北祁連山-河西走廊大震危險區(qū)預(yù)測*

邵延秀 袁道陽 曹 娜 梁明劍

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2)中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，蘭州 7300003)蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州 730000

4)華中科技大學(xué)《水電能源科學(xué)》編輯部，武漢 430074

5)四川省地震局，成都 610041

北祁連山-河西走廊大震危險區(qū)預(yù)測*

邵延秀1，2，3)袁道陽1，2，3)曹 娜4)梁明劍5)

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2)中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，蘭州 7300003)蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州 730000

4)華中科技大學(xué)《水電能源科學(xué)》編輯部，武漢 430074

5)四川省地震局，成都 610041

以青藏塊體北部的北祁連山-河西走廊地震構(gòu)造帶為研究對象，在系統(tǒng)收集整理該區(qū)主干活動斷裂新活動性特征、斷裂滑動速率、歷史地震及古地震資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)今地震活動性，采用地震空區(qū)、空段識別方法和地震活動b值空間圖像掃描方法，分析了研究區(qū)內(nèi)歷史地震及b值的分布特征。結(jié)果顯示，該區(qū)的榆木山北緣斷裂離逝時間較長，應(yīng)力積累程度較高，具有發(fā)生大震的構(gòu)造條件，其未來大震危險性最高，值得高度關(guān)注。其次，該區(qū)的嘉峪關(guān)斷裂也存在地震空段和低b值段，也應(yīng)引起重視。

北祁連山 河西走廊 活動斷裂 b值 地震空區(qū) 榆木山北緣斷裂 嘉峪關(guān)斷裂

0 引言

近幾年，國內(nèi)外相繼發(fā)生了2008年新疆于田7.3級地震、四川汶川8.0級地震、2010年青海玉樹7.1級地震、海地7.3級地震、2011年日本仙臺海域9.0級地震和緬甸6.8級地震，這似乎預(yù)示著全球地震活動進入一個新的相對活躍期。位于青藏活動塊體北部的北祁連山—河西走廊地區(qū)是中國的主要強震構(gòu)造帶之一，近年來地震活動呈明顯增強的趨勢，其未來的大震形勢嚴峻而緊迫。沿北祁連山前河西走廊南、北緣發(fā)育著多條規(guī)模大、延伸長的晚第四紀活動斷裂帶，具備孕育和發(fā)生強震甚至大地震的構(gòu)造條件，歷史上本區(qū)發(fā)生過公元180年表氏7?2級、756年張掖-酒泉7級、1609年紅崖堡7??級、1932年昌馬7.6級和1954年山丹7??級等大地震(國家地震局地質(zhì)研究所等，1993;曹娜等，2010a，b)(圖1)。多年來，圍繞北祁連山—河西走廊地區(qū)的活動斷裂及歷史大震等開展了大量研究工作(Tapponnier et al.，1990;國家地震局地質(zhì)研究所等，1993;袁道陽等，1998;閔偉等，2002;Hetzel et al.，2002，2004;何文貴等，2004a，b，c;陳柏林等，2005;董治平等，2007;鄭文俊等，2009a，b;羅浩等，2010)，獲得了主干活動斷裂幾何學(xué)及其分段性、滑動速率、歷史地震破裂特征及古地震序列等基礎(chǔ)資料。同時，本區(qū)較多的地震監(jiān)測臺網(wǎng)已記錄了數(shù)十年連續(xù)而完整的地震觀測資料，為開展該區(qū)地震危險性評估及未來大震危險區(qū)預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。本文依據(jù)地震空區(qū)、空段識別方法和b值圖像掃描方法，來綜合評估北祁連山-河西走廊活動斷裂未來的強震危險性。

圖1 北祁連山—河西走廊地區(qū)斷層及歷史地震分布圖Fig.1 Distributions of active faults and historical earthquakes in Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

1 區(qū)內(nèi)活動斷裂及歷史地震

1.1 區(qū)內(nèi)斷裂活動特征

北祁連山—河西走廊地區(qū)的主要活動斷裂包括黑山-金塔南山斷裂、嘉峪關(guān)斷裂、新民堡斷裂、陰洼山斷裂、昌馬斷裂、肅南-祁連斷裂、玉門-北大河斷裂、佛洞廟-紅崖子斷裂、榆木山斷裂、合黎山南緣斷裂、龍首山斷裂等(圖1)。這些斷裂的新活動特征及其歷史地震見表1。

