根據(jù)烈度分布確定華北歷史地震破裂區(qū)的經(jīng)驗準則及其應用

呂曉健 聞學澤

1)中國地震局地震預測研究所，地震預測重點實驗室，北京 100036

2)四川省地震局，成都 610041

0 引言

地震破裂區(qū)是地震時沿發(fā)震斷裂帶的同震錯動面或破裂面在地表的垂直投影區(qū)域。圖1示意了3類斷層的地震破裂區(qū)與產(chǎn)生同震錯動/破裂的斷層面之間的關系，地震破裂區(qū)指示了地震時應力應變釋放的核心區(qū)域在地表的位置，因此，也有將地震破裂區(qū)稱為“震源區(qū)”的(Hirata et al.，2003)。確定過去長期強震/大地震破裂區(qū)的位置與延伸，一直是研究區(qū)域與活動斷裂帶的破裂歷史、建立地震破裂時-空圖像、鑒別尚未破裂的斷裂段或“地震空區(qū)”、進而服務于地震危險性研究及預測的重要基礎(Ambraseys，1970;Ando，1975;Sykes，1979;Mogi，1979;Nishenko，1991;Ambraseys et al.，1998;Berberian et al.，1999;Bilham et al.，2001;Wen et al.，2008;M7 專項工作組，2012)。

圖1 3類斷層的地震破裂區(qū)與發(fā)震斷層同震破裂面的關系示意圖Fig.1 Map showing the relation between earthquake rupture zones and coseismic rupture planes of three types of seismogenic faults.

現(xiàn)代強震/大地震的破裂區(qū)可采用多種技術方法確定，諸如地震波譜反演、同震形變場反演、余震定位與分布、InSAR反演、地表破裂帶地質填圖、遙感影像解譯等①Ji C，Hayes G.Preliminary result of the May 12，2008 MW7.9 eastern Sichuan，China earthquake.http:∥earthquake.usgs.gov/eqcenter/eqinthenews/2008/us2008ryan/finite_fault.php。②Nishimura N，Yagi Y.Rupture process for May 12，2008 Sichuan earthquake(preliminary result).http:∥www.geol.tsukuba.ac.jp/～nisimura/20080512/。(黃媛等，2008;徐錫偉等，2008;趙翠萍等，2009;張勇等，2010;劉巧霞等，2012;王未來等，2012;孫鑫喆等，2012)。對于現(xiàn)代地震臺網(wǎng)建立之前的歷史強震，破裂區(qū)的位置與延伸主要通過烈度分布、破壞/有感分布、海嘯規(guī)模分布等，結合震區(qū)構造進行粗略推斷(Mogi，1979;Nishenko，1991;Berberian et al.，1999;Bilham et al.，2001;Hirata et al.，2003)，一般途徑是先由歷史文獻記載的地震破壞情況或其相應的烈度分布確定出“震中區(qū)”或者“重破壞區(qū)”，進而近似視為相應的破裂區(qū)(Ambraseys，1970;Ambraseys et al.，1998)。由于不同研究者對于與破裂區(qū)對應的“震中區(qū)”和“重破壞區(qū)”的界定有差別，使得在利用歷史記載或烈度分布等宏觀信息確定歷史地震破裂區(qū)時，長期缺少統(tǒng)一的準則與相應方法。針對此問題，Wen等(2008)提出新的思路與方法:由已知烈度及破裂區(qū)分布的現(xiàn)代地震信息建立研究區(qū)的烈度分布-破裂區(qū)延伸的經(jīng)驗關系，進而以該經(jīng)驗關系為“準則”、利用歷史地震烈度分布資料、結合地震構造等信息分析確定歷史強震破裂區(qū)的位置與延伸。該思路與方法已運用于中國西部部分活動構造帶(川滇塊體東邊界、甘孜-玉樹斷裂帶、曲江-石屏斷裂帶等)強震破裂區(qū)的確定以及地震空區(qū)鑒別的研究(M7專項工作組，2012)。

