呼和浩特市主要活動斷裂未來危險性評價
——以大青山山前斷裂為例

李彬

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局， 呼和浩特 010010)

呼和浩特市主要活動斷裂未來危險性評價
——以大青山山前斷裂為例

李彬

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局， 呼和浩特 010010)

通過對呼和浩特市活動斷層地震危險性評價的技術(shù)途徑、目標(biāo)區(qū)內(nèi)主要斷裂的活動特征的綜合分析，確定目標(biāo)區(qū)內(nèi)主斷裂未來可能發(fā)生的最大震級；采用“時間相依”大陸模型、BPT模型及河套模型，對目標(biāo)區(qū)內(nèi)斷裂進行地震危險性的綜合評估。結(jié)果表明，呼和浩特段的發(fā)震危險性高于畢克齊段，在未來100年均具有較高程度的發(fā)震危險性，其潛在地震的最大震級均為MS7.2。

活動斷層；地震危險性；地震；呼和浩特市

0 引言

20世紀(jì)90年代后期，日本、土耳其和我國臺灣等地區(qū)相繼發(fā)生了多次城市直下型地震，其災(zāi)害之嚴(yán)重引起了高度重視，為了減輕城市地震災(zāi)害，保障人民生命財產(chǎn)安全，保持社會穩(wěn)定和經(jīng)濟建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，提出了“大城市活斷層探測與地震危險性評價”項目。城市活斷層探測工作的主要目標(biāo)之一就是對目標(biāo)區(qū)內(nèi)第四紀(jì)活動斷裂的未來地震危險性進行定量評價，需要解決的問題主要包括有：各斷裂(段)未來是否可能發(fā)生破壞性地震、可能發(fā)生多大震級的地震、發(fā)震的可能性(即發(fā)震概率)大小如何等。

近年來，隨著對活動構(gòu)造與古地震以及地震孕震機制認(rèn)識的深入，人們在地震危險性定量評價方面逐步取得了一定的進展。20世紀(jì)80年代以前，對地震危險性的概率評估大多采用指數(shù)分布、正態(tài)分布、高斯分布、威布爾分布、伽馬分布等概率模型。由于用于建立地震復(fù)發(fā)間隔分布的樣本不足，這些評估結(jié)果會帶有較大的人為不確定性。1987年，Nishenko等以環(huán)太平洋地震帶不同斷裂特征地震復(fù)發(fā)間隔的歸一化函數(shù)值為統(tǒng)計樣本，擬合求得了該帶特征地震復(fù)發(fā)間隔的概率分布密度函數(shù)，即NB模型[1]。這一模型的建立初步解決了個別震源區(qū)用于建立地震復(fù)發(fā)間隔分布的樣本不足問題。該模型自提出就得到了地質(zhì)學(xué)家的十分重視，并在地震潛勢概率評估中加以完善、改進和應(yīng)用。由于NB模型建模的理論依據(jù)和地質(zhì)依據(jù)不夠充分，國外一些研究者從物理機制出發(fā)，探討大地震復(fù)發(fā)時間概率分布模型，并提出了BPT新模型[2]。1999年聞學(xué)澤利用中國大陸的歷史地震資料借鑒NB模型建模思路提出了中國大陸活動斷裂段破裂地震復(fù)發(fā)間隔的概率分布密度函數(shù)(以下簡稱大陸模型)[3]，用以評估大陸活動斷裂段破裂的地震潛勢。由于大陸模型沒有區(qū)分區(qū)域地質(zhì)特點，BPT模型的參數(shù)選取可能存在不確定性，陳立春利用地質(zhì)構(gòu)造條件基本一致(邊界主要活動斷裂都是典型的正斷層)的河套斷陷帶與京西北盆鄰構(gòu)造區(qū)內(nèi)的各活動斷裂段的古地震資料，建立了強震復(fù)發(fā)間隔的概率分布模型(以下簡稱河套模型)[4]，并計算了河套斷陷帶西部幾條主要斷裂的地震危險性。

