中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的震例分析

唐茂云 劉 靜* 邵延秀 王 鵬 袁兆德

1)中國地震局地質(zhì)研究所， 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2)中國地震局蘭州地震研究所， 蘭州 730000 3)中國地震災(zāi)害防御中心， 北京 100029

中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的震例分析

唐茂云1)劉 靜1)*邵延秀1，2)王 鵬1)袁兆德1，3)

1)中國地震局地質(zhì)研究所， 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2)中國地震局蘭州地震研究所， 蘭州 730000 3)中國地震災(zāi)害防御中心， 北京 100029

中小震級(jí) 地表破裂 震級(jí)下限 震例統(tǒng)計(jì)

0 引言

本文收集了1950—2014年全球范圍內(nèi)有明確記錄產(chǎn)生地表破裂的中小震級(jí)震例， 從理論和經(jīng)驗(yàn)的角度， 探討了震源深度、 發(fā)震斷層特征、 場地效應(yīng)、 斷裂弱化程度以及觀測條件或觀測偏差等因素， 對(duì)中小強(qiáng)度地震地表破裂的影響， 試圖討論可能產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí)和其控制因素。另外， 通過對(duì)產(chǎn)生地表破裂的中小地震震級(jí)的收集統(tǒng)計(jì)分析， 希望為以后小震級(jí)產(chǎn)生地表破裂的研究提供一些基礎(chǔ)資料， 同時(shí)引起其他研究人員對(duì)中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的關(guān)注。

1 歷史地震的全球數(shù)據(jù)庫

隨著測量技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)地表破裂的重視， 越來越多的中等震級(jí)伴有地表破裂的震例被發(fā)現(xiàn)。國外學(xué)者(Bonilla， 1988； Wellsetal.， 1994； Lettisetal.， 1997； Berberianetal.， 2001)在此方面已做了大量工作， 而國內(nèi)卻無此類相關(guān)研究， 本文的數(shù)據(jù)在以往(Bonilla， 1988； Wellsetal.， 1994)的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的整理完善， 收集了1950—2014年全球范圍內(nèi)有明確記錄的56個(gè)震級(jí)<6.5且伴有或可能伴有地表破裂的震例(附表)。另外， 由于本次的研究方法主要建立在對(duì)中等以及小震級(jí)地震的統(tǒng)計(jì)上， 那么統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性則是本次討論的基礎(chǔ)。因此對(duì)于數(shù)據(jù)庫中列舉的震例， 詳細(xì)地給出了其地震震級(jí)、 發(fā)震構(gòu)造類型、 地表破裂長度、 斷層位錯(cuò)、 震源深度、 構(gòu)造環(huán)境、 破裂成因以及震例文獻(xiàn)來源(附表)。同時(shí)， 對(duì)原文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)的可靠性也做了相應(yīng)的等級(jí)評(píng)價(jià)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)， 在56個(gè)事件中， 從斷層性質(zhì)方面來講， 有19個(gè)正斷層事件， 13個(gè)逆斷層事件， 24個(gè)走滑斷層事件(圖1a)； 從構(gòu)造環(huán)境來講， 板緣地震43個(gè)， 板內(nèi)地震13個(gè)(圖1b)； 從震級(jí)大小方面來講， 3～4級(jí)事件1次， 4～5級(jí)事件5次， 5～6級(jí)事件24次， 6～6.5級(jí)事件26次(圖1c)， 其中伴有地表破裂的最小震級(jí)低至3.6級(jí)(附表)。另外還發(fā)現(xiàn)， 中小震級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂與發(fā)震構(gòu)造類型、 構(gòu)造環(huán)境等沒有太明確的關(guān)系， 各種發(fā)震構(gòu)造類型和構(gòu)造環(huán)境下都有可能產(chǎn)生地表破裂(圖1a， b)。而圖1b中板緣地震比板內(nèi)地震出現(xiàn)的概率高， 筆者認(rèn)為這可能是由板緣地震較活躍， 記錄的震例較多引起的。

圖1 1950—2014年世界M<6.5有地表破裂的地震震例統(tǒng)計(jì)直方圖Fig. 1 The histogram of less than M6.5 earthquakes associated with surface rupture worldwide.a 統(tǒng)計(jì)地震震例中發(fā)震斷層類型直方圖； b 斷層構(gòu)造環(huán)境以及各環(huán)境中斷層類型分布直方圖； c 各地震震級(jí)大小分布以及震級(jí)范圍內(nèi)斷層類型分布直方圖