華北是中國東部的主要強震區(qū)，較多強震位于厚第四系覆蓋層區(qū)，厚層松散堆積層對地震動具有顯著的放大作用(王海云，2011)，故華北地區(qū)烈度分布-破裂區(qū)延伸關系會與中國西部活動構造帶地區(qū)有所不同。為了能將華北地區(qū)長期豐富的歷史地震資料用于確定歷史強震的破裂區(qū)，為鑒別地震空區(qū)、研究地震危險性服務，首先需要建立該區(qū)域適用的、可利用烈度信息確定歷史強震破裂區(qū)的“準則”及相應方法。為此目的，本文首先集成現(xiàn)代地震的相關信息，建立華北地區(qū)適用的烈度-破裂區(qū)延伸的經(jīng)驗關系;然后發(fā)展以該經(jīng)驗關系為“準則”的、利用烈度分布并結合地震構造及震區(qū)環(huán)境分析的歷史強震破裂區(qū)的確定方法，應用該方法確定了華北5次歷史強震的破裂區(qū)，并就相關問題進行分析和討論。

1 現(xiàn)代地震的破裂區(qū)-烈度關系信息

建立區(qū)域性烈度-破裂區(qū)延伸的經(jīng)驗關系，需要較多的、已知可靠烈度分布并且已知破裂區(qū)延伸的現(xiàn)代地震樣本，且這些地震事件應具有不同的大小或者最高烈度值。亦即不僅需要選用7級以上地震的資料，也需要中強震的震例。為第2節(jié)建立破裂區(qū)延伸-烈度分布經(jīng)驗關系提供樣本，系統(tǒng)整理和分析了1966年以來華北地區(qū)(108°～124°E，32°～42°N)極震區(qū)烈度≥Ⅶ度的現(xiàn)代地震相關資料與研究成果，包括震區(qū)地表地質環(huán)境、發(fā)震構造及其運動方式、烈度分布、破裂過程反演、余震分布、同震形變等。在此基礎上，確定出其中8次現(xiàn)代地震的破裂區(qū)位置及其延伸的烈度區(qū)間?？紤]到與華北地區(qū)之外的同類關系進行比較，同時也為了彌補華北地區(qū)現(xiàn)代地震樣本的不足，還集成相關信息，確定了2008年四川汶川8.0級地震以及2010年青海玉樹7.1級地震的破裂區(qū)位置及其延伸的烈度區(qū)間。

1.1 1966年邢臺6.8級和7.2級地震

研究表明，1966年3月8日和22日河北邢臺6.8級和7.2級地震發(fā)生在華北平原的束鹿凹陷之下，極震區(qū)烈度分別為Ⅸ+和Ⅹ;震區(qū)地表覆蓋了厚600～1500m的第四系松散層(圖2a);余震分布及等震線長軸指示震源機制解的NNE向節(jié)面為這2次地震的主破裂面，均是右旋走滑斷層錯動的結果(河北省地震局，1986)。研究還認為，發(fā)震斷裂是基底的NE向高角度斷裂，而不是淺部控制束鹿凹陷的新河斷裂(徐錫偉等，2000)。重新定位的6.8級地震的余震主要分布于隆堯、巨鹿至新河以西的艾辛莊之間，指示的破裂長度約為35km;7.2級地震的余震分布于隆堯、巨鹿至百尺口附近，指示的破裂長度約為50km，且與6.8級地震的破裂有較多的重疊(胡小幸等，1989)。水準復測反映這2次地震時沿束鹿凹陷形成2個NNE向的垂直沉降區(qū)，分別展布于邢家灣至東汪以南約10km、以及東汪以北約10km至百尺口以北(陳運泰等，1975)。綜合這些信息可以判定1966年邢臺6.8級和7.2級地震的破裂區(qū)分別展布于邢家灣至艾辛莊之間、以及隆堯與巨鹿之間(邢家灣略北)至百尺口以北之間，長度分別約為35km和55km，沿發(fā)震構造分別延伸在烈度Ⅸ+～Ⅷ+之間以及烈度Ⅹ～Ⅸ之間(圖2a)。

