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    中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的震例分析

    2015-07-01 23:32:14唐茂云邵延秀袁兆德
    地震地質(zhì) 2015年4期
    關(guān)鍵詞:震級(jí)震源斷層

    唐茂云 劉 靜* 邵延秀 王 鵬 袁兆德

    1)中國地震局地質(zhì)研究所, 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2)中國地震局蘭州地震研究所, 蘭州 730000 3)中國地震災(zāi)害防御中心, 北京 100029

    中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的震例分析

    唐茂云1)劉 靜1)*邵延秀1,2)王 鵬1)袁兆德1,3)

    1)中國地震局地質(zhì)研究所, 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2)中國地震局蘭州地震研究所, 蘭州 730000 3)中國地震災(zāi)害防御中心, 北京 100029

    中小震級(jí) 地表破裂 震級(jí)下限 震例統(tǒng)計(jì)

    0 引言

    本文收集了1950—2014年全球范圍內(nèi)有明確記錄產(chǎn)生地表破裂的中小震級(jí)震例, 從理論和經(jīng)驗(yàn)的角度, 探討了震源深度、 發(fā)震斷層特征、 場地效應(yīng)、 斷裂弱化程度以及觀測條件或觀測偏差等因素, 對(duì)中小強(qiáng)度地震地表破裂的影響, 試圖討論可能產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí)和其控制因素。另外, 通過對(duì)產(chǎn)生地表破裂的中小地震震級(jí)的收集統(tǒng)計(jì)分析, 希望為以后小震級(jí)產(chǎn)生地表破裂的研究提供一些基礎(chǔ)資料, 同時(shí)引起其他研究人員對(duì)中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的關(guān)注。

    1 歷史地震的全球數(shù)據(jù)庫

    隨著測量技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)地表破裂的重視, 越來越多的中等震級(jí)伴有地表破裂的震例被發(fā)現(xiàn)。國外學(xué)者(Bonilla, 1988; Wellsetal., 1994; Lettisetal., 1997; Berberianetal., 2001)在此方面已做了大量工作, 而國內(nèi)卻無此類相關(guān)研究, 本文的數(shù)據(jù)在以往(Bonilla, 1988; Wellsetal., 1994)的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的整理完善, 收集了1950—2014年全球范圍內(nèi)有明確記錄的56個(gè)震級(jí)<6.5且伴有或可能伴有地表破裂的震例(附表)。另外, 由于本次的研究方法主要建立在對(duì)中等以及小震級(jí)地震的統(tǒng)計(jì)上, 那么統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性則是本次討論的基礎(chǔ)。因此對(duì)于數(shù)據(jù)庫中列舉的震例, 詳細(xì)地給出了其地震震級(jí)、 發(fā)震構(gòu)造類型、 地表破裂長度、 斷層位錯(cuò)、 震源深度、 構(gòu)造環(huán)境、 破裂成因以及震例文獻(xiàn)來源(附表)。同時(shí), 對(duì)原文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)的可靠性也做了相應(yīng)的等級(jí)評(píng)價(jià)。

    根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn), 在56個(gè)事件中, 從斷層性質(zhì)方面來講, 有19個(gè)正斷層事件, 13個(gè)逆斷層事件, 24個(gè)走滑斷層事件(圖1a); 從構(gòu)造環(huán)境來講, 板緣地震43個(gè), 板內(nèi)地震13個(gè)(圖1b); 從震級(jí)大小方面來講, 3~4級(jí)事件1次, 4~5級(jí)事件5次, 5~6級(jí)事件24次, 6~6.5級(jí)事件26次(圖1c), 其中伴有地表破裂的最小震級(jí)低至3.6級(jí)(附表)。另外還發(fā)現(xiàn), 中小震級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂與發(fā)震構(gòu)造類型、 構(gòu)造環(huán)境等沒有太明確的關(guān)系, 各種發(fā)震構(gòu)造類型和構(gòu)造環(huán)境下都有可能產(chǎn)生地表破裂(圖1a, b)。而圖1b中板緣地震比板內(nèi)地震出現(xiàn)的概率高, 筆者認(rèn)為這可能是由板緣地震較活躍, 記錄的震例較多引起的。

    圖1 1950—2014年世界M<6.5有地表破裂的地震震例統(tǒng)計(jì)直方圖Fig. 1 The histogram of less than M6.5 earthquakes associated with surface rupture worldwide.a 統(tǒng)計(jì)地震震例中發(fā)震斷層類型直方圖; b 斷層構(gòu)造環(huán)境以及各環(huán)境中斷層類型分布直方圖; c 各地震震級(jí)大小分布以及震級(jí)范圍內(nèi)斷層類型分布直方圖

