引用本文
余中元, 潘华, 沈军, 李金臣, 张萌, 戴训也. 夏垫断裂荣家堡探槽揭示的断裂活动特征及未来地震危险性概率评价[J]. 地震地质, 2020,42(3): 688-702.
YU Zhong-yuan, PAN Hua, SHEN Jun, LI Jin-chen, ZHANG Meng, DAI Xun-ye. THE ACTIVITY FEATURES OF XIADIAN FAULT ZONE REVEALED BY RONGJIABAO TRENCH AND ITS PROBABILISTIC SEISMIC HAZARD EVALUATION[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(3): 688-702.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.03.010
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夏垫断裂荣家堡探槽揭示的断裂活动特征及未来地震危险性概率评价
余中元1,2, 潘华1,*, 沈军2, 李金臣1, 张萌1, 戴训也2
1)中国地震局地球物理研究所, 北京　100081
2)防灾科技学院, 廊坊　065201
*通讯作者: 潘华, 男, 1966年生, 研究员, 博士研究生导师, 研究方向为工程地震, 电话: 010-68729282, E-mail: panhua.mail@163.com。

作者简介: 余中元, 男, 1982年生, 2016 年于中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位, 副教授, 现主要从事活动构造及古地震、 地震危险性评价等方面的研究, 电话: 010-61594345, E-mail: yuyangzi9811@126.com

收稿日期: 2019-12-07
基金项目: 第63批中国博士后科学基金项目(2018M631534)和中央高校基本科研业务专项(ZY20180204)共同资助
摘要

时间相依的活动断裂地震危险性概率评价以地震地质学定量研究为基础, 采用随离逝时间增长的发震概率和预测震级共同描述断裂段的地震危险性, 对地震预防和灾害管理具有重要的现实意义。 传统概率方法中泊松分布(Poisson)模型的时间不相关性与活动断裂上大地震的活动特征不符, 不能直接用于计算上次大地震离逝时间较短的活动断层的地震危险性。 曾于1679年发生过三河-平谷8级大地震的夏垫断裂即是典型实例, 现有的泊松模型可能高估了该断裂的潜在地震风险, 应考虑该地震之后的应力积累和时间因素来评估其地震危险性。 文中基于野外探槽古地震和地貌测量等调查工作, 揭示该断裂晚全新世以来发生过2次古地震事件: 事件E1即1679年三河-平谷大地震, 距今341a; 另一次古地震事件E2的年龄限定为距今(4.89±0.68)ka, 平均同震位移约为(1.4±0.1)m。 与前人的研究数据进行对比可发现, 最近一次大地震的离逝时间约341a, 预测未来的最大震级为8.0级。 同时, 文中采用时间相依的布朗模型(BPT)、 随机特征滑动模型(SCS)和通用模型(NB)表述断层破裂源上特征型地震活动的时间相依特征, 综合计算了该断裂带未来30a的强震发震概率, 并与泊松模型的计算结果进行了对比。 研究结果表明, 该断裂未来30a的强震发震概率较低, 原来所采用的时间不相关的泊松模型所计算的发震概率值相对偏保守。 所得结果有助于科学评价该断裂的地震潜势, 同时有助于讨论时间相依的概率方法如何更好地适用于东部地区活动断裂的地震危险性评价。

关键词: 时间相依; 夏垫断裂; 强震危险性; 概率评价
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)03-0688-15
THE ACTIVITY FEATURES OF XIADIAN FAULT ZONE REVEALED BY RONGJIABAO TRENCH AND ITS PROBABILISTIC SEISMIC HAZARD EVALUATION
YU Zhong-yuan1,2, PAN Hua1, SHEN Jun2, LI Jin-chen1, ZHANG Meng1, DAI Xun-ye2
1)Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
2)Institute of Disaster Prevention, Langfang, Hebei Province 065201, China
Abstract

The time-dependent probabilistic seismic hazard assessment of the active faults based on the quantitative study of seismo-geology has the vital practical significance for the earthquake prevention and disaster management because it describes the seismic risk of active faults by the probability of an earthquake that increases with time and the predicted magnitude. The Poisson model used in the traditional probabilistic method contradicts with the activity characteristics of the fault, so it cannot be used directly to the potential earthquake risk evaluation of the active fault where the time elapsing from the last great earthquake is relatively short. That is to say, the present Poisson model might overestimate the potential earthquake risk of the Xiadian active fault zone in North China because the elapsed time after the historical M8 earthquake that occurred in 1679 is only 341a. Thus, based on paleoearthquake study and geomorphology survey in the field, as well as integrating the data provided by the previous scientists, this paper reveals two paleo-events occurring on the Xiadian active fault zone. The first event E1 occurred in 1679 with magnitude M8 and ruptured the surface from Sanhe City of Hebei Province to Pinggu District of Beijing at about 341a BP, and the other happened in (4.89±0.68)ka BP(E2). Our research also found that the average co-seismic displacement is ~(1.4±0.1)m, and the predicted maximum magnitude of the potential earthquake is 8.0. In addition, the probabilistic seismic hazard analysis of great earthquakes for Xiadian active fault zone in the forthcoming 30a is performed based on Poisson model, Brownian time passage model(BPT), stochastic characteristic-slip model(SCS)and NB model to describe time-dependent features of the fault rupture source and its characteristic behavior. The research shows that the probability of strong earthquake in the forthcoming 30a along the Xiadian active fault zone is lower than previously thought, and the seismic hazard level estimated by Poisson model might be overestimated. This result is also helpful for the scientific earthquake potential estimation and earthquake disaster protection of the Xiadian active fault zone, and for the discussion on how to better apply the time-dependent probabilistic methods to the earthquake potential evaluation of active faults in eastern China.

