1927年古浪8級(jí)大地震斷層面參數(shù)和滑動(dòng)性質(zhì)

劉白云 曾文浩 袁道陽(yáng) 李秋紅 陳文凱

1)蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，蘭州 730000

2)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，蘭州 730000

3)甘肅省地震局，蘭州 730000

0 引言

1927年古浪8級(jí)地震是繼1920年海原8.5級(jí)地震后發(fā)生在祁連山－河西走廊地震帶內(nèi)的又一特大地震。這次地震以甘肅古浪、涼州(今武威)受災(zāi)最重，受災(zāi)區(qū)域長(zhǎng)約600km，寬200km(顧功敘，1983)，其范圍東可達(dá)永登、寧朔，西可抵臨澤、高臺(tái)，北達(dá)民勤，南到蘭州一帶，死傷約10萬(wàn)人(國(guó)家地震局蘭州地震研究所，1989)。許多中、外地震學(xué)家都對(duì)這一地震的研究給予了極大的關(guān)注，但數(shù)十年來(lái)，在對(duì)發(fā)震構(gòu)造的認(rèn)識(shí)上一直存在著很大的爭(zhēng)議和分歧。周光等(1954)認(rèn)為，古浪地震地表破裂帶主要有1條，主體分布于冬青頂北麓的黃羊河與閘渠河之間，長(zhǎng)約15km，以NWW向張性破裂為主。賈云鴻等(1988)認(rèn)為，古浪地震形變帶主要由4條組成，分別是下方寨－寺兒溝形變帶、皇城－塔兒莊－雙塔地震形變帶、西山堡－黃羊川地震形變帶及磨咀子－中壩NNW向地震形變帶。侯康明(1998)認(rèn)為皇城－雙塔活動(dòng)斷裂的東段和武威－天?；顒?dòng)斷裂帶北段構(gòu)成了1927年古浪地震的主破裂帶。鄭文俊等(2004)認(rèn)為除了構(gòu)成古浪推覆體的皇城－雙塔斷裂冬青頂斷裂段以及武威－天祝隱伏斷裂以外還有天橋溝－黃羊川斷裂也為此次地震的發(fā)震斷裂之一?？傊瑢?duì)于此次地震的發(fā)震構(gòu)造還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

一般來(lái)說(shuō)，大地震發(fā)生后的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有大量小震在斷層面及其附近發(fā)生。因此，小震震源位置的空間分布可以較精確地勾畫出斷層面的形狀和位置。假定發(fā)震斷層可以用1個(gè)平面來(lái)模擬，且設(shè)大多數(shù)小震發(fā)生在此斷層面附近，則可以通過(guò)小震震源位置參數(shù)求解發(fā)震斷層的走向、傾角及位置(王鳴等，1992)。萬(wàn)永革等(2008)最初采用模擬退火全局搜索和高斯－牛頓局部搜索相結(jié)合的方法計(jì)算了唐山地震斷層面參數(shù)。此后，許多學(xué)者利用此方法研究了不同地區(qū)的歷史大震的斷層面參數(shù)(Zhou et al.，2010;劉白云等，2012，2014;曾憲偉等，2013)，為研究相應(yīng)地區(qū)未來(lái)強(qiáng)震的孕育發(fā)生規(guī)律及其預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

本研究根據(jù)成叢小震發(fā)生在大震斷層面附近的原則及參考前人的有關(guān)研究成果，采用1985—2012年發(fā)生在地震破裂區(qū)的精定位地震目錄，選定了震區(qū)地震相對(duì)密集成帶的2個(gè)長(zhǎng)條狀研究區(qū)域(分別用①，②表示)，將模擬退火算法和高斯－牛頓算法結(jié)合，給出了利用小震密集程度求解到的此次地震有關(guān)斷層面的走向、傾角和位置。并根據(jù)已有的局部應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)得到了斷層滑動(dòng)角及其誤差。

1 理論基礎(chǔ)

