青藏块体东北缘断层形变与中强地震
2021-11-04
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第4期 2002年11月 大地测量与地球动力学 JOURNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS Vl01.22.No.4 Nov..2002 文章编号:1671.5942[2002)04.0049.07 青藏块体东北缘断层形变与中强地震’ 陈 兵1 江在森2 马文静 ) 黎凯武2) 薛富平 ) f1)中国地震局第二地形变监测中心,西安【3)青海省地震局,西宁810001 7100541 I 2)中国地震局分析预报中心,北京100036 l J 摘 要 对祁连山一海原断裂带近期断层形变特征进行了初步研究,发现多场地、大范围的断层活动异常是中等 强度地震发生的显著背景,并且往往与大陆地震活动的阶段性总体状况相呼应;区域形变存在明显的特征量,包括 特征形态和特征时间。同一场地在不同地震前的异常特征具有重复性,但会受到背景差异显著的不同地震的影 响。目前形变累积状况表明研究区仍具有发生中强地震的地壳运动背景。 关键词 断层形变特征地震活动背景 中图法分类号:P315.72 5 文献标识码:A FAULT DEFORMATION AND MODERATE-STRONG EARTHQUAKES IN NORTHEASTERN MARGIN OF QINGHAI-TIBET BLOCK Chen Bing¨Jiang Zaisen2),Ma Wenjing3),Li Kaiwu2)and Xue Fuping ) ,1)No.2 Crustal Deformation Monitoring center,CSB,X/’an 710054 2)The Analysis and Prediction Center,CSB,Beijing 100036 3)Seismological bureau ofQinghai Province,Xining 810001 Abstract Preliminary study of recent fault deformation features shows that many anomalies at observation sites in a large area are an obvious signal of medium-strong earthquake,and it often mirrors stage characteristic of continent seismicity.There are eigen marks including eigen form nd eiagen time of deformation anomaly.In a special region,deformation anomaly at one site usualy shows the same features before different earthquakes, but C31q be affected by earthquakes which have different dynamic background.The situation of regional fault de- formation acumulation implicate a medium-strong earthquake coming in the future possibly. Key words: fault deformation,feature,seismicity background 1引言 . ̄ TMs.5’ .5年永登警曩 鬈 2000年6月6日,甘肃省中部景泰一白银之间 km范围内发生的第三次6级左右中强地震(表1)。 ・收稿日期:2oo2一O4一O4 基金项目:地震联合基金课题(101118);“973”项目“大陆强震机理与预测”(G1998040703);“十五”短ff缶预报攻关项目(O1—03—02);中 国地震局构造物理开放实验室基金课题(I胛O1o2) 作者简介:陈兵,男,1966年生,高级工程师。