Keyword: time-dependent; Xiadian fault zone; seismic hazard of great earthquakes; probabilistic evaluation
0 引言

时间相依的活动断裂概率地震危险性评价以地震地质学定量参数为基础, 采用随离逝时间增长的发震概率和预测震级共同描述断裂段的地震危险性, 对地震预防和灾害管理具有重要的现实意义(闻学泽, 1995)。 对于人口稠密、 经济政治发达且面临大地震威胁的地区, 时间相依的强震危险性评估结果是地震风险管理、 地震保险等最直接和最有效的依据。 中国华北地震区的大型活动断裂带非常发育, 大地震活动强烈, 历史上曾发生1966邢台7.2级和1976年唐山7.8级等一系列破坏性地震。 其中, 夏垫活动断裂带曾发生1679年三河-平谷8级大地震, 人员伤亡和灾害损失惨重。 因此, 对该断裂未来的地震危险性进行科学评估具有重要的防灾减灾实际意义。

但是, 中国现行的概率地震危险性评价方法所采用的泊松分布(Poisson)模型的时间不相关性与活动断裂上大地震的活动特征不符, 不能直接用于评价上次大地震离逝时间较短的活动断层的地震危险性。 冉洪流(2006)对鲜水河断裂的研究表明, 若考虑大地震的离逝时间, 布朗模型(Brownian Passage Time Model, 下文简称BPT模型)和泊松模型所得到的发震概率计算结果均远大于根据中国地震动参数区划图(2001)潜在震源区划分综合方案所得到的结果。 夏垫断裂即是典型实例, 1679年8级历史大地震的离逝时间为341a, 现有的泊松模型可能高估了该断裂的地震风险, 应综合考虑该地震之后的应力积累过程和时间因素。

时间相依的地震活动性模型及相关的地震危险性评价方法近年来发展迅速, 应用广泛(闻学泽, 1998; 冉洪流, 2006)。 该方法假定强震或大地震的原地复发遵从有关物理模型(特征地震模型、 准周期模型及时间可预报模型等), 而这些地震复发模型均以 “ 弹性回跳” 及 “ 地震轮回” 理论为基础(Reid, 1910), 与人们对地震复发机理的普遍理解相一致, 已受到越来越多的学者重视, 得到广泛的实际应用。

国际学者在开展时间相依的强震概率评估研究中曾使用过多种更新过程模型, 如Normal模型(Rikitake, 1974)、 Lognormal模型(Nishenko et al., 1987)、 Weibull模型和Gamma模型等。 经多年的实践发现, 大多数模型很难得到现有数据的支撑, 且计算结果也没有显著的差异。 因此, 在后续的工作中(Working Group on California Earthquake Probabilities, 2003)简化为只采用BPT模型(Ellsworth et al., 1999; Matthews, 2002)。 但BPT模型中 “ 每次地震的震级保持不变” 这一假定条件很多时候可能与实际情况不尽相符, 震级的分布带有一定不确定性。 因此, 越来越多的学者开始采用随机特征滑动模型(Stochastic Characteristic-Slip Model, 以下简称SCS模型)进行概率地震危险性评价(郭星, 2014)。 不同于BPT模型, SCS模型假定分段断层源上发生强震的震级随机性满足特征地震模型, 而大地震发生后断层源上的应力状态则下降到一个固定的下限。 根据这种假设, 对于特征断层源, 未来一段时期内大地震的发生概率和震级的大小均与上一次大地震的发生时间有关。 在相关方法的应用方面, 郭星等(2014)基于SCS模型对海原断裂带的地震危险性进行了研究; Li等(2016, 2017)基于断层破裂源模型和时间相依的活动性模型重新评估了南北地震带和山西太原及周边地区的地震危险性。

现有工作基础表明, 夏垫断裂带是属于中国华北地区的区域性活动断裂和发震构造, 其毗邻北京, 地域上具有一定的特殊性, 周边构造环境和深部构造特征比较复杂, 断裂的强震重现特征与中国西部的活动断裂存在较大的不同。 古地震研究表明该断裂表现出重复活动的特征, 但强震复发间隔和震级估计具有较大的不确定性, 断裂的准周期性并不显著, 滑动速率呈现出阶段性变化的特点。 断裂总体呈较为典型的大陆内部活动断裂的特征, 与板块边界的准周期型断裂有较大不同, 不宜简单地采用与时间无关的泊松模型评估其潜在地震危险性。

基于此, 本文首先通过野外探槽古地震和地貌测量等方法并综合前人数据得到了该断裂晚全新世以来2次强震的活动记录及相关的定量运动学参数; 然后采用时间相依的BPT模型、 SCS模型和通用模型(NB)表述断层破裂源上特征型地震活动的时间相依特征, 综合计算了该断裂带未来30a的强震发震概率, 最后与泊松模型的估算结果进行了对比。 本研究所得结果可为科学评价该断裂的地震潜势提供参考, 同时有助于讨论时间相依的概率方法如何更好地应用于中国东部地区活动断裂的地震危险性评价。