古地震探槽、地表破裂帶考察以及歷史地震考證表明，合黎山南緣斷裂距今5ka左右的一次大地震和公元180年表氏7?2級地震錯動了整條斷裂，756年張掖-酒泉7級地震只斷錯了該斷裂的東段(鄭文俊，2009b;曹娜等，2010b;金卿等，2011)。顯然，該斷裂上的地震破裂比較復(fù)雜，包含了單段和全段破裂，且不完全符合特征地震準周期復(fù)發(fā)特征，而可能具有叢集性，叢集期之間的間隔為4～5ka。如果按照每次特征地震的平均位移量為1.5m(鄭文俊，2009b)，滑動速率為0.34mm/a，那么所計算出來的復(fù)發(fā)間隔也在4ka以上。

1.2 歷史地震特征和地震空區(qū)判定

綜合上述活動斷裂、歷史地震和古地震研究資料 (圖1)，考慮歷史地震和古地震事件的離逝時間，采用排除法(袁道陽等，1998)以及地震空區(qū)、空段識別法(Mogi，1979)，從地震地質(zhì)的角度首先判定出未來具有發(fā)生大地震構(gòu)造背景的危險區(qū)段。排除法的原則是:1)排除全新世以外的活動斷層;2)排除近期已發(fā)生過7級以上大地震的斷層段;3)排除離逝時間＜1ka的活動斷層段。綜合以上考慮及上述斷裂的新活動特征，我們認為榆木山北緣斷裂全新世以來曾發(fā)生多次地震，復(fù)發(fā)間隔約為2ka(金卿等，2011)，且最近4ka以來該斷裂未發(fā)生過大震(鄭文俊等，2009a;曹娜等，2010a，b;金卿等，2011)，具有第1 類地震空區(qū)的特征(Mogi，1979)，因此應(yīng)屬未來的強震危險區(qū)(圖1)。而前人對嘉峪關(guān)斷裂、黑山-金塔南山斷裂研究較少，其古地震序列或大震離逝時間等資料缺少或不確定性大，因此難以直接判定其未來的危險程度。不過從斷裂無歷史大震記載判定，其離逝時間較長，也屬于未來大震危險斷裂段。

上述由地震地質(zhì)研究結(jié)果所確定的未來地震空區(qū)、空段，時間尺度相對較長，基本上是百年尺度，因此，所確定的危險區(qū)(段)相對較多。為了逐步縮小危險區(qū)范圍或科學(xué)判定時間緊迫性強的大震危險區(qū)段，還需結(jié)合地震活動性資料加以分析，其中b值圖像分析是目前較常用的方法之一，其時間尺度也可以縮短到數(shù)年或十幾年(易桂喜等，2008)。

2 研究區(qū)內(nèi)b值計算

Gutenberg-Richter關(guān)系式中的b值(Gutenberg et al.，1945;式1)可以反映巖石圈的應(yīng)力積累水平(Wiemer et al.，1997;易桂喜等，2004a，b，2005，2006，2007，2008;邵延秀等，2011)，即 b值越大，應(yīng)力積累水平越低，反之，則越高。應(yīng)力積累水平的高低是判斷地震危險性的重要指標。因此，計算研究區(qū)內(nèi)的b值，可圈定高應(yīng)力區(qū)，為強震和大地震的中長期危險性評估提供一定的依據(jù)。

式(1)中M為震級，N為在一定時間段內(nèi)發(fā)生M≥Mc(最小完整性震級)的地震數(shù)量，a，b為經(jīng)驗常數(shù)。

2.1 地震數(shù)據(jù)的選擇及計算方法

為了提高b值計算的精確性，我們采用1970年1月至2009年6月重新定位的小震數(shù)據(jù)(圖2)，并對余震進行必要的剔出。重新定位地震目錄所使用的定位方法為Hypoinverse-2000，該方法得出的水平定位效果較好。由于震相資料等的限制，部分地震沒能給出重新定位結(jié)果，這部分地震的震中使用原始震相報告中的結(jié)果。

