2017, Vol. 32
2. 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室, 北京 100029
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
预测评估断层发震潜力及其破裂规模，无疑对防震减灾具有重要的参考意义.然而，人们对发震断层及其破裂长度的研究多集中在事后分析.例如，2008年汶川大地震后，诸多学者对其发震构造龙门山断裂带(吴满路等，2010；唐文清等，2012；贺鹏超和沈正康，2014)及其地震破裂带(何宏林等，2008；马保起等，2008；徐锡伟等，2008；周庆等，2008；王萍等，2009)进行了详细研究.目前对断层破裂长度的确定主要有以下方法(周钖元等，1986；沈建文等，1990)：(1) 将地表破裂长度视为断层破裂长度；(2) 以Ⅶ度或Ⅷ度区的长轴方向长度作为断层破裂长度；(3) 以余震分布区域的长轴方向长度作为断层破裂长度；(4) 根据震源机制的分析结果确定断层破裂长度.上述方法均是在强震发生后基于地表调查或经验公式获得相关参数.
在未来发震断层预测方面，诸多研究者多采用断层活动性评价或统计分析方法定性地评估某断层的地震危险性.以龙门山断裂带为例，汶川大地震前，唐荣昌等(1991)根据断层活动性与地震关系的研究，认为龙门山断裂带的活动强度低于松潘地区，与其密切相关的最大地震震级为6.5级；白兰香和闻学泽(1994)用概率法分析了龙门山断裂带茂汶-汶川段的长期强震潜势，认为“未来50~100年内该断裂复发强震的危险性为中等及中-高水平，但近几年内发震的可能性较小”；江道崇(1995)通过对龙门山地震带强震时空状态及中等地震活动特点的研究，认为该带所能发生的地震最大为4.0级左右；李传友等(2004)认为“龙门山推覆构造带北段自中更新世开始，活动逐渐变弱，到晚更新世晚期完全停止活动”；余团和曹运江(1999)运用地震活动与断裂构造关系的统计分析探讨龙门山构造带稳定性，认为“该带在相当一段时间内，发生强震的可能性不大”；易桂喜等(2006)利用b值空间分布与地震活动参数分析了龙门山-岷山断裂带的地震活动性，得出“未来不太长的时期内复发大地震的可能性较小”；汶川大地震后，李德威(2008)指出“根据青藏高原下地壳流动过程和强震迁移规律，初步推测未来5~8年(2013-2016年)滇西及滇中地区可能发生8.0级左右地震.应当大力加强鲜水河-安宁河-小江、金沙河-红河、龙陵-澜沧江、嘉黎-高黎贡等活动断层带的三维热异常的系统检测”.再以鲜水河断裂带为例，钱洪等(1988)对鲜水河断裂带潜在震源区进行了划分，认为乾宁断裂具备发生7.0级左右地震的潜势；李天祒(1997)利用历史地震和统计学方法对鲜水河断裂带各段进行了地震危险性评估，认为各段均具有发生6.0~6.5级地震的潜势，未来百年断裂带内地震平均复发间隔约为15年，乾宁断裂未来30年内发生7.0级左右地震的概率为90%；周荣军等(2001)利用历史地震地表破裂、同震位错和古地震等资料，认为鲜水河断裂带乾宁-康定段未来百年均不存在强震复发的可能性；熊探宇等(2010)根据历史地震统计分析，认为未来7.0级左右地震最有可能发生在鲜水河断裂乾宁段.
由上可见，不同研究者对未来发震断层的地震趋势预测结果差异较大，而且与实际震情也有很大出入.究其原因，上述研究主要存在如下问题：(1) 断层能否发生强震与其活动性强弱及历史地震并无直接关系，汶川大地震的发生即是如此；(2) 统计分析方法只能模糊评价断层的地震危险性，并不能准确地预测发震断层.即使能预测，也不能准确确定未来地震震级，更不能预测未来地震断层破裂长度；(3) 强震的发生并不局限于某一条断层，而可能是多条断层围限而成的锁固段破裂所致(图 1).对发震断层的预测，应从锁固段破裂机制与强震孕育规律入手.
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图 1 标志性地震事件断层破裂长度示意图 Figure 1 A sketch map of fault rupture length for characteristic earthquake events |
鉴于此，本文基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论(秦四清等, 2010a, b)与地震事件量级匹配原则(秦四清等，2016b)，并结合震例分析，提出了标志性地震事件断层破裂长度预测模型，可为未来发震断层预测提供参考.