2 有地表破裂的中小震級(jí)地震震例分析

2.1 正斷型地震

1986年9月13日， 希臘Peloponnesus半島Kalamata發(fā)生MS5.8(NEIS， Greece)地震， 此次地震為該區(qū)第1次記錄較好的淺源型正斷層地震， 震源深度 (5±3)km(Papazachosetal.， 1988)。地震產(chǎn)生了明顯的同震地表破裂， 通過地表填圖發(fā)現(xiàn)， 地表破裂總長約6km， 最大垂向位移達(dá)18cm(圖2a， b; Lyon-caenetal.， 1988)。

2006年5月24日， 墨西哥墨西卡利發(fā)生MW5.4地震， 震中位于切羅普列托(Cerro Prieto)斷層的北部尾端處。在此之前此處發(fā)生的最新地震為1999年6月和12月2次MW4.8地震(Suarez-Vidaletal.， 2001)。根據(jù)震源機(jī)制解和野外考察， 此次地震為正斷層型(Gonzalezetal.， 2001)， 震源深度僅3.9km， 產(chǎn)生了>2km的地表破裂， 測得其最大垂向位移達(dá)20～30cm， 最大水平位移為2～4cm(Suarez-Vidaletal.， 2007)。

2.2 逆斷型地震

大多數(shù)地震都發(fā)生在巖石圈板塊邊緣， 穩(wěn)定的板塊內(nèi)部很少出現(xiàn)地震。而1989年12月25日在北美東部克拉通板塊內(nèi)部的加拿大昂加瓦(Ungava)地區(qū)發(fā)生了MW6.0地震， 震源深度僅約3km， 經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)此次地震產(chǎn)生了8.5km的同震地表破裂， 破裂沿湖岸線發(fā)育， 使湖岸線發(fā)生變形， 通過測量變形湖岸線的相對(duì)高程圈出區(qū)域變形等高線， 其最大逆沖位移達(dá)1.8m， 平均位移0.8m(Adamsetal.， 1991)。

圖2 中小震級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂野外照片F(xiàn)ig. 2 The surface rupture field pictures of small-middle magnitude earthquake.

2012年3月23日， 在澳大利亞馬斯格雷夫(Musgrave)山脈東端發(fā)生了MS5.5埃納貝拉(Ernabella)地震， 地震發(fā)生在穩(wěn)定的克拉通板塊內(nèi)部， 是澳大利亞為數(shù)不多的幾次板內(nèi)地震之一， 且為該地區(qū)15a內(nèi)最大的地震記錄。此次地震產(chǎn)生了1.6km不連續(xù)的破裂逆沖陡坎， 其中最大垂向位移達(dá)0.5m(圖2c， d)， 同時(shí)還產(chǎn)生了大量的地表伸展裂縫和巖石滾落(Clarketal.， 2014)。

2.3 走滑型地震

1975年5月31日， 加利福尼亞州Galway Lake附近莫哈維沙漠(Mojave Desert)發(fā)生了MS5.2地震， 震源深度5.8km， 地震產(chǎn)生了6.8km長， 100m寬的破裂帶， 破裂沿著先存陡坎發(fā)育(圖2e)。 野外調(diào)查和余震資料發(fā)現(xiàn)此次發(fā)震斷層近垂直， 一系列左階雁列式裂縫表明了此次地震主要以右旋走滑為主(圖2f)， 個(gè)別破裂處最大右旋位錯(cuò)量達(dá)1.5cm(Hilletal.， 1977)。

在極端條件下， 伴有地表破裂的最小地震震級(jí)可以低至3.6級(jí)。如1966年3月4日加利福利亞州圣塔芭芭拉縣(Santa Barbara)發(fā)生的ML3.6隆波克(Lompoc)地震， 震源深度1.1km。Brune等(1967)通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 此次地震產(chǎn)生了長約10km的地表破裂。對(duì)于此次地震為何能產(chǎn)生如此長的地表破裂， Brune等(1967)認(rèn)為與其較淺的震源深度有重要關(guān)系。另外， 還發(fā)現(xiàn)在80號(hào)公路上白色分界線被右旋位錯(cuò)約1.5cm(圖2h)， 而此處在1940年Imperial Valley地震后調(diào)查的地表破裂照片中， 并沒有發(fā)生位錯(cuò)(圖2g)。因此， 此次地震可能為全球明確記錄震級(jí)最小且產(chǎn)生地表破裂的地震。

