引用本文
袁道阳, 雷中生, 吴赵, 冯建刚. 公元前47年甘肃陇西地震考证与发震构造分析[J]. 地震地质, 2017,39(4): 819-836.
YUAN Dao-yang, LEI Zhong-sheng, WU Zhao, FENG Jian-gang. TEXTUAL RESEARCH OF LONGXI EARTHQUAKE IN 47 BC IN GANSU PROVINCE AND ANALYSIS OF ITS CAUSATIVE STRUCTURE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(4): 819-836.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.04.015
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公元前47年甘肃陇西地震考证与发震构造分析
袁道阳1,2, 雷中生1, 吴赵1,2, 冯建刚1,2
1 中国地震局兰州地震研究所, 黄土地震工程重点实验室, 兰州 730000
2 兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 兰州 730000

〔作者简介〕 袁道阳, 男, 1965年生, 2003年于中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位, 研究员, 主要从事活动构造、 新构造及历史地震等研究工作, 电话: 0931-8276712, E-mail:daoyangy@163.com。

收稿日期: 2016-09-19
基金项目: 中国地震局地震行业科研专项(201408023)、 中国科学院战略性先导科技专项(XDB03020201)与国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(41661134011)共同资助
摘要

西汉元帝初元二年二月戊午, 即公元前47年4月17日, 在陇西郡所属的豲道县附近发生了1次强烈地震, 造成 “坏败豲道县城郭、 官寺及民室屋, 压杀人众。山崩地裂, 水泉涌出”等严重震害。根据历史资料考证和野外实地调查, 确认豲道县城在今甘肃省陇西县文峰镇东南的三台王家新庄附近。豲道城是这次地震史料记载中破坏最严重的地方, 理应位于极震区内, 其烈度达Ⅸ-Ⅹ度, 估算其震级达7级左右。结合其他破坏点烈度的综合评定结果, 绘制了这次地震的等震线图, 其长轴方向为NWW向。这次地震极震区位置和等震线长轴方向与该区的西秦岭北缘断裂带的甘谷-武山断裂段西段相吻合。该段断裂全新世晚期新活动的地质地貌和地质剖面证据明确, 以左旋走滑为主兼具向N倾的正断特性, 断错了冲沟T1-T2级冲洪积阶地, 沿断裂至今仍保留有部分深切的地震断层沟槽、 黄土中密集发育的张性构造裂缝、 滑坡体和串珠状落水洞等地表形变现象遗迹。结合该区现代小震活动精定位结果的综合分析, 认为公元前47年陇西地震应为西秦岭北缘断裂带的甘谷-武山断裂段西段新活动的结果。该断裂具备发生7级以上地震的构造条件。

关键词: 公元前47年陇西地震; 历史地震考证; 豲道城; 发震构造; 西秦岭北缘断裂带
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)04-0819-18
TEXTUAL RESEARCH OF LONGXI EARTHQUAKE IN 47 BC IN GANSU PROVINCE AND ANALYSIS OF ITS CAUSATIVE STRUCTURE
YUAN Dao-yang1,2, LEI Zhong-sheng1, WU Zhao1,2, FENG Jian-gang1,2
1 Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering, Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China
2 Lanzhou National Observatory of Geophysics, Lanzhou 730000, China
Abstract

On the day Wu-wu of the second month in the second year of Chuyuan period in the reign of Emperor Yuan of the western Han Dynasty, that is, April 17, 47 BC, an earthquake occurred near the county seat of Huandao County, Longxi Prefecture. This earthquake caused serious damages to the city wall, government office buildings and civilian houses in the Huandao county seat, many people died, landslides, ground fracturing and spring gushing, etc. occurred. On the basis of textual research on the historical earthquake data and the field investigation, we affirm that the ancient Huandao county seat locates at the new Wangjia Village of Santai, southeast of Wenfeng Town in Longxi County at present. The ancient Huandao county seat is the most seriously damaged area according to the historical earthquake data, so it should be in the meizoseismal area of this earthquake. The epicenter intensity of this earthquake is about 9~10 degrees, and the magnitude of this earthquake is estimated to be about 7. Considering the intensities of other towns damaged during this earthquake, we draw the isoseismal lines of this earthquake, with its major axis directed NNW. The direction of the major axis of the isoseismal lines and the location of the epicenter are approximately consistent with the strike of the western segment of the Gangu-Wushan secondary fault on the northern margin of western Qinling fault zone. This fault segment has clear evidences of new activity during late Holocene, which are characterized by left-lateral strike-slip faulting with normal components; the fault dips NE and faulted the T1-T2 pluvial and alluvial terraces. Up to now, there are some surface deformation traces, such as deeply-incised seismic fault grooves, densely developed structural tensional fractures in the loess stratum, landslides and a series of beaded dolines etc. Combining the results of relocation of small to moderate earthquakes in the research area and comprehensive analysis on their distribution features in plane and profile, we get the results that the causative structure of the 47 BC Longxi earthquake is the western segment of Gangu-Wushan secondary fault on the northern margin of western Qinling fault zone. This fault zone is an important active block boundary fault in the eastern margin of Tibeten block, and has the tectonic condition to generate M≥7 large earthquakes in the past and in the future.