圖2 北祁連山-河西走廊地區(qū)小震分布圖Fig.2 Spatial small earthquakes distribution in Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

計算b值的地震樣本量不得少于50，否則計算出來的b值誤差比較大(Wiemer et al.，2002)。由于臺站監(jiān)測能力的限制，震級很小的地震往往漏記，在震級-頻度關(guān)系曲線中表現(xiàn)為拐點。而式(1)中的b值是由震級大于最小完整性震級的地震目錄獲得的，因此計算b值之前，必須確定最小完整性震級Mc。在計算每一個節(jié)點上的b值之前，本文均對選取的樣本進行統(tǒng)計，采用快捷實用的 MAXC 法(Wiemer et al.，2000;Woessner et al.，2005)確定最小完整性震級Mc(MAXC)，最后采用的最小完整性震級還需要引進一個修正量0.2(Woessner et al.，2005)，即Mc=Mc(MAXC)+0.2(圖3)。對每個節(jié)點都進行Mc值計算，主要是考慮到地殼結(jié)構(gòu)及儀器記錄在空間上的差異性，雖然大部分的Mc值都基本上符合某一數(shù)值 (圖4)，但是對于某些地區(qū)與平均值仍然存在一定的差異。

圖3 MAXC法確定最小完整性震級McFig.3 Determination of the minimum magnitude of completeness Mc with MAXC method.

b 值的計算方法有最大似然法(Utsu，1965;Aki，1965;Bender，1983;Woessner et al.，2005)和最小二乘法，經(jīng)驗證明最大似然法給出的結(jié)果更符合實際情況(Bender，1983)。因此，本文采用最大似然法(式2)。Utsu(1965)和Aki(1965)給出的公式是基于連續(xù)震級，但是本文在統(tǒng)計地震目錄的累積頻度和非累積頻度時，均引入了一個震級檔，比如0.1，這樣式(2)中的Mmin實際應(yīng)為最小完整性震級與震級檔一半(即0.05)的差。同時，文中還根據(jù)式(3)(Shi et al.，1982)計算出b值誤差結(jié)果:

式(3)中Mi為第i個地震的震級，N為地震總數(shù)。

圖4 北祁連山—河西走廊地區(qū)Mc值分布柱狀圖Fig.4 Histogram of Mc value distribution of Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

對于b值的空間掃描計算，我們采用篩選地震樣本的方法:先將選定區(qū)域以0.1°的間距進行網(wǎng)格劃分，計算每個網(wǎng)格節(jié)點的b值;以網(wǎng)格節(jié)點為圓心、20km為半徑的圓為樣本統(tǒng)計單元，如果統(tǒng)計單元內(nèi)的樣本量少于計算所需樣本量，則將圓半徑增加為30km，再次進行樣本統(tǒng)計;如果樣本量還達不到計算所需樣本量，則此節(jié)點的b值無法計算，在最終的b值圖像上為空白;最后利用所有節(jié)點b值數(shù)據(jù)，繪成沿斷裂空間分布的b值等值圖;而計算各斷裂總b值時，沿斷裂帶10km的范圍內(nèi)選取地震樣本，進而利用最大似然法計算出所需b值。

2.2 結(jié)果分析和相關(guān)討論

利用上述方法，我們對每個節(jié)點的Mc值都進行計算，發(fā)現(xiàn)Mc值多集中在2.2(圖3)，最小為1.3，最大為3.2，中值和平均值均為2.2，此值基本上與馮建剛等(2010)利用b值擬合法給出的結(jié)果相符。

圖5為b值空間圖像的掃描結(jié)果，同時還計算了每條斷層(段)的總b值，從圖5和圖6可以看出，北祁連山—河西走廊b值分布多集中在0.6～0.8，誤差集中在0.1以下。b值平均值約為0.71，略小于馮建剛等(2010)給出的不同時段祁連山地震帶的總b值，但均低于正常b值水平(=1)，說明北祁連山—河西走廊地區(qū)現(xiàn)今正處于構(gòu)造活躍的時期(袁道陽等，1998)。

