2012, Vol. 55
东昆仑断裂带是印度板块向欧亚板块俯冲过程中在青藏高原内部沿东昆仑华力西期古构造缝合线形成的以左旋走滑运动为主的一条大断裂带，西起青海省可可西里湖北侧的布格达板峰以西，东终止于四川境内的玛曲一带，长约2000km，总体走向北西西[1-2](图 1).三叠纪时期，东昆仑地体和巴颜喀拉-松甘地体之间的斜向碰撞致使昆南-阿尼玛卿缝合带的西段发生大型走滑作用[3]，在250~220 Ma期间形成东昆仑左行走滑断裂，之后又经历晚侏罗世(150~140 Ma)､早白垩世时(120~100 Ma)和新第三纪(20 Ma)强烈韧性剪切作用的影响，地壳急剧抬升剥蚀，印度-亚洲碰撞以来，东昆仑断裂带再度被激化.新构造运动时期，断裂带活动较强，控制了第四纪裂谷和断陷盆地的发育，且沿断裂的第四纪盆地､断裂谷､断陷湖呈串珠状展布[4].
东昆仑活动断裂带位于青藏高原中部隆起区的北部边缘地区，主体处在走向近东西的莫霍面64km 等深线左右展布，东南端的玛多-玛曲一线莫氏面等深度线向南偏转，而沿带地壳厚度逐渐变小[1].通过最新的地震折射剖面资料揭示该断裂带以南的巴颜喀拉山区的地壳厚度为64km，向北至柴达木盆地南缘和都兰一带骤减至60km，形成一条北西西向的地壳厚度变异带，该断裂带自西向东以阿尼玛卿山为界的莫霍地形和地壳流动机制都发生了明显的变化[5-6]，因此，本文在断裂带的几何结构特征的基础上，进一步结合地球物理资料，以阿尼玛卿山为分段标志，将东昆仑断裂带分为东西两段.
自从1900年以来，在该断裂带上阿尼玛卿山以西发生了5次7级以上的地震，分别为1997年玛尼MS7.9级地震､2001年昆仑山MS8.1 级地震､1902年秀沟MS7.0 级地震､1963 年阿拉克湖MS7.1 级地震､1937年MS7.5 级托索湖地震(图 1).从图 1中可以看到，相比东昆仑断裂带的西段，东昆仑断裂带的东段历史上无大地震(MS≥7)记载，属于该断裂带上典型的地震空区.另外2008年发生的汶川地震增加了对东昆仑断裂带东段库仑应力的积累[7]，使该段的潜在地震危险性增高，因此，东昆仑断裂带东段作为整条断裂带人口最多的地震空区，对其进行地震危险性分析和大震预测显得尤为迫切.
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图 1 东昆仑断裂带破裂分段平面图[2]，黄色区域为文章研究区范围 Fig. 1 The planar graph for rupture segmentation of the Eastern Kunlun active fault[2]，the study area in article is yellow |
对于中长期地震的预测，定量的方法是把地震发生的可能性表现为概率，假定地震发生的时间大致服从于某一个复发模型f(τ)，利用此复发模型可估算未来某一预测时段内大地震复发的概率值.根据国内外发表的文献[8-14]，f(τ)有多种分布类型，如正态分布､对数正态分布､威布尔分布等，闻学泽[12]把已有的分布函数应用于鲜水河断裂带上，预测了鲜水河断裂带未来30年内的地震复发的条件概率；刘静等[13]利用汾渭地震带上的活断层资料，评价了汾渭地震带中长期强震危险性；张培震[14]利用地震矩计算了地震的平均复发周期，归纳和总结了活动大陆内部地震复发的通用概率分布.但受种种构造条件的制约，不是每一条活动断裂上都可获取评价所需的定量数据，因此，利用研究程度较高的活动断裂定量数据建立一种地震危险性概率评价的方法尤为重要.青藏高原东北部，强震发生的频次相对较密集，断裂带上的古地震研究程度较高，本文通过收集和处理该区的古地震资料，建立了样本参数，拟定了该区地震复发概率密度函数，将其应用于东昆仑断裂带东段的发震概率研究中.
