1654年甘肃礼县8级地震发震断裂研究

杨晨爽, 张元生,2, 张 波,2(. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000;

2. 甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

礼县8级地震位于甘肃省东南部,地处新构造活动强烈的青藏高原东北缘,是青藏高原块体、鄂尔多斯块体、阿拉善块体与华南块体的交汇区域。该地区也位于构造活动强烈的南北地震带北段,区域内多条活动断裂发育,其中礼县—罗家堡断裂西起宕昌,经洮坪、礼县、祁山、罗家堡、平南镇到达街子口,普遍认为其属于晚第四纪活动断裂,走向NEE,倾向SSE,断裂性质为左旋走滑[1-3]。

礼县8级地震发生距今已有367年,地震地表破裂带及其次生灾害长时间受自然侵蚀和人类活动影响,已经难以识别[3],使不同学者对发震构造的认识各不相同。杨晓平等[1]认为礼县—罗家堡断裂为1654年8级地震的发震断裂。刘白云[2]研究认为前人研究提供的证据不足以解释此次地震的发震构造和发震机制,北西走向的杨河—红河断裂也为主发震断裂之一。苏永奇等[3]认为此次地震的发震断裂段(礼县—罗家堡段)[1]过短,与8级地震不匹配,其发震构造仍需进一步研究。Chen等[4]基于古地震探槽和14C测年数据,认为西秦岭北缘断裂(中西段)才是1654年礼县8级地震的发震断裂。基于该地震的地震地质研究结果的多种不同认识,我们进一步开展地震学方面的研究,希望从地震学的角度进一步认识发震断裂。

三维网格模型的建立推动了地球内部横向非均匀性问题的研究[5-12]。本文基于前人研究成果,采用由张元生[13-14]改进和发展的多震相走时成像方法,利用GABWIT软件[15]对区域三维速度模型和地震位置参数进行联合反演。射线追踪采用三维分块模型逐次迭代两点追踪方法,该方法计算速度优于打靶法,具有精度高、射线追踪路径唯一等特点[15]。反演过程采用遗传算法计算,该方法是模拟达尔文进化论中自然选择理论和生物遗传学机理的一种非线性全局优化算法[16-17],它通过随机过程产生一组模型,在模型的拟合过程中,每个模型“遗传”了初始模型的优点,同时可以通过“变异”过程局部信息产生变异和交换[14,18]。该算法通过全局搜索和随机过程,使模型的选取能够快速趋于最优解并得到最佳震中位置,具有可降低陷入局部最优解风险、收敛快和易实现等特点[15-16]。多震相走时成像方法已应用于多个地区的地壳速度结构研究[13,18-22],获得了不同地区地壳精细结构,为断层的深浅关系研究提供重要资料。

1 资料处理及结果分析

1.1 数据收集与处理

为使地震射线充分穿过研究区,以减少研究区边缘效应,是保证反演结果可靠性的关键。确定研究区范围32.5°～36°N、101°～106°E,反演区范围32°～36.4°N、100.5°～106.5°E,台站资料选择甘肃、青海、宁夏、四川、陕西五省台站数据,最终参与计算的台站为334个,其中流动台站142个。地震资料为1970—2020年共50年的观测数据,经过数据格式转换,计算理论走时,对误差大的数据进行剔除,最终参与计算的地震事件为38 132个(图1)。

1.2 初始模型建立

多层三维模型的建立是通过多次试算来确定的,三维模块大小的划分与数据量和台站密度有关,基本原则是中间模块有多条射线穿过。应用GABWIT软件快速模型建立功能建立三维模型,经试算和比较,将初始模型块体数划分为24×21×6,模块大小可以不等,一般边缘块体大,中间块体小。在本研究中,通过多次试算,中间块体水平尺寸确定为20 km,边缘块体相对较大且不等。深度方向共分为6层,深度分别为5 km、10 km、15 km、25 km、35 km、Moho面。区域内研究成果丰硕,综合前人层析成像结果[18,23]与人工地震测深剖面的研究成果[24-27],建立三维网格模块P波初始速度模型如表1,波速比为1.732,Moho面的深度参考了Mapsis系统中的Moho面资料,Moho面底界的P波速度为8.10 km/s。