Keyword: 47 BC. Longxi earthquake; historical earthquake textual research; Huandao ancient town; causative structure; northern margin of western Qinling fault zone
0 引言

甘肃东南部地区位于青藏活动块体东缘、 南北强震构造带的中北段, 区内发育了多条晚第四纪活动断裂带, 其构造组合复杂, 新活动性强, 历史上发生过多次中强以上破坏性地震甚至大地震(袁道阳等, 2004; 郑文俊等, 2013a)。多年来, 对这些历史地震的基本参数和发震构造等的研究尚欠深入, 存在较大的不确定性(袁道阳等, 2007a, b; 2014a, b)。公元前47年甘肃陇西地震就是其中之一。据史料记载, 西汉元帝初元二年二月戊午(即公元前47年4月17日), 在陇西郡所属的豲道县城附近发生了1次强烈地震, 造成 “ 坏败豲道县城郭、 官寺及民室屋, 压杀人众。山崩地裂, 水泉涌出” 等严重震害。但因这次地震波及范围广, 史料记载简略, 加之时间久远, 所以在过去的地震目录中(顾功叙, 1983; 国家地震局兰州地震研究所, 1985; 国家地震局震害防御司, 1995), 仅将其震中初定在今甘肃陇西一带(34.9° N, 104.7° E), 震级 6 34级, 再未进行过深入的研究(表1)。实际上, 对本次地震相关史料和震害做进一步梳理分析, 确定其极震区的可靠位置, 探讨其最可能的发震断裂段, 对深入分析甘肃东南部地区主干活动断裂的分段地震破裂习性, 识别大震已破裂段和空区空段, 尤其是在发生了2013年岷县漳县MS6.6地震之后(王兰民等, 2013; 郑文俊等, 2013b; 何文贵等, 2013), 进一步分析判断本区未来的大震危险性等均具有重要参考意义。

表1 各地震目录中给出的公元前47年陇西地震基本参数 Table1 Basic parameters of Longxi earthquake in 47 B.C. from different earthquake catalogs

本文通过对公元前47年陇西地震史料的系统收集整理以及在本次地震中遭受严重破坏的豲道县城的考证与实地调查, 确认了其现今的地理位置, 结合其他破坏点烈度的评定, 圈定了本次地震的等震线, 进而修定了震中位置、 震中烈度和震级等基本参数, 结合该区近年来活动断裂的最新调查研究结果和现今小震活动性分析, 为讨论其发震构造归属提供了条件。

1 主要地震史料

记载公元前47年陇西地震的史料主要有(谢毓寿等, 1983; 国家地震局兰州地震研究所, 1985, 1989):

《汉书》卷九《元帝纪》页二八一: [初元二年三月]诏曰: “ 今朕恭承天地, 托于公侯之上, 明不能烛, 德不能绥, 灾异并臻, 连年不息。乃二月戊午, 地震于陇西郡, 毁落太上皇庙殿壁木饰, 坏败豲道县城郭、 官寺及民室屋, 压杀人众。山崩地裂, 水泉涌出。天惟降灾, 震惊朕师。治有大亏, 咎至于斯。夙夜兢兢, 不通大变, 深惟郁悼, 未知其序。间者岁数不登, 元元困乏, 不胜饥寒, 以陷刑辟, 朕甚闵之。郡国被地动灾甚者无出租赋, 赦天下, 有可蠲除减省以便万姓者, 条奏毋有所讳。丞相, 御史、 中二千石举茂材异等直言极谏之士, 朕将亲览焉。”

《前汉纪》、 《元帝纪》上卷二一页一四八: “ 地震陇西, 毁落太上皇庙, 败县道及城郭官寺屋室, 压死人众, 山崩地裂, 水泉皆涌。……诏郡国灾甚者无出租赋, 赦天下。”

《汉书》卷七五《翼奉传》: “ 翼奉, 字少君, 东海下邳人也。……元帝初即位, 诸儒荐之, 征待诏宦者署, 数言事宴见, 天子敬焉。……明年二月戊午, 地震。其夏, 齐地人相食。”

《汉书》卷三六《刘向传》: “ [刘]向, 字子政, 本名更生。……元帝初即位, ……[周]堪、 更生下狱, 及[肖]望之皆免官。……其春地震。夏, 客星见昴、 卷舌间。时恭、 显、 许、 史子弟侍中诸曹, 皆侧目于望之等, 更生惧焉, 乃使其外亲上变事, 言: ……前弘恭奏望之等狱决, 三(二)月, 地大震。”

《汉书》卷三《高后纪》页九六: “ [元帝初元二年二月戊午]地大震于陇西, 七月己酉地复震。”

(宋)王钦若等《册府元龟》卷一三《帝王部都邑》页一四三: “ 元帝时, 翼奉以宫室苑囿奢泰难供, 以故民困国 , ……乃上疏曰: ……今东方连年饥馑, 加之以疾疫, 百姓菜色, 或至相食。地比震动, 天气溷浊, 日光侵夺, ……故臣愿陛下因天变而徙都。”

(宋)王钦若等《册府元龟》卷四四九、 五三五《谏诤部褒赏、 直谏》页六五九○上: “ 康衡, 元帝时为给事中, 是时有日蚀、 地震之变, 帝问以治政得失。”

(明)余新民《阶州志· 灾祥》卷八二记载: “ [汉]元帝初元二年二月地震。” (按: 阶州今甘肃省陇南市武都区)。

(清)朱超《清水县志》卷一一记载: “ [汉]初元二年春三月戊午地震, 毁城廓民屋, 是年再震。” (按: “ 三月戊午” 为 “ 二月戊午” 之误。清水, 今甘肃清水县)。

