鄂爾多斯地塊周緣應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析

梁向軍 王霞 宋美琴 陳慧

1)山西省地震局，太原 030021 2)太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原 030025

0 引言

鄂爾多斯塊體位于華北、華南和青藏高原東北緣3個(gè)陸塊的匯聚部位，處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)和祁連褶皺系2個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元之間。作為一個(gè)穩(wěn)定的塊體，鄂爾多斯塊體內(nèi)部地震活動(dòng)頻度和強(qiáng)度均低，但其周緣是一組具有活動(dòng)特色的正斷層系，有史料記載以來周邊地震活動(dòng)強(qiáng)烈(國家地震局，1988)。

鄂爾多斯周緣發(fā)育一系列的斷陷盆地和褶皺山系，其東西和南北兩側(cè)分別呈現(xiàn)出右旋和左旋剪切拉張?zhí)卣?鄧起東等，1999)。北緣為河套斷陷帶，可劃分為3個(gè)凹陷，即臨河凹陷、白彥花凹陷和呼和凹陷(李彥寶等，2015)。東緣為山西斷陷帶，平面上呈“S”型，總體走向NNE，由大小不等的NE、NEE走向的地塹或半地塹式盆地組成，自北向南右行斜列，依次為大同、忻定、太原、臨汾和運(yùn)城盆地。南緣為渭河斷陷帶，總體呈近EW向分布，由渭河、運(yùn)城、靈寶3個(gè)斷陷盆地及凸起和小型斷塊山地等構(gòu)造單元組成。西北緣為銀川-吉蘭泰斷陷帶，由銀川盆地、賀蘭山地壘和吉蘭泰盆地呈右行雁裂式排列組成(鄧起東等，1985)。西南緣(從寧夏南部中寧、中衛(wèi)一帶至陜西寶雞)是一條特殊性質(zhì)的邊界，其沒有發(fā)育拉張性質(zhì)為主的地塹式盆地，而是以一組向北突出的弧形斷裂為特點(diǎn)；這些弧形斷裂自第四紀(jì)以來以強(qiáng)烈的擠壓性質(zhì)及左旋走滑運(yùn)動(dòng)區(qū)別于鄂爾多斯邊緣的其它活動(dòng)斷裂(圖1)。

圖 1 鄂爾多斯周緣活動(dòng)斷裂和斷陷盆地分區(qū)及ML≥2.0地震分布①大同盆地；②忻定盆地；③太原盆地；④臨汾盆地；⑤運(yùn)城盆地；⑥渭河盆地；⑦同心-靈武段；⑧銀川盆地；⑨吉蘭泰盆地；⑩內(nèi)蒙磴口-五原段；白彥花凹陷；呼和凹陷

M7專項(xiàng)工作組(2012)在鄂爾多斯西緣和東緣劃定了5個(gè)未來十年及稍長時(shí)間7～8級(jí)地震潛在危險(xiǎn)區(qū)和值得注意地區(qū)，分別為六盤山南段-西秦嶺東段危險(xiǎn)區(qū)、內(nèi)蒙古磴口-五原值得注意地區(qū)和同心-靈武值得注意地區(qū)，晉冀蒙交界危險(xiǎn)區(qū)和侯馬-運(yùn)城值得注意地區(qū)(圖1)。2015年4月15日，在內(nèi)蒙古磴口-五原值得注意地區(qū)內(nèi)發(fā)生5.8級(jí)地震，相對預(yù)期震級(jí)能量釋放偏低。鄂爾多斯地塊周緣現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)、具有強(qiáng)震潛勢的段落等，成為中長期地震預(yù)測研究中需要重點(diǎn)探討的問題之一，也是地震學(xué)家關(guān)注的重要問題。利用以b值為主的地震活動(dòng)性參數(shù)的時(shí)空掃描結(jié)果，結(jié)合地震活動(dòng)背景，分析活動(dòng)斷裂帶的現(xiàn)今活動(dòng)狀態(tài)，從而綜合判定相對高應(yīng)力和閉鎖的斷裂段，近年來已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外中長期地震危險(xiǎn)性研究中(Wiemer et al，1997；Wyss et al，2000；Yi et al，2004；易桂喜等，2004、2005、2006、2007；王霞等，2015、2017)。因此，本文利用b值時(shí)空掃描，并結(jié)合以b值為主的多種地震活動(dòng)性參數(shù)分析，探討鄂爾多斯地塊周緣當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)震危險(xiǎn)性。