    2 有地表破裂的中小震級(jí)地震震例分析

    2.1 正斷型地震

    1986年9月13日, 希臘Peloponnesus半島Kalamata發(fā)生MS5.8(NEIS, Greece)地震, 此次地震為該區(qū)第1次記錄較好的淺源型正斷層地震, 震源深度 (5±3)km(Papazachosetal., 1988)。地震產(chǎn)生了明顯的同震地表破裂, 通過地表填圖發(fā)現(xiàn), 地表破裂總長約6km, 最大垂向位移達(dá)18cm(圖2a, b; Lyon-caenetal., 1988)。

    2006年5月24日, 墨西哥墨西卡利發(fā)生MW5.4地震, 震中位于切羅普列托(Cerro Prieto)斷層的北部尾端處。在此之前此處發(fā)生的最新地震為1999年6月和12月2次MW4.8地震(Suarez-Vidaletal., 2001)。根據(jù)震源機(jī)制解和野外考察, 此次地震為正斷層型(Gonzalezetal., 2001), 震源深度僅3.9km, 產(chǎn)生了>2km的地表破裂, 測得其最大垂向位移達(dá)20~30cm, 最大水平位移為2~4cm(Suarez-Vidaletal., 2007)。

    2.2 逆斷型地震

    大多數(shù)地震都發(fā)生在巖石圈板塊邊緣, 穩(wěn)定的板塊內(nèi)部很少出現(xiàn)地震。而1989年12月25日在北美東部克拉通板塊內(nèi)部的加拿大昂加瓦(Ungava)地區(qū)發(fā)生了MW6.0地震, 震源深度僅約3km, 經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)此次地震產(chǎn)生了8.5km的同震地表破裂, 破裂沿湖岸線發(fā)育, 使湖岸線發(fā)生變形, 通過測量變形湖岸線的相對(duì)高程圈出區(qū)域變形等高線, 其最大逆沖位移達(dá)1.8m, 平均位移0.8m(Adamsetal., 1991)。

    圖2 中小震級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂野外照片F(xiàn)ig. 2 The surface rupture field pictures of small-middle magnitude earthquake.

    2012年3月23日, 在澳大利亞馬斯格雷夫(Musgrave)山脈東端發(fā)生了MS5.5埃納貝拉(Ernabella)地震, 地震發(fā)生在穩(wěn)定的克拉通板塊內(nèi)部, 是澳大利亞為數(shù)不多的幾次板內(nèi)地震之一, 且為該地區(qū)15a內(nèi)最大的地震記錄。此次地震產(chǎn)生了1.6km不連續(xù)的破裂逆沖陡坎, 其中最大垂向位移達(dá)0.5m(圖2c, d), 同時(shí)還產(chǎn)生了大量的地表伸展裂縫和巖石滾落(Clarketal., 2014)。

    2.3 走滑型地震

    1975年5月31日, 加利福尼亞州Galway Lake附近莫哈維沙漠(Mojave Desert)發(fā)生了MS5.2地震, 震源深度5.8km, 地震產(chǎn)生了6.8km長, 100m寬的破裂帶, 破裂沿著先存陡坎發(fā)育(圖2e)。 野外調(diào)查和余震資料發(fā)現(xiàn)此次發(fā)震斷層近垂直, 一系列左階雁列式裂縫表明了此次地震主要以右旋走滑為主(圖2f), 個(gè)別破裂處最大右旋位錯(cuò)量達(dá)1.5cm(Hilletal., 1977)。

    在極端條件下, 伴有地表破裂的最小地震震級(jí)可以低至3.6級(jí)。如1966年3月4日加利福利亞州圣塔芭芭拉縣(Santa Barbara)發(fā)生的ML3.6隆波克(Lompoc)地震, 震源深度1.1km。Brune等(1967)通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn), 此次地震產(chǎn)生了長約10km的地表破裂。對(duì)于此次地震為何能產(chǎn)生如此長的地表破裂, Brune等(1967)認(rèn)為與其較淺的震源深度有重要關(guān)系。另外, 還發(fā)現(xiàn)在80號(hào)公路上白色分界線被右旋位錯(cuò)約1.5cm(圖2h), 而此處在1940年Imperial Valley地震后調(diào)查的地表破裂照片中, 并沒有發(fā)生位錯(cuò)(圖2g)。因此, 此次地震可能為全球明確記錄震級(jí)最小且產(chǎn)生地表破裂的地震。