2.4 中國大陸地震

2.4.1 1990年景泰-天祝地震(MW5.8，MS6.2)

在中國大陸地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)中強(qiáng)地震產(chǎn)生地表破裂的案例非常少， 然而在1990年10月20日， 甘肅天祝縣、 景泰縣以及古浪縣交界地區(qū)(37.1°N， 103.5°E)發(fā)生了MW5.8地震， 震源深度15km。根據(jù)震源機(jī)制解以及野外調(diào)查， 將發(fā)震構(gòu)造定為毛毛山-老虎山左旋走滑斷裂西段草峽次級(jí)段(袁道陽等， 1994)， 此斷裂總體走向N80°W， 傾向NE， 傾角50°。經(jīng)過對(duì)震后的詳細(xì)考察， 發(fā)現(xiàn)在此次地震中產(chǎn)生了多處地表破裂， 局部地區(qū)破裂縫寬達(dá)10cm(才樹華等， 1990)。經(jīng)過震后對(duì)地表破裂范圍進(jìn)行的系統(tǒng)性詳細(xì)調(diào)查， 這些裂縫延伸方向與發(fā)震構(gòu)造走向近似平行， 且破裂位于極震區(qū)。此外， 劉靜等(2007)通過在極震區(qū)松山附近開挖探槽， 發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的破裂縫， 裂縫從下至上直通地表， 認(rèn)為這些極震區(qū)裂縫為此次MW5.8地震所為。

2.4.2 2010年4月14號(hào)玉樹地震余震(MW6.1，MS6.3)

北京時(shí)間2010年4月14日7點(diǎn)49分， 青海玉樹發(fā)生了MW6.9強(qiáng)震， 主震1.5h后， 震中W—SW方向(33.23°N， 96.58°E)發(fā)生了MS6.3余震， 震源深度10km(青海省地震局測定)。震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)此次地震產(chǎn)生約50km的地表破裂(陳立春等， 2010； 馬寅生等， 2010)， 但許多研究人員們對(duì)其表示懷疑， 更傾向于破裂SE段31km為MW6.9主震所為， 而NW段19km則為MS6.3余震所產(chǎn)生。具體證據(jù)有： 1)張勇等(2010)通過對(duì)勒夫面波(Love wave)和P波進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)MW6.9主震總體上僅屬于由震中向SE方向擴(kuò)展的單側(cè)破裂事件； 2)Li等(2011)結(jié)合地震體波和InSAR技術(shù)測量地表位移模擬位錯(cuò)展布， 同時(shí)檢驗(yàn)主震和余震P波的走時(shí)及其與平均走時(shí)的差異， 確定破裂帶NW段是由MS6.3余震引起的； 3)從破裂長度方面來講， 若加上15km的破裂空區(qū)， 此次地震則產(chǎn)生了長約70km的地表破裂， 遠(yuǎn)大于根據(jù)破裂長度-震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(Wellsetal.， 1994)，MW6.9地震對(duì)應(yīng)的30～50km地表破裂長度區(qū)間值； 同時(shí)， 此次事件產(chǎn)生的地表破裂2段位移也存在著巨大差異， 西段位移量為0.2～0.4m， 而東段最大位移量卻達(dá)到了2.3m(Lietal.， 2012)； 4)通過對(duì)余震序列重新定位， 發(fā)現(xiàn)前30h余震主要向SE方向擴(kuò)展， 而主震后30～80h， 余震主要在NW段叢集活動(dòng)， 80h后2段都有余震分布*趙翠萍， 周連慶， 2010， 青海玉樹地震余震序列重新定位及活動(dòng)特征分析， http: ∥www.seis.ac.cn/ manage/html/8a9080a125b29b1b0125b2a3093a0002/_content/10_04/19/1271643308080.hml。。