1.2 海城1975年7.3級和1978年5.9級地震

1975年2月4日遼寧海城7.3級地震沿NWW向大洋河斷裂發(fā)生，是帶有正斷分量的左旋走滑斷層錯動的結果，沿發(fā)震斷裂可見長約6km的地表破裂帶;極震區(qū)烈度Ⅸ+;震區(qū)大部為基巖區(qū)，僅西端進入遼河平原區(qū)(圖2b)(鄧起東等，1976;王挺梅等，1976;顧浩鼎等，1976)。重新定位的、主震后9天的余震沿發(fā)震斷裂展布于五間房至感王之間，長約50km(石川有三等，1983)，而主震后1天的余震沿發(fā)震斷層分布于析木(或五間房)—東高坎附近，長度約53km(趙振等，1996)。這2種結果均與由P波頻譜分析得到的破裂長度(54km)(林邦慧等，1979)很接近。綜合這些信息，本研究確定海城7.3級地震的破裂區(qū)長約54km，沿發(fā)震斷裂展布于烈度Ⅸ+～Ⅷ的范圍內(圖2b)。

1978年5月18日遼寧海城5.9級地震是1975年海城7.3級地震的強余震，重新破裂了1975年主震破裂的中偏西段，極震區(qū)烈度Ⅶ+，震源機制解與主震相似(劉寶恒，1990)，震區(qū)屬基巖-第四紀平原過渡區(qū)(圖2b)。震后3天的余震沿發(fā)震斷裂展布于高坎東—牌樓西南之間，長度約16km(趙振，1981)，與震后13天的余震區(qū)長度(傅征祥，1981)接近，同時也與波譜反演得到的15km長度(林邦慧等，1988)相一致。因此，本研究確定1978年海城5.9級地震的破裂區(qū)長約15km，沿發(fā)震斷裂展布于烈度Ⅶ+～Ⅶ-之間(圖2b)。

1.3 1976年唐山7.8級地震

圖2 華北8次現(xiàn)代地震的烈度分布、震區(qū)構造及破裂區(qū)的確定Fig.2 Maps showing seismic intensity distributions，the seismotectonics and the determinations of rupture zones of 8 modern earthquakes in North China.

1976年7月28日河北唐山7.8級地震沿NE向唐山斷裂帶發(fā)生，是兼有逆沖分量的右旋走滑斷層運動的結果，極震區(qū)烈度Ⅺ度(張肇誠等，1990);震區(qū)位于華北平原北緣的基巖山地-平原過渡區(qū)(圖2c)。對于這次地震的破裂長度，利用有限元位移模式的分析結果為140km(Butler et al.，1979)，但由大地測量資料反演的結果為84km(陳運泰等，1979);主震后頭15h(至7.1級余震前)的余震分布長度為90km左右(石川有三等，1983;龍鋒等，2007)。綜合考慮余震分布與地震構造信息，本研究確定1978年唐山7.8級主震破裂區(qū)的長度約90km，其沿發(fā)震斷裂大體展布于烈度Ⅺ～Ⅸ的范圍內(圖2c)。

1.4 1983年菏澤5.9級地震

1983年11月7日山東菏澤5.9級地震發(fā)生在NNE向聊考(或蘭聊)斷裂帶的東側近旁，極震區(qū)烈度Ⅶ+度;震源機制解顯示是以右旋走滑運動為主、兼有正傾滑分量的破裂;余震區(qū)呈NNE向展布，長約12km(魏光興等，1985);但利用廣義瑞利波方向性函數(shù)得到的破裂長度僅3km(劉萬琴等，1989)。若將主要余震區(qū)作為本次地震的破裂區(qū)，則其沿一條隱伏構造展布于烈度Ⅶ+～Ⅶ-之間(圖2d)。

1.5 張北1998年6.2級和1999年5.5級地震

1998年1月10日河北張北6.2級地震發(fā)生在覆蓋了中新世玄武巖的基巖區(qū)，極震區(qū)烈度Ⅷ度(黃保大等，2003)。盡管基于ML≥3.0余震的分布推斷該地震破裂面為NWW向、長和寬分別為11.5km和9.5km(高景春等，2002)，或基于D-InSAR的分析認為同震形變場受NNW向和NNE向2組斷裂的聯(lián)合控制(王超等，2000)，但綜合地質考察、等震線長軸、主震當天的余震優(yōu)勢排列、以及震源機制解等信息判定的發(fā)震斷層是一條NNE向、帶有逆沖分量的逆-右旋走滑型的隱伏斷裂(徐錫偉等，1998)(圖2e)。采用2種相對定位法重新定位的余震分布反映主震破裂面走向N10°～20°E、長15～20km、近于豎直、地面投影寬約6km(楊智嫻等，2002，2004);同時，本研究已在Google Earth衛(wèi)星影像上發(fā)現(xiàn)極震區(qū)附近的單晶河、大河等地附近存在走向N10°～20°E的線性影像(圖2e)。綜合這些信息，確定1998年張北6.2級地震的破裂沿NEE向斷裂長約18km，展布于烈度Ⅷ～Ⅶ-的范圍(圖2e)。