    2.4 中國大陸地震

    2.4.1 1990年景泰-天祝地震(MW5.8,MS6.2)

    在中國大陸地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)中強(qiáng)地震產(chǎn)生地表破裂的案例非常少, 然而在1990年10月20日, 甘肅天祝縣、 景泰縣以及古浪縣交界地區(qū)(37.1°N, 103.5°E)發(fā)生了MW5.8地震, 震源深度15km。根據(jù)震源機(jī)制解以及野外調(diào)查, 將發(fā)震構(gòu)造定為毛毛山-老虎山左旋走滑斷裂西段草峽次級(jí)段(袁道陽等, 1994), 此斷裂總體走向N80°W, 傾向NE, 傾角50°。經(jīng)過對(duì)震后的詳細(xì)考察, 發(fā)現(xiàn)在此次地震中產(chǎn)生了多處地表破裂, 局部地區(qū)破裂縫寬達(dá)10cm(才樹華等, 1990)。經(jīng)過震后對(duì)地表破裂范圍進(jìn)行的系統(tǒng)性詳細(xì)調(diào)查, 這些裂縫延伸方向與發(fā)震構(gòu)造走向近似平行, 且破裂位于極震區(qū)。此外, 劉靜等(2007)通過在極震區(qū)松山附近開挖探槽, 發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的破裂縫, 裂縫從下至上直通地表, 認(rèn)為這些極震區(qū)裂縫為此次MW5.8地震所為。

    2.4.2 2010年4月14號(hào)玉樹地震余震(MW6.1,MS6.3)

    北京時(shí)間2010年4月14日7點(diǎn)49分, 青海玉樹發(fā)生了MW6.9強(qiáng)震, 主震1.5h后, 震中W—SW方向(33.23°N, 96.58°E)發(fā)生了MS6.3余震, 震源深度10km(青海省地震局測定)。震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)此次地震產(chǎn)生約50km的地表破裂(陳立春等, 2010; 馬寅生等, 2010), 但許多研究人員們對(duì)其表示懷疑, 更傾向于破裂SE段31km為MW6.9主震所為, 而NW段19km則為MS6.3余震所產(chǎn)生。具體證據(jù)有: 1)張勇等(2010)通過對(duì)勒夫面波(Love wave)和P波進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)MW6.9主震總體上僅屬于由震中向SE方向擴(kuò)展的單側(cè)破裂事件; 2)Li等(2011)結(jié)合地震體波和InSAR技術(shù)測量地表位移模擬位錯(cuò)展布, 同時(shí)檢驗(yàn)主震和余震P波的走時(shí)及其與平均走時(shí)的差異, 確定破裂帶NW段是由MS6.3余震引起的; 3)從破裂長度方面來講, 若加上15km的破裂空區(qū), 此次地震則產(chǎn)生了長約70km的地表破裂, 遠(yuǎn)大于根據(jù)破裂長度-震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(Wellsetal., 1994),MW6.9地震對(duì)應(yīng)的30~50km地表破裂長度區(qū)間值; 同時(shí), 此次事件產(chǎn)生的地表破裂2段位移也存在著巨大差異, 西段位移量為0.2~0.4m, 而東段最大位移量卻達(dá)到了2.3m(Lietal., 2012); 4)通過對(duì)余震序列重新定位, 發(fā)現(xiàn)前30h余震主要向SE方向擴(kuò)展, 而主震后30~80h, 余震主要在NW段叢集活動(dòng), 80h后2段都有余震分布*趙翠萍, 周連慶, 2010, 青海玉樹地震余震序列重新定位及活動(dòng)特征分析, http: ∥www.seis.ac.cn/ manage/html/8a9080a125b29b1b0125b2a3093a0002/_content/10_04/19/1271643308080.hml。。

