基金项目:地震科技星火计划项目(XH21040)、宁夏自然科学基金项目(NZ17221)、地震科技星火计划项目(XH18053Y)、强震危险性研究创新团队(CX2019-4)和国家自然科学基金(41604015)联合资助.
(Ningxia Hui Autonomous Region Earthquake Agency,Yinchuan 750001,Ningxia,China)
Wuzhong-Lingwu region; b-value; the maximum likelihood method; seismic risk; sparse segment of small earthquakes
备注
基金项目:地震科技星火计划项目(XH21040)、宁夏自然科学基金项目(NZ17221)、地震科技星火计划项目(XH18053Y)、强震危险性研究创新团队(CX2019-4)和国家自然科学基金(41604015)联合资助.
利用1970年1月至2018年10月吴忠—灵武地区的地震精定位目录,基于b值平面分布以及沿活动断裂的震源深度剖面和b值剖面图等,分析了研究区发生强震的潜在危险性。结果 表明:①新华桥附近存在发生地震的潜在危险性,强度为MS5.1~5.4,但b值时序曲线表明该区域短期内发生中强地震的紧迫性不强; ②吴忠/郭家桥—高闸地区很可能是1921年2月22日吴忠南MS6.0地震的发震位置,该地震震源深度应在15 km左右,上地壳浅部很可能未破裂; ③吴忠/郭家桥—高闸地区地壳浅部依旧存在发生强震的危险,孕震强度为MS6.2~6.3,孕震深度在10 km以内。
In the paper,we relocated the earthquakes in Wuzhong-Lingwu region from Jan.,1970 to Oct.,2018 based on Hypo2000 and HypoDD methods.Then,analyzing the horizontal distribution of b-value,focal depth profile and b-value profile along active fault,we studied the potential risk of strong earthquakes in the study region.The results show that:① There is a risk of MS5.1~5.4 earthquakes near Xinhuqiao area.However,the b-value time series curve does not support the occurrence of medium-strong earthquakes in the region in a short time.② The Wuzhong MS6.0 earthquake on Feb.22,1921 is likely to occur in Wuzhong-Gaozha region.The focal depth of the earthquake is about 15 km,and the shallow part of the upper crust is probably unbroken.③ There is still a risk of strong earthquakes with MS6.2~6.3 in the shallow crust of the Wuzhong-Gaozha region and the focal depth is within 10 km.
引言
宁夏吴忠—灵武地区(37.7°~38.2°N,106.0°~106.5°E)位于鄂尔多斯西缘的银川盆地南端,该区主要发育有黄河断裂、银川隐伏断裂、新华桥断裂、崇兴断裂和关马湖断裂以及一些次级活动断裂等。来自青藏块体、阿拉善块体和鄂尔多斯块体相对运动的推挤作用,为断裂活动提供了主要动力源,也使得研究区多发育有近南北向以右旋走滑为主的活动断裂。20世纪七八十年代,吴忠—灵武地区曾接连发生5次MS≥5.0地震,分别为1971年6月28日吴忠MS5.1地震、1984年11月23日灵武MS5.3地震、1987年8月10日灵武MS5.5地震、1988年1月4日灵武MS5.5地震和1月10日灵武MS5.0地震,其中4次集中发生在1984—1988年。1988年灵武MS5.0地震后,吴忠—灵武地区MS≥5.0地震已平静近31年,接近该区域1889年以来MS≥5.0地震的平均复发周期(32年)。