王澤皋(1985)通過(guò)對(duì)中國(guó)內(nèi)陸地區(qū)歷史上一些7級(jí)以上大震區(qū)地震活動(dòng)時(shí)、空、強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)許多大震區(qū)幾十年、幾百年乃至近千年，都還有不少小震活動(dòng)，從而提出了大震區(qū)的“長(zhǎng)期活動(dòng)”概念，認(rèn)為這是一種普遍現(xiàn)象。這是因?yàn)榇笳鸬恼鹪磾鄬油耆闲枰^長(zhǎng)時(shí)間，或多或少仍在繼續(xù)活動(dòng)。震后長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)震區(qū)處于應(yīng)力調(diào)整狀態(tài)，大量小震會(huì)沿著斷層面附近發(fā)生。這使得對(duì)于通過(guò)現(xiàn)今小震的活動(dòng)情況推斷歷史大震震源的狀況成為可能。近年來(lái)的研究表明，在具有長(zhǎng)期活動(dòng)的歷史大震區(qū)，可通過(guò)對(duì)現(xiàn)今小震震源位置群體特征和震源機(jī)制的研究，給出歷史大震震源斷層的位置及其在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)方式(劉瀾波等，1995;胡新亮，2002)。這種采用地震學(xué)分析，由眾多小地震資料反推震源斷層空間取向及其運(yùn)動(dòng)方式的嘗試，對(duì)于認(rèn)識(shí)歷史大震發(fā)震構(gòu)造、形成機(jī)制是有幫助的。然而以往這些研究結(jié)論只是大致給出了震源斷層空間取向及其運(yùn)動(dòng)方式等定性化結(jié)果，未給出確定斷層走向和傾角的誤差、斷層面位置及斷層滑動(dòng)角。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，計(jì)算速度越來(lái)越快。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出一些效率更高的反演算法，使得在求解1個(gè)超定非線性擬合問(wèn)題時(shí)，不僅能夠快速獲得最佳解，還可求得解的誤差范圍，從而對(duì)解進(jìn)行評(píng)價(jià)。萬(wàn)永革等(2008)首次將模擬退火算法和高斯－牛頓算法結(jié)合，利用小震密集程度求解了唐山地震主震斷層面走向、傾角、位置及其誤差，在此基礎(chǔ)上考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力參數(shù)，給出了估計(jì)在已求得的斷層面上的滑動(dòng)角的方法。其基本思路是，尋求1個(gè)平面，使所有小震震源位置到這個(gè)平面距離的平方和最小(王鳴等，1992)。建立目標(biāo)函數(shù)為所有小震到斷層面的垂直距離與觀測(cè)誤差比值的平方和:

尋找參數(shù)ρ、φ、δ的值，使得式(1)為最小值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)給定的局部應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)，可進(jìn)一步求出斷層的滑動(dòng)角。

根據(jù)小震密集程度確定斷層面所在位置，由于確定斷層段斷層參數(shù)的小震已分別確定，因此采用9O%的小震所在區(qū)域作為斷層面的位置似乎是合理的。這樣只有1O%的小震落在斷層面外的區(qū)域。因此，將最上面的2.5%小震的底邊界作為該斷層面的上邊界，將最深部發(fā)生的2.5%的小震的上邊界作為該大震斷層面的下邊界，將地震叢集最左端的2.5%小震的右邊界作為大震斷層面的左邊界，將地震叢集右端的2.5%小震的左邊界作為大震斷層面的右邊界。由此可以確定大震斷層面的4個(gè)頂點(diǎn)位置(萬(wàn)永革等，2008)。

2 資料的選取

2.1 地震資料的選擇

甘肅測(cè)震臺(tái)網(wǎng)始建于1970年，組建當(dāng)初臺(tái)站數(shù)量少，觀測(cè)儀器主要以模擬儀器為主。經(jīng)過(guò)“九五”、“十五”2次大規(guī)模的擴(kuò)建、改建，臺(tái)站儀器完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，目前臺(tái)站數(shù)量已達(dá)到44個(gè)，臺(tái)站布局也進(jìn)一步趨向合理。監(jiān)控能力進(jìn)一步提升，對(duì)大部分地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML2.5以上。資料的大大增加，為研究歷史地震的震源斷層狀況提供了基礎(chǔ)條件。另一方面，隨著地震精定位方法在地震學(xué)中的應(yīng)用(楊智嫻等，2003;朱艾斕等，2005)，小震定位精度越來(lái)越高，重定位后定位精度可＜1km，基本可以滿足地震構(gòu)造分析的需求。豐富的觀測(cè)資料以及較高的定位精度，使得采用小震的叢集性定量化描述深部活斷層幾何形態(tài)成為可能。中國(guó)地震局蘭州地震研究所馮建剛工程師曾利用Hyp2000定位程序?qū)?985—2012年甘肅測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的地震資料進(jìn)行了重新定位。Hyp2000定位法由于非?？粗匾蚪Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜而產(chǎn)生的誤差，它可以在震源區(qū)設(shè)立非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型。經(jīng)過(guò)對(duì)區(qū)域地質(zhì)作一定的研究后往往可以獲得大量的結(jié)構(gòu)信息，從這些結(jié)構(gòu)信息出發(fā)，預(yù)先構(gòu)制所需要的模型，可以提高定位的精度，因此可以反演出地震構(gòu)造的精細(xì)特征(李文軍，2004)。本研究采用馮建剛對(duì)1985—2012年甘肅測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的地震資料重新定位的地震目錄，考慮到震級(jí)＜2.0地震的隨機(jī)性較強(qiáng)，剔除了震級(jí)＜2.0的數(shù)據(jù)。根據(jù)小震叢集程度、震區(qū)斷層的分布、極震區(qū)的分布等，在1927年古浪8級(jí)地震震區(qū)范圍內(nèi)選擇了2個(gè)矩形區(qū)域的小震樣本反演此次地震震源斷層的幾何形態(tài)。

