祁連山-河西走廊西段強震復發(fā)概率模型及強震潛勢評估1

龐 煒 謝 超 李瑞莎 張 佩 路 珍

（中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054）

引言

國內外學者利用地震活動性法、地震構造法、構造物理法、地震構造活動勢態(tài)追蹤法、天文地震法、征兆地質法、數學地質法等提出了多種地震復發(fā)模式，如實時模式、叢集模式、特征地震復發(fā)模式等（Shimazaki 等，1980；Schwartz 等，1984；Nishenko 等，1987；Savage 等，1987；Kagan，1991；聞學澤，1991；張秋文等，1999）。部分學者對上述理論模型進行了深入研究，從統(tǒng)計學角度定量分析并提出了多種數學預測模型（Nishenko 等，1987；聞學澤，1995；Ellsworth 等，1999）。

1987 年，Nishenko 等建立了環(huán)太平洋地震帶原地復發(fā)強震或大地震“通用”復發(fā)間隔的經驗分布?NB 模型（Nishenko 等，1987；陳立春等，2002；陳立春，2003）。該模型以整個環(huán)太平洋地震帶為研究對象，計算各段落特征地震的復發(fā)間隔T和平均重復間隔Ta，將其比值（T/Ta）作為統(tǒng)計樣本，擬合求得環(huán)太平洋地震帶特征地震復發(fā)間隔分布的經驗概率密度函數（陳立春等，2002）。

不同于太平洋地震帶所處的板緣構造環(huán)境，對于大陸內部來說，一般地震復發(fā)周期均較長，單條斷裂上的歷史地震和古地震等數據有限，遠達不到概率分析模型需要的樣本量，原始的NB 模型無法應用?；诖?，前人廣泛開展了關于大陸內部強震復發(fā)模型的探討和研究工作（張培震等，1996；張秋文等，1999；聞學澤，1999），但始終無法得到適用于整個大陸內部的概率模型。然而，同一區(qū)域構造背景條件下，不同斷裂（段落）的地震復發(fā)規(guī)律可能一致的（鄧起東等，2004），對于特定的構造背景，可借鑒NB 模型，利用區(qū)域斷裂的古地震、歷史地震等數據，建立該條件下的強震復發(fā)概率模型，并進行地震危險性評估，同時結合其他方法進行綜合預測，具有一定的科學性和實際意義（陳立春等，2002）。

伴隨著活動斷裂研究從理論到技術的不斷發(fā)展，定量化研究越來越深入（Wesnousky，1986；鄧起東，1991；聞學澤，1991，1995；張培震等，1996）。通過活動斷裂定量研究，目前可獲得斷裂的空間幾何展布特征、分段情況、同震位錯與累積位移量、古地震序列、大震離逝時間、斷裂滑動速率和縮短量等參數（鄧起東等，2004）。采用實時預測模型進行地震危險性分析時，利用了活動斷裂定量研究技術（Wallace，1970；Anderson，1979；Molnar，1979；Wesnousky，1986；Carlson，1991；聞學澤，1995；張培震等，1996）。

祁連山-河西走廊構造帶活動構造密集發(fā)育（Tapponnier 等，1990；國家地震局地質研究所等，1993；Gaudemer 等，1995；Xu 等，2010），特別是在祁連山-河西走廊西段這一特定構造背景下，發(fā)育多條全新世活動強烈的活動斷裂，具有較高的研究基礎（陳柏林等，2005；鄭文俊，2009；金卿等，2011；劉興旺等，2014；張波等，2016；李安等，2016；楊海波等，2017；黃雄南等，2018；龐煒等，2018，2019），其資料基本滿足統(tǒng)計所需的樣本量?；谝陨险撌?，利用目前現(xiàn)有的古地震、歷史地震數據等，建立祁連山-河西走廊西段強震復發(fā)概率模型，并對可能的強震地點進行預測。