3 中等強(qiáng)度地震產(chǎn)生地表破裂的控制因素分析

準(zhǔn)確地給出產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí)值是非常困難的， 因?yàn)橛刑嗟牟淮_定因素。但可以進(jìn)行粗略的定量估計(jì)。 Bonilla(1988)基于理想的條件下， 對(duì)產(chǎn)生地表破裂的最小理論震級(jí)進(jìn)行了估算， 得到的最小震級(jí)為3.1。雖然迄今為止并沒有發(fā)現(xiàn)如此小的震級(jí)產(chǎn)生地表破裂的震例， 但1966年3月4日加利福尼亞ImperialM3.6地震， 通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 產(chǎn)生了長10km， 平均右旋位錯(cuò)0.9cm的地表破裂(Bruneetal.， 1967)， 似乎在一定程度上佐證了Bonilla的估算。從統(tǒng)計(jì)的角度看， Wells等(1994)統(tǒng)計(jì)的244個(gè)產(chǎn)生地表破裂的歷史地震中， 明確產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí)為5.2級(jí)， 此次統(tǒng)計(jì)的最小震級(jí)為3.6級(jí)。另外， 從概率方面來看， Otsuka(1964)根據(jù)震源深度與地震能產(chǎn)生破裂的范圍的關(guān)系計(jì)算出， 6.5震級(jí)以下出現(xiàn)地表破裂的概率為20%； Coppersmith 等(2000)根據(jù)全球資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)達(dá)到6級(jí)時(shí)， 其產(chǎn)生同震破裂的概率就已經(jīng)達(dá)到25%； 而Wells等(1993)計(jì)算出的6.5級(jí)以下地震伴有地表破裂的概率高達(dá)70%。

因此， 6.5級(jí)以下地震伴有地表破裂從理論上是可能的。當(dāng)然， 并非6.5級(jí)以下地震就一定伴有地表破裂， 且并被準(zhǔn)確記錄下來； 甚至一些7級(jí)以上的地震也不一定伴有地表破裂。粗略估計(jì)， 全球平均每年發(fā)生5～6.5級(jí)地震約300次(Engdahletal.， 2002)， 如果按20%(可能偏高)的概率計(jì)算， 那么平均每年產(chǎn)生地表破裂的中等震級(jí)地震約60次， 根據(jù)本文不完全統(tǒng)計(jì)平均每年記錄且被發(fā)現(xiàn)中小震級(jí)產(chǎn)生地表破裂的地震約1次。那么， 伴有地表破裂的中小震級(jí)地震能被記錄和發(fā)現(xiàn)的年概率約為1.5%。 這其中受許多因素控制， 其中主要因素包括震級(jí)強(qiáng)度、 震源深度、 發(fā)震斷層特征、 場地效應(yīng)、 構(gòu)造環(huán)境和斷裂摩擦強(qiáng)度或弱化程度等(圖5)； 次要因素則受觀測條件以及觀測偏差的限制。

圖3 震級(jí)MW與震源深度關(guān)系圖Fig. 3 The relationship between magnitude(MW)and focal depth.插入圖為震源深度頻率直方圖

3.1 理論分析

3.1.1 震源深度

對(duì)于產(chǎn)生小破裂帶的中小強(qiáng)度地震， 其破裂長度與震源深度有著密切的關(guān)系(Clarketal.， 2014)。將統(tǒng)計(jì)中有震源深度記錄的52個(gè)地震事件的震源深度與震級(jí)MW進(jìn)行投點(diǎn)(圖3)， 震源深度則盡量采用地方臺(tái)網(wǎng)定位， 同時(shí)在此基礎(chǔ)上給予±2km的誤差范圍。地震震級(jí)則使用矩震級(jí)MW， 由于一些地震的MW震級(jí)不明確， 因此給以±0.2的誤差值。統(tǒng)計(jì)的地震中震源深度都分布在15km之內(nèi)， 而Wright等(2013)通過對(duì)78個(gè)>5.5級(jí)的產(chǎn)生同震地表破裂的地震震源深度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)， 大陸地震的震源深度平均分布在 (14±5)km， 其中逆沖型地震平均深度略淺一些， 但也達(dá)到10km左右。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)中產(chǎn)生地表破裂的中強(qiáng)度地震的震源深度都比其平均值淺， 其中逆沖型地震的平均深度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)<10km。由于樣本數(shù)量和震源深度的精度因素， 本文并未給出震源深度與地表破裂的定量關(guān)系。但是， 可以定性地看出震源深度較淺是中小強(qiáng)度地震產(chǎn)生地表破裂的一個(gè)重要因素。

圖4 震源深度對(duì)地表破裂的控制示意圖Fig. 4 The diagram illustrating the control of focal depth on the surface rupture.灰色圓表示事件A， B， C的地震破裂范圍， 插入圖為震級(jí)與地下破裂長度的關(guān)系(Wells et al.， 1994)