主要从事地壳形变与地震活动性等方面的研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 大地测量与地球动力学 22卷 三次地震的发生,无论从构造部位、发震时间以及震 前断层形变异常显示等方面来说,既有显著的共同 块体最为活跃的地质构造之一,是中国大陆历史强 震的多发地。上世纪以来,曾先后发生过1920年海 之处,也有各自的不同特征。认真研究此类地震的 震兆关系及其动力背景,对区域地震预测工作有着 重要的现实意义。 表1地震基本参数 Tab.1 Baisc parameters of earthquakes 原8.5级地震、1927年古浪8.0级地震以及1932 年昌马7.6级地震。为监测该区的断裂活动,中国 地震局于1991年建立了“河西GPS(C)网”。并于 1993年进行了首期观测。1999年,按照国家重点基 础研究“大陆强震机理与预测”项目的野外工作计 划,对该网进行了复测。根据两期资料,通过重心基 准转换,获得了相对于GPS网重心的区域内部相对 水平运动速率分布(图1,消除了整体旋转运动和平 移运动成份)。从图1可以看出,沿边界断裂带存在 明显的左旋走滑运动;甘一青块体与阿拉善块体的 边界带西段存在近南北向挤压运动,中东段则表现 为近东西方向压性运动,反映出祁连山一海原断裂 带呈现左旋走滑兼挤压的总体运动特征。研究区就 地震震级经度(。)纬度(。)深度(1锄) 15 10 33 日期 景泰 6.2 103.72 37.12 永登 5.8 103.19 36.41 景泰 5.9 104.O0 37.10 1990—10—20 1995.07—22 2000—06—06 2区域地壳运动背景 研究区地处青藏块体东北缘与鄂尔多斯地块夹 持部位的弧形断裂束中段。该巨型走滑断裂是青藏 位于这一压扭性运动的汇聚、节点部位。这是该区 域中强地震频繁活动的地壳运动背景。 图l青藏块体东北缘地区1993--1999年相对水平运动速率图(重心基准) (I:甘一青块体 Ⅱ:阿拉善块体 Ⅲ:鄂尔多斯块体) Fig.1 Relative rate pattern of lateral movement in northeastem boundary of Qinghai——Tibet block during 1993--1999(barycentric datum) (I:Gflylsu一 ̄nghai blck o1I:Alashan blck ollI:Erdos blck)o 3发震构造与形变监测状况 前述三次地震均发生在祁连山断裂带与海原断 裂带相连接的地区。北西西向主干断裂和北北西向 富的断层活动资料。我中心对永登5.8级地震和景 泰5.9级地震作了一定程度的年度预测和中短期预 报填卡,主要的判断依据就是周边地区断层形变异 常的显著空间分布和震中附近场地的特征异常。 断裂交汇于此。其中,景泰两次地震震中位于北西 西向老虎山走滑断裂上,永登地震则发生于北北西 向庄浪河断裂。我中心自2O世纪7O年代起,在青 藏块体东北缘祁连山断裂带、海原断裂带和西秦岭 地区逐步建立了6O多处跨断层流动监测场地,其中 大部分场地观测周期为4个月,长期观测积累了丰 4断层形变异常演化特征 断层形变异常识别一般采取对原始数据进行数 值拟合,然后取趋势基值线,并确定限差,以超出限 差者为异常。上述方法对具有基本稳定均值的波动 变化型形变异常识别效果较好,但对趋势性阶段变 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 陈兵等:青藏块体东北缘断层形变与中强地震 51 化型形变而言,选取不同时段计算基值线,异常显示 会有很大差别,存在一定的局限性。充分利用未经 任何人工处理过的原始数据曲线变化形态分析断层 活动性质及异常特征,应该是我们处理断层形变资 料的基础。因此,在进行异常识别时,我们遵循两条 化,在排除所有可能干扰因素、数据落实无误的前提 下,也认定为异常。 4.1断层形变异常空间分布特征 图2是研究区跨断层流动测量场地分布图。我 准则:一是按通常方法,取稳定均值的两倍均方差为 限,超出者为异常;二是依据原始曲线形态,如果出 现明显趋势转折、突跳、平静等偏离正常形态的变 们仅对三次地震发生之前研究区跨断层垂直形变 (水准)出现异常的场地数量和类型进行了统计,结 果见表2。 