(清)巩建丰《伏羌县志》卷一四《祥异》记载: “ [汉]元帝初元二年, 冀城地震, 坏城郭民居。” (按: 冀城, 今甘肃省甘谷县)。

从公元前47年陇西地震史料记载的震害情况分析, 破坏最严重的地方为陇西郡所属的豲道县城, 理应位于极震区内。因此, 豲道城的考证是确定极震区位置的关键。

2 豲道城的考证

东周列国时期, 今甘肃陇西、 武山一带为豲部族氏居, 周安王十八年(公元前384年)秦献公进军渭河上游, 周显王八年(公元前361年)秦孝公西征武山西北及陇西东南一带, 大败豲戎, 斩豲王。秦灭豲戎后, 在今陇西、 武山一带设置豲道县, 属陇西郡。汉因之。《汉书· 百官表》说: “ 县有蛮夷谓之道” 。秦汉时期在少数民族居住地所建的县称之为道。可见, 当时的豲道县是少数民族的聚居地。

由于历史的演进, 朝代的更迭, 一个地方的名称或地理位置, 往往出现一地而数名, 或一名而数地的情况, 豲道就是一例。豲道城究竟在何处, 史籍记载有分歧且不乏错讹, 因旧址湮没无存, 故妄臆推测会时有发生。

郦道元《水经注》“ 渭水” 条记载: 渭水向SE流, “ 北过襄武县北, ……又东过豲道县南。右则岑溪水, 次则同水, 左则过水, 右注之。源水经东南豲道故城西, 俱入渭水。赤亭水出郡之东山赤谷, 西流经渭北, 南入渭水” 。为了说明渭水流经豲道县城的方位, 《水经注》还强调说: “ 豲道, 昔秦孝公西斩戎之豲王於此。应劭曰: 豲戎邑也” 。汉灵帝中平五年, 豲道置南安郡。郦道元的《水经注》自北魏距今已一千多年, 由于时过境迁, 其中提到的一些小溪或断流, 或改道, 或淤塞, 名称古今也不同, 但境内的河道至今犹存, 流向也无大的变化。尤其是关键的赤亭水无论源头、 流向、 入渭水的方位, 现在仍与《水经注》记述相吻合。赤亭水(今称波龙沟河)源出于东山的赤谷。东山即今陇西县永吉乡的桃花山(桃花山因红色砂土裸露, 艳如桃花而得名), 赤谷即今波龙沟。沟两边山崖为裸露的红砂岩, 沟中流水混浊呈红色。上游河沟, 今称直沟(直、 赤音相近, 沟、 谷皆一义)。波龙沟为EW流向, 出沟向西偏南汇入渭河, 完全与古赤亭水的流向、 方位一致。因此, 豲道城在古赤亭水、 今波龙沟入渭河的拐弯处, 即今陇西县文峰镇东南的三台王家新庄这片开阔地附近(图1)。古人建城一般选在地势开阔平坦且有险可守、 交通方便、 汲水容易的地方。王家新庄一带的山川地势, 不仅提供了良好的人居自然环境, 而且在春秋战国时期, 战乱频仍的情况下建城于此, 可攻可守, 确有因塞用险, 便于攻防的条件。

另外, (唐)李泰《括地志》称: “ 豲道古城在渭州襄武县东南三十七里, 古之豲戎邑” 。《黄氏逸书考》也称: “ 豲道在襄武县东南三十七里” 。(清)顾祖禹《读史方舆纪要》称: “ 豲道城在府东南二十五里” 。这3部古籍对豲道方位的表述是一致的, 但在里程上似乎相差较大。分析其原因是《括地志》成书于唐朝, 《读史方舆纪要》成书于清初。唐朝时1里为80丈, 而明、 清时期1里为100丈, 照此换算, 2种说法其实相近。其距离正好与今陇西县城到三台王家新庄的距离约12.5km相符。《辞海》、 《辞源》, 无论旧版还是新版, “ 豲道” 条均称: “ 古县名, 治今甘肃陇西东南渭水东岸” , 与三台王家新庄位置吻合。

图1 豲道城及邻区地理位置图Fig. 1 The location of Huandao Town and its adjacent area.

根据现场调查访问, 三台王家新庄一带自清末以来, 就陆续有历史遗存出土。当地居民修屋建舍时, 不断挖出地下城墙基砖, 尤其是某村民挖出1个窖藏, 其中1套古代铜供器, 有锈迹斑斑的香炉、 蜡件子、 插香筒、 插花瓶等; 1件罕见的 “ 百环瓶” , 瓶之四周绘有100个环状图案; 1套 “ 铜笼幢” 、 上下好几层, 类似于今之蒸笼。这些器物虽因散失民间未得到文物专家鉴定, 但至少说明有如此珍贵文物出土的地方非一般地方, 惟设郡、 设县的大邑, 有官宦人家、 豪门富户居住, 方会有如此窖藏。

通过上述史料考证和野外实地调查, 可以确认豲道城应在今甘肃陇西县东南约12.5km的文峰镇三台王家新庄附近(图1)。

3 各破坏点烈度评定及震害特点

根据上述史料记载的公元前47年陇西地震的震灾情况, 破坏最严重的地点为豲道县城, 理应位于极震区内, 同时受地震影响有破坏记载的城镇还有陇西郡治狄道县(今临洮)、 伏羌县(今甘谷)、 清水等县以及阶州(今陇南市武都区)等地, 但其破坏程度相对轻一些, 记载也较为简略。

以下分别对极震区内的豲道县城以及其他破坏点的烈度进行评定, 进而圈定本次地震的等震线图, 并对地震震级进行估算。

3.1 极震区内豲道城烈度评定

根据史料记载(谢毓寿等, 1983; 国家地震局兰州地震研究所, 1985, 1989), 豲道城在本次地震中的主要震害为: “ 乃二月戊午, 地震于陇西郡, ……, 坏败豲道县城郭、 官寺及民室屋, 压杀人众。山崩地裂, 水泉涌出” 。