    3 中等強(qiáng)度地震產(chǎn)生地表破裂的控制因素分析

    準(zhǔn)確地給出產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí)值是非常困難的, 因?yàn)橛刑嗟牟淮_定因素。但可以進(jìn)行粗略的定量估計(jì)。 Bonilla(1988)基于理想的條件下, 對(duì)產(chǎn)生地表破裂的最小理論震級(jí)進(jìn)行了估算, 得到的最小震級(jí)為3.1。雖然迄今為止并沒有發(fā)現(xiàn)如此小的震級(jí)產(chǎn)生地表破裂的震例, 但1966年3月4日加利福尼亞ImperialM3.6地震, 通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn), 產(chǎn)生了長10km, 平均右旋位錯(cuò)0.9cm的地表破裂(Bruneetal., 1967), 似乎在一定程度上佐證了Bonilla的估算。從統(tǒng)計(jì)的角度看, Wells等(1994)統(tǒng)計(jì)的244個(gè)產(chǎn)生地表破裂的歷史地震中, 明確產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí)為5.2級(jí), 此次統(tǒng)計(jì)的最小震級(jí)為3.6級(jí)。另外, 從概率方面來看, Otsuka(1964)根據(jù)震源深度與地震能產(chǎn)生破裂的范圍的關(guān)系計(jì)算出, 6.5震級(jí)以下出現(xiàn)地表破裂的概率為20%; Coppersmith 等(2000)根據(jù)全球資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn), 當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)達(dá)到6級(jí)時(shí), 其產(chǎn)生同震破裂的概率就已經(jīng)達(dá)到25%; 而Wells等(1993)計(jì)算出的6.5級(jí)以下地震伴有地表破裂的概率高達(dá)70%。

    因此, 6.5級(jí)以下地震伴有地表破裂從理論上是可能的。當(dāng)然, 并非6.5級(jí)以下地震就一定伴有地表破裂, 且并被準(zhǔn)確記錄下來; 甚至一些7級(jí)以上的地震也不一定伴有地表破裂。粗略估計(jì), 全球平均每年發(fā)生5~6.5級(jí)地震約300次(Engdahletal., 2002), 如果按20%(可能偏高)的概率計(jì)算, 那么平均每年產(chǎn)生地表破裂的中等震級(jí)地震約60次, 根據(jù)本文不完全統(tǒng)計(jì)平均每年記錄且被發(fā)現(xiàn)中小震級(jí)產(chǎn)生地表破裂的地震約1次。那么, 伴有地表破裂的中小震級(jí)地震能被記錄和發(fā)現(xiàn)的年概率約為1.5%。 這其中受許多因素控制, 其中主要因素包括震級(jí)強(qiáng)度、 震源深度、 發(fā)震斷層特征、 場地效應(yīng)、 構(gòu)造環(huán)境和斷裂摩擦強(qiáng)度或弱化程度等(圖5); 次要因素則受觀測條件以及觀測偏差的限制。

    圖3 震級(jí)MW與震源深度關(guān)系圖Fig. 3 The relationship between magnitude(MW)and focal depth.插入圖為震源深度頻率直方圖

    3.1 理論分析

    3.1.1 震源深度

    對(duì)于產(chǎn)生小破裂帶的中小強(qiáng)度地震, 其破裂長度與震源深度有著密切的關(guān)系(Clarketal., 2014)。將統(tǒng)計(jì)中有震源深度記錄的52個(gè)地震事件的震源深度與震級(jí)MW進(jìn)行投點(diǎn)(圖3), 震源深度則盡量采用地方臺(tái)網(wǎng)定位, 同時(shí)在此基礎(chǔ)上給予±2km的誤差范圍。地震震級(jí)則使用矩震級(jí)MW, 由于一些地震的MW震級(jí)不明確, 因此給以±0.2的誤差值。統(tǒng)計(jì)的地震中震源深度都分布在15km之內(nèi), 而Wright等(2013)通過對(duì)78個(gè)>5.5級(jí)的產(chǎn)生同震地表破裂的地震震源深度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 大陸地震的震源深度平均分布在 (14±5)km, 其中逆沖型地震平均深度略淺一些, 但也達(dá)到10km左右。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)中產(chǎn)生地表破裂的中強(qiáng)度地震的震源深度都比其平均值淺, 其中逆沖型地震的平均深度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)<10km。由于樣本數(shù)量和震源深度的精度因素, 本文并未給出震源深度與地表破裂的定量關(guān)系。但是, 可以定性地看出震源深度較淺是中小強(qiáng)度地震產(chǎn)生地表破裂的一個(gè)重要因素。

    圖4 震源深度對(duì)地表破裂的控制示意圖Fig. 4 The diagram illustrating the control of focal depth on the surface rupture.灰色圓表示事件A, B, C的地震破裂范圍, 插入圖為震級(jí)與地下破裂長度的關(guān)系(Wells et al., 1994)