圖1 1927年古浪震區(qū)的小震(黑圓圈)分布、反演斷層走向和傾角所用的小震范圍(粗方框)Fig.1 Spatial distribution of small earthquakes(black circles)and the data selection areas(thick rectangles).

2.2 局部應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)的選擇

在研究地震震源機(jī)制和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系時(shí)，不僅需要知道應(yīng)力場(chǎng)P軸走向φp、俯角δp，T軸走向φT、俯角δT，還需引入表示主應(yīng)力相對(duì)大小的量R。卜玉菲等(2013)將甘肅及其鄰區(qū)劃分為 1°×1°的子區(qū)，利用甘肅及鄰區(qū)2001年以來(lái) 245個(gè)ML≥3.5地震的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，由多個(gè)震源機(jī)制解反演該區(qū)的平均應(yīng)力場(chǎng)，給出了覆蓋甘肅及鄰區(qū)的1°×1°的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向和相對(duì)大小。其中就包括我們研究的古浪地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和R值的大小?？紤]到8級(jí)大地震應(yīng)當(dāng)受大尺度構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，而古浪構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力方向在百年尺度上是穩(wěn)定的，我們選取了其研究結(jié)果中能代表該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)(表1)。

表1 古浪地震震源區(qū)局部應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)Table 1 Regional stress field of Gulang

3 計(jì)算結(jié)果及其分析

利用在斷層矩形區(qū)域內(nèi)選擇的小震事件(圖l)進(jìn)行反演，求得了2條斷層的走向、傾角、距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離、滑動(dòng)角及斷層的4個(gè)頂點(diǎn)位置(表2)。

表2 使用精定位小震資料反演得到的古浪8級(jí)地震斷層面走向、傾角和位置Table 2 Fault plane parameters determined using precisely located earthquakes

反演得到的斷層均為近直立的斷層(圖2c，3c)。由于被選擇用于反演斷層面的地震基本上沿?cái)鄬用娉蕦?duì)稱均勻分布，所以得到的小震距反演斷層面距離的分布頻度(圖2d，3d)也基本上均勻分布，表明大部分小震分布在所求斷層面的附近。

基于模擬退火算法和高斯－牛頓算法相結(jié)合，擬合出各震源斷層的幾何形態(tài)分別為:主震斷裂走向310°，其下界深度27km，上界埋深約為0km左右(圖2c)，表明該震源斷層已切穿地殼到達(dá)至地表。反演到該斷層段的滑動(dòng)角為4°，表明其滑動(dòng)性質(zhì)以左旋走滑為主兼具逆斷。其長(zhǎng)度約為87km，由西向東從皇城(37.97°N，102.00°E)延伸至冬青頂(37.50°N，102.69°E);次級(jí)斷裂走向210°，其下界深度22km，上界埋深約為5km左右(圖3c)，反演到該斷層段的滑動(dòng)角為－178°，表明其滑動(dòng)性質(zhì)為右旋正斷。其長(zhǎng)度約為21km，由南向北從天祝毛藏寺(37.49°N，102.21°E)延伸至祁連(37.64°N，102.33°E);反演得到的斷層面頂點(diǎn)位置見(jiàn)表2。

圖2 主震斷裂精確定位的小震分布在水平面(a)、斷層面(b)和垂直于斷層面的橫斷面(c)上的投影;(d)小震距斷層面距離的分布Fig.2 Distribution of precisely located small earthquakes near the western segment of the Gulang earthquake.