(1)城垣破坏。根据历史地震烈度、 震级简表(顾功叙, 1983), 6~6 34级8度地震应是部分崩坏, 7~7 34级(Ⅸ -Ⅹ 度)地震时为 “ 大半崩坏” 。而本次地震史料记载坏败豲道县城郭, 从字面理解, “ 坏败” 应重于 “ 部分崩坏” , 轻于 “ 大半崩坏” , 因此, 估计其震级不应低于 6 34级, 震中烈度约Ⅸ 度。

(2)官寺民房。根据历史地震烈度、 震级简表(顾功叙, 1983), 6~6 34级Ⅷ 度地震应是 “ 庙堂” 损坏或部分倒塌, 民房多倾圮(约50%); 7~7 34级(Ⅸ -Ⅹ 度)地震为 “ 庙堂” 多倒塌, 官民庐舍倾圮殆尽。本次地震史料记载不明确, 只记为 “ 坏败……官寺及民室屋” , 估计震级不低于 6 34级, 震中烈度约Ⅸ 度。

(3)压杀人众。根据历史地震烈度、 震级简表(顾功叙, 1983), 6~6 34级(Ⅷ 度)地震为人畜多死伤, 7~7 34级(Ⅸ -Ⅹ 度)地震为死伤甚众。本次地震史料记载 “ 压杀人众” , 说明压死人较多, 震级应在Ⅶ 级或Ⅶ 级以上, 震中烈度在Ⅸ 度或Ⅸ 度以上。

(4)山崩地裂, 水泉涌出。根据历史地震烈度、 震级简表(顾功叙, 1983), 6~6 34级(Ⅷ 度)地震为平地多裂缝, 涌沙水, 出现新泉, 山岗、 山脚崩滑, 山石裂缝; 7~7 34级(Ⅸ -Ⅹ 度)地震时地多裂缝, 涌大量泥沙或涌水成渠, 悬崖普遍裂坠, 山头崩塌, 山崩塞道或阻河。本次地震史料记载, “ 山崩地裂, 水泉涌出” , 虽短短8个字, 但分量很重, 估计震级不低于7级, 震中烈度Ⅸ 度以上。

综合上述理由, 认为公元前47年陇西地震中, 包括豲道县城在内的极震区烈度可达Ⅸ -Ⅹ 度, 据此估算其震级应达7级左右。

3.2 其他破坏点烈度评定

(1)陇西郡治狄道县(今临洮县)烈度评定。从上述史料记载可知, 在本次地震中, 陇西郡治狄道县(今临洮县)也有破坏: “ 乃二月戊午, 地震于陇西郡, 毁落太上皇庙殿壁木饰, ……” 。在古代, 太上皇庙的建筑结构设计和建材选取都非常严格, 庙宇的抗震性能好, 其 “ 殿壁木饰” 被地震震毁掉落了, 说明其振动非常强烈。根据历史地震烈度、 震级简表(顾功叙, 1983), 其烈度可达Ⅶ 度弱(Ⅶ -)。

(2)冀城(今甘谷县)和清水(今清水县)烈度评定。本次地震中冀城破坏严重, “ 冀城地震, 坏城郭民居” (冀城, 今甘谷县)。同时, 清水(今清水县)在本次地震中破坏也较严重, “ 毁城廓民屋, 是年再震” 。2个城镇的震害大体相当。根据历史地震烈度、 震级简表(顾功叙, 1983), Ⅷ 度地震应为城垣部分崩坏, 墙多倒塌, 民房多倾圮(约50%)。从上述两地史料记载破坏情况看, 其烈度可达Ⅶ -Ⅷ 度。但因史料记载笼统, 难以严格区分开, 我们根据其距离极震区地理位置的远近, 分别确定甘谷(古冀城)为Ⅷ 度, 清水为Ⅶ 度强(Ⅶ +)。

(3)阶州(今陇南市武都区)烈度评定。阶州(今陇南市武都区)仅仅只是感受到了本次地震, 并无破坏记载。(明)余新民《阶州志· 灾祥》卷八二记载: “ [汉]元帝初元二年二月地震” 。推测其烈度为Ⅴ -Ⅵ 度。

遗憾的是, 距离极震区内豲道城较近的武山(当时属豲道县)和陇西(古襄武县)并无破坏记载。以下对其原因进行简单分析。

据武山现存最早的县志--明万历十五年《宁远县志》刊本记载, 武山在秦汉时期, 县境大部属豲道县, 洛门镇以东属冀县(今甘谷县)。到东汉中平五年(公元188年), 析襄武、 豲道地置新兴县, 县址在今武山县城西15km的新兴川(今广武坡西颉家门一带, 靠近鸳鸯镇, 图1)。三国魏更名武城县, 不久即废, 复名新兴县, 故址在今鸳鸯镇附近。宋初置宁远寨, 明改为宁远县, 属巩昌府(陇西郡), 至民国3年(1914年)1月, 宁远更名为武山。从上述历史沿革可知, 公元前47年陇西地震时, 武山县城所在地还没有形成具一定规模的城镇, 可能仅为一些分散的村落, 因此, 即便有地震破坏也只能记载到其所属的豲道县了。

战国时期, 秦昭王二十七年(公元前280年)“ 使司马错发陇西……拔之。” (《史记· 秦本纪》), 这是陇西之名首次见于史籍。公元前272年置陇西郡, 治所狄道(今临洮县), 为陇西建郡之始。两汉时期, 实行州、 郡、 县三级建制, 陇西郡(治所仍在狄道)属凉州刺史部。至安帝五年(公元111年), 因羌人多次起义, 兵入狄道, 便移陇西郡治于襄武(今陇西县), 于公元128年还治狄道。魏文帝黄初元年(公元220年), 陇西郡治由狄道迁至襄武, 到了宋哲宗元眪五年(1090年), 在今陇西所在地设置陇西县。可见, 今陇西县所在地西汉时期为襄武县治所(图1), 而古豲道县城位于其东南约12.5km, 因2座城池相距很近, 推测古人记载地震中豲道县城的破坏情况时, 实际上涵盖了陇西郡辖区较广范围的一些震灾情况, 只是豲道城震害最重而已。