    圖5 中小地震伴生地表破裂的控制因素示意圖(改自Aagaard, 2004)Fig. 5 The diagram of controlling factors of small-middle magnitude earthquake associated with surface rupture(modified after Aagaard, 2004).a 震源深度對(duì)產(chǎn)生地表破裂的影響: 相比于其他事件, a中事件的震源深度較深, 地震能量由于斷盤間摩擦而逐漸衰減, 最終不足以克服上覆巖體的抗剪切能力, 使破裂未能破至地表; b 發(fā)震斷層樣式對(duì)地表破裂的影響: 事件b中斷層向兩側(cè)擴(kuò)散, 在地表形成左右2段破裂; c 破裂傾角對(duì)地表破裂的影響: 斷層傾角較小, 地表破裂在地表集中出現(xiàn), 破裂長度較小; d 斷層幾何形狀對(duì)地表破裂的影響: 斷層幾何形狀使其不能破裂至地表; e 場地條件對(duì)地表破裂的影響:上覆松散的土層, 可塑性較強(qiáng), 對(duì)地震能量起到吸收作用, 斷層在地貌上僅表現(xiàn)為褶皺、 鼓包等現(xiàn)象; f 斷裂帶弱化對(duì)地表破裂的影響:多次的活動(dòng)或地質(zhì)流體對(duì)斷裂帶長期的弱化, 使斷裂帶處于亞失穩(wěn)狀態(tài), 微弱的震動(dòng)則可能導(dǎo)致次生斷層的產(chǎn)生, 從而誘發(fā)地震產(chǎn)生地表破裂

    圖6 摩擦本構(gòu)關(guān)系中(a-b)[=VdTSS(V)/dV/(σn-P)]隨深度的變化分布(改自Rice, 1993)Fig. 6 Depth-variable distribution of rate-dependency(a-b)[=VdTSS(V)/dV/(σn-P)] in frictional constitutive relationship(modified after Rice, 1993).

    3.1.2 發(fā)震斷層特征

    發(fā)震斷層特征是控制地表破裂長度的一個(gè)重要因素, 其中主要包括發(fā)震斷層的傾角、 幾何形狀等(圖5c, d)。Aagaard等(2004)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn), 隨著發(fā)震斷層傾角的變陡, 滑移角降低, 其伴生的地表破裂長度變長; 相反, 傾角越緩, 滑移角增加, 其地表破裂長度則變小。因此, 即使地震震級(jí)較小, 如果發(fā)震斷層傾角合適, 也會(huì)在地表產(chǎn)生破裂。

    3.1.3 近地表巖石強(qiáng)度和地形等場地效應(yīng)

    在長期的地質(zhì)演化過程中, 不同地區(qū)的地質(zhì)情況是存在差異的, 而地震斷層在不同介質(zhì)條件中破裂的擴(kuò)展能力也是不同的。公認(rèn)的摩擦本構(gòu)關(guān)系的深度剖面中, 在近地表0~3km深度區(qū)段, 斷裂面的剪切運(yùn)動(dòng)的習(xí)性表現(xiàn)為對(duì)地震破裂這樣的快速剪切運(yùn)動(dòng), 多為速度強(qiáng)化, 而深度3~14km是速度弱化, 在脆韌性轉(zhuǎn)換帶之下又是速度強(qiáng)化的(圖6), 而速度弱化一般對(duì)應(yīng)于地震破裂高速滑動(dòng)現(xiàn)象。速度強(qiáng)化區(qū)不利于地震破裂的擴(kuò)展。與深部由于高溫而韌性變形為主的速度強(qiáng)化在機(jī)制上不一樣, 近地表的速度強(qiáng)化區(qū)與圍壓較小有關(guān), 而近地表如果有厚度較大(數(shù)千米)、 未固結(jié)沉積蓋層, 因剪切模量小速度強(qiáng)化的趨勢進(jìn)一步疊加增強(qiáng)。破裂進(jìn)入這樣的速度強(qiáng)化區(qū)后剪切運(yùn)動(dòng)或快或慢地轉(zhuǎn)化為松散物顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的、 一定寬度的、 大波長、 彌散式變形。如1976年的唐山7.8級(jí)地震, 由于華北平原上覆蓋了數(shù)十到數(shù)千米的第四紀(jì)沉積蓋層, 而使斷層破裂很難到達(dá)地表, 因此如此大震級(jí)的地震, 地表也僅出現(xiàn)了8km的地表破裂(龍峰, 2006)。