1984—1988年吴忠—灵武地区发生的4次MS5.0~5.5地震主要受黄河断裂中南段控制。该断裂段自晚第四纪以来发生过5次7级以上古地震事件,曾是一条活动性较强的活动断裂,最近一次地震事件的离逝时间约6 ka,已经超过或接近复发周期,是银川盆地未来强震最危险的地区之一(柴炽章等,2001)。南北地震带北段历史与史前地震破裂区展布结果显示,吴忠—灵武地区的活动断裂存在大地震破裂空段(M7专项工作组,2012)。同时,该地区现今中小地震多发,是银川盆地地震最为活跃的地区。因此,有必要对吴忠—灵武地区开展强震危险性研究工作。
国内外很多学者曾利用异常低b值区勾画凹凸体的位置,揭示和推断某个区域内活动断裂带不同段落的应力状态,分析其潜在的强震危险性,取得了较好的效果(Wyss et al,2000; Wyss,2001; Schorlemmer,Wiemer,2004; 易桂喜等,2004,2010,2013; 朱艾斓等,2005,2009; 钱晓东,秦嘉政,2008; 谢卓娟等,2015; 刘自凤等,2019)。Wiemer和Wyss(1997)分析了1984年摩根山MS6.2地震前b值的深度剖面图像,发现异常低b值区与摩根山MS6.2地震破裂位置一致; 易桂喜等(2013)利用b值平面图像和汶川地震前、后b值的差值Δb图像分析了龙门山断裂带南段的强震危险性,认为天全至宝兴段具有发生中-强地震的条件,该危险段落与2013年芦山MS7.0地震震中吻合。本文利用吴忠—灵武地区的地震精定位目录,通过分析沿断裂的b值平面和剖面分布图像,揭示活动断裂不同位置的相对应力水平,判定研究区现今地震活动习性与强震潜在危险性。
1 资料选取
本文研究区(37.7°~38.2°N,106.0°~106.5°E)位于宁夏中部—银川盆地南端,是1984—1988年4次MS5.0~5.5地震的震中区(图1)。本文数据选取1970年1月至2018年10月吴忠—灵武地区(图1)的地震资料,震相报告由宁夏地震局地震监测中心提供。依据“M7专项”工作成果,对模拟记录时期的震相报告和观测台站进行了校对,剔除错误的震相数据,以保证地震资料的可靠性。尽管不同时期的观测台站分布不同,但多为仪器型号的更换,少有台站位置的变动。对于位置变动而名称未变动的台站,笔者均进行了核对与修订,调整了震相报告中相应的记录,从而确保不同时期的台站观测资料合并结果
的可靠性。
1970年以来,研究区周围50 km范围内的5个观测台站布局均匀且运行稳定,有利于地震重定位。笔者首先利用Hyp2000定位方法(Klein,2007)对研究区地震进行重新定位,将重新定位后得到的地震参数作为输入参数,再利用双差定位法(Waldhauser,Ellsworth,2000)进行相对定位。由于双差定位导致丢失了37%的地震,为了保证目录的完整性,丢失的地震由Hyp2000方法定位结果补充。从整个地震目录的重定位误差来看,双差定位后99%以上的地震水平向和垂直向定位误差均小于1 km(相对震群矩心的相对误差),Hyp2000定位后水平向和垂直向误差均值分别为2.2 km,2.5 km。重新定位后的地震震源精度明显提高,为b值空间计算提供了可靠的数据基础。
从研究区M-T图(图2a)和N-T图(图2b)可以看出,吴忠—灵武地区5次MS5.0~5.5地震余震丰富,导致该时段的地震活动频次高、强度大,其它时段的地震活动则明显较弱。自2010年以来,由于宁夏及邻区的测震台站数量增加,监测能力提升,记录到的小震频次有所升高。根据1921年吴忠南MS6.0地震和MS≥5.0地震
图1 研究区位置、构造背景及地震分布(1970年1月—2018年10月)