3.3 等震线圈定和震级评定

3.3.1 等震线圈定

综合考虑公元前47年陇西地震中史料记载遭破坏或人员伤亡的豲道、 陇西郡治(狄道)、 冀城和清水等地的地理位置、 震害特点、 烈度及区域活动断裂分布情况等, 大致可以圈定本次地震的等震线图(图2)。其中, 极震区位于陇西县文峰镇西南三台王家新庄(豲道城)至武山、 洛门镇一带(属豲道县辖区), 震中位置大约为34.79° N, 104.86° E, 比现行地震目录所定震中偏SE一些(国家地震局震害防御司, 1995)。等震线呈NWW向的长椭圆形, 大致与该区西秦岭北缘断裂带的甘谷-武山断裂段西段相吻合。其中, 极震区Ⅸ -Ⅹ 度区长轴直径约41km, 短轴直径约23km, 长、 短轴之比为1.8︰1; Ⅷ 度区长轴直径约80km, 短轴直径约50km, 长、 短轴之比为 1.6︰1; Ⅶ 度区长轴直径约240km, 短轴直径约142km, 长、 短轴之比为 1.7︰1。 等震线及其烈度衰减符合大多数走滑型地震的分布规律。

图2 公元前47年陇西地震等震线图
1 古代城镇(数字为烈度), 2 现代市州或县区, 3 现代乡镇, 4 等震线及烈度, 5 推测等震线及烈度, 6 全新世断裂, 7 晚更新世断裂, 8 走滑断裂, 9 逆断裂, 10 正断裂, 11 隐伏断裂; F1 马衔山-兴隆山断裂, F2 会宁-义岗断裂, F3 西秦岭北缘断裂, F4 临潭-宕昌断裂, F5 光盖山-迭山断裂, F6 迭部-白龙江断裂, F7 武都-康县断裂, F8 两当-江洛断裂, F9 礼县-罗家堡断裂Fig. 2 The isoseismal line of Longxi earthquake in 47 BC.

需要说明的是, 历史地震不同于现代地震其破坏点可以记录得非常具体详细, 甚至包括每个村庄的破坏情况, 而历史地震多因年代久远, 人烟稀少, 城镇、 村落分散等原因, 往往所记载遭受破坏的城镇并不仅仅指该城镇本身, 而是包括其所辖区域内村落的破坏情况。鉴于历史地震史料的局限性, 评定其烈度时就仅集中在该城镇点上了。

3.3.2 震级评定

(1)由极震区烈度估算。根据上述史料考证和烈度评定结果, 本次地震极震区烈度可达Ⅸ -Ⅹ 度。利用国家地震局震害防御司(1995)给出的震中烈度(I。)与震级(M)的统计关系式:

MS=0.605I0+1.376

计算得到其震级M=7.1。

蒋梅等(1997)收集了1950-1995年发生在甘宁青地区的33次M≥ 4.7级地震经现场考察绘制的等震线图, 采用最小二乘法统计得出的经验公式:

M=0.60I0+1.41, S=0.32

计算得到其震级M=7.1。

(2)由Ⅷ 度区长度估算。根据图2等震线图, 本次地震Ⅷ 度区等震线长轴直径约80km左右。若将Ⅷ 度区作为孕震断裂段长度来考虑的话, 利用郭增建等(1973)建立的中国大陆地震震级(M)与发震断裂长度(L)的统计关系式:

M=2.1logL+3.3

计算其震级为7.3级。

(3)根据影响范围评定。根据历史地震烈度、 震级简表(顾功叙, 1983), 6~6 34级(Ⅷ 度)地震最远有破坏记录的点距震中约100km以内, 7~7 34级(Ⅸ -Ⅹ 度)地震最远有破坏记录的点距离震中在100~300km内。本次地震除阶州(武都)、 清水、 伏羌(甘谷)等资料为明清时期的史料, 可靠性差一些外, 史料记载确切并在地震中遭到破坏的陇西郡(今临洮县)到震中的直线距离约110km。假如临洮的烈度为Ⅶ 度弱(Ⅶ -度), 则Ⅵ 度区范围当在150~200km范围内, 估计震级在7~7 14级左右, 震中烈度Ⅸ -Ⅹ 度。

(4)由社会影响评定。地震所造成的社会影响, 一方面表现为由于房屋倒塌、 山崩地裂和各种次生灾害所带来的经济损失和人员伤亡, 对社会经济发展造成的直接影响; 另一方面还表现为对社会心理所带来的间接影响。通常, 地震越大, 所带来的社会影响也越大。公元前47年陇西地震, 引起了巨大的社会反响。远在长安的皇帝也感到 “ 天惟降灾, 震惊朕师” 。地震发生后 “ 夙夜兢兢, 不通大变, 深惟郁悼, 未知其序。间者岁数不登, 元元困乏, 不胜饥寒, 以陷刑辟, 朕甚闵之” 。很快皇帝下诏, 对 “ 郡国被灾甚者无出租赋。赦天下, 有可蠲除减省以便万姓者, 条奏毋有所讳” 。这是中国历史上继公元前70年6月1日山东诸城≥ 7级地震之后, 第2个由朝廷出面赈灾并大赦天下的地震。此外, 由于本次地震, 皇帝还亲览有关地震方面的奏折, 多次召见许多著名大臣听取他们的意见。所以就其社会影响而言, 推测其震级也在7级或7级以上。