    此外, 地表地形起伏對(duì)于地震破裂在近地表的衰減有影響, 特別是逆沖型地震破裂中該效應(yīng)較明顯。比如, 在2008年汶川地震地表破裂的填圖中發(fā)現(xiàn), 前山斷裂(彭灌斷裂)的某些區(qū)段上, 地表破裂在橫切溝谷或地形低洼的地方有明確的陡坎, 而在緊鄰的山脊上卻沒有明顯的陡坎。如彭灌斷裂破裂南端的磁峰鹿坪村、 通濟(jì)澗安村和北端的漢旺、 綿竹泉新村和雎水等尾端數(shù)千米的區(qū)段。同樣地, 北川斷裂地表破裂的南、 北尾端區(qū), 地表破裂或陡坎實(shí)際上是斷續(xù)展布, 發(fā)育在溝谷底的幾率大于在山脊(劉靜等, 2008)。地表地形效應(yīng)在破裂的兩端比中部明顯, 可能與近地表同震位移量大小有關(guān), 也可能還疊加有破裂速率大小的控制。即使在破裂中部這樣的部位, 破裂在穿過低平的河谷時(shí), 發(fā)育連續(xù)展布的地表破裂, 如虹口深溪溝和北川擂鼓等山間河谷盆地, 而一旦進(jìn)入山地和陡坡, 數(shù)米或數(shù)十米以外則消失難以連續(xù)追蹤(劉靜等, 2010)。雖然不能完全排除山脊陡坡上有地表破裂只是觀測有限的可能, 但更可能的是在山脊等高地形區(qū)由于地形高差大, 破裂快速衰減成彌散狀寬的形變帶, 而非集中式陡坎的形式。該地形效應(yīng)對(duì)古地震探槽位置的選取有重要啟發(fā)。比如, 在地形低洼的溝谷開挖探槽要優(yōu)于山脊等高地形位置, 后者可能會(huì)由于缺乏不連續(xù)變形而造成事件無法識(shí)別。或許這一事件缺失的幾率在走滑型破裂中較小, 但在逆沖型地震的古地震研究中應(yīng)該考慮。地形和沉積層等場地效應(yīng)對(duì)地震波的傳播、 衰減和疊加共振放大等機(jī)制和預(yù)測研究較多, 但這些場地效應(yīng)對(duì)破裂的影響和具體機(jī)制卻少有研究。

    3.1.4 構(gòu)造環(huán)境和斷裂弱化程度

    地震斷層的破裂更容易在先存構(gòu)造上繼承性活動(dòng), 而不是產(chǎn)生新的構(gòu)造(Armijoetal., 1989)。多期次的地震活動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致斷層帶上斷層泥的形成和積累, 從而弱化破裂帶的摩擦系數(shù), 降低靜態(tài)屈服強(qiáng)度, 使小震級(jí)的地震也會(huì)引起地表破裂(Rechesetal., 2010)。如2006年5月24日MW5.4墨西卡利地震, 在此之前曾被劃為之前地震的地下破裂帶, 此次地震造成了>2km的同震地表破裂, 垂向位移最大為20~30cm, 最大水平位移為2~4cm。

    流體的參與可以降低斷層圍巖的抗剪強(qiáng)度, 從而更容易產(chǎn)生地表破裂。如美國加利福尼亞州Brawley地區(qū), 其周圍有許多地?zé)崽铮?熱液流體沿著區(qū)域先存構(gòu)造遷移, 弱化了該區(qū)域巖石的摩擦系數(shù), 因此該區(qū)域常有小震級(jí)地震伴有地表破裂出現(xiàn), 并且這些小震震源深度與地?zé)嵩瓷疃认辔呛?Johnsonetal., 1976)。如1975年1月23—31日Brawley Valley發(fā)生一系列地震, 其中最大震級(jí)為ML4.7, 震源深度4~8km, 地震沿著先存陡坎造成了數(shù)千米的構(gòu)造裂縫(Sharp, 1976)。

    弱化的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境很容易受其他地震誘發(fā)而產(chǎn)生地表破裂, 如南加利福尼亞州索爾頓湖(Salton Sea)地區(qū)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜, 整個(gè)地區(qū)分布有多個(gè)活動(dòng)斷裂體系, 包括San Andreas 斷層、 Superstition Hill 斷層、 Imperial 斷層、 Elsinore斷層等。由于該區(qū)域頻繁的地震活動(dòng), 使其伴生的許多拉張型次級(jí)斷層常年處于亞失穩(wěn)狀態(tài), 受周圍其他大震的誘發(fā), 很容易產(chǎn)生區(qū)域上一些尺度較小的地表破裂。在過去的50a間, 該區(qū)域至少有8次, 斷裂體系中多條斷裂受附近其他地震誘發(fā)而產(chǎn)生了微弱構(gòu)造破裂和數(shù)cm到數(shù)mm的位移滑動(dòng), 包括1992年Landers地震(Rymer, 2000)、 1999年 Hector Mine 地震(Rymeretal., 2002)、 2010 年El Mayor Cucapah 地震(Weietal., 2011)等。