由于自然現(xiàn)象的復(fù)雜性和人類認(rèn)識能力的極為有限性，地震危險性定量評估的技術(shù)思路、方法原理以及評估結(jié)果都還存在較多的問題和不確定性[5-6]。因此，本文選擇呼和浩特市第四紀(jì)構(gòu)造活動較強地區(qū)，采用大陸、BPT及河套等多種模型，對目標(biāo)區(qū)內(nèi)大青山山前斷裂的呼和浩特段和畢克齊段進行地震危險性的綜合評估，同時，探求當(dāng)前技術(shù)水平條件下對這類地區(qū)未來地震危險性定量評估最合適的解決方法。

1 呼和浩特市活動斷層地震危險性評價的技術(shù)途徑

呼和浩特市需要進行地震危險性評價的斷層主要是大青山山前斷裂。該斷裂西起包頭市以南的昭君墳，呈NE方向過黃河經(jīng)麻池，而后轉(zhuǎn)為近EW向通過包頭市東河區(qū)，向東沿大青山南麓延伸，止于呼和浩特市以東的奎素一帶，總體走向為NEE，全長約200 km，是呼和浩特—包頭(呼包)凹陷的北邊界斷裂。斷裂在地表基本連續(xù)出露，由一系列階狀正斷層組成，具有左旋走滑分量，斷面南傾，地表傾角較陡，約50°～70°，到深部變緩為45°～65°之間，總體呈鏟狀。根據(jù)影像分析、野外地貌調(diào)查、中淺層地震勘探和聯(lián)合剖面鉆孔等多種探測研究結(jié)果以及地震活動特征，大青山山前斷裂的最新活動時代為全新世。

對于晚更新世以來有過活動的斷裂，特征地震與活動構(gòu)造的研究表明：產(chǎn)生地表破裂的破壞性強烈地震(震級MS一般大于6.5級)往往沿斷裂或其某些特定的段落呈一定規(guī)律的原地重復(fù)發(fā)生。因此，如果能準(zhǔn)確確定活動斷裂的位置、劃分活動斷裂的段落、確定沿該斷裂或其活動段落地震重復(fù)發(fā)生的規(guī)律以及最后一次事件的離逝時間，就可以計算該斷裂或活動段落在未來某個時段內(nèi)發(fā)生強震(震級MS一般大于6.5級)的可能性及其大小。但由于單一斷裂或活動段落的地震事件數(shù)量極少，故如何準(zhǔn)確估算地震沿活動斷裂或其某些段落原地重復(fù)發(fā)生的規(guī)律以及如何獲取可靠的斷裂活動定量參數(shù)等，一直是活動斷裂未來地震危險性評價需要探索和深入的課題。

結(jié)合呼和浩特市目標(biāo)區(qū)內(nèi)主要斷裂活動特點、活動構(gòu)造定量研究與應(yīng)用的一些最新成果[6]，并參考聞學(xué)澤研究員提出的“福州盆地主要斷裂的地震危險性評價”技術(shù)路線[7]，呼和浩特市活動斷層地震危險性評價擬采取的總體技術(shù)思路如圖1所示。

圖1 呼和浩特市活斷層地震危險性評價的技術(shù)線路途徑

2 主要斷裂活動性參數(shù)

大青山山前斷裂晚更新世以來的活動在空間分布上具有明顯的不均勻性。前人對該斷裂的分段性研究有3種不同的方案[8-10]。作者經(jīng)過詳細(xì)比較分析，采用冉勇康等[10]根據(jù)約2.2萬年以來已揭露的22次古地震事件所反映的段落特征，以及斷裂幾何分布、第四系沉降中心和隱伏凸體分布特征等，將大青山山前斷裂劃分為5段(表1，圖2)， 這也是被認(rèn)為是較普遍接受的結(jié)果。本文主要研究的是其中的畢克齊段和呼和浩特段。大青山山前斷裂呼和浩特段所揭露的古地震事件中推測的最大同震位移約1.65 m,畢克齊段所揭露的古地震事件中估計的同震位移為1.5 m左右；同時，通過斷層位移量限定法和多探槽校驗法，對大青山山前斷裂已揭露的古地震事件的完整性進行的判定表明，呼和浩特段1.9萬年以來晚第四紀(jì)斷裂段的大地震活動歷史基本完整，而在畢克齊段2.2萬年以來是不完整的。大青山山前斷裂晚更新世以來的位移速率大致為：中部的3個段4.75～6.46 mm/a，呼和浩特段2.4～3.5 mm/a，包頭以西為2.4～3.4 mm/a[8]。

