1654年甘肅禮縣8級(jí)地震發(fā)震斷裂研究

楊晨爽, 張?jiān)?2, 張 波,2(. 中國(guó)地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;

2. 甘肅蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

禮縣8級(jí)地震位于甘肅省東南部,地處新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏高原東北緣,是青藏高原塊體、鄂爾多斯塊體、阿拉善塊體與華南塊體的交匯區(qū)域。該地區(qū)也位于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的南北地震帶北段,區(qū)域內(nèi)多條活動(dòng)斷裂發(fā)育,其中禮縣—羅家堡斷裂西起宕昌,經(jīng)洮坪、禮縣、祁山、羅家堡、平南鎮(zhèn)到達(dá)街子口,普遍認(rèn)為其屬于晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂,走向NEE,傾向SSE,斷裂性質(zhì)為左旋走滑[1-3]。

禮縣8級(jí)地震發(fā)生距今已有367年,地震地表破裂帶及其次生災(zāi)害長(zhǎng)時(shí)間受自然侵蝕和人類(lèi)活動(dòng)影響,已經(jīng)難以識(shí)別[3],使不同學(xué)者對(duì)發(fā)震構(gòu)造的認(rèn)識(shí)各不相同。楊曉平等[1]認(rèn)為禮縣—羅家堡斷裂為1654年8級(jí)地震的發(fā)震斷裂。劉白云[2]研究認(rèn)為前人研究提供的證據(jù)不足以解釋此次地震的發(fā)震構(gòu)造和發(fā)震機(jī)制,北西走向的楊河—紅河斷裂也為主發(fā)震斷裂之一。蘇永奇等[3]認(rèn)為此次地震的發(fā)震斷裂段(禮縣—羅家堡段)[1]過(guò)短,與8級(jí)地震不匹配,其發(fā)震構(gòu)造仍需進(jìn)一步研究。Chen等[4]基于古地震探槽和14C測(cè)年數(shù)據(jù),認(rèn)為西秦嶺北緣斷裂(中西段)才是1654年禮縣8級(jí)地震的發(fā)震斷裂。基于該地震的地震地質(zhì)研究結(jié)果的多種不同認(rèn)識(shí),我們進(jìn)一步開(kāi)展地震學(xué)方面的研究,希望從地震學(xué)的角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)發(fā)震斷裂。

三維網(wǎng)格模型的建立推動(dòng)了地球內(nèi)部橫向非均勻性問(wèn)題的研究[5-12]。本文基于前人研究成果,采用由張?jiān)鶾13-14]改進(jìn)和發(fā)展的多震相走時(shí)成像方法,利用GABWIT軟件[15]對(duì)區(qū)域三維速度模型和地震位置參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合反演。射線追蹤采用三維分塊模型逐次迭代兩點(diǎn)追蹤方法,該方法計(jì)算速度優(yōu)于打靶法,具有精度高、射線追蹤路徑唯一等特點(diǎn)[15]。反演過(guò)程采用遺傳算法計(jì)算,該方法是模擬達(dá)爾文進(jìn)化論中自然選擇理論和生物遺傳學(xué)機(jī)理的一種非線性全局優(yōu)化算法[16-17],它通過(guò)隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生一組模型,在模型的擬合過(guò)程中,每個(gè)模型“遺傳”了初始模型的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)可以通過(guò)“變異”過(guò)程局部信息產(chǎn)生變異和交換[14,18]。該算法通過(guò)全局搜索和隨機(jī)過(guò)程,使模型的選取能夠快速趨于最優(yōu)解并得到最佳震中位置,具有可降低陷入局部最優(yōu)解風(fēng)險(xiǎn)、收斂快和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)[15-16]。多震相走時(shí)成像方法已應(yīng)用于多個(gè)地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)研究[13,18-22],獲得了不同地區(qū)地殼精細(xì)結(jié)構(gòu),為斷層的深淺關(guān)系研究提供重要資料。

1 資料處理及結(jié)果分析

1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

為使地震射線充分穿過(guò)研究區(qū),以減少研究區(qū)邊緣效應(yīng),是保證反演結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。確定研究區(qū)范圍32.5°～36°N、101°～106°E,反演區(qū)范圍32°～36.4°N、100.5°～106.5°E,臺(tái)站資料選擇甘肅、青海、寧夏、四川、陜西五省臺(tái)站數(shù)據(jù),最終參與計(jì)算的臺(tái)站為334個(gè),其中流動(dòng)臺(tái)站142個(gè)。地震資料為1970—2020年共50年的觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,計(jì)算理論走時(shí),對(duì)誤差大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,最終參與計(jì)算的地震事件為38 132個(gè)(圖1)。

