邵博 沈軍 李瑩甄 于曉輝戴訓(xùn)也 袁俊楓 尉洋

1）防災(zāi)科技學(xué)院，河北省三河燕郊開發(fā)區(qū)學(xué)院街 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，蘭州 730000

0 引言

活斷層的地震危險性評價是活動斷層探測的目的之一。Tocher（1958）最早將震級與地震地表破裂長度相聯(lián)系，Anderson等（1996）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（Wells et al，1994；聞學(xué)澤，1995；龍鋒等，2006，入倉孝次郎等，2000；Mohammadioun et al，2001；冉洪流等，2004）使用了多學(xué)科的手段以地表破裂約束震源，并提出了適合于特定范圍的經(jīng)驗關(guān)系式。對于中國西部地表出露的活動斷裂，常?？筛鶕?jù)活動斷裂（段）的規(guī)模判斷其發(fā)震能力。但是，由于中國東部許多活動斷裂（段）是隱伏的，雖然發(fā)生了7級左右，甚至更大的地震，地表卻沒有留下與其震級“相稱”的地震斷層。如1976年唐山7.8級地震和1679年三河-平谷8級地震，地表破裂只有10km左右；1937年菏澤7級、1975年海城7.3級、1830年磁縣7.5級、1966年邢臺6.8級及7.2級等地震除了地裂縫之外，地表也未出露明顯的地震斷層。但是，余震的分布和深部探測的結(jié)果顯示深部存在與其震級相應(yīng)的發(fā)震構(gòu)造。

2012～2014年筆者在進行松原市活斷層探測與地震危險性評價項目時發(fā)現(xiàn)了一條隱伏活動斷裂帶，將其稱為孤店斷裂，并利用吉林油田提供的三維物探資料獲得其空間展布。三維地震剖面顯示孤店斷裂為逆斷層，并且是在早期正斷層的基礎(chǔ)上，構(gòu)造運動反轉(zhuǎn)而變?yōu)槟鏀鄬拥模辉谌S物探資料的基礎(chǔ)上布置了淺層地震探測和聯(lián)合鉆孔剖面探測，證實其屬于晚更新世活動斷裂。孤店斷裂恰位于1119年前郭級地震等震線的中央，筆者研究認為該斷裂很可能是此次地震的發(fā)震構(gòu)造①邵博等，2014，松原市斷層活動性鑒定與地震危險性評價專題報告，也很可能是東北富含石油的松遼盆地內(nèi)的一條重要的發(fā)震構(gòu)造，因此準(zhǔn)確合理地評價該斷裂的地震危險性很有必要。

從空間位置上看，孤店斷裂位于NE向的扶余-肇東斷裂中段，是該斷裂帶中活動性最強的一條斷裂，扶余-肇東斷裂帶的西南段于2006年3月31日和2013年10～11月發(fā)生了一系列5級地震，在其東北向的松原市有密集的小地震，而孤店斷裂的連續(xù)性和活動性都比這2個地點強，顯示它發(fā)震的能力可能比較大。

本文利用吉林油田提供的豐富的石油物探資料，得到孤店隱伏斷裂的清晰結(jié)構(gòu)，通過地下破裂參數(shù)擬合方法，定量評價了該斷層的潛在發(fā)震能力，并選擇時間相依的概率模型，對未來發(fā)震概率進行了評估。

1 孤店斷裂地震危險性的定性評價

孤店斷裂是松原市活斷層探測與地震危險評價項目的目標(biāo)斷層之一（圖1）。對于孤店斷裂，地震部門對其的研究很少，但石油部門開展過很多工作，得到了大量相關(guān)地震勘探資料。前人認為，盆地內(nèi)構(gòu)造成帶出現(xiàn)，絕大多數(shù)構(gòu)造是后生的，其構(gòu)造定型時期大都是晚白堊世嫩江期末至早白堊世明水期末這段時期。由于孤店斷裂總體走向與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向垂直，斷層面又向東傾，在EW向擠壓應(yīng)力作用下，早期正斷層反轉(zhuǎn)上沖，由于基巖正斷距很大，故仍保持其正斷層性質(zhì)，而斷層上部則表現(xiàn)為逆斷層（石國平等，1985；王莉等，1998；李天仁等，2010；付憲弟等，2010）。