表1 距今約2.2萬年以來大青山山前斷裂的分段結(jié)果及古地震事件

注： > 表示之前；=>表示之前,但很接近；< 表示之后； <= 表示之后，但很接近； ± 表示附近

圖2 大青山山前斷裂平面展布及分段示意圖(據(jù)冉勇康等[10]修改)

3 主要斷裂未來地震危險性評價

3.1 主要斷裂潛在地震的最大震級評估

3.1.1 評估原則

對大青山山前斷裂呼和浩特段和畢克齊段潛在地震的最大震級評估采用如下原則和方法：①斷層(段)潛在地震的最大震級參考所在地震區(qū)、帶的震級上限；②根據(jù)歷史地震重復(fù)性，斷層(段)潛在地震的最大震級不應(yīng)低于該區(qū)段內(nèi)歷史最大地震的震級，或不能低于該區(qū)段歷史遭受最大烈度影響的相應(yīng)震級；③采用適合于研究區(qū)活動斷層的M-L(地震震級—地表破裂長度)經(jīng)驗公式、M-D(震級—同震位移)經(jīng)驗關(guān)系式等，估算目標(biāo)區(qū)內(nèi)斷層(段)潛在地震的最大震級。

3.1.2 具體方法

由于研究區(qū)內(nèi)斷層樣本及相應(yīng)的歷史地震比較少，無法擬合小區(qū)域范圍內(nèi)的M-L經(jīng)驗公式、M-D經(jīng)驗關(guān)系式。因此，采用前人總結(jié)的經(jīng)驗關(guān)系式(表2),對區(qū)內(nèi)的大青山山前斷裂呼和浩特段和畢克齊段潛在地震的最大震級進行評估。然后以上述估值為基礎(chǔ)，根據(jù)公式的適用性、斷層(段)地震地質(zhì)特征等方面的分析判斷估值的合理性，給出最后的合理取值。

表2 選取的潛在地震最大震級評估經(jīng)驗公式

注：M—面波震級；MW—矩震級；M0—地震矩；D—同震平均位移/km；L—破裂長度/m

3.1.3 估算結(jié)果與討論

采用上述經(jīng)驗公式，估算了大青山山前斷裂呼和浩特段和畢克齊段潛在地震的最大震級的初步結(jié)果(表3),以此為基礎(chǔ),討論估值的合理性和最終取值。

表3 各斷層(段)潛在地震最大震級的估值

從表3各個經(jīng)驗公式的估值看,存在一定誤差范圍,雖然取了均值,但是不能完全消除其誤差范圍。這里，綜合公式的適用性、斷層(段)地震地質(zhì)特征等方面的分析判斷估值的合理性，給出最后的合理取值。

表2中，經(jīng)驗公式1的統(tǒng)計資料基本上是地表破壞性非常強烈的典型震例,且走滑分量較大,而大青山山前斷裂活動的走滑分量與傾滑分量相比很小, 因此由其估計的最大震級結(jié)果可能偏大。同樣，經(jīng)驗公式3和4更適合于走滑斷層，對于基本上屬于傾滑性質(zhì)的斷層來說，其估計結(jié)果也可能偏大，但仍可作為參考。另外，大青山山前斷裂的呼和浩特段和畢克齊段與其土右旗西段(雪海溝—土右旗段)具有相當(dāng)?shù)目杀刃?。它們在大地?gòu)造上處于同一新構(gòu)造區(qū)，即河套斷陷帶內(nèi)，從屬同一斷裂帶，都為張性正斷性質(zhì)，全新世時期都發(fā)生過多次古地震事件。雖然斷裂的呼和浩特段和畢克齊段的長度(分別為46 km和49 km)大于土右旗西段(35 km)，但總體上，這2段在第四紀(jì)全新世時期的活動強度不及土右旗西段強烈[8]。大青山山前斷裂帶的全新世活動性研究中，由揭露的古地震事件及古地震遺跡表明，發(fā)生于公元849年河套地震的宏觀震中位于包頭東鋁廠至永富村一帶，地理坐標(biāo)約為北緯40.4°，東經(jīng)110.2°[17]。根據(jù)地理位置判定應(yīng)處于大青山山前斷裂的雪海溝—土右旗段(土右旗西段)上，由地震造成的地面破裂帶長度估算，震級應(yīng)為7.7級[17]。