1999年3月11日河北張北5.5級地震發(fā)生在1998年張北6.2級地震破裂區(qū)的NE端附近，極震區(qū)烈度Ⅶ度，也是以NNE向斷層右旋走滑錯動為主的結果(黃保大等，2003)。由余震分布(高景春等，2002)可大體確定相應的破裂區(qū)長約5km，沿隱伏的NNE向斷裂展布于烈度Ⅶ～Ⅵ+的范圍內(圖2e)。

①②同62頁①②。

1.6 2008年汶川8.0級地震

2008年5月12日四川汶川8.0級地震發(fā)生在NE向龍門山斷裂帶上，2個極震區(qū)烈度均達到Ⅺ度(袁一凡，2008)。震區(qū)為基巖山區(qū)(圖3a)，地震時沿龍門山中央斷裂中-北段、前山斷裂中段產(chǎn)生的地表破裂帶由都江堰西南延伸至青川西南，總長約240km(徐錫偉等，2008);同震破裂的南-中段為逆沖-右旋走滑型錯動，NE段則以右旋走滑錯動為主(Xu et al.，2009;Zhang et al.，2010)。精定位的余震密集帶沿發(fā)震斷裂展布于都江堰西南至青川東北，全長約330km(黃媛等，2008);基于地震波譜反演獲得破裂過程的若干結果存在差別，但主要反映破裂起始于汶川映秀西南，朝NE方向擴展至平武、青川附近或青川以東，長度為285～340km(趙翠萍等，2009)。綜合這些研究結果，本文確定汶川8.0級地震的破裂區(qū)長約300km，沿發(fā)震斷裂大體展布于烈度Ⅺ～Ⅸ之間(圖3a)。

圖3 華北之外地區(qū)2次地震的震區(qū)構造、烈度分布及破裂區(qū)的確定Fig.3 Maps showing seismic intensity distributions，seismotectonics and determined rupture zones of 2 modern earthquakes occurring outside North China.

1.7 2010年玉樹7.1級地震

2010年4月14日青海玉樹7.1級地震發(fā)生在NW向甘孜-玉樹斷裂帶NW段上，震區(qū)為基巖山區(qū)，極震區(qū)烈度Ⅸ度(陳鯤等，2011)。沿發(fā)震斷裂在玉樹至結隆(隆寶鎮(zhèn))之間產(chǎn)生2段分別長約15km和31km的地表破裂帶，連同它們之間的地表未破裂部分，全長約65km(孫鑫喆等，2012);重新定位的余震密集帶沿發(fā)震斷裂帶展布于玉樹東南至結隆西北之間，長97～100km(劉巧霞等，2012;王未來等，2012);基于地震波譜反演獲得的破裂展布于結隆東南至玉樹東南的巴塘附近，長約96km(張勇等，2010)。綜合這些結果可確定玉樹7.1級地震的破裂區(qū)展布于結隆西北至玉樹東南之間，全長約98km，發(fā)震斷裂帶展布于烈度Ⅸ～Ⅶ+之間(圖3b)。

2 極震區(qū)烈度-破裂區(qū)延伸區(qū)間的經(jīng)驗關系及應用方法

2.1 經(jīng)驗關系與準則的建立

表1匯總了上一節(jié)確定的10次現(xiàn)代地震的烈度分布、破裂區(qū)展布、震區(qū)地表地質環(huán)境等信息，其中華北地區(qū)8次，其他地區(qū)2次。分析表1可建立起極震區(qū)烈度I0-破裂區(qū)延伸烈度區(qū)間［Ih，IL］的經(jīng)驗關系，如圖4所示。

