松原市扶余北隱伏活動斷裂地震潛勢研究①

邵　博,沈　軍,于曉輝,2,萬永魁,尉　洋,祁　高

(1.防災科技學院,河北 三河 065201; 2.中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029;3.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000)

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松原市扶余北隱伏活動斷裂地震潛勢研究①

邵博1,沈軍1,于曉輝1,2,萬永魁1,尉洋3,祁高1

(1.防災科技學院,河北 三河 065201; 2.中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029;3.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000)

扶余肇東斷裂帶是松遼盆地中一條重要的隱伏發(fā)震斷裂帶,2006年和2014年在此斷裂帶上發(fā)生了多次近6級地震,地震活動主要集中在斷裂的東北段和查干花段。在2012—2014年的松原市活斷層探測工作中,探明扶余肇東斷裂帶東北段經(jīng)過松原市區(qū),該段呈近EW向,具有明顯的分段性和獨立性,將其命名為扶余北斷裂。通過三維物探資料和淺層人工探測,確定了扶余北斷裂的空間展布和剖面特征,并利用聯(lián)排鉆孔探測和光釋光測年技術(shù),確定該斷裂存在晚更新世以來的活動;利用石油物探資料獲得的基巖面破裂規(guī)模,對扶余北斷裂的地震潛勢進行了估計,并進行了概率性地震危險性研究。

松原地震; 扶余北斷裂; 發(fā)震構(gòu)造; 概率性地震潛勢

0　引言

扶余—肇東斷裂整體呈NE走向,自北向南由肇東途經(jīng)扶余北延伸至第二松花江。該斷裂屬于深大基底斷裂,以扶余—肇東斷裂為界,其東西兩側(cè)分別為盆地東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū),揭示該斷裂地處基底等深線的突變帶上,控制了區(qū)域第四紀沉積,在構(gòu)造上易于積累能量以孕育地震[5-8]。在不同地質(zhì)單元相交的部位,存在多個產(chǎn)狀各異的疑似活動構(gòu)造[9-10]。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應力場基本為NEE-SWW向以及近EW向兩組應力的疊加,深部中強地震發(fā)生的動力來源于西北太平洋板塊向琿春—牡丹江地區(qū)上地幔內(nèi)590 km深處俯沖,并消減于這一帶。板塊的俯沖受到地幔內(nèi)巖體的阻擋,在巖塊內(nèi)產(chǎn)生俯沖斷層并在東北發(fā)生深源地震[11]。

為確立區(qū)域斷裂構(gòu)造,厘定潛在的發(fā)震斷層,松原市活斷層探測與地震危險性評價項目針松原地區(qū),以區(qū)域及其附近大量的石油勘探資料為基礎,對整個松原市范圍進行了多手段綜合探測,在松原主城區(qū)北側(cè)、距主城區(qū)僅10 km處發(fā)現(xiàn)一條近EW走向的隱伏斷裂,命名為扶余北斷裂(圖1)。

圖1　區(qū)域主要活動斷裂及地震分布圖Fig.1　Main active faults and earthquakes distribution in the study area

1　扶余肇東斷裂帶和扶余北斷裂的地震活動

自上世紀七十年代東北地區(qū)各省區(qū)陸續(xù)建立了區(qū)域測震觀測臺網(wǎng)。根據(jù)焦遠碧等[12]的研究結(jié)果,1989年之后東北地區(qū)處于區(qū)域地震臺網(wǎng)對M≥2.5 地震的有效監(jiān)測范圍之內(nèi)。

表1　松原地區(qū)2006年及2013年破壞性地震目錄(根據(jù)吉林省地震局提供資料)

表2　2013年前郭查干花MS5.8震群震源機制參數(shù)(根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心提供資料)

2　扶余北斷裂的活動性探測

扶余北斷裂位于扶余隆起的北部邊界,走向近EW,西起孫家圍子,向東延伸至大洼鎮(zhèn)附近。由于第二松花江流域地表流水侵蝕嚴重,該斷裂接近松原市區(qū),但市區(qū)并未發(fā)現(xiàn)地震地表破裂和變形帶存在。

在松原市活斷層探測工作中,根據(jù)已有的白堊統(tǒng)青山口組界面、姚家組界面及嫩江組界面的三維地震勘探構(gòu)造平面圖及由西向東橫穿扶余北斷裂的12條二維地震勘探剖面,確定扶余北斷裂的空間展布,及其在基巖面破裂長度約26 km(圖2)。石油二維剖面揭示斷層傾向S,視傾角較陡,約60°～80°,早期表現(xiàn)為正斷層,新構(gòu)造運動以來表現(xiàn)為逆沖作用。斷裂兩側(cè)青山口組埋深梯度變化顯著,且控制性鉆孔得到的該地層巖芯中存在較多裂縫,表明扶余北斷裂可能有過強烈的地震活動。