圖5 中小地震伴生地表破裂的控制因素示意圖(改自Aagaard， 2004)Fig. 5 The diagram of controlling factors of small-middle magnitude earthquake associated with surface rupture(modified after Aagaard， 2004).a 震源深度對(duì)產(chǎn)生地表破裂的影響： 相比于其他事件， a中事件的震源深度較深， 地震能量由于斷盤間摩擦而逐漸衰減， 最終不足以克服上覆巖體的抗剪切能力， 使破裂未能破至地表； b 發(fā)震斷層樣式對(duì)地表破裂的影響： 事件b中斷層向兩側(cè)擴(kuò)散， 在地表形成左右2段破裂； c 破裂傾角對(duì)地表破裂的影響： 斷層傾角較小， 地表破裂在地表集中出現(xiàn)， 破裂長度較小； d 斷層幾何形狀對(duì)地表破裂的影響： 斷層幾何形狀使其不能破裂至地表； e 場地條件對(duì)地表破裂的影響：上覆松散的土層， 可塑性較強(qiáng)， 對(duì)地震能量起到吸收作用， 斷層在地貌上僅表現(xiàn)為褶皺、 鼓包等現(xiàn)象； f 斷裂帶弱化對(duì)地表破裂的影響：多次的活動(dòng)或地質(zhì)流體對(duì)斷裂帶長期的弱化， 使斷裂帶處于亞失穩(wěn)狀態(tài)， 微弱的震動(dòng)則可能導(dǎo)致次生斷層的產(chǎn)生， 從而誘發(fā)地震產(chǎn)生地表破裂

圖6 摩擦本構(gòu)關(guān)系中(a-b)[=VdTSS(V)/dV/(σn-P)]隨深度的變化分布(改自Rice， 1993)Fig. 6 Depth-variable distribution of rate-dependency(a-b)[=VdTSS(V)/dV/(σn-P)] in frictional constitutive relationship(modified after Rice， 1993).

3.1.2 發(fā)震斷層特征

發(fā)震斷層特征是控制地表破裂長度的一個(gè)重要因素， 其中主要包括發(fā)震斷層的傾角、 幾何形狀等(圖5c， d)。Aagaard等(2004)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)， 隨著發(fā)震斷層傾角的變陡， 滑移角降低， 其伴生的地表破裂長度變長； 相反， 傾角越緩， 滑移角增加， 其地表破裂長度則變小。因此， 即使地震震級(jí)較小， 如果發(fā)震斷層傾角合適， 也會(huì)在地表產(chǎn)生破裂。

3.1.3 近地表巖石強(qiáng)度和地形等場地效應(yīng)

在長期的地質(zhì)演化過程中， 不同地區(qū)的地質(zhì)情況是存在差異的， 而地震斷層在不同介質(zhì)條件中破裂的擴(kuò)展能力也是不同的。公認(rèn)的摩擦本構(gòu)關(guān)系的深度剖面中， 在近地表0～3km深度區(qū)段， 斷裂面的剪切運(yùn)動(dòng)的習(xí)性表現(xiàn)為對(duì)地震破裂這樣的快速剪切運(yùn)動(dòng)， 多為速度強(qiáng)化， 而深度3～14km是速度弱化， 在脆韌性轉(zhuǎn)換帶之下又是速度強(qiáng)化的(圖6)， 而速度弱化一般對(duì)應(yīng)于地震破裂高速滑動(dòng)現(xiàn)象。速度強(qiáng)化區(qū)不利于地震破裂的擴(kuò)展。與深部由于高溫而韌性變形為主的速度強(qiáng)化在機(jī)制上不一樣， 近地表的速度強(qiáng)化區(qū)與圍壓較小有關(guān)， 而近地表如果有厚度較大(數(shù)千米)、 未固結(jié)沉積蓋層， 因剪切模量小速度強(qiáng)化的趨勢進(jìn)一步疊加增強(qiáng)。破裂進(jìn)入這樣的速度強(qiáng)化區(qū)后剪切運(yùn)動(dòng)或快或慢地轉(zhuǎn)化為松散物顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的、 一定寬度的、 大波長、 彌散式變形。如1976年的唐山7.8級(jí)地震， 由于華北平原上覆蓋了數(shù)十到數(shù)千米的第四紀(jì)沉積蓋層， 而使斷層破裂很難到達(dá)地表， 因此如此大震級(jí)的地震， 地表也僅出現(xiàn)了8km的地表破裂(龍峰， 2006)。