1 区域地质构造背景

研究区宏观上位于华北地台北部, 区域构造上位于NE向的太行山构造带东缘与EW向燕山构造带南缘的交接部位, 大地震活动强烈, 历史上曾发生1966邢台7.2级和1976年唐山7.8级等一系列破坏性地震。 区内发育了多条活动断裂, 呈NE、 NW和近EW向展布, 对第四系厚度分布控制较为明显, 其中规模较大的断裂主要包括黄庄-高丽营断裂带、 宝坻断裂带和南口-孙河断裂带等(图1a)。 夏垫断裂带主体呈NE-NNE走向, 长120km, 北起平谷县王辛庄, 向S经夏垫、 永乐店至凤河营西侧通过。 该断裂是大厂断陷西界的主控断裂, 曾发生北京及周边地区历史资料中记载的最大地震--1679年三河-平谷8级大地震(冉勇康等, 1997), 该地震的同震地表破裂呈NE-NEE走向, 南至东柳河屯, 北至东兴庄, 呈雁列展布, 其宏观震中位于潘各庄一带, 长约10km(图1b)。 在2015年最新出版的中国第五代地震动参数区划图上, 该地区的峰值加速为0.30g, 特征周期为0.4s。

图 1 夏垫断裂及邻区活动断裂分布图(据江娃利等, 2000修编)
a 北京东部地区活动构造略图: ①南口-孙河断裂带; ②黄庄-高丽营断裂带; ③夏垫断裂带(虚线框); ④宝坻断裂带; ⑤廊坊盆地东缘断裂带; ⑥廊坊盆地西缘断裂带。 b 夏垫断裂带1679年三河-平谷8级历史大地震地表破裂陡坎分布图Fig. 1 Distribution of active faults around the Xiadian Fault(adapted after JIANG Wa-li et al., 2000).

2 夏垫断裂的基本特征及研究概况

夏垫断裂(也称夏垫-马坊断裂)是大厂凹陷与大兴隆起的分界断裂, 走向约为N30° E, 整体倾向SE, 其几何展布北从平谷县的马坊经夏垫、 西集到郎府, 长约120km。 地球物理数据揭示该断裂深达莫霍面, 明显控制了大厂凹陷的巨厚古近系和新近系的堆积, 中生代时有强烈活动, 至古-新近纪时仍继续活动, 形成了西断东超的半地堑式格局。 向宏发等(1988)根据在夏垫一带获得的浅层人工地震剖面的探测结果解释提出了 “ 夏垫新断裂” 的概念。 夏垫新断裂是在新近纪夏垫-马坊断裂带的基础上在第四纪新形成的活动断裂, 其斜切马起发断裂、 郎府断裂和夏垫断裂, 是华北平原北部一条重要的发震断层(向宏发等, 1988), 走向N45° E, 与原夏垫断裂交切成20° 夹角, 倾向SE, 倾角为50° ~70° , 是大厂第四纪凹陷和通县凸起2个最新构造单元的边界断裂。 徐锡伟等(2002)根据超浅层地震反射研究了1679年三河-平谷8级地震区的构造特征, 发现地壳浅部存在着倾角和运动特征明显不同的2组断裂。

1679年的三河-平谷8级地震是夏垫新断裂最新一次地表破裂事件。 该事件形成了西起东柳河屯、 经夏垫镇北、 东至东兴庄, 长约12km的同震地表破裂带, 其主要地貌特征包括断层陡坎、 坡折带和断陷槽地等(图1b)。 该地震同时也是京东地区历史文献所记载的最大地震, 潘各庄一带的烈度达Ⅺ 度, Ⅹ 度区的长轴范围达90km(江娃利等, 2000)。 等震线的长轴方向与夏垫活动断裂的展布方向基本一致。 前人研究认为该破裂带的最大垂直位移为3.16m(向宏发等, 1988; 徐锡伟等, 2000, 2002)。 孟宪梁等(1983)和向宏发等(1988)调查了该地表破裂带的特征。

同时, 诸多学者还研究了该破裂带晚第四纪以来的古地震事件、 强震复发间隔与平均同震位移量等。 向宏发等(1988)基于对潘各庄一带的探槽的测量研究认为夏垫断裂带15ka BP以来只发生过1次8级强震(即1679年8级历史强震事件), 并根据平均地震位错速率与特定震级的同震位错量关系求得该段7.5级、 7.0级和6.5级地震原地平均复发周期的下限值分别为3 800a、 1 750a和800a。 冉勇康等(1997)根据东柳河屯的探槽工作推测夏垫断裂带距今20ka以来曾发生过4次地表破裂型古地震, 前2次事件表现出砂体液化特征, 后2次可见直接的断错证据, 4次强震事件的复发间隔约为(6 561± 691)a, 呈现出准周期重复特征。 江娃利等(2000)根据大胡庄-齐心庄附近的探槽与探坑工作, 研究认为该断裂带全新世以来曾发生过4次强震事件, 复发间隔为(3.336± 0.396)ka, 平均同震垂直位移为(1.4± 0.5)m。 徐锡伟等(2000)据东柳河屯一带跨断裂带的2个钻孔发现, 夏垫断裂的地表破裂型地震复发行为与古气候环境密切相关。 其中, 末次冰期间亚冰期和鼎盛期(距今19.3~26ka)共发生6次丛状群集型古地震事件, 复发间隔为900~1 900a, 末次冰期鼎盛期晚期到冰后期(距今0~19.3ka)的5次地表破裂型(古)地震服从准周期复发模式, 复发间隔明显增长, 为3.7~5.8ka。