圖4中每一個雙向箭頭的橫軸位置對應地震的極震區(qū)烈度I0，而在縱軸方向覆蓋的范圍對應地震破裂區(qū)沿發(fā)震斷裂延伸的烈度區(qū)間［Ih，IL］;紅、綠、藍3種顏色的雙向箭頭分別指示華北地區(qū)震區(qū)地表地質環(huán)境為基巖區(qū)、厚層松散堆積區(qū)(如華北平原及大型第四紀盆地)、以及山地-平原/盆地過渡區(qū)(非厚層松散堆積區(qū))的地震事件，而橙色雙向箭頭代表華北以外的2次基巖區(qū)地震事件。

表1 10次已知烈度分布并確定了破裂區(qū)位置與延伸的現(xiàn)代地震信息Table1 Data of 10 modern earthquakes with known seismic intensity distributions and identified positions and extensions of rupture zones

圖4中，黑色連線Ih代表華北8次現(xiàn)代地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間上限Ih，其等于極震區(qū)烈度I0，即Ih=I0;紅色連線IL1代表華北地表地質環(huán)境屬于基巖區(qū)的3次地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間(紅色雙向箭頭)的下限?？勺⒁獾饺A北以外基巖區(qū)的2次地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間(橙色雙向箭頭)也完全落入與華北基巖區(qū)相同的烈度區(qū)間［Ih，IL1］。因此，圖4中由黑色和紅色連線限定的烈度區(qū)間［Ih，IL1］與極震區(qū)烈度I0、震區(qū)環(huán)境之間存在密切的關系:即震區(qū)為基巖區(qū)時，當極震區(qū)烈度I0從Ⅷ度增加到Ⅺ度，地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間則從［Ih=Ⅷ，IL1=Ⅶ-］線性變化到［Ih=Ⅺ，IL1=Ⅸ］。這一關系可作為華北地區(qū)震區(qū)環(huán)境為基巖區(qū)時、根據(jù)烈度分布確定歷史強震破裂區(qū)延伸的經(jīng)驗準則，即圖4的經(jīng)驗準則1，其中的虛線段是現(xiàn)代地震樣本不足的暫時推測段。

圖4 地震極震區(qū)烈度I0-破裂區(qū)延伸烈度區(qū)間［Ih，IL］的經(jīng)驗關系Fig.4 Empirical relation between the highest seismic intensities(I0)and the intensity-spans of rupture zone extensions［Ih，IL］.

從圖4看到，盡管華北震區(qū)地表環(huán)境屬于厚層松散堆積覆蓋區(qū)的現(xiàn)代地震樣本僅有3次(綠色雙向箭頭)，但相應破裂區(qū)延伸烈度區(qū)間的下限可用綠色直線IL2很好地進行連接，且在縱軸上的位置要明顯高于紅色連線IL1，即IL2＞IL1。這說明在華北厚層松散堆積覆蓋區(qū)(如華北平原和大型第四紀斷陷盆地區(qū))，地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間下限IL2，要高于基巖區(qū)的下限IL1半度至1度的烈度值，原因可能是厚層松散堆積層對地震動具有顯著的放大作用(王海云，2011)，使得地表地震烈度隨距離的衰減明顯偏慢，或者使得各級烈度區(qū)的面積明顯增大。圖4中由黑色和綠色連線限定的烈度區(qū)間［Ih，，IL2］與極震區(qū)烈度I0、震區(qū)環(huán)境之間存在密切的關系:即震區(qū)環(huán)境為厚層松散堆積覆蓋區(qū)時，當極震區(qū)烈度I0從Ⅷ度增加到Ⅺ度，地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間則從［Ih=Ⅷ，IL2=Ⅶ+］線性變化到［Ih=Ⅺ，IL2=Ⅹ-］。這一關系可作為華北地區(qū)震區(qū)環(huán)境為厚層松散堆積覆蓋區(qū)時、根據(jù)烈度分布確定歷史強震破裂區(qū)延伸的經(jīng)驗準則，即圖4的經(jīng)驗準則2，其中的虛線段是現(xiàn)代地震樣本不足的暫時推測段。