Fig.1 Location of research area and distribution of tectonic background and earthquakes from Jan.,1970 to Oct.,2018分布位置,以崇兴断裂(F3)为主体进行b值剖面研究。相关地震地质研究表明,研究区内主要活动断裂为走滑型,断裂产状为倾角较大的花状构造,剖面半宽度选为6.5 km构成研究剖面区域(图1)。该区域涵盖了历史中强地震以及主要活动断裂,是吴忠—灵武地区的强震危险性分析的重点。
图2 1970年1月—2018年10月研究区ML≥0 地震M-T(a)、N-T(b)和M-N图(c)
Fig.2 M-T(a),N-T(b)and M-N(c)diagrams of the ML≥0 earthquakes from Jan.,1970 to Oct.,20182 结果分析
2.1 预处理一般常采用最小二乘法和极大似然法计算b值。最小二乘法简单易行,但存在一定的局限性,比如震级越大的地震所占权重越大,b值易受少数几个大地震的影响,而极大似然法中所有地震都具有相等的权重,故在特定条件下可以作为最小二乘法的替代方法(吴果等,2019)。为了分析不同最小完整性震级MC对b值计算的影响,本文选取研究区ML≥0.5的地震,采用极大似然法计算b值(Ustu,1966)及其标准差(Woessner,Wiemer,2005)。图3结果显示,MC≤ML3.2时,b值随MC增大而增大; MC>ML3.2时,由于计算样本量较少,b值变化幅度较大; MC=ML2.0时,b值标准差最小。故取MC=ML2.0计算研究区所有地震的b值及其标准差(图4),分别为0.8和0.05,b值大小可表示为(0.8±0.05)。
图4 研究区地震震级-频度关系曲线(1970年1月—2018年10月)
Fig.4 Magnitude-frequency curve of earthquakes in the study area from Jan.,1970 to Oct.,2018为了分析MS≥5.0地震前b值随时间的变化特征,笔者选取研究区中部(37.8°~38.2°N,106.1°~106.4°E)的地震为分析对象,该区域为MS≥5.0地震集中活动且小震密度最大的地区(图5)。笔者以300个地震样本为一个时间窗,以一个时间窗为步长,逐步滑动时间窗,计算每一个窗口内的b值,绘制b值时间进程曲线(图6)。图6显示,1984年11月23日灵武MS5.3地震前,b值一直呈现下降趋势,于震后持平变化,并在1987年8月10日灵武MS5.5地震前出现小幅上升-下降变化,震后b值继续上升,直至1988年
图6 研究区中部地震集中区b值时间进程曲线
Fig.6 Curve of b-value in the seismic concentration area in the middle of the study area1月4日灵武MS5.5地震发生,之后b值一直处于缓慢上升状态。1984年和1987年灵武2次MS≥5.0地震前均出现b值下降变化,与以往中强震前多出现b值下降变化的研究结果一致(李全林等,1976; Wiemer,Wyss,1997; 刘雁冰,裴顺平,2017; 史海霞等,2018; 王新安等,2020)。
2.2 b值平面分布根据前文得出的b值平均大小为(0.8±0.05),本文取0.7为低b值阈值是合理的,亦与已有研究中b<0.7为低值异常的认识一致(朱艾斓等,2009; 易桂喜等,2010)。将研究区划分为0.01°×0.01°的网格,每个节点固定搜索地震数为100个,即搜索到100个地震时停止搜索,再设定大于MC的地震数至少为20,利用极大似然法计算每个节点的b值,即可获得研究区b值平面分布图像(图7)。图7显示:① 低b值(≤0.7)区主要位于灵武以西地区(面积约10 km×10 km)和金积—白土岗地区(面积约25 km×20 km),表明这2个区域应力水平较高,为未来中强地震发生的有利地区; 前者低b值范围较后者小,表明前者孕育地震的强度应小于后者。② 吴忠—灵武(新华桥附近)MS≥5.0地震频发的地区为低b值区,范围较小,说明该区域仍存在发生地震的危险性,但强度不大。