1 區(qū)域構造背景

河西走廊在大地構造上又被稱為走廊過渡帶，作為北祁連造山帶和北山造山帶之間的典型壓陷性盆地，具有重要的構造意義。北山造山帶位于甘肅北部、內蒙古西南一帶，多被認為是天山造山帶東延的次級構造單元（Xiao 等，2010），區(qū)域古生代地層發(fā)育較完整，斷裂十分發(fā)育。北祁連造山帶位于走廊之南，夾持在阿爾金斷裂和海原斷裂之間，是北祁連洋中寒武紀-奧陶紀俯沖縫合帶，由下古生界地層強烈擠壓形成的褶皺組成，同時代的中基性侵入巖、噴出巖比較發(fā)育。此外，早古生代地層區(qū)域變質程度高，范圍廣，受區(qū)域NNE-SSW 方向的應力作用，褶皺帶內的斷裂以NWW 走向為主，二者構成了該區(qū)域復雜的褶皺-斷裂構造系統(tǒng)。走廊過渡帶具有雙基底特征，下部基底為前寒武系中深變質巖系，上部基底為古生代活動大陸邊緣火山-沉積巖系，其發(fā)展受北祁連褶皺帶構造變形的巨大影響，經歷了早古生代活動大陸邊緣、晚古生代-早中生代前陸盆地、中-晚中生代伸展斷陷及新生代擠壓變形與前陸盆地共4 個演化階段（宋春暉，2006）。尤其是中-新生代以來，盆地內的局部沉降中心在第四系以來的地層沉積厚度超過千米。中央凹陷帶是中-新生代沉降最強烈的地段，但由于受其他方向構造的干擾和疊加，沉降中心在第四紀時有所轉移，使中生代沉積厚度極不均勻，但仍重疊在早先形成的凹陷上，進一步可劃分出若干小型盆地，主要包括安西盆地、酒西盆地、酒東盆地、張掖-民樂盆地、潮水盆地和花海-金塔盆地（鄭文俊，2009）。盆地南北兩側發(fā)育多條大型斷裂，控制了盆地的發(fā)展，也作為祁連山-河西走廊構造帶的重要組成，限定了區(qū)域構造變形，且直接控制該區(qū)破壞性地震的孕育發(fā)生。

2 祁連山-河西走廊西段主要斷裂

2.1 主要斷裂

祁連山-河西走廊西段主要的大型活動斷裂包括合黎山斷裂（鄭文俊，2009；Zheng 等，2013）、金塔南山斷裂（何文貴等，2012；張波等，2016）、旱峽-大黃溝斷裂（國家地震局地質研究所等，1993）、玉門-北大河斷裂（陳柏林等，2005；李安等，2016）、榆木山北緣斷裂（金卿，2011）、榆木山東緣斷裂（國家地震局地質研究所等，1993；龐煒，2015；龐煒等，2019）、佛洞廟-紅崖子斷裂（黃雄南等，2018）、龍首山南緣斷裂等（國家地震局地質研究所等，1993）如圖1 所示，斷裂以逆沖性質為主，兼具走滑特征。以上斷裂產狀及分段情況如表1 所示。

表1 研究區(qū)主要斷裂Table 1 Introduction of main faults in the study area

圖1 祁連山-河西走廊西段活動斷裂分布圖Fig. 1 Map showing distribution of active faults in western Qilian Mt.-Hexi Corridor

2.2 主要歷史地震

3 強震復發(fā)概率模型

祁連山-河西走廊西段構造區(qū)主要活動斷裂以逆沖性質為主，且活動性較強烈。多年的研究表明，這幾條逆沖斷裂已積累了最新且較完整的古地震數據，該區(qū)域歷史地震資料豐富，滿足建模的基本條件。從目前的情況來看，除個別數據外，各斷裂強震復發(fā)規(guī)律、模式等特征具有較好的一致性。本文選擇祁連山-河西走廊西段具有代表性的活動斷裂（圖1），包括玉門-北大河斷裂（李安等，2016）、金塔南山斷裂（何文貴等，2012；龐煒等，2018）、合黎山斷裂（鄭文俊，2009）、榆木山北緣斷裂（陳柏林等，2007；金卿等，2011；金卿，2011）、榆木山東緣斷裂（冉勇康等，1988；李玉龍等，1988；李有利等，1995；龐煒等，2019）及佛洞廟-紅崖子斷裂（黃雄南等，2018）等已有的古地震或歷史地震事件作為此次建模的基礎數據。