在本研究中，我們收集了吉林油田提供的三維物探T04（相當(dāng)于K1n嫩江組四段底面反射）、T1（相當(dāng)于K1n嫩江組一段底面反射）、T2（相當(dāng)于K1n嫩江組一段底面反射）反射層和14個二維物探剖面（圖2）。通過對三維地震反射剖面的解譯認為，該斷裂位于松原市西南，總體呈SN走向，向西凸出的弧形，在三維物探剖面上總長度約為66km，這反映了孤店斷裂在覆蓋層以下的基巖面上的破裂尺度。

1.1 孤店斷裂的結(jié)構(gòu)特征和地球動力學(xué)背景

扶余-肇東斷裂是松遼盆地內(nèi)一條重要的發(fā)震斷裂（付憲弟等，2010），從北到南分別由NE向大洼-薄荷臺斷裂、穿過松原市區(qū)的EW向扶余北斷裂、孤店斷裂以及NE向查干花斷裂組成，其中查干花斷裂于2006年3月31日和2013年10～11月發(fā)生了一系列5級地震，扶余北斷裂2003年以來也頻繁發(fā)生密集的小震活動。

圖1 區(qū)域主要斷裂及地震分布

圖2 孤店斷裂三維地震反射平面圖

孤店斷裂帶位于松遼盆地中央坳陷區(qū)扶余凸起西翼，該斷裂自達里巴經(jīng)蓋子井東、孤楊、深井子，直至巨龍山南展布。斷裂總體呈向西突出的弧形，傾向E，長66km（付憲弟等，2010）。沿該斷裂走向，斷層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，斷裂北段在達里巴和蓋子井東之間連續(xù)性較差。在斷層中段蓋子井至孤楊段連續(xù)性較好，表現(xiàn)為三維地震反射平面圖中的清晰陡變帶，在孤楊至巨龍山段表現(xiàn)為一個規(guī)模較小的弧形斷裂。

綜合對東北地區(qū)深淺部構(gòu)造和地球動力學(xué)背景的認識②李 瑩甄等，2014，松原市地震活動性與危險性分析專題報告發(fā)現(xiàn)，新近紀(jì)以來，東北地區(qū)一方面受西伯利亞南突弧向東擠壓作用（楊紀(jì)林，2011），另一方面其東邊由于日本海盆封閉，擴張的側(cè)向擠壓作用消失，因而主要受太平洋板塊往北西西俯沖的推擋，以及俯沖板塊破裂和消減所伴隨、誘導(dǎo)和形成的深部作用，水平擠壓作用較弱（趙文峰，1989；高立新，2001）。所以區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場基本為NEE-SWW向以及近EW向兩組應(yīng)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)590km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)生俯沖斷層且在東北發(fā)生深源地震（孫文斌等，2004）。松遼盆地是東北地區(qū)重要的地震活動區(qū)域，具備發(fā)生6～7級地震的條件；NE向的扶余-肇東斷裂是松遼盆地內(nèi)的主要發(fā)震構(gòu)造；區(qū)域動力學(xué)環(huán)境及震源機制解表明，NE向斷裂現(xiàn)今活動性質(zhì)為逆沖。

1.2 孤店斷裂及鄰區(qū)的地震活動特征

根據(jù)吉林省區(qū)域地震臺網(wǎng)的觀測資料，自1970～2014年7月，本區(qū)共記錄到ML≥1.0地震248次（圖1），3.0≤ML≤3.9地震3次。研究區(qū)有5個小震震源深度的記錄，深度為9～14km。地震活動主要集中于扶余-肇東斷裂查干花段和扶余北斷裂段，孤店斷裂現(xiàn)代地震活動水平較低。

1.3 孤店斷裂與1119年級地震的關(guān)系

同時開展的淺層地震勘探及聯(lián)合鉆孔探測揭示了孤店斷裂晚更新世以來的活動證據(jù)，且孤店斷裂位于地震破壞區(qū)幾何中心附近（圖1），是等震線范圍內(nèi)唯一具有接近7級地震發(fā)震能力的活動構(gòu)造。李傳友等（1999）分析構(gòu)造應(yīng)力場后認為，發(fā)震構(gòu)造走向為NW向或NE向，這也與孤店斷裂各分段的走向一致。故孤店斷裂是1119年級地震最有可能的發(fā)震斷裂。