1 地震資料與方法

本文使用1970～2018年中國地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄，研究區(qū)域?yàn)槎鯛柖嗨沟貕K周緣地區(qū)。為了消除中強(qiáng)震的余震活動(dòng)對b值的影響，采用K-K法進(jìn)行了余震刪除處理(Keilis-Borok et al，1980)，并對刪除余震后的目錄進(jìn)行了完整性評(píng)估，即最小完整性震級(jí)MC的計(jì)算，使用的方法為震級(jí)-序號(hào)法(Ogata et al，1991)、最大曲率MAXC方法和擬合度分別為90%和95%的GFT法(Wiemer et al，2000)。從時(shí)間演化來看(圖2、3)，1970～1995年MC處于2.0≤ML≤2.5，1995年之后監(jiān)控能力逐漸提高，MC降至ML<2.0；參考張玲等(2011)、韶丹等(2015)、韓曉明等(2016)、張帆等(2018)在鄂爾多斯周緣地區(qū)的MC時(shí)空分布研究結(jié)果，綜合認(rèn)為整個(gè)區(qū)域自1970年以來ML≥2.0地震的記錄能力比較平穩(wěn)(圖4)。

圖 2 鄂爾多斯地塊周緣1970年以來地震事件的震級(jí)-序號(hào)

圖 3 鄂爾多斯地塊周緣最小完整性震級(jí)的時(shí)序變化曲線(多方法)

圖 4 1970～2018年鄂爾多斯地塊周緣ML≥2.0地震年頻次統(tǒng)計(jì)

b值的計(jì)算方法主要有線性最小二乘法、非線性最小二乘法、極大似然法和矩估計(jì)方法等4種。其中，矩估計(jì)方法得到的b值表達(dá)式與極大似然法相同，因此，矩估計(jì)方法可看作是極大似然法中的變種。針對不同的方法，隨著樣本數(shù)目的增加，計(jì)算結(jié)果的差異會(huì)越來越小，尤其當(dāng)樣本數(shù)目超過100時(shí)，4種方法基本表現(xiàn)出等同的計(jì)算效果(張建中等，1981)。本文要求樣本數(shù)≥100，由此認(rèn)為不同方法的計(jì)算結(jié)果差別不大。

《中國大陸大地震中-長期危險(xiǎn)性研究》(M7專項(xiàng)工作組，2012)將鄂爾多斯周緣分屬在華北構(gòu)造區(qū)和南北地震帶，其中涉及到的不同區(qū)域b值、多參數(shù)組合的起算震級(jí)均為ML2.0。綜合上述最小完整性震級(jí)時(shí)空分析結(jié)果以及b值、多參數(shù)組合對樣本數(shù)的最低要求，本文同樣選取起算震級(jí)為ML2.0。

b值空間掃描規(guī)則為：①對研究區(qū)進(jìn)行0.1°×0.1°的網(wǎng)格化處理，統(tǒng)計(jì)單元以每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為圓心，半徑r為20km的圓形，利用最小二乘法計(jì)算b值，將其作為相應(yīng)網(wǎng)格單元中心點(diǎn)的計(jì)算值，從而獲得b值空間分布；其中b值的計(jì)算可參考國家地震局預(yù)測預(yù)防司(1997)給出的公式；②統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)最小地震個(gè)數(shù)為100，當(dāng)?shù)卣饌€(gè)數(shù)小于100時(shí)，擴(kuò)大半徑r至40km，若仍然不滿足樣本要求，則將該節(jié)點(diǎn)值置為空(易桂喜等，2011)；③震級(jí)步長0.2級(jí)，擬合間隔點(diǎn)不得少于5個(gè)。