图2跨断层流动测量场地分布 Fig.2 Distribution of cross-fault mobile survey sites 表2孕震过程断层形变异常(水准)统计 Tab.2 Fault deformation anomalies{by leveling)during selsmogenic process *1990年景泰地震前连续观测2年以上的场地(有些场地当时的资料长度不足两年)。 可以看出,1988~1990年问,研究区3条断裂 动加剧是中强震发生的显著信号之一。 均出现多场地、大范围的形变异常,异常场地数平均 占到场地总数的52%,显示青藏块体东北缘主要断 4.2断层形变前兆时域特征 严格来讲,只有在多次地震前均出现,具有可重 复性的异常,才能称之为前兆,才有进行实时追踪的 预报意义。研究表明,具有典型前兆意义的断层形 变异常有窝子滩、水泉、六盘山、和尚铺、寺口子和甘 沟窑等场地。按照笔者对断层形变类型的分析【5 J, 同形态异常重复出现的窝子滩、水泉为趋势性阶段 变化型;六盘山与和尚铺为波动变化型。而寺口子、 甘沟窑两个场地虽同属趋势性阶段变化型,在三次 地震前均有异常显示,但每次异常的形态、时间等特 征量不同。其它仅在一次地震前出现过异常的场 裂,特别是祁连山断裂,活动水平很高。这些异常均 出现在景泰地震之前。永登地震异常状况与景泰地 震类似,异常水平也与之相当,但不同场地异常出现 的时间跨度较长,震后仍有异常出现。而白银地震 前,无论是异常场地数量,还是分布范围,都较前两 次地震小,异常平均水平仅有25%,且局限于海原 断裂和西秦岭断裂,祁连山断裂带没有显著异常出 现。说明本时期地壳运动的强度较前两者为弱。三 次地震前都有较大范围断层异常的事实说明断层活 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 大地测量与地球动力学 22卷 地,可作为整体异常背景,但不具有对应某个具体地 220 km。与六盘山场地同处一条断层,变化形态也 震的短期判断意义。典型异常的基本特征见图3与 与之完全同步。不同的是,1990年景泰6.2级地震 表3。现将形变的演化特征简述如下: 前也有尖点突跳异常出现,但量值较小。 (1)窝子滩场地(图3a):趋势性阶段变化型,震 (5)寺口子场地(图3e):趋势性阶段变化型。 中距(景泰5.9级地震)约50 km。1990年景泰6.2 震中距约220 km。该场地自1987年后趋势减速, 级地震前无异常;1992--1994年压性运动呈增强趋 至1990年景泰6.2级地震后恢复长趋势形态;1993 势,1995年3月出现突跳,7月反向,之后发生永登 年下半年再次减速转平,至1995年永登地震后恢 5.8级地震。1996年天祝5.4级地震前也有类似变 复;1996--1998年有同形态变化出现,但无地震对 化,而量值更大。1996年~1999年初变化较平稳, 应。之后恢复趋势性张性运动。2000年景泰5.9 1999年7月后速率明显增大,11月~1995年3月 级地震前无明显异常。 变化2.9 mm,5月加密观测显示反向张性变化2.2 (6)甘沟窑场地(图3f):趋势性阶段变化型。 mm,之后发生景泰5.9级地震。与前两次地震前的 震中距约300 km。该场地自1989年中趋势减速, 异常演化过程非常相似。 至1990年景泰6.2级地震后恢复长趋势形态;1992 (2)水泉场地(图3b):趋势性阶段变化型。震 年中再次减速转平,至1994年初反向形成压性台 中距约60 km。1995年3月相对1994年7月出现 阶,1995年永登地震后恢复;2000年3月在趋势性 1.7 mm尖点突跳,7月恢复0.9 rnlYl之后发震; 张性运动背景上出现反向压性尖点突跳,景泰5.9 1998年初出现同样异常形态,但无地震对应;2000 级地震后恢复。 年3月相对1999年7月同样出现1.5 mm突跳异 这里需要说明的是,2000年6月6日景泰5.9 常,震前回返0.8 mm,之后发震。 级地震发生前,3月流动观测资料出现大幅变化,5 (3)六盘山场地(图3c):波动变化型。震中距 月加密观测显示特征形态完成。因此,尽管流动观 约200 km。1995年3月曾出现突跳,7月恢复后发 测的采样间隔为4个月,但异常出现特征形态后,预 震;2000年3月出现压性加速异常,5月回返之后发 示的发震时问(特征时问)并不一定要大于观测周 震,形态相似。 期。