我們把圖5中的 b值分布劃分為異常低(b＜0.6)、低(b=0.6～0.7)和高(b＞1.1)值區(qū)。其中異常低和低值區(qū)域是我們需要重點關(guān)注的地區(qū)，這些區(qū)域包括榆木山北緣斷裂、佛洞廟-紅崖子斷裂中部和肅南-祁連斷裂東段上，b值異常低(b＜0.6)，說明這些地區(qū)的應(yīng)力積累水平較高。

金卿等(2011)通過古地震探槽開挖發(fā)現(xiàn)榆木山北緣斷裂最晚一次地震事件的離逝時間為4ka左右，復(fù)發(fā)間隔可能是2ka左右，而該斷裂在最近1～2ka內(nèi)沒有大震記錄。如果榆木山北緣斷裂的構(gòu)造活動遵循特征地震的話，那么在距今2ka左右應(yīng)有一次大震，估計在有限的探槽剖面中沒有記錄到。也有可能在距今4ka內(nèi)，榆木山北緣斷裂活動減弱，尚未發(fā)生過大震。無論是哪種情況，結(jié)合圖4中榆木山北緣斷裂分布有大片的低b值區(qū)，可以說明該斷裂目前處于相對較高的應(yīng)力積累狀態(tài)，未來的大震危險性高。根據(jù)斷裂長度和震級的經(jīng)驗關(guān)系(Wells et al.，1994)，推算出最大震級可以達到MW7以上。

圖5 北祁連山—河西走廊地區(qū)b值空間分布圖Fig.5 b value distribution in spatial of Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

圖6 北祁連山—河西走廊地區(qū)b值(a)及誤差分布柱狀圖(b)Fig.6 Spatial distribution of b values(a)and errors(b)in Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

由于佛洞廟-紅崖子斷裂在1609年發(fā)生了7??級地震，并沿整個斷裂產(chǎn)生地表破裂，M＞7地震的離逝時間僅402a，對于板塊內(nèi)部低滑動速率的斷裂來說，大震的復(fù)發(fā)間隔都在1ka以上，因此佛洞廟-紅崖子斷裂在未來50a不可能發(fā)生7級以上大地震，中段存在發(fā)生中強地震的可能性。

肅南-祁連斷裂東段屬于晚更新世斷裂，沒有發(fā)生大震的記錄，目前處于高應(yīng)力積累狀態(tài)，雖然發(fā)生大震的可能性小(袁道陽等，1998)，但存在發(fā)生中強地震的應(yīng)力條件。

低b值(b=0.6～0.7)區(qū)分布在嘉峪關(guān)斷裂、肅南-祁連斷裂中段、龍首山斷裂中段、民樂-永昌隱伏斷裂西段及祁連山北緣斷裂中段上。嘉峪關(guān)斷裂在全新世以來有一定活動性，歷史上無大震記載，表明其離逝時間相對較長，而且根據(jù)b值大小判定其現(xiàn)今應(yīng)力累積相對較高，因此有可能在未來發(fā)生中強以上地震;根據(jù)斷裂長度和震級的關(guān)系(Wells et al.，1994)估算其最大震級約為7級。肅南-祁連斷裂中段最晚一次地震事件是距今700a，而古地震揭示的特征地震復(fù)發(fā)間隔為500～1 000a，另外龍首山斷裂東段是發(fā)生1954年山丹7??級地震的地段(董治平，2007)，因此這兩條斷層在未來50a內(nèi)也不太可能發(fā)生大震，但不排除中強地震的發(fā)生。而對于祁連山北緣斷裂，前人研究較少，只提到其為晚更新世斷層(國家地震局地質(zhì)研究所等，1993)，其中段的b值區(qū)可能受其兩側(cè)的影響，也存在發(fā)生中強地震的可能性。