冉勇康等（1999）根據多年古地震研究成果，總結了古地震事件復長間隔、短間隔的分布形式特征：部分斷裂在一段時間內比較活躍，一段時間內又較平靜，其復發(fā)行為表現(xiàn)出明顯的長短間隔相間特征，在時間上，大地震在不同階段有重復間隔時間。我國歷史地震記載時間久，數據較完備，張秋文等（1999）經過系統(tǒng)整理和分析研究，進一步擴展認為準周期叢集復發(fā)具體表現(xiàn)為地震叢之間以準周期復發(fā)為主，而地震叢內則表現(xiàn)為叢集復發(fā)?；谝陨侠碚?，根據研究區(qū)各斷裂（段落）古地震（歷史地震）事件時間上的的分布特點，將其劃分為相對的長間隔期和短間隔期。

表2 研究區(qū)主要歷史地震Table 2 Main historical earthquakes in the study area

根據NB 模型的建模思路（Nishenko 等，1987），建立該構造區(qū)強震復發(fā)概率分布模型。首先，對區(qū)域內各活動斷裂晚更新世以來的古地震資料按照長間隔期和短間隔期進行整理，再分別計算各組強震復發(fā)間隔（T）和平均復發(fā)間隔（Ta）的均一化值（T/Ta）如表3 所示。如表3 可知，區(qū)域各活動斷裂（段落）的古地震（歷史地震）數據均一化結果表現(xiàn)出了較為相同的規(guī)律。計算后共得到20 個值，這些值即為建模的基本數據。

表3 祁連山-河西走廊西段主要活動斷裂(段落)強震復發(fā)間隔數據Table 3 Strong earthquake recurrence intervals on some active faults in western Qilian Mt.-Hexi Corridor

對表3 中的均一化數據進行統(tǒng)計處理，得到其均值為0.998，標準差為0.230 1。利用直方圖將表3 中的均一化數據呈現(xiàn)出來，如圖2 所示可看出均一化值（T/Ta）符合正態(tài)分布。

圖2 均一化值（T/Ta）直方圖Fig. 2 Histogram of standardized value (T/Ta) of the strong earthquake recurrence intervals

根據統(tǒng)計學中的最大似然估計法（數學手冊編寫組，1979；劉淑琴等，1997），分布密度為N（μ，σ2）的正態(tài)總體，μ和σ的最大似然估計為（陳家鼎等，1983）：

根據式（1）計算可得：μ=1，σ=0.224 3。因此，祁連山-河西走廊西段構造區(qū)內各活動斷裂（段落）的地震復發(fā)間隔均一化值（T/Ta）服從正態(tài)分布N（1，0.224 32），其概率密度函數為：

4 祁連山-河西走廊西段未來地震潛勢

4.1 發(fā)震概率計算

根據祁連山-河西走廊西段構造區(qū)古地震及歷史地震數據建立強震復發(fā)間隔概率分布模型，對研究區(qū)內主要的幾條活動斷裂（段落）未來某時段內發(fā)生大震的概率進行統(tǒng)計計算。計算過程中，重點關注強震發(fā)生的累計概率，計算公式如下：

由表4 可知，佛洞廟-紅崖子斷裂、金塔南山斷裂梧桐墩西-瓜勾山東段最后一次地震事件的離逝時間均為410a，強震的累計概率均近于零，即這兩條斷裂（段落）上發(fā)生強震的可能性幾乎為零。金塔南山斷裂瓜勾山東-紅墩段、玉門-北大河斷裂上強震離逝時間均較平均復發(fā)間隔小，強震累計概率較小。榆木山東緣斷裂臨澤段最近一次地震事件的離逝時間相比于平均復發(fā)間隔，累計概率為70%左右，危險性相對較高，而對于榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段，強震累積概率為 100%，且最后一次地震事件的離逝時間為5000 年，已超過歷史地震的最長間隔時間，因此，強震發(fā)生的可能性非常大。榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個泉段最后一次古地震事件的離逝時間遠高于平均復發(fā)間隔，累計概率為100%，強震復發(fā)可能性較大。