1.2 初始模型建立

多層三維模型的建立是通過(guò)多次試算來(lái)確定的,三維模塊大小的劃分與數(shù)據(jù)量和臺(tái)站密度有關(guān),基本原則是中間模塊有多條射線穿過(guò)。應(yīng)用GABWIT軟件快速模型建立功能建立三維模型,經(jīng)試算和比較,將初始模型塊體數(shù)劃分為24×21×6,模塊大小可以不等,一般邊緣塊體大,中間塊體小。在本研究中,通過(guò)多次試算,中間塊體水平尺寸確定為20 km,邊緣塊體相對(duì)較大且不等。深度方向共分為6層,深度分別為5 km、10 km、15 km、25 km、35 km、Moho面。區(qū)域內(nèi)研究成果豐碩,綜合前人層析成像結(jié)果[18,23]與人工地震測(cè)深剖面的研究成果[24-27],建立三維網(wǎng)格模塊P波初始速度模型如表1,波速比為1.732,Moho面的深度參考了Mapsis系統(tǒng)中的Moho面資料,Moho面底界的P波速度為8.10 km/s。

1.3 反演計(jì)算及結(jié)果分析

利用GABWIT軟件進(jìn)行計(jì)算,為了去除發(fā)震時(shí)刻與時(shí)鐘誤差的影響,減少未知參數(shù)的數(shù)量,提高反演解的精度,反演中使用S-P走時(shí)差資料,速度模型采用泊松介質(zhì)換算[21]。實(shí)際計(jì)算中,每個(gè)地震事件至少有5個(gè)臺(tái)站記錄到Pg和Sg震相,共篩選出地震事件數(shù)為23 248個(gè),有效S-P記錄數(shù)為213 549條,其結(jié)果經(jīng)檢測(cè)板檢查,研究區(qū)內(nèi)分辨率較高,進(jìn)一步與瑪沁—蘭州—靖邊人工地震測(cè)深剖面[27]對(duì)比,所切剖面與人工剖面具有一致性,我們認(rèn)為計(jì)算結(jié)果可信。

F1:禮縣—羅家堡斷裂;F2:西秦嶺北緣斷裂;F3:臨潭—宕昌斷裂;F4:兩當(dāng)—江洛斷裂;F5:迭部—白龍江斷裂;F6:光蓋山—迭山斷裂;F7:馬銜山斷裂;F8:東昆侖斷裂;F9:塔藏?cái)嗔?F10:武都—康縣斷裂;F11:通渭斷裂;F12:清水?dāng)嗔?紅色圓圈示地震,綠色三角形示固定臺(tái)站,綠色正方形示流動(dòng)臺(tái)站圖1 反演區(qū)震中、臺(tái)站與活動(dòng)斷裂分布圖Fig.1 Distribution map of epicenter,stations and active faults in the inversion area

層號(hào)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。

本文針對(duì)禮縣8級(jí)地震開(kāi)展地震活動(dòng)性分析和速度剖面分析。利用聯(lián)合定位結(jié)果,繪制范圍 33.2°～ 35.5°N、103.5°～ 106°E的重定位震中-剖面圖(圖2)。整體來(lái)看,地震沿?cái)鄬臃植继卣髅黠@,存在集中分段分布特征,近幾十年來(lái)發(fā)生的中強(qiáng)地震伴生地震密集帶或地震密集區(qū)[28-30],這是地震震中在地表與斷層之間的基本分布特征。禮縣—羅家堡斷裂沿線小震活動(dòng)并不發(fā)育,但有一條西起岷縣經(jīng)過(guò)禮縣東至兩當(dāng)縣的明顯小震活動(dòng)條帶,長(zhǎng)約150 km,與西秦嶺北緣斷裂近平行(圖2中藍(lán)色虛線)。觀察定位結(jié)果,34.2°N附近地震線性分布規(guī)律明顯,且此線性分布以北地震多而集中,以南少而分散。為方便分析,將此位置記為F。

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

為對(duì)比分析禮縣—羅家堡斷裂和“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”(F),分別跨斷裂做出4條剖面,對(duì)應(yīng)圖2中AA′、BB′、CC′、DD′、KK′、LL′、MM′、NN′,其中AA′、BB′、CC′、DD′剖面近垂直于禮縣—羅家堡斷裂,KK′、LL′、MM′、NN′剖面近垂直于“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”(F),為剖析深淺部斷裂間的關(guān)系,把一定寬度內(nèi)的地震垂直投影到相應(yīng)的速度剖面上(剖面端點(diǎn)坐標(biāo)及投影寬度列于表2),投影結(jié)果見(jiàn)圖3與圖4。

表2 剖面端點(diǎn)坐標(biāo)與投影寬度

圖3 近垂直于禮縣—羅家堡斷裂的速度-地震深度剖面圖(圓圈示地震,紅線示斷層位置)Fig.3 Velocity-seismic depth profile nearly perpendicular to the Lixian-Luojiapu fault (The circle indicates earthquake and the red line indicates fault location)

圖3顯示:(1)西秦嶺北緣斷裂(F2) 速度差異明顯,地震活動(dòng)主要分布于斷裂南側(cè),斷層傾角陡,斷錯(cuò)深度達(dá)到30 km,錯(cuò)斷了中地殼;(2)推測(cè)斷裂(F)在每個(gè)剖面中表現(xiàn)出的明顯度有差異,BB′剖面最清楚,地震分布和速度差異明顯;(3)禮縣—羅家堡斷裂(F1)地震活動(dòng)較弱,AA′ 和DD′剖面速度差異較明顯;(4)兩當(dāng)—江洛斷裂(F4)速度差異整體較明顯,BB′和DD′剖面速度差異相對(duì)明顯,地震活動(dòng)分布也較明顯。