M7專項(xiàng)工作組(2012)的研究時(shí)段大多為1970年1月～2010年6月，個(gè)別至2010年8月。為便于對比，統(tǒng)一選取截止時(shí)間為2010年6月的結(jié)果。

根據(jù)上述b值計(jì)算規(guī)則獲得1970年1月～2018年12月的b值空間掃描結(jié)果，與1970年1月～2010年6月研究區(qū)域內(nèi)2個(gè)時(shí)段同一節(jié)點(diǎn)的b值相減，獲得Δb值，用來分析研究區(qū)不同時(shí)期的應(yīng)力水平變化(易桂喜等，2013)，其中Δb為正值表示b值增高，應(yīng)力水平下降；負(fù)值則表明b值降低，應(yīng)力水平有所升高。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)(梅世蓉，1993)，認(rèn)為b值低于0.7作為異常。鄂爾多斯北緣最新研究結(jié)果將該區(qū)域b值低于0.8作為異常，預(yù)報(bào)效能最高(張帆等，2018)。

為了剔除M≥5.5地震對b值及多參數(shù)的影響，本文在b值時(shí)空掃描時(shí)，針對鄂爾多斯周緣1976年和林格爾6.2級(jí)、1979年五原6.0級(jí)、1996年包頭6.4級(jí)、1976年阿拉善左旗6.2級(jí)、2015年阿拉善左旗5.8級(jí)、1989年大同陽高6.1級(jí)、1991年大同陽高5.8級(jí)、1999年大同陽高5.6級(jí)、1981年豐鎮(zhèn)5.8級(jí)、1998年張北6.2級(jí)、1999年張北5.6級(jí)等地震，分別選取震中周圍40km范圍內(nèi)主震后5個(gè)月(認(rèn)為序列目錄已經(jīng)衰減到背景水平)的目錄作為起算時(shí)間，原地發(fā)生2次以上中強(qiáng)震的則選取最后1次主震后5個(gè)月的目錄作為起算時(shí)間；對多參數(shù)計(jì)算時(shí)，則是將包含上述地震的段落，同樣選取主震后(大于2次強(qiáng)震區(qū)，選最后1次)5個(gè)月的目錄作為起算時(shí)間，截止時(shí)間分別為2010年6月、2008年12月。

2 b值結(jié)果分析

鄂爾多斯地塊周緣b值圖像共分3個(gè)區(qū)域，在2個(gè)構(gòu)造區(qū)分別展示(M7專項(xiàng)工作組，2012)，為了便于跟蹤其變化，本文重新再現(xiàn)了1970年1月～2010年6月的b值圖像，其中鄂爾多斯周緣1976年和林格爾6.2級(jí)、1979年五原6.0級(jí)、1996年包頭6.4級(jí)、1976年阿拉善左旗6.2級(jí)、2015年阿拉善左旗5.8級(jí)、1989年大同陽高6.1級(jí)、1991年大同陽高5.8級(jí)、1999年大同陽高5.6級(jí)、1981年豐鎮(zhèn)5.8級(jí)、1998年張北6.2級(jí)、1999年張北5.6級(jí)等地震震中周圍40km范圍內(nèi)點(diǎn)的結(jié)果由上述相應(yīng)起止時(shí)間的目錄計(jì)算獲得。圖5 為1970年1月～2018年12月鄂爾多斯地塊周緣b值空間分布圖像，由圖可見當(dāng)前整體平均b值約0.91，與1970年1月～2010年6月獲得的研究區(qū)的平均值0.89較為接近，變化不大；除個(gè)別統(tǒng)計(jì)單元b值標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.02外(約占2%)，其余統(tǒng)計(jì)單元b值標(biāo)準(zhǔn)誤差≤0.01。目前，由M7專項(xiàng)工作組(2012)劃定的未來潛在大地震危險(xiǎn)區(qū)和值得注意地區(qū)仍處于低值，除此之外，忻定盆地南端和渭河盆地也呈現(xiàn)b值低值狀態(tài)，表明這些地區(qū)當(dāng)前處于較高應(yīng)力水平，其余外圍邊界區(qū)域不作為本文討論的重點(diǎn)。鄂爾多斯地塊周緣其它多數(shù)區(qū)域顯示b值處于0.9～1.5之間，表明這些區(qū)域目前的應(yīng)力水平不高。