(5)适当考虑西汉时期的社会经济条件。西汉是中国封建社会的初期阶段, 社会经济和交通条件等都很不发达, 人口稀少。由于当时纸张尚未发明, 人们的著书条件受到很大制约, 因而, 即使地震很大, 在灾情记载中也只能简单几句; 交通等条件的限制, 也使不少灾情难以上报, 正是由于这种历史的局限性, 导致许多历史大地震的震级和震中烈度评定出现偏低的情况。表2为公元前2222年(帝舜三十五年)中国最早地震记载至公元1303年9月25日第1个8级大地震的3, 000多年间, 中国历史地震评定的震级状况是, 该期间中国确定了震级的地震有109次, 其中震级为5~5 34级的占41.3%, 而8级地震为0, 就连7级和7级以上的也仅占到10.1%, 共有11次。

表2 1303年前中国历史地震震级统计表 Table2 Magnitude statistics of historical earthquakes before 1303 AD

如果仅统计两汉时期(东汉和西汉), 从公元前193年陇西郡地震到公元220年雍州地震, 在413a中, 共有地震史料118条(表3), 其中给出地震参数的仅有15次, 占资料总数的12.6%。而在给出地震参数的15次地震中, 5~5 34级的6次, 6~6 34级6次, 各占总数的40%, 7~7 34级3次, 占总数的20%。这显然与中国地震活动规律并不相符。

表3 两汉时期历史地震统计表 Table3 Statistics of historical earthquakes during the period of Two Han Dynasties

鉴于此, 我们曾提出在评定历史地震时, 尤其是类似两汉时期地震活动高潮期的地震, 其震级和震中烈度的评定应进行加权处理。也就是说, 其评定标准不应与现今或明清时期史料记载较详细的历史地震评定标准相同(袁道阳等, 2007b)。因此, 从史料记载的震灾情况及其社会影响, 推测本次地震的震级可达7级以上。

综合上述多种方法评定震级的结果, 认为公元前47年陇西地震的震级应达7级左右。

3.4 震害特点

(1)震害严重。从上述史料记载看, 这次地震的震害非常严重。几乎包括了地震引起的所有震害: 破坏县城城郭, 官寺庙宇和居民房屋均被震坏; 死人甚多; 山崩地裂, 水泉涌出。虽然字句不多, 但字字都有沉重的分量。

(2)波及范围广。本次地震不仅对豲道县城造成了严重破坏, 而且还摇坏了陇西郡治狄道县(今临洮)的太上皇庙殿壁木饰。另外, 乾隆清水县(今清水)和伏羌县(今甘谷)志中也记有这次地震, “ 坏城郭民居” 。万历阶州(今陇南市武都区)志也记载了这次地震。

(3)社会影响大。这次地震造成了巨大的社会影响, 引起朝廷和皇帝的震惊, 这在中国两汉时期是极为少见的。地震发生在二月二十八日, 到了三月皇帝就下诏, 感到 “ 震惊” , 下旨对 “ 地动灾甚者, 无出租赋” , 同时还宣布 “ 赦天下” 。对于直言极谏之士有关地震的建议, 皇帝都 “ 将亲览焉” 。同时, 皇帝还因这次地震灾害重多次召见康蘅、 翼奉、 刘向等人 “ 问以治政得失” 。甚至翼奉还因 “ 地比皆动” 建议皇上徙都。

4 发震构造分析

根据上述分析, 公元前47年陇西地震等震线长轴方向为NWW向, 极震区位于陇西县文峰镇西南的三台王家新庄(豲道城)至武山、 洛门镇一带, 大致与西秦岭北缘断裂带的甘谷-武山断裂段西段相吻合(图2, 3)。以下就结合该段断裂最新构造活动的考察研究结果和现代小震活动性分析, 来探讨本次地震与该段断裂最新构造活动的关联性。

西秦岭北缘断裂带东自宝鸡, 向西经天水、 武山、 漳县, 直达太子山以西, 长约440km。该断裂为1条全新世活动的左旋走滑断裂兼具正断特性, 断裂沿线发生过多次强震甚至大地震。根据其几何结构及其活动性差异, 可将西秦岭北缘断裂划分为4条次级断裂段: 1)天水-宝鸡段(图3a中F1-1): 东起宝鸡, 西至天水北, 走向N70° W, 长约145km。断面N倾, 倾角60° ~70° 。其最新构造活动时代为全新世中晚期(吴赵, 2016)。2)甘谷-武山段(图3a中F1-2): 东起天水南, 西至武山鸳鸯镇, 走向N70° ~75° W, 多向N倾, 倾角65° ~80° , 长约85km。该段断裂切割了全新统晚期地层, 断裂东端发生过734年天水7级地震(雷中生等, 2007), 中段发生过128年甘谷 6 12级地震, 西段发生过公元前47年陇西7级地震和1765年甘谷-武山 6 12级地震等(邵延秀等, 2011)。3)漳县-黄香沟段(图3a中F1-3): 断裂东起盘古川, 西至洮河海甸峡, 走向N80° W, 长约90km, 多向NE倾, 倾角> 60° , 该段断裂新活动显著, 尤其是黄香沟段发现了多期全新世古地震事件, 143年甘谷西7级地震可能发生在该断裂漳县段上(李传友, 2005, 袁道阳等, 2007)。4)锅麻滩段(图3a中F1-4): 东起洮河东的常家南, 西至太子山西, 走向N55° ~60° W, 长约120km。该段断裂于1936年发生过康乐 6 12级地震(滕瑞增等, 1994; 张波等, 2015)。

图3 西秦岭北缘断裂带分段及其与公元前47年陇西地震极震区关系图Fig. 3 Segmentation of the northern margin of western Qinlin fault zone and relationship
between the secondary faults and the heavily-damaged area of Longxi earthquake in 47 BC.