圖4顯示:(1)迭部—白龍江斷裂(F5)、光蓋山—迭山斷裂(F6)和武都—康縣斷裂(F10)沿線地震分布較密集,光蓋山—迭山斷裂(F6)北側(cè)的橫向速度存在明顯變化;(2)臨潭—宕昌斷裂(F3)和兩當(dāng)—江洛斷裂(F4)兩側(cè)速度變化不大,在MM′剖面上深部變化明顯;(3)推測(cè)斷裂(F)在每個(gè)剖面中速度存在明顯的橫向變化,地震活動(dòng)分布表現(xiàn)集中,斷層傾向?yàn)楸睎|,傾角較緩,可能錯(cuò)斷中地殼;(4)禮縣—羅家堡斷裂(F1)只有LL′和MM′剖面穿過(guò),存在一定的速度差異變化;(5)西秦嶺北緣斷裂(F2)速度差異明顯,地震活動(dòng)集中在西段分布,斷層傾角陡,斷錯(cuò)深度達(dá)到30 km,錯(cuò)斷中地殼;(6)清水?dāng)嗔?F12)地震活動(dòng)較弱,深部速度橫向變化較明顯。

圖4 近垂直于“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”(F)的速度-地震深度剖面圖(圓圈示地震,紅線示斷層位置)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 結(jié)論與討論

本文通過(guò)速度結(jié)構(gòu)和小震剖面分析,在1654年禮縣8級(jí)地震震中附近發(fā)現(xiàn)一條北西-南東向、長(zhǎng)約150 km的地震密集帶(岷縣—禮縣—兩當(dāng)一線),該密集帶兩側(cè)的速度結(jié)構(gòu)存在明顯差異,推測(cè)可能存在“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”;而已知的禮縣—羅家堡斷裂附近地震不活躍,也未發(fā)現(xiàn)地震密集帶。因此,推測(cè)“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”可能參與了1654年禮縣8級(jí)地震的發(fā)生。

西秦嶺地區(qū)位于東昆侖斷裂、西秦嶺北緣斷裂及龍門(mén)山斷裂之間,在青藏高原向北東擴(kuò)展的宏觀背景下,西秦嶺內(nèi)部發(fā)育了走向分別為NW和NE的兩組活動(dòng)斷裂系[31]?；诘卣饘W(xué)證據(jù)揭示的“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”,其走向與NW走向斷裂系(如白龍江斷裂、臨潭—宕昌斷裂等)近平行,符合區(qū)域優(yōu)勢(shì)構(gòu)造方位,具有一定的地質(zhì)合理性。而且西秦嶺NW走向斷裂系孕育過(guò)公元前186年武都7級(jí)地震、公元842年碌曲7級(jí)地震[32-33],其中一條分支——白龍江斷裂也曾向1879年武都南8級(jí)地震的發(fā)震斷裂傳遞應(yīng)力、應(yīng)變[34-35],因此,“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”不僅具有地質(zhì)合理性,而且具備孕育強(qiáng)震的可能性。至于“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”是否出露于地表,需要地震地質(zhì)工作的進(jìn)一步驗(yàn)證。

前人通過(guò)地震地質(zhì)研究結(jié)果給出了關(guān)于發(fā)震斷裂的多種觀點(diǎn)(禮縣—羅家堡斷裂、楊河斷裂、西秦嶺北緣斷裂),出現(xiàn)多種觀點(diǎn)的主要原因在于黃土覆蓋、人類(lèi)改造(梯田)、自然侵蝕等因素破壞了原生的地震地表破裂帶,使得地質(zhì)人員難以取得共同的認(rèn)識(shí)。地震學(xué)證據(jù)及其反演結(jié)果揭示“岷縣—禮縣—兩當(dāng)斷裂”形成于天然地震,地震數(shù)據(jù)是完全客觀存在的?！搬嚎h—禮縣—兩當(dāng)斷裂”與地震地質(zhì)得出的發(fā)震斷裂均不一致,為1654年禮縣8級(jí)地震的發(fā)震斷裂研究提供了新的思路和方向。

1654年禮縣8級(jí)地震的發(fā)震斷裂和西秦嶺(甘東南)的區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境極為復(fù)雜,單一學(xué)科無(wú)法完整準(zhǔn)確地回答這一問(wèn)題。本文認(rèn)為,對(duì)于三維地震構(gòu)造模型的真實(shí)構(gòu)建和深部動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè),即結(jié)合地震地質(zhì)和地球物理開(kāi)展深淺結(jié)合的學(xué)科交叉研究,是未來(lái)繼續(xù)研究1654年禮縣8級(jí)等相關(guān)疑難歷史地震的出路。

致謝:感謝中國(guó)地震局地球物理勘探中心莘海亮高級(jí)工程師在數(shù)據(jù)資料收集過(guò)程中提供的幫助和支持。