1.3 反演计算及结果分析

利用GABWIT软件进行计算,为了去除发震时刻与时钟误差的影响,减少未知参数的数量,提高反演解的精度,反演中使用S-P走时差资料,速度模型采用泊松介质换算[21]。实际计算中,每个地震事件至少有5个台站记录到Pg和Sg震相,共筛选出地震事件数为23 248个,有效S-P记录数为213 549条,其结果经检测板检查,研究区内分辨率较高,进一步与玛沁—兰州—靖边人工地震测深剖面[27]对比,所切剖面与人工剖面具有一致性,我们认为计算结果可信。

F1:礼县—罗家堡断裂;F2:西秦岭北缘断裂;F3:临潭—宕昌断裂;F4:两当—江洛断裂;F5:迭部—白龙江断裂;F6:光盖山—迭山断裂;F7:马衔山断裂;F8:东昆仑断裂;F9:塔藏断裂;F10:武都—康县断裂;F11:通渭断裂;F12:清水断裂;红色圆圈示地震,绿色三角形示固定台站,绿色正方形示流动台站图1 反演区震中、台站与活动断裂分布图Fig.1 Distribution map of epicenter,stations and active faults in the inversion area

层号123456深度/km0^55^1010^1515^2525^3535^MP波速度/(km·s-1)5.406.006.106.256.406.82注:M代表Moho面。

本文针对礼县8级地震开展地震活动性分析和速度剖面分析。利用联合定位结果,绘制范围 33.2°～ 35.5°N、103.5°～ 106°E的重定位震中-剖面图(图2)。整体来看,地震沿断层分布特征明显,存在集中分段分布特征,近几十年来发生的中强地震伴生地震密集带或地震密集区[28-30],这是地震震中在地表与断层之间的基本分布特征。礼县—罗家堡断裂沿线小震活动并不发育,但有一条西起岷县经过礼县东至两当县的明显小震活动条带,长约150 km,与西秦岭北缘断裂近平行(图2中蓝色虚线)。观察定位结果,34.2°N附近地震线性分布规律明显,且此线性分布以北地震多而集中,以南少而分散。为方便分析,将此位置记为F。

图2 重定位震中-剖面图Fig.2 Relocation of the epicenter-seismic profile view

为对比分析礼县—罗家堡断裂和“岷县—礼县—两当断裂”(F),分别跨断裂做出4条剖面,对应图2中AA′、BB′、CC′、DD′、KK′、LL′、MM′、NN′,其中AA′、BB′、CC′、DD′剖面近垂直于礼县—罗家堡断裂,KK′、LL′、MM′、NN′剖面近垂直于“岷县—礼县—两当断裂”(F),为剖析深浅部断裂间的关系,把一定宽度内的地震垂直投影到相应的速度剖面上(剖面端点坐标及投影宽度列于表2),投影结果见图3与图4。

表2 剖面端点坐标与投影宽度

图3 近垂直于礼县—罗家堡断裂的速度-地震深度剖面图(圆圈示地震,红线示断层位置)Fig.3 Velocity-seismic depth profile nearly perpendicular to the Lixian-Luojiapu fault (The circle indicates earthquake and the red line indicates fault location)

图3显示:(1)西秦岭北缘断裂(F2) 速度差异明显,地震活动主要分布于断裂南侧,断层倾角陡,断错深度达到30 km,错断了中地壳;(2)推测断裂(F)在每个剖面中表现出的明显度有差异,BB′剖面最清楚,地震分布和速度差异明显;(3)礼县—罗家堡断裂(F1)地震活动较弱,AA′ 和DD′剖面速度差异较明显;(4)两当—江洛断裂(F4)速度差异整体较明显,BB′和DD′剖面速度差异相对明显,地震活动分布也较明显。