2 青藏高原东北部古地震定量数据分析及地震复发概率模型建立本文累计选用了22条青藏高原东北部活动断裂带上不同段的古地震数据资料(表 1)，数据的选取主要采取三个原则:(1)收集､整理和对比分析了活动断裂带上同一段上不同探槽剖面揭露的古地震事件，去除重复事件；(2)去除距今时间太远的古地震事件；(3)计算出每段古地震的复发间隔(T)，求出其古地震复发间隔的平均值(Tave)，对各段古地震数据进行归一化处理(T/Tave)，减少数据的离散程度.
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表 1 青藏高原东北部22条活动断裂带的古地震数据资料 Table 1 22 Paleo-earthquake datas of active faults in northeastern Tibetan Plateau |
通过上述原则最后用来做统计分析的T/Tave的数据共119 个，利用SPSS 统计软件生成了青藏高原东北缘古地震复发间隔T/Tave的频率分布直方图(图 2)，从图上可以看到，虽然各段古地震的复发间隔相差较大，但经过归一化处理后差别较小，出现中间多两头少的分布形式，T/Tave集中分布于1.0附近的区间内；同时，认为这种频率分布可采用正态分布､对数正态分布和威布尔来拟合，下文中将利用Q-Q概率图检验几种分布形式(图 3-8).
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图 2 青藏高原东北缘古地震复发间隔T/Tave直方图及正态分布拟合曲线 Fig. 2 The T/Tave histogram of the recurrent interval for paleo-earthquake events and the curve of normal distribution in the northeast Tibetan Plateau |
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图 3 正态Q-Q概率图 Fig. 3 Normal Q-Q probability plots |
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图 4 反趋势正态Q-Q概率图 Fig. 4 Detrended normal Q-Q probability plots |
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图 5 对数正态Q-Q概率图 Fig. 5 Log normalQ-Qprobability plots |
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图 6 反趋势对数正态Q-Q概率图 Fig. 6 Detrended log normal Q-Q probability plots |
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图 7 威布尔分布Q-Q概率图 Fig. 7 Weibull Q-Q probability plots |
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图 8 反趋势威布尔分布Q-Q概率图 Fig. 8 Detrended Weibull Q-Q probability plots |
Q-Q概率图是根据变量分布的分位数对所指定的理论分布分位数绘制的图形，用来检验样本分布的一种统计图形，如被检验的数据符合所指定的分布，代表样本数据的点簇在一条直线上.主要包括两种图形:正态概率图和反趋势正态概率图，正态概率图中的点由数据中的每一个观测量与其正态分布的期望值所组成，这些点落在斜线上的越多，说明数据的分布越接近正态.反趋势正态概率图纵轴表示的是差值，描述在正态概率图中各点偏离正态直线的偏差，如数据呈现出正态分布的特点，那么这些点应该随机的聚集在一条通过零点的水平直线的周围.通过上述分析，结合图 3-8，可见正态分布的拟合效果最好､威布尔分布次之､对数正态分布稍差，因此，本文选用正态分布作为其概率密度函数.
即有T/Tave应服从于N(0.9538､0.38792)的正态分布，拟合的结果通过95% 的置信区间的2 的检验，说明在地震的原地复发的事件中约有95%的置信区间位于[μ-2σ，μ+2σ].
可得T/Tave服从正态分布的概率密度函数为
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(1) |
可导出青藏高原东北缘的概率分布函数:
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(2) |
式(2)中的Φ 是标准正态分布函数，R是地震在原地的平均复发间隔､t为离逝时间(即最后一次地震发生距今的时间).
利用上述的概率分布函数计算地震复发的条件概率应该满足:
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(3) |
式(3)中t为离逝时间､Δt为预测未来发震概率的时间增量，我们只需要给定t､R和Δt三个基本参数，就可以计算地震复发的条件概率.
对于地震复发的条件概率模型，张培震[14]曾利用大陆内部46个古地震的复发间隔数据进行了整理和分析，用对数正态分布拟合累计频率，得出适用于活动大陆内部所有活动断裂的通用分布关系式:
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(4) |
由最大似然法估计出均值μ = -0.1206，σ =0.5054，相对应的概率分布函数为
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(5) |
下文中我们将采取上述两种分布模型分别对东昆仑断裂带东段的地震危险性进行研究，进一步对比､分析和讨论结果，相互验证结果的可行度.