圖 5 鄂爾多斯地塊周緣當(dāng)前b值分布(1970～2018年)①大同盆地；②忻定盆地；③太原盆地；④臨汾盆地；⑤運(yùn)城盆地；⑥渭河盆地；⑦同心-靈武段；⑧銀川盆地；⑨吉蘭泰盆地；⑩內(nèi)蒙磴口-五原段；白彥花凹陷；呼和凹陷

圖 6 鄂爾多斯地塊周緣Δb值分布(1970～2018年，①～標(biāo)注同圖5)

為獲取近幾年研究區(qū)域b值的變化特征，引用易桂喜等(2013)提出的Δb，即研究區(qū)域當(dāng)前b值與1970年1月～2010年6月時(shí)段b值之間的差值(圖6)，由圖6 可見，鄂爾多斯周緣斷陷盆地區(qū)域變化相對平穩(wěn)，絕大多數(shù)在±0.05，少部分區(qū)域?yàn)椤?.15，個(gè)別區(qū)域可達(dá)±0.25。其中內(nèi)蒙古磴口-五原值得注意地區(qū)、同心-靈武值得注意地區(qū)、晉冀蒙交界危險(xiǎn)區(qū)和侯馬-運(yùn)城值得注意地區(qū)4個(gè)區(qū)域的Δb均在-0.05～0.05，反映出經(jīng)過8年的時(shí)間演化，這些區(qū)域的應(yīng)力仍處于勻速的應(yīng)力積累狀態(tài)。忻定盆地東側(cè)、臨汾盆地北段、吉蘭泰盆地南端、靈武地區(qū)較其它區(qū)域呈現(xiàn)較為明顯的b值降低，反映其應(yīng)力水平有明顯上升。

3 多參數(shù)結(jié)果分析

在b值時(shí)空掃描結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合M7專項(xiàng)工作組(2012)劃定的危險(xiǎn)區(qū)和值得注意地區(qū)，開展多個(gè)地震活動(dòng)性參數(shù)組合分析，除選取2個(gè)危險(xiǎn)區(qū)、2個(gè)注意地區(qū)外，將周緣剩余區(qū)域按照斷陷盆地劃分成12段，除上述含大震的段落要選用主震后5個(gè)月的時(shí)間作為起算時(shí)間外，其余均采用1970年1月～2010年6月和1970年1月～2018年12月2個(gè)時(shí)段的ML≥2.0地震資料，分別計(jì)算了鄂爾多斯地塊周緣12個(gè)段落的多地震活動(dòng)性參數(shù)組合。分析可得，經(jīng)過8年的演化，除第8段落外，整個(gè)周緣斷陷帶的年發(fā)生率、年釋放率均整體下降，揭示出這一區(qū)域自2010年6月以來呈現(xiàn)出地震弱活動(dòng)狀態(tài)(表1、2)。其中，①～⑥段屬于鄂爾多斯東緣、南緣，⑦～段屬于鄂爾多斯西北緣(表2)。目前，2段呈現(xiàn)出顯著的差異，具體表現(xiàn)在：前者除第⑥段地震年發(fā)生率為0.03次/a/km外，其余保持在0.1～0.5次/a/km，后者除第⑨段在0.1次/a/km外，第⑦、⑧、⑩段為0.05～0.07次/a/km；北緣的和也維持在0.09次/a/km左右。約80%的段落年釋放率保持在200～400J1/2/a/km，少數(shù)段落為70～170J1/2/a/km。綜上所述，鄂爾多斯東緣、西北緣、北緣活動(dòng)特點(diǎn)分別為頻繁小震活動(dòng)、頻繁中小地震、稀疏中等地震活動(dòng)，各段落具體分析如下。