这一事实为我们利用流动断层形变观测进行短 (4)和尚铺场地(图3d):波动变化型,震中距 期预报提供了可能性。 (a)窝子滩 (b)水泉 (c)六盘山 (d)和尚铺 l O 8 l 6 号4 2 O 984 1986 1988 1990 I992 1994 1996 1998 2000 t/a (e)寺口子 (f)甘沟窑 图3各测点断层形变曲线 Fig.3 Fault deformation curve at each site [EE2 O● 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 陈兵等:青藏块体东北缘断层形变与中强地震 53 表3典型异常场地前兆特征 Tab.3 Precursory features at typical abnormal sites 4.3断层形变异常类型及其前兆意义 区域异常:断层形变不论是趋势性阶段变化型还是 速率减缓、台阶 以上述场地为代表的断层形变异常可以分为三 波动变化型背景,当出现形态巨变、等特征,可能是一种中期(1~2年)(寺口子等)前兆 种类型: 当出现尖点突跳,则是一种值得注意的短期前 (1)特征形态重复型:有窝子滩、水泉、六盘山、 异常;3~6个月)(窝子滩、水泉、六盘山等)。 和尚铺以及干盐池、武家河、奈子沟等场地。不同地 兆信号(震前异常变化形态几乎完全一样。 (2)运动性质重复型:除(1)中所述场地外,还有 寺口子、甘沟窑。这两个场地虽然异常形态不完全 重复,但异常显示的断层活动性质相同。 (3)非重复异常型:毛羽沟、巴沙沟、四店、毛集、 红苋子等场地。它们在两次以上地震前出现异常, 但每次异常的形态及所反映的断层性质均不相同。 永登5.8级和景泰5.9级地震的形变异常具有 5断层形变趋势累积特征 近期以来,研究区存在着比较显著的形变累积 背景(表4)。特别是在祁连山断裂带和海原断裂带 交汇部位,亦即祁连山中东段和海原断裂带中西段 地区,自80年代初期以来,断层活动就一直呈现出 压性累积趋势。 为反映区域断层形变累积分布,我们采用断层 来度量断层应变速率趋势 很多相似之处。窝子滩等场地是在趋势背景上出现 形变趋势累积率 值 ] 值定义为: 突跳异常,在恢复后或恢复过程中发震。六盘山、和 强度,尚铺场地则是在围绕均值线正常波动中振幅增大、 形成尖点异常。两次地震前异常出现至发震的特征 时间也基本一致,反映了一种相近的断层运动状况 ——∑芒 D = i (1) 短期的不稳定态势。反观景泰6.2级地震前, 几个典型场地的异常形态与之截然不同,波动变化 的六盘山在震前2年左右振荡几乎消失,形成一种 它是断层中长期趋势活动状况的标度。 趋势累积的态势,至地震后恢复为正常波动变化。 甘沟窑、水泉、寺口子等则表现为显著的趋势变化特 图4是研究区D 值等值线分布图,可以看出, 三次地震均发生在其高值区或附近,特别是景泰两 次地震震中,都位于D 值峰值区内,显示断层形变 的趋势性累积是地震孕育的重要条件。同时,在祁 征,但没有明显的短期异常信号。这种差异是与不 连一海原断裂带中段,存在着比较稳定的中长期压 同地震发生时迥异的地壳运动背景相一致的。前者 性累积,该高值区并没有因上述几次中等地震的发 可能是地壳运动一定时期形变累积的结果,而后两 生而消失,表明该地区仍然存在着孕育中强地震的 者则更多地反映了地壳运动的短期调整与波动。 断层活动背景。 通过上述分析,似乎可以反映出下述特征性的 维普资讯 http://www.cqvip.com 大地测量与地球动力学 22卷 表4青藏块体北缘东部地区断层形变趋势异常表 Tab.4 Trend anomaly of fault deformation in eastern area of north margin of Q ̄nghai—Tibet block ★原点距:以景泰5.9级地震震中为原点。 1996年后,中国西部地震活动主要集中在新疆 地区,6级震群活动直到1998年才逐渐结束。1999 -2000年,新疆地区相对沉寂,大陆5级以上地震 活动主要集中在青藏块体东部。谢通门至包头北东 向条带上小震活动频繁,在印度板块东触角影响域 相继发生了2000年1月5日姚安6.5级和中缅边 界7.0级地震,这些都显示出青藏块体东缘南北地 震带地震危险性有所增大,反映了近期地震活动格 局有所改变。在这种背景下发生的2000年景泰5.9 级地震,提醒我们应注意南北地震带的中强地震活 动出现向北扩展的可能性。 