquakes in the Taigu fault

表5 各段強震發(fā)生7級以上強震的條件概率Tab.5 The conditional probabilities of occurrence of earthquakes of over 7 in each section

由表5可以看出，太原-文水區(qū)和太谷區(qū)未來50年的發(fā)震概率平均為7.1%、15%，未來100年平均為13.9%、27.8%，危險性較高，原因在于，雖然在太原-文水區(qū)和太谷區(qū)發(fā)現(xiàn)了古地震事件，但在漫長的有人類記載的時期并沒有發(fā)生大地震，而這段時期與這兩個地區(qū)的大震復(fù)發(fā)周期較為接近。介休-平遙區(qū)由于經(jīng)歷了1303年洪洞8級地震，離逝時間較短，與本區(qū)的大震復(fù)發(fā)周期差距較大，應(yīng)力水平還未恢復(fù)，因此，近期發(fā)生強震的可能性極小。汾陽區(qū)沒有全新世活動的證據(jù)，沒有給出定量評估結(jié)果。

4 結(jié)論與討論

1)利用活動斷層探測等資料，估計太原盆地太原-文水區(qū)未來50、100年內(nèi)發(fā)生7級以上地震的概率為7.1%、13.9%，太谷區(qū)未來50、100年的發(fā)震生7級以上地震概率較高，分別為15%和27.8%，汾陽區(qū)和介休-平遙區(qū)未來50、100年內(nèi)的發(fā)震概率很低。

2)太原-文水區(qū)內(nèi)的交城斷裂北段地震平均復(fù)發(fā)間隔為2 767年，最新古地震事件距今2 748年，盡管小震頻繁，但歷史上沒有7級以上大震記載，因此，未來100年發(fā)生大震的危險性仍然較高。太谷區(qū)較高的發(fā)震概率原因與太原-文水區(qū)相同。介休-平遙區(qū)平均復(fù)發(fā)間隔為2847年，最新事件是707年前的洪洞大地震，應(yīng)力釋放較充分，離逝時間短，現(xiàn)今應(yīng)力積累水平較低，因此，未來100年發(fā)生7級以上地震的概率很低。

3)綜合前面所述，以及前人對洪洞地震等大震的研究結(jié)果，認為太原地區(qū)未來的強震發(fā)震模式可能為以下幾種：太谷區(qū)(太谷斷裂北段)和太原-文水區(qū)(交城斷裂北段)單獨發(fā)震，震級在7.0級左右;太谷區(qū)(太谷斷裂北段)或太原-文水區(qū)(交城斷裂北段)發(fā)生大震，并突破盆地之間的障礙體，誘使相鄰的幾條斷裂隨之產(chǎn)生破裂、發(fā)震，震級可能達到8.0級左右。

1 楊國華，等.華北主要構(gòu)造單元及邊界帶現(xiàn)今水平形變與運動機制［J］.地球物理學(xué)報，2001，44(5)：645-653.(Yang Guohua，et al.Current horizontal deformation and kinematic mechanism of major tectonic units and boundary zones in north China［J］.Chinese Journal of Geophysis，2001，44(5)：645-653)

2 徐錫偉，等.山西地塹系強震的活動規(guī)律和危險區(qū)段的研究［J］.地震地質(zhì)，1992，14(4)：305-316.(Xu Xiwei，et al.Study on strong earthquake activity and risk areas in the Shanxi graben system［J］.Seismology and Geology，1992，14 (4)：305-316)

3 易桂喜，聞學(xué)澤，徐錫偉.山西斷陷帶太原-臨汾部分的強震平均復(fù)發(fā)間隔與未來危險段落研究［J］.地震學(xué)報，2004，26(4)：387-395.(Yi Guixi，Wen Xueze and Xu Xiwei.Average recurrence intervals of strong earthquakes and potential risky segments along the Taiyuan-Linfen portion of the Shanxi graben system［J］.Acta Seismological Sinica，2004，26(4)：387-395)

4 劉靜，汪良謀.運用活斷層資料評價汾渭地震帶中長期強震危險性［J］.地震學(xué)報，1996，18(4)：427-436.(Liu Jing and Wang Liangmou.Using active fault data to evaluate long-term earthquake risk in Fenwei earthquake zone［J］.Acta Seismological Sinica，1996，18(4)：427-436)

5 江娃利，聶宗笙，張康富.山西交城斷裂錯斷全新世洪積扇［J］.地震地質(zhì)，1992，14(3)：534.(Jiang Wali，Nie Zongsheng and Zhang Kangfu.The dislocated Holocene alluvial-diluvial fans related to the activity of the Jiaocheng fault in Shanxi province［J］.Seismology and Geology，1992，14 (3)：534)

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7 謝新生，等.山西太谷斷裂帶全新世活動及其與1303年洪洞8級地震的關(guān)系［J］.地震學(xué)報，2004，26(3)：281-293.(Xie Xinsheng，et al.Holocene activities of the Taigu fault zone，Shanxi province，in relation to the 1303 Holocene M=8 earthquake［J］.Acta Seismological Sinica，2004，26 (3)：281-293)

8 謝新生，等.山西交城斷裂帶西張?zhí)讲廴率拦诺卣鹧芯浚跩］.地震地質(zhì)，2007，29(4)：744-755.(Xie Xinsheng，et al.Study on Holocene paleoearthquake in Xizhang trench on the Jiaocheng fault zone，Shanxi province［J］.Seismology and Geology，2007，29(4)：744-755)

9 王乃樑，等.山西地塹系新生代沉積與構(gòu)造地貌［M］.北京：科學(xué)出版社，1996.(Wang Nailiang，et al.Cenozoic deposits and tectonic geomorphology of Shanxi graben［M］.Beijing：Science Press，1996)

10 謝新生，等.山西交城斷裂帶多個大探槽全新世古地震活動對比研究［J］.地震地質(zhì)，2008，30(2)：412-430.(Xie Xinsheng，et al.Comparative study on Holocene paleoseismic activities among multi-trenches along the Jiaocheng fault zone，Shanxi［J］.Seismology and Geology，2008，30 (2)：412-430)

11 聞學(xué)澤.活動斷裂地震潛勢的定量評估［M］.北京：地震出版社，1995.(Wen Xueze.Quantitative estimates of seismic potential on active faults［M］.Beijing：Seismological Press，1995)

12 Nishenko and Buland.A generic recurrence interval distribution for earthquake forecasting［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，1987，77(4)：1 382-1 399.

ANALYSIS OF SEISMIC POTENTIAL IN TAIYUAN BASIN

Zhang Jingfei，Xie Furen，Jing Zhenjie，Du Yi and Huang Xuemeng
(Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085)

The Taiyuan basin is divided into four sections：the Taiyuan-Wenshui area and the Fenyang area，the Taigu area and the Jiexiu-Pingyao area.The paleoearthquake data obtained in recent years in Taiyuan basin is analysed，with real-time probability model，the quantitative assessment of earthquake potential is carried out for above each section.The probability of earthquake occurrence in the Taiyuan-Wenshui area，the Taigu area in the next 50 years are 7.1%，15%，in the next 100 years are 13.9%，27.8%，while the Fenyang and the Taigu areas have very low possibility of earthquake larger than magnitude 7.

Taiyuan basin;active fault;seismic potential;seismotectonics;real-time probability model

1671-5942(2011)05-0047-05

2011-02-09

中國地震局地震行業(yè)科研專項(200908001)

張井飛，男，1986年生，碩士，主要從事活動構(gòu)造及地震危險性研究.E-mail：zjf.csu@163.com

P315.5

A