3 东昆仑活动断裂带东段的几何分段 3.1 东昆仑断裂带东段的几何分段东昆仑断裂带东段地处甘川青三省交汇区，为柴达木块体和巴颜喀拉块体的边界断裂的东部.在空间展布上，西起阿尼玛卿山北麓，经过东倾沟北侧､大武滩､肯定那､西贡周､唐地､在克生托洛穿过黄河，经玛曲后延入若尔盖盆地，从罗叉北出沼泽地与塔藏断裂相交，全长约330km，总体走向北西295°，倾向以南西为主[1].通过寻找走滑断层分段边界的构造标志[46]，自西向东可划分为三个一级段:分别为玛沁段､玛曲段和塔藏段(图 9)，各段落与西段的断裂划分边界标志为:玛积雪山隆起(挤压双弯曲)､断裂交汇分解区(玛沁断裂在西科河附近与阿万仓断裂交汇)､左阶拉分盆地(玛曲断裂通过若尔盖盆地与塔藏断裂的左阶排列).结合三段全新世以来的滑动速率(表 2)，可判断该三段全新世以来均保持着各自的活动幅度，滑动速率自西向东呈递减的趋势，与整个东昆仑断裂带自西向东活动减弱的大趋势保持一致.
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图 9 东昆仑活动断裂带东段几何分段示意图 Fig. 9 Geometric segmentation in eastern segment of the East Kunlun fault |
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表 2 东昆仑断裂带东段的分段标志和全新世以来的滑动速率 Table 2 Criteria of segment and holocene slip velocity in the eastern segment of the East Kunlun fault |
1994年美国学者Wells等[47]基于大量的样品数，建立了走滑地震地表破裂长度与矩震级的经验关系式，简称WC 经验关系:MW =5.16+1.12LgL，剩余标准差为0.28.在应用WC 等经验关系时，会遇到矩震级MW 与面波震级MS 之间的转换问题，Wells在1994年的工作中认为，当MS 在5.7~8.0级之间，两者之间不存在系统的差异，即MW ≈MS.但由于我国采用的震级测定方法和所用的台站资料与美国存在一定的差异，即我国大陆的MS 与MW并不相同.2009年冉洪流[48]根据中国大陆1973-文利用了上述的统计关系式，结合断层的长度，求得该段可能发生的最大震级(表 3):
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表 3 东昆仑断裂带东段各段落最大震级估算值 Table 3 Estimated value for the largest magnitudes in eastern segment of the East Kunlun active fault |
震离逝时间和平均复发间隔讨论在进行地震危险性评价时，需要全面了解该区的古地震平均复发间隔和最后一次地震的离逝时间.针对东昆仑断裂带东段的古地震定量研究开始于20世纪90年代，并陆续取得了一些研究成果，但成果之间的差异较大，本文将通过对比前人的研究成果，获得较为合理的古地震复发间隔和地震的离逝时间，为计算该段的复发概率提供较为准确的素材.
4.1 玛沁段从该段地表保存的地震鼓包､断层陡坎等构造地貌，反映出该段全新世以来有过多次活动，前人通过开挖探槽和利用天然露头的方法，得出了该段不同期次的古地震事件(图 10).图中不同研究者得到的古地震发生期次和年代有所不同，李陈侠[34]在格曲河东侧Ⅱ 级阶地断层剖面的下盘(Tc3)，获得了埋藏古地表最新的年龄为358~430CalaBP，其采样的位置是古植物层，但查阅近400 多年的历史文献资料，却没有发现有相关地震的记载，因此该年龄仍需要进一步的考证.从图 10中发现古地震年龄为977~1090CalaBP 时，研究者的结论基本保持一致[33-34]，且与历史文献中“格萨尔王传"中一段地震记载的时间相符，推测该年龄相对可靠，可作为该段地震发生的最后离逝时间.最后对比分析主要的研究成果，玛沁段的古地震事件主要可划定为6 次事件:第一次为977~1090CalaBP；第二次为2000±300CalaBP；第三次为3342~3454CalaBP ；第四次为6600±700a；第五次为7971~8050CalaBP；第六次为10000±200a.求得古地震的平均复发周期约为1765a.