显然, 上述这些成果为研究1679年三河-平谷8级历史大地震的同震变形特征、 分析夏垫断裂晚第四纪以来的古地震活动和构造变形特征及评价其地震活动潜势、 了解华北平原区8级强震的发震构造特征、 孕震机理和强震活动规律等奠定了重要基础。

3 夏垫断裂全新世期间的古地震活动
3.1 1679年三河-平谷8级地震的地表陡坎展布实测

本次研究通过RTK技术测量了10条跨陡坎的剖面(图 1, 2)。 测量结果显示最大垂直位移位于潘各庄一带, 约(4.2± 0.1)m, 最小垂直位移位于断裂两端, 约(1.2± 0.1)m, 全段平均垂直位移约(3.0± 0.1)m。

图 2 夏垫断裂地表陡坎的高度分布特征
测线编号与图 1b一致Fig. 2 Distribution of scarp height along the Xiadian Fault.

3.2 夏垫断裂荣家堡探槽的调查结果

本研究在齐心庄荣家堡附近开挖了一个大型探槽, 主要用于获得古地震的活动期次等定量数据, 并与前人研究结果进行充分对比, 以求最大程度减小年代数据的不确定性。 探槽TC1的位置见图1b(116° 56'52″E, 39° 58'46″N), 与陡坎近垂直相交。 探槽西壁剖面的地层特征及素描结果见图 3, 探槽中各套地层的分层特征描述见表1, 年代测试结果见表2。

图 3 夏垫活动断裂带荣家堡TC1西壁的剖面图
a 照片拼接图; b 素描图Fig. 3 Trench profile of the west wall of TC1 in Rongjiabao village on Xiadian active fault zone.

表1 夏垫断裂带荣家堡TC1剖面地层描述 Table1 Description of characteristics of stratum in the trench in Rongjiabao on Xiadian fault zone
表2 夏垫断裂带荣家堡TC1年代样品测试结果 Table2 The dating results of samples from the trench TC1 in Rongjiabao village on Xiadian fault zone

该探槽位于夏垫断裂带NE端的荣家堡一带, 长约17m, 深约5m, 宽约4m(图1a)。 探槽揭示的地层岩性主要为黏土和粉砂的互层。 探槽共揭露出5条断层(分别记为F1-F5), 2个崩积楔以及层理扰动、 地层错断和砂土液化等构造变形现象。 断层F1-F5的产状分别为155° ∠70° , 160° ∠73° 、 162° ∠72° 、 330° ∠70° 和320° ∠68° (图3b)。 该探槽剖面上、 下2盘共揭露了17个地层单元(图3b, 表1), 其中, U1-U10 为断层F1的上升盘, 明显发育了层理扰动、 地层错断、 砂土液化等现象; U15 为地表耕作土; U10-U14 为断层F1的下降盘, U10 未见底, 通过洛阳铲打钻, 在U10 以下约(1.2± 0.1)m处发现了U7地层的对应层(图 3), 地层特征可对比, 可见大量铁锈色条带, 含多条薄层黏土质粉砂层条带、 黏土层条带和一些粉砂质黏土团块; U16和U17为楔形, 成分复杂, 无层理, 块状构造。

根据崩积楔和地层错断等构造现象综合分析认为, 整个剖面揭示了2次古地震事件, 从老至新分别标记为E2和E1。

事件E2发生在地层U10 沉积之后、 地层U11 沉积之前, 断层F1将该套地层垂直断错约280cm(图 3)。 断层F1分别错断了地层U8-U10, 然后被沉积地层U11-U13 所覆盖。 地层U10 中裂隙和空洞较发育, 靠近断层处F1层顶上堆积着三角形状崩积楔U16(图 3)。 综上, 根据崩积楔U16 和断层F1两侧的地层对比, 判断地层U10 沉积之后和U11 沉积之前存在着1次古地震事件E2。

事件E1为最新一次古地震事件, 发生在地层U14 沉积之后、 U15 沉积之前。 地层U14-U13 中同时发育层理扰动现象。 从剖面图 3 中可以看出崩积楔U17 发育, 结构松散, 含灰黑色、 无层理的黏土质粉砂团块、 黄褐色黏土团块及张裂隙。 根据崩积楔U17 和相关的地层变形证据判断, 在地层U14 沉积之后和地层U15 沉积之前存在最新一次古地震事件E1, 即1679年三河-平谷8级历史大地震。 同时, 根据历史地震重演的法则(李善邦, 1957; 高孟潭, 2016), 将1679年这次8级地震确定为所预测时段内的最大震级。