2 孤店斷裂地震危險性的定量評價

2.1 孤店斷裂的活動性

孤店斷裂的活動性鑒定表明③中國地震局地球物理勘探中心，2014，松原市目標(biāo)斷層淺層地震勘探專題報告，孤店斷裂在深井子測線顯示為一條傾向東、上陡下緩的逆斷層。斷裂切穿T02反射層，相當(dāng)于上白堊統(tǒng)明水組頂面反射（圖2、3）。經(jīng)過與鉆探揭示的地層進行對比④吉林建筑工程學(xué)院勘探中心，2013，松原活斷層聯(lián)合鉆孔剖面探測專題報告認為，上斷點埋深約24m，該深度的地層年代為晚更新世。

圖3 孤店L1200測線解譯剖面

2.2 隱伏活斷層潛在震級估計方法的探討

孤店斷裂位于新構(gòu)造運動微弱的東北地區(qū)，屬于弱活動的非全新世斷層。根據(jù)《中國地震活動斷層探測技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（中國地震局，2005）的要求，此類斷層潛在地震的最大震級無法采用震級-地表破裂長度經(jīng)驗關(guān)系估計，而應(yīng)參考以下3種方法綜合評估：①震級-地表同震位錯經(jīng)驗關(guān)系中同震位錯最小或趨于最小值時對應(yīng)的震級范圍；②工作區(qū)及鄰區(qū)相同構(gòu)造環(huán)境地區(qū)中規(guī)模相同的同類斷層的歷史地震最大震級；③由目標(biāo)區(qū)或工作區(qū)歷史及現(xiàn)今地震的震級-頻度關(guān)系外推。在以上3種方法中，第1種震級-地表同震位錯經(jīng)驗關(guān)系很難得到（陳宇坤等，2010）；第3種方法在東部地區(qū)城市活斷層探測中應(yīng)用較廣，如采用聞學(xué)澤等（2007）利用現(xiàn)代臺網(wǎng)與歷史地震資料對于華北、華中-華東、華南與東南沿海等3大區(qū)域建立的各斷層小區(qū)的長期震級-頻度關(guān)系，進而對斷層潛在最大震級和活動性參數(shù)a/b進行經(jīng)驗擬合。但由于東北地區(qū)固有的地震活動較弱、復(fù)發(fā)間隔較長的特性以及松原市地震目錄完整性較差的背景，試驗發(fā)現(xiàn)該方法很難獲得可靠結(jié)果。

在東部地區(qū)的潛在震級估計中，陳達生（1984）、宋龍伯等（1987）、葉文華等（1996）、龍鋒等（2006）、冉洪流（2009）等對不同區(qū)域范圍、不同類型地震造成的地表破裂的下限震級進行了估計，利用這些方法得到的潛在震級應(yīng)是較為可靠的結(jié)果，且在活斷層探測和工程地震安全性評價中被廣泛應(yīng)用。

入倉次郎等（2000）系統(tǒng)總結(jié)了全球范圍現(xiàn)代地震矩M0與地震時地表斷層同震位移D的經(jīng)驗關(guān)系（圖4）。根據(jù)這一關(guān)系，伴有地表斷層位錯的最小地震矩為M0=3.162×1024dyn·cm。

圖4 入倉-三宅經(jīng)驗關(guān)系

由 Hanks等（1979）提出的關(guān)系式以及地震矩與面波震級的經(jīng)驗關(guān)系式（冉洪流，2009）

可知，在統(tǒng)計意義上，東北地區(qū)震級小于MW5.6或MS5.3地震不會伴有地表斷層的同震錯動?？紤]到在地表流水侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)，即使沿斷層的地表跡線產(chǎn)生小于25cm的位錯，也很不容易保存和積累下來，故可估計相應(yīng)的震級為MS6.0。顯然，對于發(fā)生過1119年級地震的松原地區(qū)，這種評價方法的結(jié)果是偏低的。