    3.2 觀測條件或觀測偏差

    中國是一個(gè)地震多發(fā)的國家, 盡管中強(qiáng)地震伴生地表破裂有著不低的發(fā)生概率, 但在國內(nèi)卻鮮有發(fā)現(xiàn)<6.5級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂, 除以上因素對(duì)地表破裂的控制外, 還有一些觀測條件或觀察偏差的影響, 比如地形的限制、 人為意識(shí)、 地震滑動(dòng)位移較小等: 1)地形限制。地震發(fā)生位置是地表破裂觀測的一個(gè)重要因素, 如果地表破裂位于山區(qū)地帶, 若該區(qū)崎嶇陡峭, 且常年植被覆蓋, 人跡很難到達(dá), 則會(huì)給地表調(diào)查帶來很大的難度。2)認(rèn)識(shí)水平的制約。中國地震地表調(diào)查興起于20世紀(jì)90年代以后, 在這之前, 地震研究人員對(duì)地表破裂調(diào)查意識(shí)淡薄, 對(duì)中小級(jí)地震產(chǎn)生的地表破裂沒有引起重視, 更沒有刻意去進(jìn)行精細(xì)調(diào)查。在地表破裂的判別上, 如區(qū)分地震次生裂隙和同震破裂的經(jīng)驗(yàn)較少。隨著中國活動(dòng)斷裂和地震地質(zhì)研究水平的發(fā)展, 現(xiàn)在已有改觀, 一次中強(qiáng)地震之后, 是否伴有地表破裂已成為震后野外調(diào)查中的一項(xiàng)常規(guī)研究內(nèi)容。3)微弱滑動(dòng)位移。中小地震往往伴隨著微弱的滑動(dòng)位移, 因此在地表的表現(xiàn)可能為一些很小的地表裂縫, 一方面很難將其位移準(zhǔn)確測量, 另一發(fā)面則很容易與其他地表裂隙相混淆, 如果調(diào)查者沒有豐富的調(diào)查經(jīng)驗(yàn), 則很難將其識(shí)別出來。4)其他因素。比如下雨、 人為改造、 調(diào)查者的仔細(xì)程度等都會(huì)影響地表破裂的識(shí)別。

    4 討論

    這些伴有或可能伴有地表破裂的56次全球范圍地震事件中, 至少有35個(gè)明確記錄的同震位移事件(附表), 這些事件的震級(jí)范圍為M3.6~6.5, 而伴有的同震地表破裂長度也從數(shù)百米到數(shù)十千米不等, 可以看出5級(jí)左右甚至更小的地震可以伴有地表破裂。通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理, 對(duì)中小震級(jí)事件伴有地表破裂的控制因素進(jìn)行了討論, 其中地震震級(jí)強(qiáng)度與地表破裂有關(guān), 許多學(xué)者已做過相應(yīng)研究(Welllsetal., 1994; Leonard, 2010; Clarketal., 2014), 因此筆者未進(jìn)行單獨(dú)探討。另外將一些由構(gòu)造蠕滑, 誘發(fā)破裂等事件也進(jìn)行了列舉, 表明中小地震伴有地表破裂也可以為其他因素所產(chǎn)生, 在地表野外調(diào)查中應(yīng)注意區(qū)分, 若其在探槽中得以保存, 應(yīng)進(jìn)行多個(gè)探槽對(duì)比研究。