此外， 地表地形起伏對(duì)于地震破裂在近地表的衰減有影響， 特別是逆沖型地震破裂中該效應(yīng)較明顯。比如， 在2008年汶川地震地表破裂的填圖中發(fā)現(xiàn)， 前山斷裂(彭灌斷裂)的某些區(qū)段上， 地表破裂在橫切溝谷或地形低洼的地方有明確的陡坎， 而在緊鄰的山脊上卻沒有明顯的陡坎。如彭灌斷裂破裂南端的磁峰鹿坪村、 通濟(jì)澗安村和北端的漢旺、 綿竹泉新村和雎水等尾端數(shù)千米的區(qū)段。同樣地， 北川斷裂地表破裂的南、 北尾端區(qū)， 地表破裂或陡坎實(shí)際上是斷續(xù)展布， 發(fā)育在溝谷底的幾率大于在山脊(劉靜等， 2008)。地表地形效應(yīng)在破裂的兩端比中部明顯， 可能與近地表同震位移量大小有關(guān)， 也可能還疊加有破裂速率大小的控制。即使在破裂中部這樣的部位， 破裂在穿過低平的河谷時(shí)， 發(fā)育連續(xù)展布的地表破裂， 如虹口深溪溝和北川擂鼓等山間河谷盆地， 而一旦進(jìn)入山地和陡坡， 數(shù)米或數(shù)十米以外則消失難以連續(xù)追蹤(劉靜等， 2010)。雖然不能完全排除山脊陡坡上有地表破裂只是觀測有限的可能， 但更可能的是在山脊等高地形區(qū)由于地形高差大， 破裂快速衰減成彌散狀寬的形變帶， 而非集中式陡坎的形式。該地形效應(yīng)對(duì)古地震探槽位置的選取有重要啟發(fā)。比如， 在地形低洼的溝谷開挖探槽要優(yōu)于山脊等高地形位置， 后者可能會(huì)由于缺乏不連續(xù)變形而造成事件無法識(shí)別。或許這一事件缺失的幾率在走滑型破裂中較小， 但在逆沖型地震的古地震研究中應(yīng)該考慮。地形和沉積層等場地效應(yīng)對(duì)地震波的傳播、 衰減和疊加共振放大等機(jī)制和預(yù)測研究較多， 但這些場地效應(yīng)對(duì)破裂的影響和具體機(jī)制卻少有研究。

3.1.4 構(gòu)造環(huán)境和斷裂弱化程度

地震斷層的破裂更容易在先存構(gòu)造上繼承性活動(dòng)， 而不是產(chǎn)生新的構(gòu)造(Armijoetal.， 1989)。多期次的地震活動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致斷層帶上斷層泥的形成和積累， 從而弱化破裂帶的摩擦系數(shù)， 降低靜態(tài)屈服強(qiáng)度， 使小震級(jí)的地震也會(huì)引起地表破裂(Rechesetal.， 2010)。如2006年5月24日MW5.4墨西卡利地震， 在此之前曾被劃為之前地震的地下破裂帶， 此次地震造成了>2km的同震地表破裂， 垂向位移最大為20～30cm， 最大水平位移為2～4cm。

流體的參與可以降低斷層圍巖的抗剪強(qiáng)度， 從而更容易產(chǎn)生地表破裂。如美國加利福尼亞州Brawley地區(qū)， 其周圍有許多地?zé)崽铮?熱液流體沿著區(qū)域先存構(gòu)造遷移， 弱化了該區(qū)域巖石的摩擦系數(shù)， 因此該區(qū)域常有小震級(jí)地震伴有地表破裂出現(xiàn)， 并且這些小震震源深度與地?zé)嵩瓷疃认辔呛?Johnsonetal.， 1976)。如1975年1月23—31日Brawley Valley發(fā)生一系列地震， 其中最大震級(jí)為ML4.7， 震源深度4～8km， 地震沿著先存陡坎造成了數(shù)千米的構(gòu)造裂縫(Sharp， 1976)。

弱化的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境很容易受其他地震誘發(fā)而產(chǎn)生地表破裂， 如南加利福尼亞州索爾頓湖(Salton Sea)地區(qū)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜， 整個(gè)地區(qū)分布有多個(gè)活動(dòng)斷裂體系， 包括San Andreas 斷層、 Superstition Hill 斷層、 Imperial 斷層、 Elsinore斷層等。由于該區(qū)域頻繁的地震活動(dòng)， 使其伴生的許多拉張型次級(jí)斷層常年處于亞失穩(wěn)狀態(tài)， 受周圍其他大震的誘發(fā)， 很容易產(chǎn)生區(qū)域上一些尺度較小的地表破裂。在過去的50a間， 該區(qū)域至少有8次， 斷裂體系中多條斷裂受附近其他地震誘發(fā)而產(chǎn)生了微弱構(gòu)造破裂和數(shù)cm到數(shù)mm的位移滑動(dòng)， 包括1992年Landers地震(Rymer， 2000)、 1999年 Hector Mine 地震(Rymeretal.， 2002)、 2010 年El Mayor Cucapah 地震(Weietal.， 2011)等。

