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《中国地震局地质研究所》 1997年
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我国几个典型地点的古地震细研究和大地震重复行为探讨

冉勇康  
【摘要】: 1选题的基本思想 古地震是指保存在地质记录中的史前和历史没有明确记录的地震事件。古地震学则是一门揭露和研究地质记录中保存的过去地震事件的科学。它的优势在于能在很大程度上弥补仪器和历史地震记录的短暂性和局限性,使得我们能够在几个地震重复周期的时间段上认识断裂的长期活动习性和估计未来地震发生的危险性。人们开始认识到古地震现象是在一百多年以前,但是古地震学作为一门地震和地质领域的分支学科诞生于本世纪70年代末。近20来,无论世界上还是在中国,古地震学一直在进步,在减轻地震灾害的领域中发挥着重要的作用。然而,古地震研究还存在着不确定性、不完整性的薄弱环节,还没有成熟到可以为概率地震预报提供高信度的数据。古地震学就其科学意义和社会意义而言都需要深入和发展。现阶段古地震学还需要继续探讨的主要问题包括:(1)古地震的地质证据;(2)古地震年代学;(3)古地震的位移量研究;(4)古地震的完整性;(5)区域的古地震研究;(6)大地震重复的理论模型。 我国的古地震研究在思路和某些具体工作上与国际总体水平是齐平的,但一些方面也存在明显不足。其中最大的差距在于工作的精细程度不够,直接影响资料的可信度。另外,全球古地震研究的诸多热点问题也是我国古地震研究未来的方向和现在研究的薄弱环节。例如,在本论文的工作开展之前,国内还未开展过用三维探槽研究走滑断裂古地震事件强度分布,即恢复古地震事件位移量的工作(国际上成功的例子也很少);受条件的限制,一般探槽的古地震年代测定数据较少;区域的古地震复发特征的研究不够等。因此,作为一篇专门讨论古地震问题的博士论文,立足于“精细”,选择我国青藏高原东北缘的海原走滑断裂,用三维探槽的方法研究该断裂的古地震事件及其位移量;选择京西北,北东、北西两组构造交汇部位的延怀盆地正断裂,进行段落、断裂和盆地区域的古地震研究;选择京东曾发生过1679年三河平谷地震的夏垫断裂,进行平原区半隐伏断裂的古地震研究。在此基础上,探讨这三个地点的古地震重复行为(理论模型)及古地震资料在地震危险性预测中的运用问题。 2研究方法和工作量 为突出“精细”的研究特色,本文采取了以下技术路线。 (1)在探槽布设、记录和工作量方面的具体措施是: 对于海原走滑断裂,在位于两个主要活动段落边界附近、可能记录到全新世多次地震事件的高湾子地点开挖长42、宽20、深2.5-3.5m的三维探槽(由11个独立探槽组成)。探槽记录网格以1m~2为基础,加挂20×20cm~2细网。对探槽开挖地点进行经纬仪实测构造地貌图,并控制探槽坐标。测~(14)C样品15个,TL样品8个,孢粉样品12个。在此基础上,结合其它7个地点的探槽资料分析海原断裂主要活动段的古地震历史。 对于延怀盆地正断裂,重新分析自己主持过的探槽研究工作,引用其他古地震研究成果。在段落、断裂和盆地区域三个层次上探讨古地震事件及其分布规律。该区利用探槽资料33个(包括深6、长20/宽5m大探槽和长75m、最高8m的大剖面),测年样品83个。 对于三河-平谷地震断层,选择1679年事件位移量适中的部位开挖长25、上宽6、下宽1.5、深6m的大探槽,并结合断层陡坎形态和其它探槽分析地震事件及其位移量。探槽测年样品19个。 总之,研究工作共涉及43个探槽资料,其中27个为作者亲自主持研究;每个自己工作的探槽都按国际探槽研究的程序进行。探槽记录网格1m~2,三维探槽20cm~2,并用经纬仪控制统一坐标网;直接用于古地震事件分析的年代样品144个,其中~(14)C 52,TL 92,另外,孢粉样品14个。 (2)辨别古地震事件及其位移量的主要思路和原则是: 依据不同构造环境下可能保存的破裂遗迹针对性地对单个探槽进行事件识别。识别张性环境下的古地震事件证据包括三个主要方面:断层陡坎和地貌面之间的关系:多次事件复合陡坎的坡面特征;和坎前的堆积地层(崩积楔、断落塘堆积等)。