綜合表3中的估計結(jié)果，并考慮公式的適用性、斷層(段)地震地質(zhì)特征等方面的分析，將呼和浩特段和畢克齊段未來潛在地震的最大震級都確定為MS7.2較為適宜。

3.2 主要斷裂(段)地震危險性評價

對于全新世活動斷裂，采用活斷層定量資料進行定量的、時間相依的概率評價時，首先要確定強震復(fù)發(fā)的概率模型。前述國內(nèi)外研究者提出了多種強震復(fù)發(fā)的概率模型?？紤]地質(zhì)構(gòu)造條件及模型的區(qū)域適用性，本評價采用大陸模型、BPT模型及河套模型，對目標(biāo)區(qū)內(nèi)大青山山前斷裂的呼和浩特段和畢克齊段進行地震危險性的綜合評估。

3.2.1 大陸模型

大陸模型用以評估中國大陸活動斷裂段破裂的地震危險性，其活動斷裂段破裂地震復(fù)發(fā)間隔的概率分布密度函數(shù)為[3]：

(1)

其中:μ=0.00，σ=0.24；為各斷裂段落強震復(fù)發(fā)間隔，Ta為平均強震復(fù)發(fā)間隔。

3.2.2BPT模型

BPT模型的基本理論是：應(yīng)力隨時間積累達到某個固定的極限水平Y(jié)f時，地震發(fā)生，應(yīng)力釋放、回跳至某個固定的基態(tài)水平Y(jié)o；應(yīng)力的積累過程可視為2部分，一部分以恒定速率積累(λt)，另一部分則為非恒速的隨機性積累(δW(t))，可描述為布朗運動。其中，W表示標(biāo)準(zhǔn)布朗運動。因此，應(yīng)力積累的狀態(tài)函數(shù)即可表示為Y(t)=λt+δW(t)，地震之間的間隔時間服從BPT分布，其模型的地震復(fù)發(fā)間隔的概率分布密度函數(shù)為[2]：

(2)

其中:T為各斷裂段落強震復(fù)發(fā)間隔，Ta為平均復(fù)發(fā)間隔，參數(shù)α直接取Ellsworth等建議的0.5[2]。

3.2.3 河套模型

該模型是對河套斷陷帶和京西北盆嶺構(gòu)造區(qū)一些主要的活動斷裂段落古地震事件的重復(fù)間隔，按照長間隔、短間隔進行分組整理，求取均一化值，然后再從統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)建立了僅適合河套斷陷帶的強震復(fù)發(fā)間隔概率分布模型。河套模型強震復(fù)發(fā)間隔的概率分布密度函數(shù)為[4]：

(3)

其中:T為各斷裂段落強震復(fù)發(fā)間隔，Ta為平均復(fù)發(fā)間隔。

應(yīng)用上述模型，評價目標(biāo)區(qū)全新世活動斷裂段未來某個時段內(nèi)可能強震的發(fā)震概率，有2種評估方法：①計算累積概率——自上次強震事件累積到現(xiàn)在的發(fā)震概率；②計算條件概率——在已知自最后1次強震事件到現(xiàn)在尚未發(fā)生強震的條件下，未來若干年內(nèi)(如100年)發(fā)生強震的概率。計算公式分別是：

(4)

(5)

這里，t為最后1次事件的離逝時間，Ta為平均復(fù)發(fā)間隔，Δt為預(yù)測的時段。

使用表1中大青山山前斷裂的呼和浩特段和畢克齊段的古地震數(shù)據(jù)，應(yīng)用公式(1)～(5)計算了這2個活動段落到目前的累積發(fā)震概率及未來100年發(fā)震的條件概率(表4)。盡管可能有人對使用古地震資料預(yù)測強震發(fā)生的概率產(chǎn)生疑問(主要是古地震資料的不確定性及精度問題)，但這種方法是在類似河套這樣缺乏歷史強震序列資料的地區(qū)，開展“時間相依”強震危險性評估的唯一途徑。