2.3 b值剖面分布将图1中NNE向深度剖面划分为1 km×1 km的网格,每个节点固定搜索地震数为100个,设定大于MC的地震数至少为20,利用极大似然法计算每个节点的b值,就获得b值剖面分布图。结合小震震源深度剖面图可以看出:①震源深度剖面存在4个小震稀疏段(图8a),简称1段、2段、3段和4段。②1段和3段震源深度较浅,分别在10 km和5 km以上,主要集中在上地壳; 2段和4段震源深度分别分布在10~25 km和20~25 km,主要集中在中地壳。③从小震稀疏段的空间尺度来看,1段沿断裂走向和深度方向的空间展布分别为20和10 km; 2段空间展布尺度与1段接近,2个方向上的尺度分别为13和15 km; 3段和4段空间展布尺度较小,2个方向上的尺度均为5 km。④1段、3段和4段均对应剖面低b值区(图8b); 2段对应剖面高b值区(图8b)。⑤震源深度剖面的中小地震集中区,对应的剖面b值偏高。
图8 沿断裂方向的地震深度剖面(a)和b值剖面分布(b)(剖面位置见图 1)
Fig.8 Depth profile(a)and b-value profile(b) along the active fault(profile location is shown in Fig.1)由于3段和4段震源深度剖面空间展布尺度较小(均为5 km×5 km),对应的剖面低b值异常区也偏小,因此这2个区域(位于新华桥附近)的孕震强度偏小。从1段空间展布尺度和对应的低b值异常区来看,该区域(吴忠/郭家桥—高闸地区)未来发生强震的危险性较大。虽然2段空间展布尺度较大,但对应的剖面b值偏高,说明应力积累水平不高,故该区域发生强震的可能性偏小。
3 讨论
3.1 可靠性分析最小完整性震级MC的区域分布不同与测震台站的分布密切相关。台站分布较密的地方,完整性震级下限偏小,反之,MC下限偏大。进行b值空间扫描时应充分考虑MC的区域差异,相较于使用统一的MC更能得到符合实际的计算结果,从而提高了b值分布的可靠性。研究区MC的空间分布如图9所示,在中部MC为ML1.5~1.6,北部为ML1.9,南部为ML2.2。
图9 研究区MC空间分布
Fig.9 Spatial distribution of MC-value in the study area地震往往受控于活动断裂,空间分布并不均匀,b值空间扫描时需要考虑参数设置与地震密度之间的关系。参数设置一般采用固定搜索半径或固定计算样本量的方式。固定搜索半径可以保证各个节点的b值计算范围相同,但地震稀疏区往往因为不满足最小计算样本量而无法计算b值,有的研究者通过增大搜索半径实现这些区域的b值计算。比如谢卓娟等(2015)进行b值空间扫描时将滇西南地区划分为0.02°×0.02°的网格,但为了保证有足够的计算样本,搜索半径取为40 km(网格大小的20倍左右); 朱艾斓等(2009)进行b值剖面扫描时将剖面划分为3 km×1 km的网格,搜索半径取为50 km。通过增大搜索半径固然可以提高可计算b值的节点数,但搜索半径过大将使得b值空间分辨率降低。本文采用固定节点计算样本量的方式,地震越密集的节点,搜索半径越小,反之,搜索半径越大。这种根据地震分布密度设定每个节点的搜索半径的做法,可以有效提高地震密集分布地区的b值空间分辨率(Wyss et al,2000; Wiemer,2001),得到更合理的b值分布。
本文基于前文节点搜索样本量(100)和大于MC的样本量(20)的参数设置,对b值空间扫描的所有节点的搜索半径进行了统计分析(图 10),发现85%以上节点的搜索半径在5~14 km。从图5和图7可以看出,低b值区基本处于地震分布
较密集的地区,这些地区亦是搜索半径偏小、b值空间分辨率较高的地区。因此,尽管搜索半径为5 km和14 km的面积差异很大(近8倍),但低b值区空间分辨率较高,计算结果合理可靠。
3.2 1段、3段和4段危险性分析根据上文分析结果,未来发生强震的危险区域为吴忠/郭家桥—高闸地区,该区域孕震深度较浅,主要位于上地壳,地震可能会造成较严重的破坏。考虑到本文研究区活动断裂以走滑错动为主,笔者将图8中1段(也是剖面低b值区)的长度L=20 km和面积A=20 km×10 km分别代入龙锋等(2006)统计的华北地区走滑型地震的震级与震源破裂长度的关系式MS=1.860lg L+3.821以及震级与震源破裂面积的关系式MS=0.954lg A+4.134,估算震级分别为MS6.2和MS6.3。