3.2 觀測條件或觀測偏差

中國是一個(gè)地震多發(fā)的國家， 盡管中強(qiáng)地震伴生地表破裂有著不低的發(fā)生概率， 但在國內(nèi)卻鮮有發(fā)現(xiàn)<6.5級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂， 除以上因素對(duì)地表破裂的控制外， 還有一些觀測條件或觀察偏差的影響， 比如地形的限制、 人為意識(shí)、 地震滑動(dòng)位移較小等： 1)地形限制。地震發(fā)生位置是地表破裂觀測的一個(gè)重要因素， 如果地表破裂位于山區(qū)地帶， 若該區(qū)崎嶇陡峭， 且常年植被覆蓋， 人跡很難到達(dá)， 則會(huì)給地表調(diào)查帶來很大的難度。2)認(rèn)識(shí)水平的制約。中國地震地表調(diào)查興起于20世紀(jì)90年代以后， 在這之前， 地震研究人員對(duì)地表破裂調(diào)查意識(shí)淡薄， 對(duì)中小級(jí)地震產(chǎn)生的地表破裂沒有引起重視， 更沒有刻意去進(jìn)行精細(xì)調(diào)查。在地表破裂的判別上， 如區(qū)分地震次生裂隙和同震破裂的經(jīng)驗(yàn)較少。隨著中國活動(dòng)斷裂和地震地質(zhì)研究水平的發(fā)展， 現(xiàn)在已有改觀， 一次中強(qiáng)地震之后， 是否伴有地表破裂已成為震后野外調(diào)查中的一項(xiàng)常規(guī)研究內(nèi)容。3)微弱滑動(dòng)位移。中小地震往往伴隨著微弱的滑動(dòng)位移， 因此在地表的表現(xiàn)可能為一些很小的地表裂縫， 一方面很難將其位移準(zhǔn)確測量， 另一發(fā)面則很容易與其他地表裂隙相混淆， 如果調(diào)查者沒有豐富的調(diào)查經(jīng)驗(yàn)， 則很難將其識(shí)別出來。4)其他因素。比如下雨、 人為改造、 調(diào)查者的仔細(xì)程度等都會(huì)影響地表破裂的識(shí)別。

4 討論

這些伴有或可能伴有地表破裂的56次全球范圍地震事件中， 至少有35個(gè)明確記錄的同震位移事件(附表)， 這些事件的震級(jí)范圍為M3.6～6.5， 而伴有的同震地表破裂長度也從數(shù)百米到數(shù)十千米不等， 可以看出5級(jí)左右甚至更小的地震可以伴有地表破裂。通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理， 對(duì)中小震級(jí)事件伴有地表破裂的控制因素進(jìn)行了討論， 其中地震震級(jí)強(qiáng)度與地表破裂有關(guān)， 許多學(xué)者已做過相應(yīng)研究(Welllsetal.， 1994； Leonard， 2010； Clarketal.， 2014)， 因此筆者未進(jìn)行單獨(dú)探討。另外將一些由構(gòu)造蠕滑， 誘發(fā)破裂等事件也進(jìn)行了列舉， 表明中小地震伴有地表破裂也可以為其他因素所產(chǎn)生， 在地表野外調(diào)查中應(yīng)注意區(qū)分， 若其在探槽中得以保存， 應(yīng)進(jìn)行多個(gè)探槽對(duì)比研究。