为了限定上述古地震事件发生的时间, 在主要地层中采集了10个光释光年代样品, 取样位置见图3b。 古地震事件的活动时间主要依靠事件层上覆的最老未变形地层的年龄和下伏变形的最年轻地层的年龄综合确定。 结合上述释光年代测试数据(表2)以及古地震事件分析过程和定年方法, 可得到事件E1即1679年三河-平谷大地震的年龄为341a, 另一次古地震事件E2的年龄可限定为(7.24± 1.09)~(2.55± 0.84)ka, 即(4.89± 0.68)ka。

3.3 与前人研究结果的对比

前人针对该断裂开展了较为深入的研究。 向宏发等(1988)在潘各庄开挖了深约4.0m的探槽; 徐锡伟等(2000)和冉勇康等(1997)在东柳河屯开展了钻孔和探槽研究, 2个钻孔的孔深分别为47.2m和61m, 探槽深约6m; 江娃利等(2000)在大胡庄附近开挖了2个探槽和4个探坑, 每个探槽深约4.0m。 本文对比了前人的研究结果与本研究得到的相关数据, 并展开了讨论(表3, 图 4)。

表3 夏垫断裂带荣家堡古地震事件与前人研究结果对比 Table3 The comparison results of paleoseismicity between the trenching in Rongjiabiao village and the previous researches

图 4 夏垫活动断裂带全新世以来的古地震事件对比图Fig. 4 The comparison of paleoseismicity of the Xiadian fault zone in Holocene.

综合对比表3和图 4 的结果可知, 前人基于探槽、 钻孔和探坑等手段揭示了夏垫断裂全新世以来的4次古地震事件。 本文分别从古地震期次划分、 识别标志、 复发间隔及同震位移4个方面进行对比讨论。

在古地震事件的期次划分方面, 冉勇康等(1997)基于东柳河屯一带的探槽剖面揭示了4次古地震事件。 江娃利等(2000)基于齐心庄-大胡庄的探槽剖面也揭示了4次古地震事件, 并基于标志层及对应层地层厚度差的对比分析, 总结认为东柳河屯探槽与齐心庄探槽共有3期事件可对比。 徐锡伟等(2000)分析了东柳河屯一带跨断裂带的2个钻孔的数据, 认为夏垫断裂在全新世时期经历了3次古地震事件, 可与齐心庄探槽中最新的3期事件较好地对应。 本研究的探槽位置距离江娃利等(2000)的探槽约2km, 揭示了全新世晚期的2次古地震事件, 这与齐心庄探槽最新2期古地震事件的一致性较好。

在古地震事件的识别特征方面, 在冉勇康等(1997)于东柳河屯探槽揭示的4次事件中, 前2次事件表现为砂土液化, 后2次可见直接断错证据, 江娃利等(2000)在大胡庄-齐心庄附近的探槽识别依据主要包括: 1)地层层位错断; 2)断层下降盘出现崩积楔; 3)断层下降盘出现堰塞塘堆积; 4)张裂楔; 5)地层出现揉皱或液化现象等。 徐锡伟等(2000)主要考虑了沉积物厚度变化、 沉积相突变, 尤其是重点考虑了2钻孔地层剖面上同时代层位地层的垂直位移量随深度的变化, 从新到老逐一扣除(古)地震的同震垂直位移量, 并进行了断裂作用过程的复原。 本次在荣家堡开挖的探槽中, E1和E2事件主要的判别依据是崩积楔和对应地层层位的错断等证据, 与冉勇康等(1997)在东柳河屯探槽中获得的后2次事件的依据及江娃利等(2000)在大胡庄-齐心庄附近探槽中得到的识别依据较为一致。

在古地震的复发间隔方面, 向宏发等(1988)等认为夏垫断裂15ka BP以来只发生1次8级强震(即1679年8级历史强震事件), 7.5级、 7.0级和6.5级地震的原地平均复发周期下限值分别为3 800a、 1 750a和800a; 冉勇康等(1997)研究发现4次事件的复发间隔约为(6 561± 691)a; 徐锡伟等(2000)的研究则认为复发间隔为3 700~5 800a; 江娃利等(2000)认为复发间隔为(3 336± 396)a。 本研究仅揭示出2次事件, 故在进行概率危险性分析时引用了距离该位置较近的江娃利等(2000)的研究结果作为复发间隔, 即(3 336± 396)a。

冉勇康等(1997)分析认为1679年M8地震的垂直位移约为1.75m; 而徐锡伟等(2000)认为此次地震的平均同震垂直位移值约为1.2m, 江娃利等(2000)则认为其平均同震垂直位移为(1.4± 0.4)m。 本次通过高精度差分GPS测量得到现今的地表陡坎高度为(1.7± 0.1)m(图 2), 可近似代表1679 年三河-平谷大地震在该处的最小同震垂直位移量。 同时, 通过探槽断层两侧同一地层的位移测量得出U10 地层的垂直落差为(2.8± 0.1)m(图 3)。 因此, 本研究认为U10 地层在断层两侧的落差应代表古地震事件E2和E1的总和。 也是就说, 古地震事件E2的垂直位移应为(2.8± 0.1)m减去(1.7± 0.1)m, 其值约为(1.1± 0.1)m, 而平均垂直位移为(1.4± 0.1)m。 从最新的2次事件的同震位移来看, 本次在荣家堡探槽揭示的平均同震位移与江娃利等(2000)和冉勇康等(1997)的结果较为接近, 但略大于徐锡伟等(2000)的结果。