反演到的斷層①為古浪8級(jí)大地震的主干斷裂。另外，本研究首次發(fā)現(xiàn)在主干斷裂的中南部基于成叢小震也可以反演得到1個(gè)斷層面，認(rèn)為這可能是地震時(shí)震區(qū)整體發(fā)生了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)而在主干斷裂之上新發(fā)育的張性地震斷層。

4 深部構(gòu)造環(huán)境及發(fā)震機(jī)制討論

1927年古浪地震區(qū)處于祁連山NWW向褶皺帶北緣和武威－莊浪河NNW向構(gòu)造帶反接復(fù)合部位。震區(qū)主要出露古生界各種變質(zhì)砂巖、石英巖及各種碎屑巖等，加里東期花崗巖分布較廣泛。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

重力場(chǎng)資料顯示從祁連山西段到本區(qū)為1個(gè)NWW向的重力梯級(jí)帶，在武威以南急轉(zhuǎn)為NNW向，向南經(jīng)蘭州、岷縣，直到川西一帶(梁桂培等，1983)。甘肅西部地區(qū)莫氏面等深線也表明，祁連山北麓為一地殼厚度變異帶，它將全區(qū)分成東、西2大區(qū)，西區(qū)地殼厚度＞56km，最厚可達(dá)70km;東區(qū)地殼厚度僅40km多。可以推測(cè)“莫氏面”沿此變異帶產(chǎn)生了斷裂，斷幅大約為12±4km，這一推測(cè)斷裂的走向從西向東由NWW轉(zhuǎn)為NNW，而古浪地震恰好位于斷裂走向發(fā)生轉(zhuǎn)彎的部位，也就是變異帶扭曲彎轉(zhuǎn)的部位。據(jù)電磁測(cè)深資料(詹艷等，2008)，古浪地震區(qū)深部為“鼻煙壺”狀的高電阻體，高電阻體對(duì)應(yīng)奧陶紀(jì)變質(zhì)砂巖、石英巖和加里東期的花崗巖組成的巖性地層，這種剛性和整體性好的巖性條件，有利于彈性應(yīng)變能的積累。古浪地震震源區(qū)、西南側(cè)和上部區(qū)域?yàn)楦唠娮杪蕝^(qū)，北側(cè)和下部區(qū)域?yàn)榈碗娮杪蕝^(qū)，古浪地震發(fā)生在高阻區(qū)和低阻區(qū)的邊界并靠近高阻區(qū)域，位于電性結(jié)構(gòu)明顯呈臺(tái)階陡變的地帶。地震層析成像結(jié)果表明(李海鷗等，2011)，古浪震區(qū)為明顯的P波速度高異常區(qū)。具有積蓄應(yīng)變能并在地震事件中釋放應(yīng)變能的能力，為強(qiáng)震的孕育和發(fā)生提供了重要基礎(chǔ)，古浪8級(jí)地震則可能是這種高速區(qū)積累應(yīng)變能集中釋放的反映。

圖3 次級(jí)斷裂段精確定位的小震分布Fig.3 Distribution of precisely located small earthquakes near the secondary fault.符號(hào)與圖2相同

無(wú)論是從地球物理場(chǎng)資料還是從地球物理反演資料以及震區(qū)所處的構(gòu)造環(huán)境等方面來(lái)看，古浪震區(qū)均處于應(yīng)力最易集中的部位。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石圈承受能力時(shí)發(fā)生破裂，從而釀成了此次地震。

5 主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)