在民樂-永昌隱伏斷裂西段，低b值區(qū)呈NNW向條帶分布，這與童子壩河斷裂在空間上的展布較為一致(何文貴等，2004a;鄭文俊等，2005)。同樣榆木山北緣斷裂上的低b值區(qū)及嘉峪關(guān)斷裂上的低b值區(qū)的條帶狀分布也與斷裂走向一致，這說明b值帶狀分布可能受控于斷裂在空間上的分布。由于該地區(qū)的b值是我們使用2003年之前的地震目錄進行計算的，因此低b值區(qū)也是2003年民樂2次中強地震很好的震前反應(yīng)。

黑山-金塔南山斷裂處于b值圖像的邊緣，由于地震目錄的限制，其圖像結(jié)果誤差較大，結(jié)合該斷裂為全新世活動的大震空段及1.2節(jié)中的論述，該斷裂存在可信度較低的大震危險性。

3 結(jié)論

綜合以上論述，得出以下主要結(jié)論:

(1)北祁連山—河西走廊地區(qū)總平均b值較低，說明該地區(qū)整體應(yīng)力水平較高。

(2)榆木山北緣斷裂無論從地震地質(zhì)上分析還是b值掃描結(jié)果來看，其應(yīng)力積累水平都較高，已經(jīng)具備發(fā)生大震的應(yīng)力條件，未來大震危險性很高，值得關(guān)注。嘉峪關(guān)斷裂的b值較低，其應(yīng)力積累水平相對較高，由歷史上無大震記載推測其離逝時間較長，可能是未來發(fā)生強震甚至大震的危險區(qū)。

(3)佛洞廟-紅崖子斷裂中段、龍首山斷裂東段、祁連山北緣斷裂、肅南-祁連斷裂中東段均為中強地震危險區(qū)。對處于人口密集地區(qū)的活動斷裂，也要采取防范和監(jiān)測措施。

致謝 感謝中國地震局地球物理研究所蔣長勝博士提供重新定位的地震目錄及其與作者的相關(guān)討論，感謝評審專家對本文提出有益的修改意見。

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SEISMIC RISK ANALYSIS FOR NORTHERN QILIANSHAN-HEXI CORRIDOR

SHAO Yan-xiu1，2，3)YUAN Dao-yang1，2，3)CAO Na4)LIANG Ming-jian5)
1)Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
2)Lanzhou Base of Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
3)Lanzhou National Geophysical Observatory，Lanzhou 73000，China
4)《Water Resources and Power》Editorial Department，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
5)Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China

In recent years，many big earthquakes(M≥7)struck China and other nations.These big earthquakes may indicate that the earth is in a globally seismic active period.Therefore，in order to mitigate future earthquake disasters，the assessment of future big earthquake risk for major active boundary faults has been done as an important approach for mitigation.In this paper，our focus area is Northern Qilianshan-Hexi Corridor locating in northeastern of Qinghai-Tibet plateau.We collected and summarized the active faults'data sets systematically，e.g.geometrical characteristic，slip rate，rupture segmentation，latest rupture event and paleo-earthqakes.And based on these data sets，we use the methods of seismic gap identification and b value mapping to analyze the characteristics of historical earthquakes and b value.And then，high risk zones or faults of big earthquakes were identified synthetically.We think the Northern Yumushan Fault has the most probability of generating big earthquake in the future.Because the elapse time from the last event is long and b value along it is remarkably low，which betokens high stress.Meanwhile，attention should be paid too to the Jiayuguan Fault，where seismic gap and low b value zone exist too.

Northern Qilianshan，Hexi Corridor，active fault，b value image，seismic gap，northern Yumushan Fault，Jiayuguan Fault

P315.2

A

0253-4967(2011)04-0865-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.011

2011-05-23收稿，2011-06-29改回。

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項“祁連山-河西走廊主干活動斷裂破裂分段與大震危險區(qū)預(yù)測”(2010A882)和國家自然科學(xué)基金(40872132)共同資助。

*中國地震局蘭州地震研究所論著號:LC2011022。

邵延秀，男，1984年生，2007年畢業(yè)于蘭州大學(xué)地質(zhì)工程系，2010年在中國地震局蘭州地震研究所獲理學(xué)碩士學(xué)位，研究實習(xí)員，主要研究方向為新構(gòu)造運動與地震危險性分析，電話:0931-8273226，E-mail:shaoyx@geoidea.org。