為彌補石油資料在淺部的缺失,查明其變形幅度及深淺構(gòu)造關(guān)系,在橫跨扶余北斷裂布設了復興村和伯都—羅斯屯2條淺層人工地震測線(圖2)。剖面中TB5(青山口組底)強反射同相軸下方出現(xiàn)了明顯的波形紊亂、畸變和同軸錯斷現(xiàn)象,據(jù)此在剖面中部、雙程走時約1.00 s處解譯出一個斷點FP2,斷層為逆斷層,傾向S,傾角近直立。TQ(第四系底界)至TB5(青山口組底)強反射同相軸雖較為連續(xù),但均出現(xiàn)了不同程度的彎曲變形,且隨深度增加彎曲變形的幅度也明顯增強。淺層人工地震勘探揭示扶余北斷裂新構(gòu)造運動以來受持續(xù)的擠壓應力作用,致使斷層下盤不斷坳陷,上盤逐漸隆起,最終造成斷層兩側(cè)沉積地層有一定差異。

基于淺層地震探測結(jié)果,又布置2個控制性鉆孔和12個聯(lián)排鉆孔對上斷點位置進行約束,證實扶余北斷裂受強烈的擠壓應力作用,其中晚更新世地層存在擾動,并在推測上斷點位置形成陡坎(圖3),跨上斷點所取釋光樣品測年結(jié)果分別為距今(23.9±0.6)ka和(28.9±0.6)ka,證實扶余北斷裂晚更新世以來存在地震活動。

3　扶余北斷裂的地震潛勢

Tocher[13]最早將震級與地震地表破裂長度相聯(lián)系,Anderson等[14]開始在震級地表破裂關(guān)系中考慮發(fā)震斷裂的滑動速率,此后很多研究者[15-19]使用多學科的手段以地表破裂約束震源,并提出適合于特定范圍的經(jīng)驗關(guān)系式。

考慮到東部平原深隱伏區(qū)地震地表破裂受上覆層的影響,在同樣無地表破裂的情況下,較厚覆蓋層的東北地區(qū)可能發(fā)生過更大震級的地震。地表位錯尺度的影響因素比較復雜,除與震級相關(guān)外,還與其他震源參數(shù)、覆蓋層厚度[20-22]、覆蓋土層力學參數(shù)[23-24]、地下水位等有關(guān)?；鶐r破裂尺度本身也是對地下實際破裂尺度的更確切的逼近估計,考慮到三維地震資料反映的基巖破裂尺度不受覆蓋層的影響,可將三維反射剖面上量取的破裂長度代入震源破裂長度和震級的經(jīng)驗關(guān)系公式來估計其發(fā)震規(guī)模。

美國學者Wells等[16]基于大量樣本數(shù),建立了全球不同類型地震斷層的震源參數(shù)數(shù)據(jù)庫,其數(shù)據(jù)主要來源于公開發(fā)表的野外考察、地震學研究、地震學調(diào)查結(jié)果的專著和論文,并從數(shù)據(jù)庫中挑選部分地震來確定震級和不同震源參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系。其中,地下震源破裂長度RLD與矩震級MW的經(jīng)驗關(guān)系及其建模樣本如式(1),這種方法也具備一定的地質(zhì)意義。

圖2　扶余北斷裂物探位置及典型二維剖面圖[(a)、(b)為淺層人工地震剖面;(c)～(e)為二維石油物探勘探剖面，其中(d)中解釋斷層為扶余北斷裂]Fig.2　Location of geophysical prospecting and typical 2D profile of the north Fuyu Fault [profile (a),(b)are shallow artificial seismic profiles;(c)～(e)are 2D oil geophysical profile,and the interpreted fault in (d)is the north Fuyu Fault]

圖3　復興村聯(lián)合鉆孔剖面Fig.3　Combined borehole profile of Fuxing village

M=4.38+1.49*lg(RLD)

(1)

根據(jù)三維地震剖面上獲得的扶余北斷裂在白堊統(tǒng)青山口組界面的基巖破裂長度為26 km,計算得其潛在最大震級為MW6.5,相當于MS6.6[25]。

4　概率性地震危險性評價

(2)

(3)

式中:μ為剪切模量;A為破裂面積;S為滑動速率。破裂面積據(jù)Wells等[16]給出的震級(矩震級)-破裂面積的經(jīng)驗關(guān)系得出。

lg(RA)=-3.49+0.91M

(4)

前人研究表明東北地區(qū)晚更新世或全新世以來斷層的垂直滑動速率為0.1～1.0 mm/a[26],海城斷裂全新世以來斷層的垂直滑動速率為0.1 mm/a,金州斷裂為0.1～1.0 mm/a。根據(jù)斷層活動性鑒定的結(jié)果,考慮到扶余北斷裂帶的活動時代、東北各區(qū)域地震活動水平的差異,由深井子地區(qū)鉆孔得到的Q3馬蘭黃土底界對應層9 m的變形程度及鉆孔中對應的粉砂、粉土樣品光釋光(OSL)年齡為50 ka(因采用細粒石英測年方法,實際年齡可能大于5 ka),我們將扶余肇東斷裂帶的滑動速率定為0.2 mm/a進行計算。