表4 祁連山-河西走廊西段構造區(qū)活動斷裂（段落）地震潛勢定量評估表Table 4 Quantitative estimates of seismic potential on some active faults in western Qilian Mt.-Hexi Corridor

將本文建立的概率模型和BPT 模型計算結果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)二者得到的結果較一致，說明本文建立的計算模型具有一定可信度。

4.2 發(fā)生強震斷裂預測

古地震法和消失率法作為常用的確定性分析方法，常用于確定活動斷裂（段落）未來發(fā)生強震的可能性。古地震法利用最后一次大震的離逝時間與大震平均重復間隔做對比，當最后一次地震事件到預測時間段的總時間跨度（即離逝時間與預測時段總和）接近、等于或大于大震平均復發(fā)間隔，則認為斷裂（段落）在預測時段內有發(fā)生地震事件的可能；反之，不考慮發(fā)生地震事件的可能性。消失率法利用最后一次大震離逝時間（Te）與預測時段（ΔT）之和與大震平均重復間隔（Ta）做對比，比值稱為消失率（V），假使V＞0.5，則認為斷裂（段落）在預測時段內存在地震發(fā)生的危險。計算公式為：

運用上述公式計算祁連山-河西走廊西段構造區(qū)各斷裂在未來100 年發(fā)生大震的可能性結果如表4 所示，由表4 可知，榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個泉段V＞2，發(fā)生地震的可能性很大；榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段V＞1.9，發(fā)生地震的可能性較大；金塔南山斷裂梧桐墩西-瓜勾山段、玉門-北大河斷裂及佛洞廟-紅崖子斷裂V＜0.5，發(fā)生地震可能性較??；金塔南山斷裂瓜勾山東-紅墩段V＞0.5，有發(fā)生強震的可能。綜上所述，榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個泉段和榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段地震危險性相對較大。

基于以上分析，以本文建立的強震復發(fā)概率模型、BPT 模型計算結果為主，綜合消失率法計算結果，并結合現(xiàn)代中強地震分布規(guī)律，認為祁連山-河西走廊西段未來最有可能發(fā)生強震的斷裂（段落）是榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個泉段，榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段次之（圖3）。

圖3 榆木山北緣斷裂及東緣斷裂北段展布圖Fig. 3 Map of the distribution of northern Yumushan fault and north part of eastern Yumushan fault

5 討論與結論

根據祁連山-河西走廊西段強震復發(fā)模型，最終得到該區(qū)未來可能發(fā)生強震的危險斷裂（段落）是榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個泉段和榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段。該結果與消逝率等確定性分析方法獲得的結論一致。需要明確的是，古地震事件的準確性、完整性對計算結果有影響，同時河西地區(qū)由于以沖洪積物沉積為主，地層序列不明顯，測年樣品采集有難度，且誤差較大。目前的數據限于上述客觀因素，數量還需進一步增加，質量也需進一步提升。

祁連山-河西走廊西段構造區(qū)的多條活動斷裂已確定多次大的古地震事件，歷史文獻也詳細記載了多次破壞性大地震，說明該區(qū)域地震活動一直很強烈，因此，對該區(qū)域大震中長期預報工作的不斷探索很有必要，不斷摸索總結該區(qū)域強震發(fā)生的特點和規(guī)律，是進行地震危險區(qū)判定、中長期預測的重要基礎。本文借鑒前人思路，從強震復發(fā)間隔和平均復發(fā)間隔的比值入手，建立了祁連山-河西走廊西段構造區(qū)強震復發(fā)概率模型，進而對強震潛勢進行評估，對可能的強震復發(fā)地點進行了預測，得到以下結論：

（1）祁連山-河西走廊西段構造區(qū)斷裂（段落）強震復發(fā)間隔均一化值服從祁連山-河西走廊西段模型，即服從正態(tài)分布N（1，0.224 32）；

（2）祁連山-河西走廊西段構造區(qū)未來強震潛在危險斷裂（段落）為榆木山北緣斷裂蘆泉河-九個泉段和榆木山東緣斷裂梨園河口-黑河口段。