根据我们近年来对西秦岭北缘断裂带甘谷-武山段的最新调查结果, 其晚第四纪尤其是全新世晚期新活动明显, 以左旋走滑为主兼具正断特性, 断错了冲沟T1-T2级冲洪积阶地, 沿断裂至今仍保留了部分深切的地震断层沟槽、 黄土中密集发育的张性构造裂缝、 滑坡体和串珠状落水洞等新活动遗迹(吴赵等, 2016)。现简述如下。

4.1 断层活动的地质地貌证据

在武山县城附近, 渭河南北两岸发育了多级高阶地或台地, 其底部沉积了较厚的阶地砾石层, 其上则堆积了厚薄不等的砂土、 次生黄土和风成黄土等, 因受后期雨水侵蚀切割影响, 这些高阶地或台地大多已被破坏而残缺不全, 并在其上新发育了一些次级冲沟和阶地。其中, 武山县NW侧的渭河北岸堡子村附近, 就在高阶地基础上, 发育了2条小冲沟(碱沟和雅儿沟), 从北侧的黄土台地向南流入渭河(图4a, 位置见图3)。西秦岭北缘断裂从堡子村山边通过, 地貌上形成了一系列断层垭口、 断层沟槽和断层陡坎等, 其线性特征清晰, 断错地貌明显(图4b, c)。其中, 雅儿沟大致与断层走向一致, 形成1条近EW向的断层沟, 与该区绝大多数近SN向的冲沟差别明显(图4b)。而碱沟为1条近SN向的小冲沟, 与西秦岭北缘断裂走向近于垂直。该沟切割了渭河北侧多级高阶地或台地, 在沟内发育了T1-T2级冲洪积阶地, 其中, T1阶地高出沟床约2m, 年代大约为全新世晚期; T2阶地高出沟床4~5m, 形成年代为全新世中期(释光年代为(7.60± 1.17)ka, BP)。而T3(释光年代为(11.7± 1.3)ka, BP)-T4为渭河北岸残留的阶地。断裂活动致使碱沟西侧T2阶地面上发育了高0.5~1m、 宽10余m的断层沟槽, 形成1个小地堑(图4a, c)。在该级阶地边缘清理的探槽中断层清晰, 新构造活动明显, 其剖面特征如下(图5)。

图4 武山堡子村阶地断错地貌(据吴赵等, 2016修改)Fig. 4 Faulted terrace landforms in Buzi Village, Wushan County(modified from Wu Zhao et al., 2016).

图5 武山堡子村断层剖面图(据吴赵等, 2016改绘)
U1 地表根土层; U2 黄土状土, 较松散; U3 土黄色黄土, 质地较硬, 含砾; U4 次生黄土, 含砂质较多, 近水平层理; U5 土黄色砂质黏土、 次生黄土; U6 土红色黏土层, 质地较硬; U1-U6构成了T2阶地上部的细粒堆积; U7 T2阶地砾石层; U8 断层变形带, 含砂质、 泥质及砾石等, 次生裂隙较多; U9 土灰色粉质黏土层, 构成1个充填楔; U10 土黄色、 灰白色砂质黏土; U11 新近纪桔红色砂质泥岩; U12 古近纪暗紫色泥岩; U11-U12构成T2阶地的基座Fig. 5 Cross section of the fault at Buzi Village in Wushan County(modified after Wu Zhao et al., 2016).

探槽剖面(图5)中发育了f1、 f2和f3 3条断层, 共同构成1条宽约2m的断层变形带。由于断层的左旋走滑活动, 使得断层两侧下部地层岩性不一致。其中, 南侧(断层下盘)地层单元U7为T2阶地砾石层, 其上堆积了U2-U6次生黄土、 砂质黏土等, 具近水平层理, 其中U5底部光释光年龄为(7.60± 1.17)ka, 大致代表该级阶地废弃的年代, 即阶地形成于全新世中期; 而北侧(断层上盘)地层单元U2-U3为次生黄土、 砂质黏土等, U9为粉质黏土, 构成1个充填楔, 在其中部采集到细小的炭颗粒, 测得其14C年龄为 (4 050± 30)a, 表明该层物质可能来自下盘的U4, 因被断错崩塌充填而成。

f1错断了下部新近纪桔红色泥岩、 古近纪暗紫色泥岩以及阶地下部U5-U7地层单元, 终止在U4下部, 代表了1次古地震事件, 其年代接近(4.21± 0.45)ka, BP前, 鉴于U9充填楔中炭粒的14C年代 (4, 050± 30)a, BP, 考虑测年方法和采样误差, 估计该事件的年代为 (4, 050± 30)~(4 210± 450)a, BP左右。

断层f2和f3的最新构造活动均终止在上盘U2-U3之下, 上盘因地势低洼, U1-U3沉积厚度较下盘的大。根据其年代测试结果, 推测该次地震事件可能介于U3和U2之间, 即介于(2.95± 0.39)ka, BP(U3)和(0.66± 0.08)ka, BP(U2)之间。这次地震事件中f1也很可能参与了活动并影响到了U3-U4, 形成多条张性裂缝, 但未断错。

结合本区历史地震考证结果, 公元前47年陇西地震距今约2, 064a, 与第2次地震事件f2、 f3的构造活动时间相吻合。

4.2 断层活动的地表形变现象

在武山县城NE方向渭河北岸的鲁班沟、 徐坪村一带, 西秦岭北缘断裂晚第四纪构造活动造成一系列自北而南流入渭河的冲沟左旋位错几十至几百m不等, 断裂穿过的黄土梁脊、 渭河阶地或高台地等均形成明显的断层垭口、 近EW向断层沟谷、 深切断层凹槽和断层陡坎等断错地貌现象(图6a, 位置见图3)。

图6 徐坪村断层地貌(吴赵等, 2016)Fig. 6 Faulted landforms in Xuping Village(after Wu Zhao et al., 2016).