華北存在另一類震區(qū)環(huán)境，即山地-第四紀平原/盆地過渡區(qū)，例如1978年海城5.9級地震和1976年唐山7.8級地震的震區(qū)環(huán)境(圖2b，c)。因這類環(huán)境的現(xiàn)代地震樣本少(圖4中藍色的雙向箭頭)，本文未能建立起相應的經(jīng)驗關系與準則。然而，本文3.1節(jié)的第(5)點將通過例子說明可運用前述2類震區(qū)環(huán)境的經(jīng)驗準則來綜合確定發(fā)生在山地-第四紀平原/盆地過渡區(qū)的歷史地震破裂區(qū)的延伸。

2.2 由烈度分布確定歷史地震破裂區(qū)的方法

基于圖4建立的經(jīng)驗準則1和2，同時根據(jù)本文第1節(jié)在確定10次現(xiàn)代地震破裂區(qū)及其烈度分布時積累的認識，可概括出利用烈度分布等信息確定華北地區(qū)M≥6歷史強震破裂區(qū)位置與延伸的方法與步驟:

(1)集成并分析歷史地震事件的烈度與破壞分布、地震構造以及震區(qū)地表地質環(huán)境的資料與研究成果，在活動構造圖上繪出經(jīng)確認或修改的烈度分布;分析烈度分布與活動構造的關系，結合現(xiàn)代震源機制解與小震分布等判定發(fā)震斷裂帶;

(2)根據(jù)震區(qū)的地表地質環(huán)境(基巖區(qū)、厚層松散堆積覆蓋區(qū)、山地-第四紀平原/盆地過渡區(qū)之一)，分別運用圖4的經(jīng)驗準則1、經(jīng)驗準則2、以及綜合運用經(jīng)驗準則1和2，確定并繪出破裂區(qū)沿發(fā)震斷裂帶延伸的烈度區(qū)間;

(3)震區(qū)環(huán)境為非厚層松散堆積覆蓋區(qū)時(如第四紀平原/大型盆地的邊緣、中-小型第四紀盆地等)，地震破裂區(qū)沿發(fā)震構造延伸的烈度區(qū)間下限，可考慮在圖4的IL1和IL2之間進行內差確定;

(4)歷史地震破裂區(qū)的橫向寬度，可綜合考慮以下信息進行確定:1)破裂區(qū)的寬度應朝發(fā)震斷層的傾向偏移，如圖2e;可由相關地質、物探或小震精定位成果判斷發(fā)震斷層的傾向與傾角;2)發(fā)震構造為陡傾角的走滑斷裂時，破裂區(qū)的寬度至少應覆蓋由主、次級活動斷層構成的斷裂帶寬度，如圖2中的a，b，c;3)參考同一斷裂段最近數(shù)十年小震相對密集分布的寬度，或參考同一斷裂段和相鄰段現(xiàn)代地震余震區(qū)的分布寬度。

3 華北5次歷史強震破裂區(qū)的確定

作為應用試驗，本節(jié)將前面建立的經(jīng)驗準則以及相應方法應用于確定華北5次不同大小的歷史強震破裂區(qū)，并對結果進行分析。

3.1 5次歷史強震破裂區(qū)的確定

3.1.1 1303年9月25日山西趙城-洪洞間8級地震

發(fā)震構造主要是NNE向、右旋走滑兼正傾滑的霍山山前斷裂帶;沿該斷裂帶至今仍保存了長約45km的地震地表破裂帶遺跡(徐錫偉等，1990)。該地震的極震區(qū)烈度Ⅺ度，烈度區(qū)長軸呈NNE向(山西省地方志編纂委員會，1991)，且Ⅺ和Ⅹ度區(qū)的全部、Ⅸ度區(qū)的大部均位于霍山山前斷裂帶的西側，反映該斷裂帶傾向NW西(圖5a)。震區(qū)中部為基巖區(qū)，但南、北兩端分位于厚層、薄層松散堆積的第四紀斷陷盆地——臨汾盆地與太原盆地。根據(jù)圖5a的烈度分布，分別采用圖4的經(jīng)驗準則2以及經(jīng)驗準則2和1下限(IL1和IL2)的內差確定此次地震破裂區(qū)朝南、北方向延伸的烈度區(qū)間。結果顯示破裂區(qū)朝南、北方向分別沿發(fā)震斷裂延伸于烈度Ⅺ～Ⅹ-以及烈度Ⅺ～Ⅸ之間，總長度約為150km(圖5a)。