为了确定估算震级的合理性,笔者将1段的长度L=20 km代入不同研究者统计的震级与震源破裂长度的关系式MS=3.3+2.1lg L(郭增建,秦保燕,1979),MS=6.11+0.86lg L(邓起东等,1992),MW=4.33+1.49lg L(Wells,Coppersmith,1994)以及MS=6.070 5+0.820 5lg L(叶文华等,1996),估算震级分别为MS6.0,MS7.2,MW6.3和MS7.1,震级差异较大。分析认为,邓起东等(1992)和叶文华等(1996)统计震级与震源破裂长度的关系式时,使用的地震资料相同,几乎均为MS≥7.0地震,使得本文估算震级明显大于其它估算结果。2017年九寨沟MS7.0地震的余震展布长度为35 km左右(曾宪伟等,2019),也说明20 km长的小震稀疏段孕育的地震强度应达不到7级。再结合图1所示1984—1988年灵武4次MS5.0~5.5地震的余震展布长度L=9 km,笔者将其代入MS=1.860lg L+3.821(龙锋等,2006),得到估算震级为MS5.6,与实际地震震级(MS5.5)比较接近。因此,笔者认为龙锋等(2006)统计的震级与震源破裂长度的关系式更适用于本文研究区,由此估算1段孕震震级为MS6.2~6.3。
3段和4段(也是剖面低b值区)空间展布尺度较小,均为5 km×5 km,笔者将L=5 km和A=5 km×5 km分别代入MS=1.860lg L+3.821和MS=0.954lg A+4.134(龙锋等,2006),估算震级分别为MS5.1和MS5.4。由此推断3段和4段区域(新华桥附近)孕震震级为MS5.1~5.4。目前该区域b值时序曲线未出现下降变化(图6),表明新华桥附近短期内发生中强地震的紧迫性不强。
3.3 2段危险性分析1921年2月22日,吴忠南发生MS6.0地震(图1),造成吴忠/郭家桥—高闸之间(金积及邻区)多处出现冒黑水现象(宁夏回族自治区地震局,1982)。从此次地震的震中位置和地震时的宏观现象推测,2段的位置很可能是本次地震的震源位置。将2段的长度L=13 km和面积A=13 km×15 km分别代入MS=1.860lg L+3.821和MS=0.954lg A+4.134(龙锋等,2006),估算震级分别为MS5.9和MS6.3,与1921年吴忠南MS6.0地震的震级吻合。此次地震造成2段区域介质较为破碎,与该区域小震稀少、剖面b值偏高(图8b)的分析结果是一致的。因此,2段再次发生强震的危险性较低。
另外,上文分析认为2段以上区域(即图8a中1段区域)依然存在发生强震的危险,由此推测1921年吴忠南MS6.0地震很可能未破裂至地表。
4 结论
本文利用1970年1月至2018年10月吴忠—灵武地区的地震精定位目录,基于极大似然法得到了地震集中区的b值时间进程图,以及研究区的b值平面分布图和沿活动断裂的震源深度剖面、b值剖面图。通过综合分析平面低b值区、震源深度剖面小震稀疏段和低b值区,判定了研究区发生强震的潜在危险性,得到以下结论:
(1)平面低b值区揭示吴忠—灵武(新华桥附近)地区仍存在发生地震的危险性,但强度不大。该区域还存在震源深度剖面的小震稀疏段3,4和剖面低b值区。根据震级与震源破裂长度的统计关系式,推断吴忠—灵武(新华桥附近)存在发生MS5.1~5.4地震的可能,且新华桥以北地区的孕震深度较浅。
(2)目前基于新华桥附近密集分布的地震资料得到的b值时序曲线未出现下降变化,表明该区短期内发生中强地震的紧迫性不强。
(3)结合2段和剖面高b值区的分布,认为吴忠/郭家桥—高闸地区很可能是1921年2月22日吴忠南MS6.0地震的发震位置,推测该地震震源深度应在15 km左右,上地壳浅部很可能未破裂,依旧存在发生强震的危险。根据震级与震源破裂长度的统计关系式推测该区孕震强度为MS6.2~6.3,孕震深度在10 km以内。
本文的b值计算和绘图程序来自zmap程序包,审稿专家提出了很好的意见和建议,在此一并表示感谢。
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