识别走滑断层的古地震事件,有五条主要标志:跨断层微地貌位错;断错地层或断层束被更新地层覆盖;在未固结堆积物中的褶皱和拖移;不同地层单元沿断层面位移量的突然增加或降低;古断塞塘(坑)堆积。除此,不同期次的裂缝和构造楔、充填楔都是我们识别古地震事件的参考标志。地震引起含水砂层液化是非常普遍的同震变形现象,因此,我们在夏垫断裂的古地震研究中十分重视液化现象对古事件的指示作用。 在单个探槽事件分析的基础上,利用断层窗和逐次限定方法对比同一段落的古地震事件,以及进行古地震破裂段落的划分。这种方法假定一个断层段上开挖了若干探槽,每个探槽揭露的事件次数不完全一样,然而,在不同的探槽内总有一些事件的年龄接近。尽管有些事件只确定了上限年龄,有些确定了下限年龄,有些确定了上下限年龄的区间,但它们可能共同限制了一个时间范围。这个时间范围被称为断层窗或事件窗。该方法可以有效地减小古地震研究中客观和主观因素造成的不确定性。 在正断层上,利用断层陡坎高度、崩积楔厚度(半断距)和层位位差综合判断事件的位移量;在走滑断层上,通过不同期次跨断层的沟床边界、断落塘边界,分解、判断事件的走滑位移量。在海原断裂各探槽古地震的事件窗对比中,引入位移量值,使断层窗方法扩展到断层分段的运用领域。 (3)在样品采集和测年值运用方面: 对于重点研究的大探槽,采用20cm为间距的采样密度,有条件的地方采集两种测年方法的样品进行测年值对比;对于三维探槽,在三维空间上分析事件并采集测年样品。利用~(14)C样品的树轮校正值分析古地震年代,以减小地质历史进程中大气环境变化对~(14)C测年值的影响。 (4)提出定量分析古地震重复行为的参考标准,并对本文研究地点的古地震进行重复行为分析: 采用“点过程”的统计学方法定量地评价古地震时间重复的分布属性。通过变异系数评价古地震的总体分布状况(变异系数为地震重复间隔的标准差S与重复间隔平均值(?)的比)。当变异系数等于或小于0.3时,为准周期的重复形式;变异系数大于0.3,等于或小于0.5时,为准周期的变形重复模式—长短间隔相问重复模式:变异系数在约0.65~1时,可能为随机的泊松分布模式:变异系数大于0.5时,也可能成为丛集复发模式。在变异系数值在0.65~1时,为随机分布还是丛集分布则根据分布图形综合判断。 以0.5个震级单位为特征地震的大小变化幅度,用我国大陆内部事件破裂长度、位移量与震级的关系.判断本文研究地点破裂段落、位移量和震级关系:M=5.1+1gL+1gD(剩余标准差0.479) M=5.9+1gL+1gD(剩余标准差0.574) 时间和位移可预报重复行为的判断则依据线性方程求取“预报线”,规定资料是否符合模型有两条重要的数值标准,一是当检验水平α=0.01时,线性关系存在;二是剩余标准差σ要足够小。在线性关系存在的情况下,只有σ≤12(位移量计算单位为cm时),才能保证模型的预测误差在20%以内。 3主要结论 (1)海原断裂不同时期累积的左旋走滑位移量反映出断裂带的11条次级剪切断层实际组成了三个活动段落。西段为黄家洼山南麓断层以西:中段为南西华山北麓断层:再南为南段。 (2)高湾子地点三维探槽的古地震细研究揭露出全新世以来的7次古地震事件(包括1920年事件),并获得了后5次事件的位移量,由老至新左旋走滑位移量分别为:5.6±2.3m、1.5±1.2m、1.5±1.2m、2±1m、7±0.5m;倾滑位移量为0.19~0.35m、0.27m、0.08~0.16m、0.08~0.16m、0.38m。古地震事件位移量显示,7次地震事件并不是都具有1920年海原大地震的强度。中全新世以来只有一次事件与海原大地震相近,走滑位移量达5.6m,其余位移量在1,5~2m之间。 (3)对比高湾子与断裂上其它7个地点的古地震事件,获得断裂晚第四纪期间的14次古地震事件及年代(包括1920年事件)。这些事件在时间上表现出不均匀性,早期相对弱,中晚期强,最短的间隔时间仅100余年,长的近2000或2000余年。对于全断裂,事件分布更接近泊松过程,平均重复间隔为1045±750a,σ=0.72;次级破裂段的事件分布为“长短间隔相间模式”,西段平均间隔1941±727a,σ=0.38,中段中晚全新世以来的间隔为951±409a,σ=0.43;主破裂段大地震的间隔时间符合准周期模式,平均为5373±1046a,σ=0.19。