大地震的成因是很復(fù)雜的，研究震源狀況對(duì)于開(kāi)展地震預(yù)測(cè)是有意義的(郭安寧等，2010)。現(xiàn)代地震學(xué)研究結(jié)果認(rèn)為，淺源構(gòu)造地震的彈性振動(dòng)發(fā)源于地殼內(nèi)擴(kuò)展的剪切破裂面，這個(gè)不連續(xù)面稱為震源斷層。構(gòu)造斷層是巖層或巖體的1個(gè)或1組破裂面，沿破裂面兩側(cè)的巖層或巖體發(fā)生了顯著的相對(duì)位移，對(duì)于地震破裂而言是地質(zhì)歷史時(shí)期形成的先存斷裂。地震斷層則是強(qiáng)震區(qū)伴隨地震出現(xiàn)的地面破裂帶，是震源斷層延伸到地表的結(jié)果。華北地區(qū)的邢臺(tái)、唐山等強(qiáng)震區(qū)的深淺構(gòu)造關(guān)系的研究表明，次級(jí)斷層是在深部陡立的發(fā)震斷層的牽引下，淺部鏟形斷裂產(chǎn)生相應(yīng)的走滑或傾滑等調(diào)整運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物(邵學(xué)鐘等，1993)。因此，震源斷層、構(gòu)造斷層、地震斷層是既互相聯(lián)系又有一定區(qū)別的概念(高祥林等，1992;陳濤等，2012)。震源斷層更多地代表了地震斷層的深部情況。本文反演到的主震斷裂與地質(zhì)學(xué)認(rèn)為的古浪8.0級(jí)地震的發(fā)震斷裂，即皇城－塔兒莊斷裂走向近似平行，距離也很近。我們認(rèn)為破裂至地表的斷裂可能是反演到的震源斷層在深部動(dòng)力的牽引下破裂至地表的結(jié)果。因此，反演到的震源斷層代表的是深部發(fā)震情況，而地質(zhì)學(xué)認(rèn)為的發(fā)震斷裂應(yīng)該是震源斷層破裂至地表的反映。一般來(lái)說(shuō)，歷史地震等震線長(zhǎng)軸方位可較好地反映新生代活動(dòng)斷裂的走向和對(duì)地震活動(dòng)的控制(張杰等，2004)。本文反演到的斷層①位于此次地震等震線的最高烈度(Ⅺ度)圈內(nèi)(圖4)，也再次印證了本文反演到的震源斷層可能就是此次地震的深部控制構(gòu)造。

圖4 1927年古浪8級(jí)地震等震線圖與震源斷層之間的關(guān)系Fig.4 The relationship of focal fault and isoseismal map of the Gulang M8.0 earthquake in 1927.

另外，本研究首次發(fā)現(xiàn)在主干斷裂的中南部有1個(gè)小震成叢區(qū)，利用這些小震也能清晰地反演出1條斷裂，該斷裂是否在地表存在有待進(jìn)一步考證，認(rèn)為這可能是古浪地區(qū)在SW－NE向主壓應(yīng)力長(zhǎng)期不斷作用下，突然發(fā)生大地震導(dǎo)致震區(qū)塊體發(fā)生了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中在主干斷裂之上產(chǎn)生了新的張性斷裂。地球物理反演資料表明，古浪震區(qū)處于重力梯級(jí)帶和地殼厚度變異帶轉(zhuǎn)彎的部位以及電性結(jié)構(gòu)明顯呈臺(tái)階陡變的地帶和P波速度高異常區(qū)，屬于應(yīng)力最易集中的部位。當(dāng)應(yīng)力積累到一定程度時(shí)必然會(huì)發(fā)生能量的1次集中釋放，從而發(fā)生大地震。

與本區(qū)發(fā)生的海原8.5地震、昌馬7.6級(jí)地震相比，古浪地震的破裂帶顯得較短。這可能是因?yàn)楣爬说卣饘儆陔p斷交錯(cuò)型并以垂直運(yùn)動(dòng)為主，在地震時(shí)2條斷裂同時(shí)破裂，彼此都分解了一部分應(yīng)力，導(dǎo)致總的破裂長(zhǎng)度并不長(zhǎng)。另外，在主震斷裂的兩側(cè)存在著1組NNW向的斷裂，構(gòu)成了典型的障礙構(gòu)造，障礙構(gòu)造的存在對(duì)位移的分布具有明顯的制約作用。對(duì)位移量及位移方向的變化都有影響，對(duì)主干破裂在EW方向的擴(kuò)展具有明顯的終止作用(Gaudemer et al.，1995;侯康明，1998)。

前人對(duì)古浪地震的發(fā)震構(gòu)造認(rèn)識(shí)一直存在著很大的爭(zhēng)議。歷史大地震震區(qū)持續(xù)有小地震發(fā)生，是大震區(qū)長(zhǎng)期活動(dòng)的一種表現(xiàn)，屬于震源體附近地殼的繼承性活動(dòng)。因此，可以由這些小地震的群體特征來(lái)描述歷史大地震震源體的特征。這種采用地震學(xué)分析，由眾多小地震資料推測(cè)震源斷層空間取向及其運(yùn)動(dòng)方式的嘗試，對(duì)認(rèn)識(shí)此次地震的發(fā)震構(gòu)造是有益的。