上述对比结果同时显示, 沿同一地震地表破裂带的不同地段开挖的探槽, 所得到的古地震期次并不完全相同, 逐次限定法可能是解决该问题的有效办法之一。 如荣家堡探槽、 齐心庄探槽与东柳河屯探槽揭示的全新世古地震事件有2次可以较好地对应(图 4)。 此外, 通过探槽分析同震位错时, 需要考虑探槽所处的构造地貌部位差异, 而这种差异可能会使测量数据出现偏差, 例如, 本研究的探槽仅揭露了断裂带的局部变形状态, 在探槽附近仍可能存在与探槽内所揭露断层呈平行展布的分支断层(江娃利等, 2000), 且断层可能在后期受到人工改造和破坏影响等。 这些潜在因素可能共同导致了对该断裂带活动构造定量参数研究的差异性认识。

综合上述研究和对比工作, 本文给出了夏垫断裂带全新世以来的定量活动参数(表4)。

表4 夏垫断裂带全新世活动定量参数表 Table4 The quantitative parameters of Xiadian fault zone in Holocene
4 夏垫断裂带未来30a的强震概率评价

本文同时选取了布朗模型(BPT)、 随机特征滑动模型(SCS)、 泊松模型(Poisson)和通用模型(NB)作为强震复发的概率模型, 分别计算了夏垫断裂带未来30a的强震发生概率, 并对不同方法得到的结果进行了比较研究。

4.1 基于布朗模型(BPT)的强震概率评价

BPT模型假定断层源上的应力(或地震矩)加载过程包括一种稳定的自然加载和一种由各种随机因素所造成的布朗扰动, 地震事件的复发间隔服从BPT分布, 且假定每次大地震的震级基本保持一致。 WGCEP运用BPT模型及时间可预测模型等时间相依模型, 计算了旧金山湾区未来30a(2002-2031年)M≥ 6.7地震的发震概率, 并将其应用到该地区的地震区划、 地震危险性评估、 地震保险、 加固及规范制定等工作中(Working Group on Califormia Earthquake Probabilities, 2003)。 在过去的一段时间里, 该模型曾成为地震危险性概率评价工作中使用最为广泛的时间相依模型, 由于其在加载过程中引入了扰动导致的复发间隔的不确定性, 从而在一定程度上更符合特征地震发生间隔呈准周期性的特征, 使得模型能够较好地体现实际资料中反映出的大地震复发时间间隔分布不均一的特征。 该模型的概率密度函数为

fBPT(t)=T—2πα2t3exp-(t-T—)22πα2t(1)

式(1)中, T—为断裂段的平均复发间隔, α 为平均复发间隔的变异系数, 取为经验值0.35(郭星, 2014; 郭星等, 2014)。

4.2 基于随机特征滑动模型(SCS)的强震概率评价

不同于BPT模型, SCS模型假定分段断层源上发生强震的震级随机性满足特征地震模型, 而大地震发生后断层源上的应力状态则下降到一个固定的下限(郭星, 2014)。 根据这种假设, 对于特征断层源, 未来一段时期内大地震的发生概率和震级的大小均与上一次大地震的发生时间有关, 其概率密度函数为

fSCS(T)=1TσlnT2πexp-12(lnT-μlnTσlnT)2(2)

式(2)中, μ lnT=ln10(1.5 M—char+C- logM·0), σ lnT=1.5ln10σ M。 其中, M—char为断层破裂源上的平均特征震级, M·0为断层源上的年平均地震矩累积率, σ M为表征断层破裂源上震级不确定性的标准差。

4.3 基于泊松模型(Poisson)的强震概率评价

传统CPSHA方法中(Cornell, 1968; 国家地震局, 1996)的时间分布采用泊松模型, 地震危险性曲线不随时间变化, 地震复发的条件概率与上一次地震后所经历的平静时间长度Te(即离逝时间)无关(Cornell, 1968)。 该模型的概率密度函数为

fPOI(T)=λe-λt(3)

式(3)中, λ 为单个断层段的地震年平均发生率。 根据泊松模型, λ 等于平均复发间隔 T—的倒数(Cornell, 1968)。 依据前述结果, λ 的取值多为0.000 3, 与前人对三河区域性的地震年平均发生率的研究结果较为一致(金学申等, 1989), 与中国第五代地震动参数区划图(高孟潭, 2015)给出的结果较为接近。

4.4 基于通用模型(NB)的强震概率评价

NB模型是1987年美国地调局基于全球53个原地复发的特征地震或准周期地震的实际复发间隔数据, 通过对归一化无量纲地震复发间隔数据进行拟合后得到的满足一种对数正态经验分布的模型(闻学泽, 1995)。 该模型引入了复发间隔数据的归一化无量纲作为样本, 较好地解决了不同地点在平均滑动速率、 特征地震震级和复发间隔时间等方面存在的差异以及单一地点的数据可能存在的复发间隔取值困难的问题, 在诸多地区得到较广泛的应用(闻学泽, 1995)。 该模型的分布模型和概率公式(式(4)及式(5))为

f(T)=1σD2πTexp-ln(T/T—)-μD2σD2(4)