考慮到東部平原深隱伏區(qū)地震地表破裂因受上覆層厚度不同的影響，導(dǎo)致地表位錯尺度變化的因素比較復(fù)雜，在同樣無地表破裂的情況下，覆蓋層較厚的東北地區(qū)可能發(fā)生過更大震級的地震。這一結(jié)果同時說明，基巖破裂尺度是對地下實際破裂尺度的一種逼近估計，其成因較復(fù)雜，除與震級相關(guān)外，還與其他震源參數(shù)、覆蓋層厚度（Jonathan et al，1994）、覆蓋土層力學(xué)參數(shù)（劉守華等，2005；Anastasopoulos et al，2007）、地下水位等有關(guān)?？紤]到三維物探資料反映的基巖破裂尺度不受覆蓋層的影響，故可將三維反射剖面上量取的破裂長度代入震源破裂長度-震級的經(jīng)驗關(guān)系式中，以估計其發(fā)震規(guī)模。

2.3 潛在最大震級估計

Wells等（1994）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，數(shù)據(jù)主要來源于公開發(fā)表的野外考察、地震學(xué)研究、地震學(xué)調(diào)查等方面的專著和論文，他們從數(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AD與矩震級MW間的經(jīng)驗關(guān)系及其建模樣本如圖5所示。根據(jù)陳永前等（2014）對該經(jīng)驗關(guān)系統(tǒng)計置信度和參數(shù)相關(guān)關(guān)系的研究，使用震源破裂參數(shù)擬合法估計中國大陸地震震級的參數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.94～0.96，能夠較好地擬合中國大陸潛在的地震能力，同時這種方法內(nèi)也蘊含一定的地質(zhì)意義。

圖5 根據(jù)震源破裂長度預(yù)測斷層的最大發(fā)震能力

孤店斷裂蓋子井東至孤楊段（圖2（a）中AB段）的地下破裂長度為28.5km，利用Wells等（1994）經(jīng)驗擬合公式（圖5）估計，潛在地震的最大震級為MW6.55；孤楊至巨龍山段（圖2（a）中BC段）的地下破裂長度為19.5km，潛在地震的最大震級為MW6.3；巨龍山以南段（圖2（a）中CD段）長度為18km，潛在地震的最大震級為MW6.25?？紤]3段同時破裂的可能，利用Hanks等（1979）提出的地震矩與矩震級間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（式（1））分別計算3個地震的地震矩并求和，計算得到同時破裂的潛在最大矩震級為MW6.72。分段破裂的依據(jù)主要是孤店斷裂的幾何形態(tài)為逆沖斷裂的弧形破裂組合以及三維物探資料所反映的孤店斷裂在巨龍山附近的不連續(xù)性。

需要說明的是，如果總長度66km的孤店斷裂整體發(fā)生貫穿性破裂，則潛在地震的最大震級為MW7.1。但根據(jù)活斷層探測過程中專家組對于綜合區(qū)域發(fā)震能力及斷裂幾何學(xué)的認識，同時考慮到未在孤店斷裂上發(fā)現(xiàn)地表破裂，故分段破裂可能是概率更高的結(jié)果，因此在本文中我們主要以這種破裂組合進行研究。

2.4 復(fù)發(fā)間隔

斷層地震危險性分析所需的危險性參數(shù)中最重要的是復(fù)發(fā)間隔T或年發(fā)生率λ，且有

斷層（段）的最大潛在地震的平均復(fù)發(fā)間隔可由該潛在地震的地震矩M0與相對危險段地震矩累積率的比率估算（冉洪流，2006），即

其中，由式（1）得到地震矩M0=1.3×1025dyn·cm；地震矩累積率可由下式得到

式中，μ為剪切模量；A為破裂面積；S為滑動速率。

另據(jù)Wells等（1994）給出的矩震級MW-破裂面積的經(jīng)驗關(guān)系

式中，MW為矩震級；RA為破裂面積（單位：km2）；由式（5）得到孤店斷裂最大震級MW為6.72的地下破裂面積RA=418.09km2。

鄧起東等（2002）的研究結(jié)果為，海城斷裂全新世以來斷層的垂直滑動速率為0.1mm/a，金州斷裂的為0.1～1.0mm/a，故可推定東北地區(qū)晚更新世或全新世以來斷層的垂直滑動速率為0.1～1.0mm/a量級。根據(jù)斷層活動性鑒定的結(jié)果，考慮到孤店斷層的活動時代、東北各區(qū)域地震活動水平的差異、由鉆孔工作得到的Q3馬蘭黃土底界對應(yīng)層9m的變形程度以及鉆孔中對應(yīng)的粉砂、粉土樣品光釋光（OSL）年齡為50ka（因采用細粒石英測年方法，實際年齡可能大于5ka）等，我們計算中將孤店斷層的滑動速率設(shè)定為0.2mm/a。