目前用于活動斷裂地震危險性估計的概率模型很多,但常用的有4種,分別為泊松模型(Possion model)、經(jīng)驗模型(Empirical model)、布朗過程時間模型(Brownian Passage Time model)及時間可預測模型(Time-Predictable model)[27-29]。

由于扶余北斷層缺少離逝時間參數(shù)(上一次事件至今),時間可預測模型(通常為對數(shù)正態(tài)分布)無法應用,而布朗過程時間模型在這種情況下趨近于泊松模型[30]。因此這里只考慮泊松模型:

fexp(t)=λe-λt

(5)

其中:fexp(t)為該模型的概率密度函數(shù);λ為年平均發(fā)生率。

由計算得到的扶余北斷層相對危險段最大潛在地震MW6.5的年平均發(fā)生率及式(5),得到其50 a、100 a及200 a破壞性地震MW6.5的發(fā)震概率(表3)。

表3　扶余北斷層地震危險性評估結(jié)果

5　結(jié)論與討論

(1)基于在石油部門提供的深部物探資料基礎上疊加的淺層物探和鉆孔聯(lián)合探測確定的斷裂基巖破裂尺度,綜合考慮松原地區(qū)的背景地震活動水平、資料的可靠程度和研究深度以及所得結(jié)果的不確定性,得出扶余北晚更新世斷層的最大潛在震級為MW6.5。這和前人對于該區(qū)域潛在發(fā)震能力的評估相符,也符合1119年扶余肇東斷裂上發(fā)生近7級地震的歷史地震情況;通過基于地震矩方法的概率性地震危險性計算,給出了未來50年、100年、150年的概率性地震危險性評價結(jié)果。

(2)基巖破裂尺度是對震源實際破裂尺度的一種逼近估計,對于難以得到甚至不存在地表破裂參數(shù)的平原區(qū)深隱伏弱活動斷層來說,基巖破裂能夠更好地反映斷層發(fā)震能力;特別是在三維地震資料豐富的采油區(qū),可以比較準確地獲得大區(qū)域活動斷裂基巖破裂尺度,進一步統(tǒng)計得到更接近實際情況的震級-破裂參數(shù)經(jīng)驗公式,這對于缺乏歷史強震記錄的隱伏平原區(qū)長復發(fā)周期潛在發(fā)震斷層的研究來說是一個突破,且對于不同覆蓋層條件對地震地表破裂規(guī)模的影響研究也有一定的意義。

致謝:松原市活斷層探測過程中,松原市地震局孟凡斌局長、金顯廷科長等給予大力支持;文中三維物探資料由吉林油田提供,光釋光測年由山東省地震工程研究院釋光實驗室完成;成文過程中,項目進行及成文過程中楊主恩研究員和何正勤研究員給予悉心指導和幫助,謹在此一并致謝。

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Seismic Potential Research along the North Fuyu Fault in Songyuan City

SHAO Bo1,SHEN Jun1,YU Xiao-hui1,2,WAN Yong-kui1,YU Yang3,QI Gao1

(1.Institute of Disaster Prevention,Sanhe 065201,Hebei,China; 2.Institute of Geology,CEA,Beijing 100029,China;3.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,Gansu,China)

The Fuyu—Zhaodong Fault is an important buried seismogenic fault in the Songliao Basin.In 1119A.D.an MS6.75 earthquake occurred on the fault,the largest ever recorded before the Haicheng earthquake of Northeast China in 1975.In 2006 and 2014 several earthquakes below MS6.0 occurred along the fault; these recent earthquakes were mainly centralized on the northeast segment and the Chaganhua segment.Active faults were detected in Songyuan city from 2012 to 2014 and the northeast segment of the Fuyu—Zhaodong Fault was proven to cross downtown with a near-EW trend and showed obvious segmentation and independence.The urgency and importance of meticulous detection of the fault is obvious for this urban environment.Using three-dimensional geophysical data from oilfield and shallow geophysical prospecting,the space distribution and profile characteristics of this fault (named the north Fuyu Fault)were determined.The combined methods of borehole detection and optical stimulated luminescence dating were also used to confirm the seismicity along the fault since late Pleistocene.Using the rupture scale of bedrock surface from the three-dimensional geophysical data,this paper estimates the seismic potential along the north Fuyu Fault and studies its probabilistic seismic risk using a probabilistic calculation method.A Poisson probability model is adopted and quantitative parameters,such as maximum magnitude,recurrence period,and occurrence probability in the coming 50～200 years,are calculated.This presents a breakthrough in the study of potential seismogenic faults that have few historical earthquake records and long return periods.

Songyuan earthquake; north Fuyu Fault; causative structure; probabilistic seismic potential

2015-06-17

國家自然科學基金(41372216)；中國地震局教師科研基金(20120101)

邵博(1992-),男,在讀碩士研究生,主要從事活動構(gòu)造解析及地震危險性評價方面的研究。E-mail:632975575@qq.com。通信作者：沈軍,研究員。E-mail:shenjuneq@qq.com。

P546

A

1000-0844(2016)04-0616-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0616