本文在收集已有小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂案例的基礎(chǔ)上， 試圖討論可能產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí)， 以提醒研究者關(guān)注中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的可能性。國外已經(jīng)報(bào)道出許多此類地震， 而中國大陸卻寥寥無幾。一方面，M5～6范圍內(nèi)的地震伴有的地表破裂往往較微弱， 有的地震同震位移僅僅為數(shù)cm， 地表上也僅僅表現(xiàn)為一系列不連續(xù)的破裂縫， 震后很難將其識(shí)別出來。另一方面受觀測條件(地形， 下雨， 滑坡等)的影響， 研究人員很難接近破裂所在地區(qū)或破裂很難被保存。此外， 更重要的是同震地表破裂在很早之前沒有引起國內(nèi)大多地震學(xué)家們的注意， 中小地震引起的地表破裂則更是忽略不計(jì)， 因此在野外并沒有有意識(shí)地進(jìn)行系統(tǒng)的精細(xì)填圖， 對(duì)于微弱位移量的地表破裂也未刻意地進(jìn)行找尋， 所以在此方面資料極其缺乏。而近年來， 隨著意識(shí)以及測量手段的逐漸提高， 越來越多的中強(qiáng)震級(jí)伴有地表破裂的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。因此對(duì)地表破裂進(jìn)行多手段、 多批次的震后準(zhǔn)確測量， 是地表破裂調(diào)查的重要方向。

古地震研究中探槽所揭示事件的震級(jí)大小往往難以確定， 因此一般基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律認(rèn)為能夠在古地震探槽中被記錄的古地震的震級(jí)均在MW6.5之上(McCalpin， 2009)， 將同一探槽中不同的古地震事件當(dāng)作是震級(jí)相同或相似的特征地震， 并依據(jù)這樣的地震序列給出古地震的復(fù)發(fā)間隔。如果伴有地表破裂的地震震級(jí)小到5級(jí)左右甚至更低， 那么事件震級(jí)判斷則可能出現(xiàn)偏差。盡管目前國內(nèi)古地震探槽研究中漏記事件、 記錄不完整問題更為普遍(冉勇康等， 1999； 劉靜等， 2007)， 而把中等震級(jí)事件假定為大事件的可能性較小， 但隨著古地震研究程度的不斷提高， 探槽選址中沉積層序的詳細(xì)度不斷重視(劉靜等， 2007； 冉勇康等， 2012)， 我們在利用探槽開展古地震研究時(shí)， 不能忽視小事件產(chǎn)生地表破裂的可能性， 應(yīng)正確評(píng)價(jià)古地震震級(jí)和復(fù)發(fā)間隔時(shí)間， 以減小地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的不確定性。

5 結(jié)論

通過對(duì)已有小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂案例的收集統(tǒng)計(jì)和對(duì)影響小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的因素進(jìn)行討論， 主要認(rèn)識(shí)如下：

(1)伴有地表破裂地震的震級(jí)下限可能在5級(jí)左右， 極端情況下震級(jí)甚至可以低至3.6級(jí)。

(2)小震級(jí)地震是可以產(chǎn)生地表破裂的， 但并非所有<6.5級(jí)地震都可以產(chǎn)生地表破裂， 仍然受許多因素控制， 包括震源深度、 發(fā)震斷層特征、 場地效應(yīng)、 斷裂弱化程度以及觀測條件或觀測偏差等， 其中震源深度較淺是一個(gè)比較重要的原因。

(3)盡管中小強(qiáng)度震級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂的規(guī)模與概率， 相比于大地震都相對(duì)較小， 但不能絕對(duì)地否定其存在， 從而忽視古地震探槽中揭示中等震級(jí)地震事件的可能性。

致謝 感謝中國地震局地質(zhì)研究所肖萍博士、 王偉博士、 李翠平碩士在文章修改過程中的幫助， 以及審稿人提出的寶貴意見和建議。

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ANALYSIS ABOUT THE MINIMUM MAGNITUDE EARTHQUAKE ASSOCIATED WITH SURFACE RUPTURES

TANG Mao-yun1)LIU Jing1)SHAO Yan-xiu1，2)WANG Peng1)YUAN Zhao-de1，3)

1)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China2)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China3)ChinaEarthquakeDisasterPreventionCenter，Beijing100029，China

small-medium size magnitude， surface ruptures， the lower limit of magnitude， earthquake events statistics

10.3969/j.issn.0253- 4967.2015.04.020

2014-07-21收稿， 2015-01-11改回。

中國地震局地震行業(yè)專項(xiàng)(201308012)、 國家杰出青年科學(xué)基金(41225010)和地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(LED2014A02)共同資助。 *通訊作者： 劉靜， 女， 研究員， 電話： 010-62009018， E-mail： liu-zeng@ies.ac.cn。

P315.2

A

0253-4967(2015)04-1193-22

唐茂云， 男， 1990年生， 2015年在中國地震局地質(zhì)研究所獲構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位， 電話： 010-62009041， Email： tmylzy@foxmail.com。