图4研究区Dc值等值线分布图(2000年6月) Fig.4 Contour of Dc value in northeast boundary 7区域地震活动特征 研究区地震活动存在两个特点: (1)明显的准周期特征。 图5是研究区Ms≥5.5地震M—t图,可以看 of Qinghai—Tibet block(June,2000) 6地震趋势背景特征 据研究,鄂尔多斯周缘地震活动与南北地震带 出,6级左右中强地震活动有一个明显的特点,即存 在5年左右的发震周期。换言之,在中、短期尺度 上,都属于孤立型地震,没有同等强度地震连发的震 地震由南向北的迁移过程存在一定的相关性。每次 迁移过程开始和接近尾声时,鄂尔多斯块体周边都 有比较显著的地震活动。上世纪第五活跃幕中,分 别在1988--1990年和1995~1996年出现两次迁移 过程,1990年景泰6.2级地震时值第一次迁移的后 期。而1995年永登5.8级地震则发生在第二次迁 移的开始时段。这反映了它们不同的地壳运动背 景:前者是伴随着大陆西部应力场强化、地震活动出 现高潮而发生的,它是南北向挤压作用增强,地壳活 动剧烈的产物;而后者则是在1995~1996年大陆西 部地震活动格局发生转换,印度板块东触角影响相 对减弱,西触角作用增强的过程中发生的。两次地 震活动高潮都伴生了相当数量的断层形变异常。 例。这一规律似乎可以成为判定区域中强地震危险 性的先验性准则。 图5祁连一海原断裂带中部地震活动M—t图(Ms≥5.5) Fig.5 M-t pattern of earthquakes(Ms ̄5.5)i-n middle part of Qilian—Haiyuan fault zone 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 陈兵等:青藏块体东北缘断层形变与中强地震 55 (2)交汇断层的交替活动特征。 1990年景泰6.2级地震和2000年景泰5.9级 地震都发生在北西西向走滑断裂上,而1995年永登 5.8级地震则发生在北北西向逆冲断层上。这一点 与马瑾院士所做的有关交叉断层的岩石力学实验结 果相一致。 8讨论与结论 研究区既是中国地震局连续数年划定的年度6 级地震危险区,同时也是地震趋势研究中7级地震 的重点监视地区。前述几次地震的发生为我们提供 了宝贵的震兆特征资料,初步研究表明: (1)该区6级左右地震活动的时间特征是比较 明显的,断层活动与之也有较好的协同性。这表明 断层形变与地震活动同是地壳运动的伴生产物。大 范围的断层形变异常和地震活动高潮都是地壳运动 剧烈的显著标志,但两者不存在必然的因果关系。 (2)研究区中强地震前存在断层形变特征前兆 (包括特征形态和特征时问),但目前还没有发现比 较明确的特征幅度,亦即断层形变异常的大小与震 级没有表现出正相关性。 (3)不同类型断层形变的异常形态也不相同,趋 势性阶段变化型反映了断层形变具有趋势性累积, 是形变能逐步聚集的反映,在此背景上出现趋势加 速、回返而后发震,反映了近源区地壳岩体在孕震应 力场作用下应变增大、超过强度极限而失稳、破裂的 过程。而波动变化型显示断层活动保持没有累积的 旷动方式,在此基础上出现突跳异常,是区域应力场 由稳定向不稳定的临界状态变化的信号。因此,不 能仅以异常场地的分布状况来判定发震地点,而要 根据异常的不同性质赋予其不同的前兆意义,并结 合区域地质构造、地壳运动特征 区域地震活动规律 等因素,综合加以判断。 RefeFences 1 Guo Shunmin,et a1.Rupture family around Erdos block edge[M].Beijing:Seismological Press,1988.(in Chinese) 2 Gong Sbouwen.Precursor analysis of fault deformation about Menyuan and.Jiangkou earthquakes[J].Earthquake, 1991,11(1):34—39.(inChinese) 3 Che Zhaohong.Study on falut activity in capital drele[J]. 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