卫星影像解译和现场实地调查发现, 沿断裂形成了一连串断层沟槽、 黄土滑塌体和密集分布的落水洞等(图6b, c)。其中, 在徐坪村附近仔细观察发现, 断层沟槽内的黄土支离破碎, 还可见密集发育的垂直节理和具有斜擦痕的次级小断层, 并不是古滑坡作用造成的, 更可能与断裂带的最新构造活动关系密切(图6d, e)。从密集发育的这些次级断层直接延至近地表看, 其活动时代新, 其规模因受后期雨水侵蚀或淋滤作用影响加大了, 应为古地震地表形变现象遗迹。本区历史上发生过多次中强以上地震甚至大地震, 如公元前47年陇西地震、 143年甘谷西7级地震、 1765年武山-甘谷 6 级地震等(邵延秀等, 2011), 上述现象很有可能应为上述历史地震中的某一次或多次地震活动累积叠加作用的结果, 目前已难以区分了。

4.3 现代小震活动精定位分析

利用甘肃省 “ 十五” 数字化测震台网观测资料(2008年10月至2016年12月31日), 采用VELEST方法获取该研究区域(大致相当于图3的区域范围)精细速度结构(Long et al., 2013), 采用HYPOINVERSE-2000方法, 重新定位获取了223次地震的定位结果(图7a), 重新定位后的水平向误差均值为1.6km; 垂直向误差均值为3.6km。从研究区小震活动的平面分布图看, 该区地震活动较为频繁, 大致以西秦岭北缘断裂带为中心, 两侧10~15km范围小震活动密集, 总体走向为NWW向。

图7 研究区地震精定位结果及其平面和剖面特征Fig. 7 Relocation of small to moderate earthquakes in the research area and the features of earthquakes in space and profile.

我们选择小震分布相对密集的断层段分别做了A-A'和B-B' 2条剖面(位置见图7a), 剖面宽度为30km, 从小震沿垂直断层剖面分布图上可以看出(图7b, c), 小震分布均呈向N倾的趋势。结合地表断层的剖面特征, 表明该段断裂除了左旋走滑之外, 还兼具向N倾的正断特性, 这样就可以解释公元前47年陇西地震中西秦岭北缘断裂的北侧震害较重, 极震区范围较南侧大, 这可能跟断层的N倾是有密切联系的。

上述西秦岭北缘断裂甘谷-武山段晚第四纪最新构造活动的地质地貌和剖面特征、 地表形变现象遗迹以及现代小震精定位分析结果均显示, 该段断裂全新世晚期新活动的证据明确(图5), 局部地段仍保存了地震断层沟槽、 张性构造裂缝等最新活动证据(图6)。结合上述历史地震资料考证结果和现代小震活动的平面、 剖面特征(图7)分析认为, 公元前47年陇西地震的极震区与西秦岭北缘断裂带甘谷-武山断裂段西段吻合, 应为该段断裂最新构造活动的结果。

5 结论及讨论

依据历史地震资料的系统梳理、 现场考证和综合分析, 结合极震区活动断裂最新调查研究结果和现代小震活动特征分析, 对公元前47年甘肃陇西地震的基本参数和发震构造得到如下认识:

(1)受历史条件诸多因素制约, 许多年代久远的历史地震因史料记载简单, 造成其确切震灾地点的考证存在较大困难, 公元前47年陇西地震就是其中之一。本文根据历史资料考证和野外实地调查, 确认在公元前47年陇西地震中破坏最严重的豲道城位于今甘肃陇西县文峰镇南东的三台王家新庄附近。

(2)综合考虑公元前47年陇西地震史料记载中各破坏点的地理位置、 震害和烈度分布, 大致圈定了本次地震的等震线。其震中位置大约为34.79° N, 104.86° E, 比现行地震目录所定震中偏SE一些。极震区位于陇西县文峰镇东南的三台王家新庄至武山、 洛门一带, 震中烈度达Ⅸ -Ⅹ 度, 震级可达7级左右。

(3)重新确定的公元前47年陇西地震等震线长轴方向为NWW向, 重破坏区位置和走向与西秦岭北缘断裂带的甘谷-武山断裂段西段相吻合。该段断裂全新世晚期新活动的地质地貌和地质剖面证据明确, 存在地震断裂沟槽、 黄土中密集发育的构造裂缝、 滑塌体和串珠状落水洞等古地震形变现象遗迹。综合分析认为, 公元前47年陇西地震的发震构造应为西秦岭北缘断裂的甘谷-武山断裂段西段。

(4)本次地震所在的西秦岭地区是历史大震和现今小震活动密集区(邵延秀等, 2011), 在青藏块体向NE推挤和向SE运移作用下, 沿重要活动断裂带易形成应力集中, 尤其是公元前47年陇西地震距今已2, 000多年, 离逝时间较长, 存在再次发生中强地震甚至大地震的构造条件。

致谢 本文的14C样品在美国贝塔实验室, 光释光样品在中科释光检测技术研究所实验室分析测试, 在此表示衷心感谢。感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议。

The authors have declared that no competing interests exist.

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