    本文在收集已有小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂案例的基礎(chǔ)上, 試圖討論可能產(chǎn)生地表破裂的最小震級(jí), 以提醒研究者關(guān)注中小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的可能性。國外已經(jīng)報(bào)道出許多此類地震, 而中國大陸卻寥寥無幾。一方面,M5~6范圍內(nèi)的地震伴有的地表破裂往往較微弱, 有的地震同震位移僅僅為數(shù)cm, 地表上也僅僅表現(xiàn)為一系列不連續(xù)的破裂縫, 震后很難將其識(shí)別出來。另一方面受觀測條件(地形, 下雨, 滑坡等)的影響, 研究人員很難接近破裂所在地區(qū)或破裂很難被保存。此外, 更重要的是同震地表破裂在很早之前沒有引起國內(nèi)大多地震學(xué)家們的注意, 中小地震引起的地表破裂則更是忽略不計(jì), 因此在野外并沒有有意識(shí)地進(jìn)行系統(tǒng)的精細(xì)填圖, 對(duì)于微弱位移量的地表破裂也未刻意地進(jìn)行找尋, 所以在此方面資料極其缺乏。而近年來, 隨著意識(shí)以及測量手段的逐漸提高, 越來越多的中強(qiáng)震級(jí)伴有地表破裂的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。因此對(duì)地表破裂進(jìn)行多手段、 多批次的震后準(zhǔn)確測量, 是地表破裂調(diào)查的重要方向。

    古地震研究中探槽所揭示事件的震級(jí)大小往往難以確定, 因此一般基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律認(rèn)為能夠在古地震探槽中被記錄的古地震的震級(jí)均在MW6.5之上(McCalpin, 2009), 將同一探槽中不同的古地震事件當(dāng)作是震級(jí)相同或相似的特征地震, 并依據(jù)這樣的地震序列給出古地震的復(fù)發(fā)間隔。如果伴有地表破裂的地震震級(jí)小到5級(jí)左右甚至更低, 那么事件震級(jí)判斷則可能出現(xiàn)偏差。盡管目前國內(nèi)古地震探槽研究中漏記事件、 記錄不完整問題更為普遍(冉勇康等, 1999; 劉靜等, 2007), 而把中等震級(jí)事件假定為大事件的可能性較小, 但隨著古地震研究程度的不斷提高, 探槽選址中沉積層序的詳細(xì)度不斷重視(劉靜等, 2007; 冉勇康等, 2012), 我們在利用探槽開展古地震研究時(shí), 不能忽視小事件產(chǎn)生地表破裂的可能性, 應(yīng)正確評(píng)價(jià)古地震震級(jí)和復(fù)發(fā)間隔時(shí)間, 以減小地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的不確定性。

    5 結(jié)論

    通過對(duì)已有小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂案例的收集統(tǒng)計(jì)和對(duì)影響小震級(jí)事件產(chǎn)生地表破裂的因素進(jìn)行討論, 主要認(rèn)識(shí)如下:

    (1)伴有地表破裂地震的震級(jí)下限可能在5級(jí)左右, 極端情況下震級(jí)甚至可以低至3.6級(jí)。

    (2)小震級(jí)地震是可以產(chǎn)生地表破裂的, 但并非所有<6.5級(jí)地震都可以產(chǎn)生地表破裂, 仍然受許多因素控制, 包括震源深度、 發(fā)震斷層特征、 場地效應(yīng)、 斷裂弱化程度以及觀測條件或觀測偏差等, 其中震源深度較淺是一個(gè)比較重要的原因。

    (3)盡管中小強(qiáng)度震級(jí)地震產(chǎn)生地表破裂的規(guī)模與概率, 相比于大地震都相對(duì)較小, 但不能絕對(duì)地否定其存在, 從而忽視古地震探槽中揭示中等震級(jí)地震事件的可能性。

    致謝 感謝中國地震局地質(zhì)研究所肖萍博士、 王偉博士、 李翠平碩士在文章修改過程中的幫助, 以及審稿人提出的寶貴意見和建議。

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    ANALYSIS ABOUT THE MINIMUM MAGNITUDE EARTHQUAKE ASSOCIATED WITH SURFACE RUPTURES

    TANG Mao-yun1)LIU Jing1)SHAO Yan-xiu1,2)WANG Peng1)YUAN Zhao-de1,3)

    1)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China2)LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,China3)ChinaEarthquakeDisasterPreventionCenter,Beijing100029,China

    small-medium size magnitude, surface ruptures, the lower limit of magnitude, earthquake events statistics

    10.3969/j.issn.0253- 4967.2015.04.020

    2014-07-21收稿, 2015-01-11改回。

    中國地震局地震行業(yè)專項(xiàng)(201308012)、 國家杰出青年科學(xué)基金(41225010)和地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(LED2014A02)共同資助。 *通訊作者: 劉靜, 女, 研究員, 電話: 010-62009018, E-mail: liu-zeng@ies.ac.cn。

    P315.2

    A

    0253-4967(2015)04-1193-22

    唐茂云, 男, 1990年生, 2015年在中國地震局地質(zhì)研究所獲構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位, 電話: 010-62009041, Email: tmylzy@foxmail.com。

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