根據(jù)上述給出的孤店斷層滑動速率和破裂面積，由式（3）得到孤店斷層MW6.72破壞性地震的復(fù)發(fā)間隔為2591a，年發(fā)生率為3.85×10-4。

2.5 地震概率模型與發(fā)震概率

目前，常用的活動斷裂地震危險性估計的概率模型有泊松模型、對數(shù)正態(tài)模型、時間相依的概率模型等（冉洪流，2006；張永慶等，2007）。

Nishenko等（1987）整理了環(huán)太平洋板緣地震帶不同段落“特征地震”的復(fù)發(fā)時間資料，構(gòu)建了適用于板緣強地震活動帶的通用概率模型，簡稱NB模型。NB模型對數(shù)正態(tài)分布的擬合效果較好，其概率密度分布函數(shù)為

其中T為實際復(fù)發(fā)間隔，Tave為平均復(fù)發(fā)間隔。對于中國大陸內(nèi)部所有的活動斷裂，由最大似然法估計出平均值μ=-0.1206，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.5054（張培震等，1996）。

利用上述的活動大陸內(nèi)部地震復(fù)發(fā)的通用概率密度分布，在已知地震平均復(fù)發(fā)間隔和最近一次地震至今離逝時間的條件下就可計算出不同活動斷裂（段）的地震危險性概率。

本文根據(jù)聞學(xué)澤（1995）的“時間相依”的地震復(fù)發(fā)概率方法。假設(shè)已知某個震源或斷裂段特征地震之間復(fù)發(fā)時間間隔T具有某種連續(xù)型的概率分布，其概率密度函數(shù)為f（T），并設(shè)上一次地震發(fā)生以來，時間已消逝的長度為Te；事件A｛T≤Te｝表示下一次地震在［0，Te＋ΔT］區(qū)間內(nèi)發(fā)生，事件 B｛T＞Te｝表示下一次地震在［0，Te］區(qū)間沒有發(fā)生。那么，事件 A、B的概率分別為

進而可以得到在事件B已經(jīng)發(fā)生的條件下，事件A在未來時間區(qū)間［Te，Te＋ΔT］內(nèi)發(fā)生的條件概率

利用式（7）、（8）、（9）進行計算，可得到孤店斷裂50～200a的強地震復(fù)發(fā)概率（表 1）。

表1 孤店斷裂強震復(fù)發(fā)概率評價結(jié)果

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過基巖破裂參數(shù)擬合等多種方法的對比評估，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)果的不確定性等，認為孤店晚更新世活斷層的潛在地震最大震級的估值為MW6.72。此外，采用地震矩方法獲得復(fù)發(fā)周期、年發(fā)生率等定量參數(shù)，假定孤店斷裂為1119年級地震的發(fā)震構(gòu)造，利用時間相依的概率模型估算出該斷裂未來50～200a發(fā)震概率。

研究認為，孤店斷裂是繼閔偉等（2011）確認依蘭伊通斷裂全新世活動以來，東北地區(qū)確定的另一條具有7級左右地震活動能力的晚更新世活動斷層。

3.2 討論

本文中根據(jù)三維物探資料獲得的最大震級與前人對于該區(qū)域潛在發(fā)震能力的評估相符，也符合松原地區(qū)1119年發(fā)生接近7級地震的歷史背景，而以震級-地表破裂關(guān)系下限方法估計的結(jié)果則偏小。這是因為，地表破裂尺度是對震源實際破裂尺度的一種逼近估計，其成因較地下破裂復(fù)雜，除與震級相關(guān)外，還與其他震源參數(shù)、覆蓋層厚度、覆蓋土層力學(xué)參數(shù)、地下水位等有關(guān)，故對于平原區(qū)隱伏弱活動斷層，基巖破裂尺度能夠更好地反映斷層發(fā)震能力。特別是在三維物探資料豐富的采油區(qū)，可以比較準(zhǔn)確地獲得基巖破裂尺度，這種估計方法較為適宜。

致謝：本文基于松原市活斷層探測項目，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；成文過程中得到了汪一鵬研究員、楊主恩研究員的悉心指導(dǎo)，感謝其他為本文作出貢獻的項目組成員，同時也感謝審稿人對本文提出寶貴修改意見。