另外,有三次事件破裂了全断裂,其余11次为次级段落破裂。事件的对比反映出古地震活动存在复合破裂段和西次级破裂段、中次级破裂段。同时,证明古地震事件存在跨段落的超覆破裂和未达到段落边界的回缩破裂。 (4)延怀盆地发育有多组方向的活动断裂,然而,晚更新世晚期以来活动并记录有古地震事件的断裂有4条:北东向的怀涿盆地北缘断裂,矾山盆地北缘断裂和延庆盆地北缘断裂;北西向的新保安-沙城断裂。 (5)怀涿盆地北缘断裂共开挖13个探槽,揭露了约4万年以来的14次古地震事件和三个独立的破裂段。单个独立段落记录有4~6次事件。沈(?)长段平均重复间隔6980±4487,σ=0.64;如果把该段落全新世以前和以后的事件分别计算,其结果分别为8075±884,σ=0.11和2700±707,σ=0.26:鸡-黄段,平均重复间隔11273±5785,σ=0.51;西(?)黄段,9400±1892,σ=0.2。而全断裂古地震平均重复间隔为2967a±1653,σ=0.56。最大间隔为6100a,最小间隔为950a。断裂上最晚的破裂事件可能与1720年沙城地震有关。 (6)矾山盆地北缘断裂开挖了10个探槽,揭露了约32000年以来的7次事件和两个主破裂段。北破裂段记录了4次事件,平均重复间隔为9096±4226a,σ=0.47;南段揭露了3次事件,平均重复间隔为10775±178a,σ=0.017。全断裂平均重复间隔为5232a±1625,σ=0.31。最大为7450,最小为3450。断裂上最晚事件可能为1337年的狼山地震。 (7)延庆盆地北缘断裂已有的资料显示约距今30700以来在5个几何段上发生过10次古地震事件,一些事件是单几何段破裂,然而有三次事件为多段联合破裂。单几何段一般记录有3~5次事件.平均重复间隔在4856~6450a之间。Ⅱ段平均重复间隔6450±2093a,σ=0.32;Ⅲ段4846±1150a,σ=0.24;Ⅳ段6431±473,σ:0.073。全断裂重复间隔的平均值为3359±1373a,σ=0.41。最大间隔4450a。最小间隔1150a。断裂的最晚事件可能为1484年的居庸地震。 (8)新保安-沙城断裂为半隐伏断裂,长度约32km.地表有明显遗迹的地段长度2~3km。两个探槽揭露了该断裂距今23200年以来的4次古地震事件。事件的平均重复间隔为7643±401a,σ=0.05。该断裂可能为1720年沙城地震的发震断裂。 (9)延怀盆地晚更新世晚期活动的4条断裂共揭露出34次事件。其平均重复间隔为1153±990a,位移量大多数在1.2m~2.2m之间。,大于3m的事件有万年发生一次的现象、 (10)三河-平谷8级地震断层自从距今20000年以来共发生过4次古地震事件,其中前2次为间接标志显示的古地震事件,后2次为直接标志显示的古位错事件[包括1679年事件]。它们发生的时间分别距今为20000、13300、7500和317年、 (11)现今在夏垫东兴庄-潘各庄-东柳河屯-带的地震地表形变带不仅仅是1679年一次地震的产物,而是全新世两次位错作用的结果。东柳河屯东北探槽揭露的两次事件位移量分别为1.3m(1679年事件)和1m(前1679年事件]。两次事件的已知最大合位移为3.16m[潘各庄],分解得到1679年8级地震最大参考位移为约1.75m,前1679年事件最大参考位移为约1.41m。 (12)无论是位于青藏高原东北缘的海原走滑断裂,还是北东向山西地堑系与北西向张家口-渤海构造带交汇地带的延怀盆地正断裂,以及华北平原区8级地震的发震构造,其古地震重复行为的共性在于:特征地震和准周期模式。其个性表现为海原走滑断裂特征地震的分级性明显:延怀盆地正断裂的独立段落为单级特征地震形式,多段落组合发震的现象更接近滑动可变模式(延庆盆地北缘断裂);三河-平谷地震断层为典型的独立段落特征地震模式。海原走滑断裂的古地震历史不符合时间可预报和位移可预报模式,延怀盆地正断裂独立性较好的段落可以符合时间可预报或位移可预报模式(新保安-沙城断裂)。矾山盆地北缘断裂有“萎缩滑动”的趋势。 (13)段落、断裂和区域古地震重复行为有明显的差别。