圖 7 鄂爾多斯東緣多參數(shù)組合時(shí)序分布

臨汾盆地北段④：歷史上發(fā)生1303年洪洞8.0級(jí)、1695年臨汾 7級(jí)地震，破裂貫通整個(gè)段落。b值空間等值線圖(圖5)顯示這一區(qū)域以高b值為主，不具備發(fā)生大震的條件。該段落具有偏高的b值值和a/b值(圖7、表2)，表明該段處于低應(yīng)力背景下，以小震滑動(dòng)為特征，斷層面尚未耦合，近期復(fù)發(fā)強(qiáng)震的可能性不大。

渭河盆地⑥：歷史上發(fā)生1501年朝邑7.0級(jí)、1556年華縣 8級(jí)、1568年西安 6級(jí)地震，破裂貫通整個(gè)段落。b值空間等值線圖(圖5)顯示華縣震源區(qū)為高b值，其余段落以中等偏低的b值為主，具有較低的b值值和a/b值(圖7、表2)，表明該段處于低應(yīng)力背景下，以微弱小震活動(dòng)為特征，斷層面尚未耦合，近期復(fù)發(fā)強(qiáng)震的可能性不大。

4 結(jié)論與討論

基于鄂爾多斯地塊周緣1970年1月～2018年12月的b值、近8年的Δb和分段多參數(shù)組合結(jié)果，綜合分析認(rèn)為：

(1)與1970～2010年的結(jié)果相比，鄂爾多斯地塊周緣b值變化并不顯著，內(nèi)蒙古磴口-五原值得注意地區(qū)、同心-靈武值得注意地區(qū)、晉冀蒙交界危險(xiǎn)區(qū)和侯馬-運(yùn)城值得注意地區(qū)仍處于勻速的應(yīng)力積累狀態(tài)，并未出現(xiàn)大震前的加速現(xiàn)象。僅在上述區(qū)域之外的忻定盆地西側(cè)、臨汾盆地北段、吉蘭泰盆地南端、靈武地區(qū)出現(xiàn)小范圍的局部應(yīng)力積累加速現(xiàn)象。

(2)對鄂爾多斯周緣斷陷盆地12個(gè)段落的多參數(shù)組合結(jié)果綜合分析顯示：①當(dāng)前處于高應(yīng)力相對閉鎖的區(qū)域主要為鄂爾多斯地塊西北緣臨河凹陷磴口-五原地區(qū)，與張帆等(2018)對鄂爾多斯地塊北緣b值的研究結(jié)果一致，而近年來該區(qū)域的b值變化不大，反映其應(yīng)力水平處于勻速積累狀態(tài)，表明該區(qū)域具有長期強(qiáng)震潛勢的背景，與其它段落相比，危險(xiǎn)性最高。②同心-靈武地區(qū)表現(xiàn)出局部偏高應(yīng)力下的中小震滑動(dòng)特征，與1970年1月～2010年6月的結(jié)果相比，應(yīng)力水平有所增高，危險(xiǎn)性有所增強(qiáng)。③侯馬-運(yùn)城地區(qū)表現(xiàn)為中偏高應(yīng)力背景下的中小震滑動(dòng)狀態(tài)，近8年來該區(qū)域b值和多參數(shù)變化比較平穩(wěn)，強(qiáng)震危險(xiǎn)性維持。④晉冀蒙交界區(qū)表現(xiàn)為中偏高應(yīng)力下的頻繁小震活動(dòng)，與1970年1月～2010年6月的結(jié)果相比，應(yīng)力水平有所減弱，危險(xiǎn)性有所降低。⑤其余段落表現(xiàn)為相對偏低或低應(yīng)力下的頻繁小震、稀疏中小地震和稀疏小震活動(dòng)，意味著自當(dāng)?shù)刈钔淼拇蟮卣鹌屏押髷鄬用嫔形粗匦埋詈?，未來?fù)發(fā)大震的可能性不大。