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图 10 玛沁段古地震发生期次统计图 Fig. 10 Occurrence time of paleo earthquake in Maqên segment |
玛曲断裂的地震活动性相比玛沁断裂明显较弱，对于该段古地震资料前人也有较详细的研究(图 11)，西科河附近有两个探槽[1]，玛曲县城附近有四个探槽[1, 35-36]，本文将对比前人的研究成果，得到地震的离逝时间和地震的平均复发间隔.何文贵[35]等通过对比玛曲县城附近的三个古地震剖面，利用毛凤英等提出古地震事件的逐次限定法，给出了该段古地震发生较为准确的事件，全新世以来的有4次，认为第一次和第二次的古地震时间较为可靠，但由于探槽的数量少，古地震的记录仍存在不完整性.Lin 等[36]通过对玛曲段三个天然露头和两个探槽剖面的分层和采样，共识别出5次古地震事件，其中有一个探槽剖面的位置和何文贵[35]研究的位置一致，研究得到的古地震的年龄结果相差不大.本文通过对比前人的研究成果，进一步结合露头和探槽剖面的采样位置和测年方法，给出了7次较为可靠的古地震事件:第一次为1210±40a；第二次为1730±50a~2530±40a；第三次为3736±57；第四次为4850±40a；第五次为:6100~6700a；第六次为8590±70a；第七次为9000~10000a.可得最新一次古地震的离逝事件为1210±40a，古地震的平均复发周期约1465a.
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图 11 玛曲段古地震发生期次统计图 Fig. 11 Occurrence time of paleo earthquake in Maqu segment |
从断层形迹分布的连续性看，塔藏断裂属于东昆仑断裂玛曲以东段的阿西-塔藏断裂的一条分支断裂，倾角50°~75°，西起拉来坝南，向东经过塔藏､九寨沟口､彭丰､马家､务角以东消失，总长度在50km以上，控制了塔藏沟的发育，在坡麓地带形成断层残山或边坡脊地貌，新活动迹象明显.其中一条冲沟(若尔盖的阿西乡罗叉村东约7km)形成的Ⅱ 级洪积台地侧缘(顶部TL 年龄值为54000±4100a)被左旋位错了150m，I级洪积台地侧缘(顶部TL 年龄值为7300±500a)被左旋位错了20m，据此估计的断层平均滑动速率为2.7~2.8 mm/a(个人通讯).Kirby[37]在若尔盖盆地东北方向，沿着塔藏断裂西侧开挖了探槽，得到的两次古地震年龄，分别为4689±151 a B.P､9132±131a B.P[37]；NathanHarkins[49]对大致相同位置的古地震剖面进行采样，测得的古地震年龄为:4752±137aB.P､9173±111aB.P，两者年龄结果相差不大.结合何玉林(个人通讯)提供的该段的年龄值，可给出该段的古地震发生期次，分别为:4689±151aB.P､7300±500a､9132±131aB.P，古地震事件的平均复发间隔约为2220a左右.
据历史文献记载，公元638年(唐贞观十二年)､1630年(明崇祯十二年)在四川松潘(位于塔藏段落东南向约50km)发生地震，“河涨水赤，山崩城倒，坏人庐舍，压死兵民".如果塔藏段在此期间发生过Ms7.5以上的强震，应该有相应的历史记载，由此可推测塔藏段的最后地震离逝事件应该在公元638年之前，即最后地震的离逝时间应该介于1373~4689±151a左右.
5 东昆仑断裂带东段不同段落未来百年强震复发概率 5.1 各段危险程度的定性分类基于本文所求的地震平均复发间隔长的特点，对东昆仑断裂带东段的三个段落的地震危险程度做出一个定性的分类.我们通常用E=t/R描述断层上地震发生时间紧迫性[50]，却在一定程度上忽略了R对地震时间紧迫性的贡献.即使E值相同，R值不同的两个段落，地震危险程度是不同的，一般来说，R值越小的，危险程度就越高.因此，可以给定两个参量来划分危险性程度:①:E<0.5 且R>2500年为C 类，表明该段千年内无危险；②0.5<E<0.8且R<2500年为B 类，表明该段近几百年有较小的危险；③0.8<E<1且R<2500 年为A 类，表明该段近百年内危险性较大.E取0.5､0.8和1为临界值，是根据地震复发T/Tave的分布特征来定的，R取2500年是由于三段的重复间隔小于2500 年，随着预测时间的增加，危险度的增加也会较快.按照此原则划分:玛沁段和塔藏段属于B类，玛曲段属于A类.