图4显示:(1)迭部—白龙江断裂(F5)、光盖山—迭山断裂(F6)和武都—康县断裂(F10)沿线地震分布较密集,光盖山—迭山断裂(F6)北侧的横向速度存在明显变化;(2)临潭—宕昌断裂(F3)和两当—江洛断裂(F4)两侧速度变化不大,在MM′剖面上深部变化明显;(3)推测断裂(F)在每个剖面中速度存在明显的横向变化,地震活动分布表现集中,断层倾向为北东,倾角较缓,可能错断中地壳;(4)礼县—罗家堡断裂(F1)只有LL′和MM′剖面穿过,存在一定的速度差异变化;(5)西秦岭北缘断裂(F2)速度差异明显,地震活动集中在西段分布,断层倾角陡,断错深度达到30 km,错断中地壳;(6)清水断裂(F12)地震活动较弱,深部速度横向变化较明显。

图4 近垂直于“岷县—礼县—两当断裂”(F)的速度-地震深度剖面图(圆圈示地震,红线示断层位置)Fig.4 Velocity-seismic depth profile nearly perpendicular to the "Minxian-Lixian-Liangdang fault" (F) (The circle indicates earthquake and the red line indicates fault location)

2 结论与讨论

本文通过速度结构和小震剖面分析,在1654年礼县8级地震震中附近发现一条北西-南东向、长约150 km的地震密集带(岷县—礼县—两当一线),该密集带两侧的速度结构存在明显差异,推测可能存在“岷县—礼县—两当断裂”;而已知的礼县—罗家堡断裂附近地震不活跃,也未发现地震密集带。因此,推测“岷县—礼县—两当断裂”可能参与了1654年礼县8级地震的发生。

西秦岭地区位于东昆仑断裂、西秦岭北缘断裂及龙门山断裂之间,在青藏高原向北东扩展的宏观背景下,西秦岭内部发育了走向分别为NW和NE的两组活动断裂系[31]。基于地震学证据揭示的“岷县—礼县—两当断裂”,其走向与NW走向断裂系(如白龙江断裂、临潭—宕昌断裂等)近平行,符合区域优势构造方位,具有一定的地质合理性。而且西秦岭NW走向断裂系孕育过公元前186年武都7级地震、公元842年碌曲7级地震[32-33],其中一条分支——白龙江断裂也曾向1879年武都南8级地震的发震断裂传递应力、应变[34-35],因此,“岷县—礼县—两当断裂”不仅具有地质合理性,而且具备孕育强震的可能性。至于“岷县—礼县—两当断裂”是否出露于地表,需要地震地质工作的进一步验证。

前人通过地震地质研究结果给出了关于发震断裂的多种观点(礼县—罗家堡断裂、杨河断裂、西秦岭北缘断裂),出现多种观点的主要原因在于黄土覆盖、人类改造(梯田)、自然侵蚀等因素破坏了原生的地震地表破裂带,使得地质人员难以取得共同的认识。地震学证据及其反演结果揭示“岷县—礼县—两当断裂”形成于天然地震,地震数据是完全客观存在的。“岷县—礼县—两当断裂”与地震地质得出的发震断裂均不一致,为1654年礼县8级地震的发震断裂研究提供了新的思路和方向。

1654年礼县8级地震的发震断裂和西秦岭(甘东南)的区域地震构造环境极为复杂,单一学科无法完整准确地回答这一问题。本文认为,对于三维地震构造模型的真实构建和深部动态变化监测,即结合地震地质和地球物理开展深浅结合的学科交叉研究,是未来继续研究1654年礼县8级等相关疑难历史地震的出路。

致谢:感谢中国地震局地球物理勘探中心莘海亮高级工程师在数据资料收集过程中提供的帮助和支持。