3.1.2 1502年10月27日河南范縣濮城6?級地震

盡管從相關的歷史記載中僅可獲得這次地震的最高烈度為Ⅷ度以及震中北側的烈度分布(國家地震局震害防御司，1995)，但仍可由此推斷發(fā)震構造是NNE向蘭聊(或聊考)斷裂帶的濮城段。該斷裂帶的基底部分隱伏于華北平原厚層第四系之下，與其相關的現(xiàn)代地震破裂以右旋走滑運動為主，兼有正傾滑分量(魏光興等，1985;劉萬琴等，1989)。根據(jù)圖4中震區(qū)環(huán)境為厚層松散堆積覆蓋區(qū)的經(jīng)驗準則2，可由圖5b中的等震線確定出1502年地震破裂區(qū)位于濮城及其以北，沿發(fā)震斷裂展布于烈度Ⅷ～Ⅶ+之間，長度為25～30km。

圖5 華北5次不同大小歷史地震的烈度分布與確定的破裂區(qū)位置及延伸Fig.5 Maps showing seismic intensity distributions and identified positions and extensions of rupture zones of 5 different size historical earthquakes in North China.

3.1.3 1668年7月25日山東郯城8?級地震

極震區(qū)烈度達Ⅻ度，已發(fā)現(xiàn)的地表破裂遺跡沿NNE向郯廬斷裂帶中段展布于莒縣土嶺至郯城窯上之間，長約130km(李家靈等，1994)。震區(qū)大部為基巖區(qū)，僅北端存在第四系厚度較小的平原區(qū)(圖5c)。采用關于這次地震的2種權威版本的烈度分布(國家地震局震害防御司，1995;國家地震局地球物理研究所等，1990)，基于圖4中的經(jīng)驗準則1確定出破裂區(qū)沿發(fā)震斷裂帶展布于烈度Ⅻ～Ⅹ-之間，即南起江蘇宿遷附近，北達山東安丘以南、諸城以西或者安丘附近，長度為270～300km(圖5c)。

3.1.4 1683年11月22日山西原平7級地震

極震區(qū)烈度Ⅸ度，等震線長軸呈NNW向(山西省地方志編纂委員會，1991)或者近SN向(國家地震局地球物理研究所等，1990)。有學者推測發(fā)震構造為NNW向的隱伏斷裂(武烈，1993)，但考慮到震區(qū)的NNW向斷裂規(guī)模較小，且展布上僅限于系舟山山前斷裂NW側的定襄及其與忻州之間，那里在此次地震時并非極震區(qū)，我們認為發(fā)震構造更可能是忻定盆地的中-北段——近SN向的活動斷陷帶(圖5a)?？紤]到震區(qū)主要位于第四紀松散堆積層厚達700～1800m的忻定盆地和代縣盆地區(qū)(武烈，1993)，根據(jù)圖4中的經(jīng)驗準則2，由圖5a的等震線確定出1683年的破裂區(qū)位于原平及其南、北兩側，沿近SN向斷陷帶展布于烈度Ⅸ～Ⅷ+之間，長約50km。

3.1.5 1830年6月12日河北磁縣7?級地震

極震區(qū)烈度Ⅹ度;高烈度區(qū)等震線長軸方向與NWW向磁縣斷裂的展布一致。地質調查也已在該斷裂西段發(fā)現(xiàn)了地震地表破裂帶的遺跡，錯動方式為左旋走滑兼正傾滑，證明磁縣斷裂是這次地震的發(fā)震斷裂(江娃利等，1994)(圖5b)?，F(xiàn)代小震精定位研究也推斷磁縣斷裂為1830年地震的發(fā)震斷裂，且發(fā)現(xiàn)該斷裂的傾角陡立(刁桂苓等，1999)?？紤]到1830年地震震區(qū)的東、西兩半部分別位于華北平原和太行山山區(qū)，根據(jù)烈度分布，采用圖4中的經(jīng)驗準則2和經(jīng)驗準則1分別確定破裂區(qū)朝東、西方向延伸的烈度區(qū)間。結果顯示該地震的破裂區(qū)朝東、西方向分別沿磁縣斷裂延伸于烈度Ⅹ～Ⅸ以及Ⅹ～Ⅷ+之間，總長度約80km(圖5b)。