表4 呼和浩特段和畢克齊段至目前累積發(fā)震概率及未來100年發(fā)震條件概率

注: +表示大于，-表示小于。

雖然畢克齊段2.2萬年以來是不完整的，仍然對畢克齊段的發(fā)震概率進行了計算，以做參考。從表4看到，與畢克齊段比較，呼和浩特段的累積發(fā)震概率及未來100年內(nèi)發(fā)震的條件概率都是較高的。從具體數(shù)據(jù)分析，呼和浩特段的累積發(fā)震概率最大者近于100%，其條件概率為0.262～0.332，這些結(jié)果表明了該段未來100年內(nèi)具有發(fā)生強震(MS≥7.0)的危險性。

依據(jù)消逝率V的計算公式：

呼和浩特段V=1.677，畢克齊段V=1.046。表明了呼和浩特段和畢克齊段在未來100年內(nèi)具有“高”危險程度的發(fā)震危險性。畢克齊段因2.2萬年以來古地震事件的不完整性，其值僅做參考。

另外，從3種模型的發(fā)震概率的計算結(jié)果分析，大陸模型和河套模型所得結(jié)果相近，而BPT模型的計算結(jié)果與前2者相比則明顯偏小，這與陳立春[4]得到的認(rèn)識相類似，可能與BPT新模型包含的2個參數(shù)(即地震復(fù)發(fā)間隔平均值和準(zhǔn)周期值)，特別是所有地震復(fù)發(fā)序列都取準(zhǔn)周期值為0.5有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

1)目標(biāo)區(qū)內(nèi)的主要活動斷裂是大青山山前斷裂的畢克齊段和呼和浩特段，其最新活動時代為全新世，未來潛在地震的最大震級均為MS7.2。

2)使用古地震資料，利用 “時間相依”的幾種地震危險性分析概率模型計算分析，呼和浩特段和畢克齊段未來100年發(fā)生強震(MS≥7.0)的最大概率分別為0.262～0.332和0.07，可能發(fā)生的震級均為MS7.2；消逝率分析表明，呼和浩特段和畢克齊段在未來100年均具有較高程度的發(fā)震危險性，其中，呼和浩特段的發(fā)震危險性又高于畢克齊段。

3)需要說明的是，本評價采用了“時間相依”的幾種地震危險性分析概率模型計算，評價結(jié)果正確與否高度依賴于地震資料的準(zhǔn)確性。鑒于呼和浩特地區(qū)無確切的歷史強震資料，采用了古地震資料預(yù)測強震發(fā)生的概率，由于古地震資料的不確定性及精度問題，上述評估結(jié)果有待于進一步確認(rèn)。但這種方法是在類似河套這樣的缺乏歷史強震序列資料的地區(qū)，目前開展“時間相依”強震危險性評估的唯一途徑。

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Hohhot Main Active Faults Risk Assessment in the Future: Taking Daqingshan Piedmont Fault as an Example

LI Bin

(Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China)

The technology method of active faults seismic risk assessment in Hohhot city and the activity characteristic of the major faults in the target area are analyzed to find out the maximum magnitude of potential earthquake in the major active faults. Through technology method of seismic hazard assessment of active fault, and the comprehensive analysis of the main fracture characteristics of target zone, we determine the future possible maximum magnitude of fracture in the target area. Using “time dependent” mainland model, BPT model and Hetao model, the seismic risk of target zone fracture was assessed comprehensively. The results show that the Hohhot segment and the Biqeq segment have a high degree of seismic risk in the coming 100 annual average. Among them, the seismic risk of the Hohhot segment is higher than the Biqeq section, the maximum magnitude of potential earthquake isMS7.2.

active fault; risk of earthquake; earthquake; Hohhot

2016-07-29

李彬(1980—)，女，甘肅景泰人，工程師，從事工程地震等工作．E-mail：22187569@qq.com

P315.2

A

1003-1375(2017)02-0076-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.02.013

李彬．呼和浩特市主要活動斷裂未來危險性評價——以大青山山前斷裂為例[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(2):76-81.