式(4)中, μ D和σ D分别是不同轮回的归一化复发间隔T/ T—对数的均值和内在不确定性。

P(T≤Te+ΔT)=∫0Te+ΔT12π×T×σT2+σD2×exp-[ln(Te+ΔT)/T—-μD]22σT2+σD2=Фln(Te+ΔT)/T—-μDσT2+σD2(5)

式(5)中, Te为最近一次地震事件的离逝时间, Δ T为预测的时间间隔。

结合前述5个计算模型, 根据表4中的相关参数, 计算得到未来30a该断裂的强震复发概率(表5)。

表5 不同模型得到的夏垫断裂带未来30a强震发震概率结果 Table5 The probability of great earthquakes along the Xiadian active fault zone in next 30 years based on different models

上述计算结果表明, 不同模型计算得到的发震概率差别较大。 其中, 布朗模型、 随机特征滑动模型和通用模型的结果很低, 而泊松模型的结算结果相对偏保守, 通用模型随时间增长的趋势较布朗模型和随机特征滑动模型更加明显。

5 结论与讨论

(1)夏垫断裂带荣家堡探槽研究揭示了2次古地震事件, 事件E1即1679年三河-平谷大地震, 距今341a, 另一次古地震事件E2的年龄限定为距今(4.89± 0.68)ka。 2次事件的平均同震位移约为(1.4± 0.1)m。

(2)夏垫断裂带最新一次强震事件的离逝时间仅341a, 远小于其强震复发间隔。 利用布朗模型、 随机特征滑动模型和通用模型计算得到的强震复发概率均较低。 相比而言, 基于泊松模型得到的活动断裂的强震发生率估算结果偏保守, 通用模型的随时间增长的趋势较布朗模型和随机特征滑动模型更加明显。

(3)研究结果显示, 当活动断裂带上次强震的离逝时间远小于其复发间隔时, 尽管使用时间无关的泊松模型得到的强震复发概率结果不会低估活动断裂的潜在地震风险, 但布朗模型、 随机特征滑动模型和通用模型的计算结果可能更符合客观实际。

致谢 王昌盛、 邓梅、 祁高、 李科长、 杨博、 刘泽众等协助完成了野外探槽工作及实验室年代学测试工作; 审稿专家提出了极具建设性的修改建议。 在此一并表示感谢!