3.2 結果分析

表2列出3.1小節(jié)確定的5次歷史強震破裂區(qū)的位置與延伸長度LI并與采用華北地區(qū)適用的震級MS-破裂長度L經(jīng)驗公式(龍鋒，2007):

由震級MS估算的破裂長度L進行比較。結果顯示:由2種方法確定的5次歷史強震破裂區(qū)長度的結果中，有2次基本相同，另外3次也很接近，說明本文發(fā)展的基于烈度分布方法確定的破裂區(qū)長度LI在數(shù)值上是可信的?？紤]到采用式(1)估計的僅僅是破裂長度L，不能定位，且結果受歷史地震震級的不確定性影響很大;而本文發(fā)展的基于烈度分布確定破裂區(qū)的方法不僅可獲得破裂區(qū)的延伸長度LI，同時還可獲得破裂區(qū)沿發(fā)震構造的位置與延伸方向。因此，本文發(fā)展的方法是震級MS-破裂長度L經(jīng)驗公式方法不可替代的。

由于1502年M 6?地震的烈度分布不完整，等震線的位置存在不確定性(圖5b)，同時，由于我們對1668年M 8?地震采用了2種版本的烈度分布(圖5c)，使得基于烈度分布確定的這2次地震的破裂區(qū)長度分別是25～30km以及270～300km，不確定性分別為18%和10%。比較本文第1節(jié)第(9)點集成的、采用不同現(xiàn)代技術方法獲得的2008年汶川8.0級地震破裂區(qū)長度的結果與精度(長度主要為240～340km，不確定性至少達到17%)可以看出:本文發(fā)展的方法在烈度/等震線分布信息可靠的情況下，完全適用于華北地區(qū)歷史強震破裂區(qū)的確定。

4 結論

本文以華北地區(qū)為例，在集成與分析現(xiàn)代地震相關信息的基礎上，探索與發(fā)展了利用烈度/等震線分布資料、結合地震構造與震區(qū)環(huán)境確定歷史強震破裂區(qū)的途徑與方法，并開展了應用實例研究。結果表明:

(1)以華北地區(qū)為主的10次現(xiàn)代地震的破裂區(qū)沿發(fā)震構造延伸的烈度區(qū)間［Ih，IL］與極震區(qū)烈度I0和震區(qū)地表地質環(huán)境之間存在密切的相關性，并已基于這種相關性建立了2條經(jīng)驗準則:1)震區(qū)為基巖區(qū)時，極震區(qū)烈度I0從Ⅷ度增加到Ⅺ度，地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間從［Ih=Ⅷ，IL1=Ⅶ-］線性變化到［Ih=Ⅺ，IL1=Ⅸ］;2)震區(qū)為厚層松散堆積覆蓋區(qū)時，極震區(qū)烈度I0從Ⅷ度增加到Ⅺ度，地震破裂區(qū)延伸的烈度區(qū)間從［Ih=Ⅷ，IL2=Ⅶ+］線性變化到［Ih=Ⅺ，IL2=Ⅹ-］。

(2)運用以上2條經(jīng)驗準則，根據(jù)烈度/等震線分布確定華北歷史地震破裂區(qū)的位置與延伸時，需要區(qū)分震區(qū)的地表地質環(huán)境、同時需要結合地震構造分析進行;歷史地震破裂區(qū)的橫向寬度可綜合發(fā)震構造產(chǎn)狀、現(xiàn)代小震及余震分布等信息輔助確定。

(3)對5次不同大小歷史強震破裂區(qū)的確定結果反映出應用本文所建立的經(jīng)驗準則以及發(fā)展的相應方法，在烈度/等震線資料可靠的情況下，可較好地確定出華北地區(qū)歷史強震破裂區(qū)的位置與延伸。

本研究將作為進一步確定華北各次歷史強震破裂區(qū)、建立相關地震構造帶以及整個區(qū)域的強震破裂圖像、進而鑒別強震空區(qū)與危險區(qū)的重要基礎。

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