大多数段落的古地震重复间隔符合准周期重复模型(a≤0.3)及其变种长短问隔相间模型(0.3<σ≤0.5);多段落组成的断裂,其古地震的重复行为则主要是长短间隔相间和丛集形式(σ<0.5);区域的古地震分布更接近于完全随机的泊松过程(0.65<σ≤1)。但是,无论是段落、断裂或区域,古地震的分布形式都可能随时间而改变其重复形式(沈-长段、怀涿盆地北缘断裂),即古地震重复模式具有阶段性。 (14)段落上古地震重复的规律性好坏与段落的几何结构相关。独立性、稳定性好,规模相对大的段落具有较好的准周期重复性或时间可预报性(西-黄段、燕-水段、新保安-沙城断裂);段落规模小与其它断层相关的段落古地震重复间隔的变化较大,可以是长短间隔相间或丛集的形式(沈-长段、鸡-黄段)。这反映了地震重复性与段落、断裂的相互作用密切相关。 4认识上的重要进展 (1)三维探槽揭露出古地震事件位移量的量级差别,进而揭示了海原断裂特征地震的分级行为,和主破裂段、次级破裂段的分段特征: (2)给出三个地点的古地震目录; (3)三个细研究地点的大多数段落古地震遵循特征地震和准周期重复模型; (4)一些段落、断裂的古地震事件分布具有阶段性: (5)古地震时间分布在准周期与丛集行为或随机行为的过渡阶段为长短问隔相间模式; (6)延怀盆地区段落、断裂和区域具有不同的古地震时间分布特征:段落多符合准周期和长短间隔相问模式;断裂多符合长短间隔相问和丛集模式;区域更接近随机的泊松过程。 (7)提出当大地震重复行为出现时间上的分阶段性,或者由于特征地震出现分级的现象而导致不同强度的事件间隔时间有明显差别时,用确定性方法和与时问相依的概率方法评价大地震的危险性,需要分阶段或分级取重复间隔数值,计算反映不同间隔阶段的平均值。 5问题与不足 (1)海原断裂除高湾子地点外.没有开展更深入的研究工作: (2)一些古地震事件,断层窗控制的年代范围大,而计算重复间隔时,没有考虑这种误差; (3)所提出的重复模式定量标准没有作理论的证明。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:1997
【分类号】:P315

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7 郑荣章;阿尔金构造系晚更新世中晚期以来的构造隆升及其变形机制[D];中国地震局地质研究所;2005年
8 李传友;青藏高原东北部几条主要断裂带的定量研究[D];中国地震局地质研究所;2005年
9 黄小忠;新疆博斯腾湖记录的亚洲中部干旱区全新世气候变化研究[D];兰州大学;2006年
10 陈桂华;川滇块体北东边界活动构造带的构造转换与变形分解作用[D];中国地震局地质研究所;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 胡朝忠;塔藏断裂晚第四纪活动性研究[D];中国地震局地震预测研究所;2011年
2 张效亮;利用GPS观测数据评估川滇南部地区活动断裂地震危险性[D];中国地震局地壳应力研究所;2009年
3 陈立春;河套断陷带的古地震、强震复发规律和未来可能强震地点[D];中国地震局地质研究所;2002年
【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 李传友;青藏高原东北部几条主要断裂带的定量研究[D];中国地震局地质研究所;2005年
2 马晓静;正断层发生地震的动力学过程数值模拟研究[D];中国地震局地质研究所;2012年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 唐荣昌,文德华,邓天岗,黄圣睦;1973年炉霍7.9级地震的地裂缝特征及地震成因的初步探讨[J];地球物理学报;1976年01期
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
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2 闵伟;区域古地震研究[D];中国地震局地质研究所;1998年
相关机构
>中国地震局地质研究所
相关作者
>闵伟 >冉勇康
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