参考文献
[1] 高孟潭. 2015. 中国地震动参数区划图(GB18306-2015)宣贯教材 [M]. 北京: 中国标准出版社.
GAO Meng-tan. 2015. Seismic Ground Motion Parameters Zonation Map of China(GB18306-2015)[M]. China Stand ards Press, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
[2] 高孟潭. 2016. 新一代国家地震区划图与国家社会经济发展[J]. 城市与减灾, (3): 1-5.
GAO Meng-tan. 2016. A new generation of national seismic maps and national socio-economic development[J]. City and Disaster Reduction, (3): 1-5(in Chinese). [本文引用:1]
[3] 国家地震局. 1996. 中国地震烈度区划图(1990)概论 [M]. 北京: 地震出版社: 2-4.
State Seismological Bureau. 1996. Introduction of Seismic Intensity Zoning Map of China(1990)[M]. Seismological Press, Beijing: 2-4(in Chinese). [本文引用:2]
[4] 郭星. 2014. 强震复发的随机特征滑动模型及其应用方法研究 [D]. 北京: 中国地震局地球物理研究所.
GUO Xing. 2014. Stochastic characteristic-slip model and its application method [D]. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
[5] 郭星, 潘华. 2014. 海原断裂带强震发生概率的评估方法[J]. 地震学报, 36(6): 1043-1053.
GUO Xing, PAN Hua. 2014. Estimation methods for occurrence probability of large earthquakes in the Haiyuan fault zone in northwestern China[J]. Acta Seismologica Sinica, 36(6): 1043-1053(in Chinese). [本文引用:1]
[6] 金学申, 戴英华, 马桂花, 等. 1989. 综合概率法及其在表征潜在震源区时空不均匀性上的应用[J]. 地震地质, 11(4): 63-70.
JIN Xue-sheng, DAI Ying-hua, MA Gui-hua, et al. 1989. Synthetic probability method and its application to characterize the spatial and temporal heterogeneity in potential seismic source region[J]. Seismology and Geology, 11(4): 63-70(in Chinese). [本文引用:1]
[7] 江娃利, 侯治华, 肖振敏, 等. 2000. 北京平原夏垫断裂齐心庄探槽古地震事件分析[J]. 地震地质, 22(4): 413-422.
JIANG Wa-li, HOU Zhi-hua, XIAO Zhen-min, et al. 2000. Study on paleoearthquakes of Qixinzhuang trench at the Xiadian Fault, Beijing Plain[J]. Seismology and Geology, 22(4): 413-422(in Chinese). [本文引用:3]
[8] 李善邦. 1957. 中国地震区域划分图及其说明Ⅰ. 总的说明[J]. 地球物理学报, 6(2): 127-158.
LI Shan-bang. 1957. Division map of earthquake zones in China and its description. Ⅰ: General introduction[J]. Chinese Journal of Geophysics, 6(2): 127-158(in Chinese). [本文引用:1]
[9] 孟宪梁, 杜春涛, 王瑞, 等. 1983. 1679年三河-平谷大震的地震断裂带[J]. 地震, (3): 18-23.
MENG Xian-liang, DU Chun-tao, WANG Rui, et al. 1983. Seismic fault zone of Sanhe-Pinggu earthquake in 1679[J]. Earthquakes, (3): 18-23(in Chinese). [本文引用:1]
[10] 冉洪流. 2006. 时间相依模型与泊松模型计算结果的对比分析: 以道孚及炉霍潜源为例[J]. 震灾防御技术, 1(3): 245-250.
RAN Hong-liu. 2006. Comparison of computational results derived from time-dependent and Poisson models respectively[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 1(3): 245-250(in Chinese). [本文引用:1]
[11] 冉勇康, 邓起东, 杨晓平, 等. 1997. 1679年三河-平谷8级地震发震断层的古地震及其重复间隔[J]. 地震地质, 19(3): 194-209.
RAN Yong-kang, DENG Qi-dong, YANG Xiao-ping, et al. 1997. Paleoearthquakes and recurrence intervals of the seismogenic faults of 1679 Sanhe-Pinggu M8 earthquake[J]. Seismology and Geology, 19(3): 194-209(in Chinese). [本文引用:3]
[12] 闻学泽. 1995. 活动断裂地震潜势的定量评估 [M]. 北京: 地震出版社: 55-69.
WEN Xue-ze. 1995. Quantitative Estimates of Seismic Potential on Active Faults [M]. Seismological Press, Beijing: 55-69(in Chinese). [本文引用:3]
[13] 闻学泽. 1998. 时间相依的活动断裂分段地震危险性评估及其问题[J]. 科学通报, 43(14): 1457-1466.
WEN Xue-ze. 1998. The time-dependent segmented earthquake risk evaluation and its questions[J]. Chinese Science Bulletin, 43(14): 1457-1466(in Chinese). [本文引用:12]
[14] 向宏发, 方仲景, 徐杰, 等. 1988. 三河-平谷8级地震区的构造背景与大震重复性研究[J]. 地震地质, 10(1): 15-28.
XIANG Hong-fa, FANG Zhong-jing, XU Jie, et al. 1988. Study on tectonic setting and earthquake repeatability in Sanhe-Pinggu earthquake zone[J]. Seismology and Geology, 10(1): 15-28(in Chinese). [本文引用:2]
[15] 徐锡伟, 计凤桔, 于贵华, 等. 2000. 用钻孔地层剖面记录恢复古地震序列: 河北夏垫断裂古地震研究[J]. 地震地质, 22(1): 9-19.
XU Xi-wei, JI Feng-ju, YU Gui-hua, et al. 2000. Reconstruction of paleoearthquake sequence using stratigraphic records from drill logs: A study at the Xiadian Fault, Beijing[J]. Seismology and Geology, 22(1): 9-19(in Chinese). [本文引用:3]
[16] 徐锡伟, 吴卫民, 张先康, 等. 2002. 首都圈地区地壳最新构造变动与地震 [M]. 北京: 科学出版社: 3-28.
XU Xi-wei, WU Wei-min, ZHANG Xian-kang, et al. 2002. The Latest Crustal Tectonics and Earthquakes in Capital Circle Area [M]. Science Press: Beijing: 3-28(in Chinese). [本文引用:2]
[17] Cornell C A. 1968. Engineering seismic risk analysis[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 58(5): 1583-1606. [本文引用:1]
[18] Ellsworth W L, Matthews M V, Nadeau R M, et al. 1999. A physically based earthquake recurrence model for estimation of long-term earthquake probabilities [R]. US Geological Survey Open-File Rept: 99-522. [本文引用:1]
[19] Li C L, Xu W J, Wu J, et al. 2016. Using new models to assess probabilistic seismic hazard of the North-South Seismic Zone in China[J]. Natural Hazards, 82(1): 659-681. [本文引用:3]
[20] Li C L, Xu W J, Wu J, et al. 2017. Time-dependent probabilistic seismic hazard assessment for Taiyuan, Shanxi Province of China and surrounding areas[J]. Journal of Seismology, 21(4): 749-757. [本文引用:1]
[21] Matthews M V. 2002. A Brownian model for recurrent earthquakes[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 92(6): 2233-2250. [本文引用:6]
[22] Nishenko S P, Buland R. 1987. A generic recurrence interval distribution for earthquake forecasting[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 77(4): 1382-1399. [本文引用:1]
[23] Reid H F. 1910. The mechanics of the earthquake. The California earthquake of April 18, 1906 [R]. Washington State Investigation Commission, Carnegie Institute of Washington: 43-47. [本文引用:1]
[24] Rikitake T. 1974. Global tectonics and earthquake risk[J]. Earth Science Reviews, 10(3): 241-243. [本文引用:1]
[25] Working Group on California Earthquake Probabilities. 2003. Earthquake probabilities in the San Francisco bay region: 2002 to 2031 [R]. US Geological Survey Open-File Rept: 99-522. [本文引用:]