5.2 各段未来一百年内发生强震(MS≥7)的概率值根据文中拟合的概率分布函数⑵和适用于中国大陆内部所有活动断裂的概率分布函数⑸，结合东昆仑活动断裂带上各段的最后地震离逝时间和平均复发间隔，分别计算该断裂带各段落自2011年起，未来20､50和100年期间，地震复发的条件概率(表 4).
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表 4 东昆仑活动断裂带东段未来20年､50年和100年强震复发条件概率 Table 4 Strong earthquake recurrence conditional probability in different rupture segmentation |
1984年Wallace等[51]在研究地震危险性的概率分析时提出:复发概率在0~10%之间的，属于低概率事件；11%~49%之间的属于中概率事件；50%~100%之间的属于高概率事件.从表 4中计算的复发概率的数据中发现，玛曲段在未来100 年的复发概率属于中概率事件，其余均属于低概率事件.
5.3 东昆仑断裂带东段未来至少发生一次MS≥7级地震的概率根据上述表 4中各个断层段的复发概率(本文拟合函数)计算了东昆仑活动断裂带东段未来至少发生一次以上大地震的联合概率:
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P1､P2､P3…为东昆仑活动断裂带东段不同段落发生地震的概率.
表 5中显示东昆仑断裂带东段未来20年发生强震的概率属于低概率事件､未来50 年､100 年间的发震概率属于中概率事件､表 5 中的概率可能仅代表此活动断裂带的最小概率值，因为古地震数据可能不是很充分，如缺乏某活动期次事件，就会高估复发间隔和离逝时间的值.
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表 5 东昆仑断裂带东段未来20年､50年和100年至少发生一次大地震的概率(以2011年起算) Table 5 Probability of the occurrence of strong earthquake for at least one in the eastern segment of the East Kunlun active fautt in the next 20 years N50years and 100 years (beginning form 2011 years) |
通过收集和整理青藏高原东北部的古地震资料，建立了该区的复发概率模型，并将其应用于东昆仑活动断裂带东段中长期强震的预测，取得的认识和存在的问题如下:
(1) 由强震复发概率模型计算的东昆仑断裂带东段的复发概率值，只有玛曲段在未来100 年的复发概率值为10.82%，属于中概率事件，其余两段计算的复发概率值都小于10%，属于低概率事件.考虑模型的不确定性，概率事件只能反映地震发生危险性较高，值得重点防御；塔藏段由于古地震研究的程度较低，文中计算发震概率采用的离逝时间为最小值，相应计算的发震概率稍低，结合该段的构造特征，认为该段在未来百年内强震发生的危险性仍较高.
(2) 由强震复发概率模型计算的条件概率P对预测时段Δt的敏感程度与复发周期R 的长短有密切的关系，一般来讲，R越大，概率值P随着预测时段Δt的增长相应的增加越慢，当R很大而Δt很小，预测效果较差，这也是复发模型在预测地震的局限性.东昆仑断裂带东段的不同段落的复发间隔都在千年左右，计算所得的条件概率值整体较小，但在一定程度上仍反映出该三段在未来百年内的发震水平.
(3) 利用青藏高原东北部22条断裂带的古地震定量数据，将其进行归一化处理，建立的强震复发概率模型，仍包含了很大的不确定性，如测年方法的误差､采样位置的合适度､古地震数据的遗漏等，这些误差是无法用定量的方法作出估计的.但将本文拟合的模型与目前通用的发震模型计算的概率值进行比较，发现通用模型的自变量t/R越接近1的时候，计算的复发概率值P增长的幅度不如本文拟合模型敏感.因此，对于古地震数据研究程度较高的断裂带，利用本文拟合的模型评价其未来大震的危险性可能更为准确，尤其是对平均复发间隔小，离逝时间长的段；而目前通用的复发模型针对那些古地震研究程度较低的断裂带，复发间隔较长的段落，可能更适用.
致谢感谢匿名审稿人和编辑部为作者提供了好的意见和建议，使本文得以改进和完善.
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