1 标志性地震事件断层破裂长度预测模型设某地震区某一锁固段在体积膨胀点发生的标志性地震事件震级为Mc，发震断层Fc长度为Lc；在峰值强度点发生的标志性地震事件震级为Mf，发震断层Ff长度为Lf(图 1)，并设
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(1) |
式中α与β为回归系数.
由式(1) 得：
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(2) |
Wyss和Brune(1968)、郭增建等(1973)与Mogi(1987)的统计分析表明，通常β≈2，则式(2) 可近似表达为
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(3) |
需指出的是，地震断层破裂长度一般不小于地表破裂长度，锁固段峰值强度点发生的标志性地震事件通常能产生显著的地表破裂，而其他地震事件即使震级较大，也可能不会产生显著的地表破裂.为简化分析，本文将地表破裂长度视为地震断层破裂长度.
秦四清等(2016b)对地震事件量级匹配原则的研究表明，锁固段在膨胀点和峰值强度点发生的标志性地震事件震级差ΔM≤0.5，则由式(3) 得到γ≥0.56.当ΔMmax=0.5时，破裂长度比的下限值γmin=0.56.主震事件发生前，一般情况下ΔM=0.2，此时对应的γ=0.8.
2 实例分析表 1示出了某些地震区ΔM和γ值，可看出理论值相当接近于实际值，下面将进行具体分析.
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表 1 某些地震区ΔM与γ值 Table 1 The values of ΔM and γ in some seismic zones |
图 2示出了该地震区当前周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等，2016a)，可看出1962年5月21日格尔木东北MS 6.8级地震与1990年4月26日共和西南MS 7.0级地震，分别为该地震区第2锁固段在膨胀点和峰值强度点发生的标志性地震事件.1990年MS 7.0级地震断层破裂长度为60 km(涂德龙，1992)，根据郭增建等(1973)的公式计算得1962年MS 6.8级地震断层破裂长度为46 km，则实际值γ=0.77.当ΔM=0.2时，由式(3) 计算得理论值γ=0.8.
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图 2 格尔木地震区318.5.26 -2015.11.21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.0级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 2 Temporal distribution of CBS in the period from 26 May 318 to 21 November 2015 for the Golmud seismic zone (The earthquake events with MS≥5.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
图 3示出了该地震区当前周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等，2016a)，可看出180年甘肃高台西MS 7.5级地震与1927年5月23日古浪MS 8.0级地震，分别为该地震区第1锁固段在膨胀点和峰值强度点发生的标志性地震事件，根据郭增建等(1973)的公式计算得180年MS 7.5级地震断层破裂长度为89 km，1927年MS 8.0级地震断层破裂长度为145 km(周俊喜等，1986；杨天锡等，1991)，则实际值γ=0.61.当ΔM=0.5时，由式(3) 计算得理论值γ=0.56.1927年MS 8.0级地震与1932年12月25日昌马MS 7.8级地震，分别为该地震区第2锁固段在膨胀点和峰值强度点发生的标志性地震事件.1932年MS 7.8级地震破裂长度为116 km(时振梁等，1974；周俊喜和张生源，1981)，则实际值γ=0.8.当ΔM=0.2时，由式(3) 计算得理论值γ=0.8.
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图 3 古浪地震区180-2015.11.21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.5级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 3 Temporal distribution of CBS in the period from 180 to 21 November 2015 for the Gulang seismic zone (The earthquake events with MS≥5.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
图 4示出了该地震区当前周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等，2016b)，可看出1870年4月11日巴塘MS 7.3级地震与1948年5月25日理塘MS 7.3级地震，分别为该地震区第1锁固段在膨胀点和峰值强度点发生的标志性地震事件.1870年MS 7.3级地震断层破裂长度为115 km(四川省地震局地震地质队, 1988a)，1948年MS 7.3级地震断层破裂长度为120 km(四川省地震局地震地质队, 1988b)，则实际值γ=0.96.当ΔM=0时，由式(3) 计算得理论值γ=1.
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图 4 得荣地震区1128-2015.11.21之间CBS值与时间关系 数据分析时选取MS≥5.75级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 4 Temporal distribution of CBS in the period from 1128 to 21 November 2015 for the Derong seismic zone (The earthquake events with MS≥5.75 are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
图 5示出了该地震区当前周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等，2016a)，可看出1937年1月7日青海玛多MS 7.8级地震与2008年5月12日汶川MS 8.1地震，分别为该地震区第2锁固段在膨胀点和峰值强度点发生的标志性地震事件.1937年MS 7.8级地震断层破裂长度为180 km(李祥根，2009)，2008年MS 8.1级地震断层破裂长度为240 km(李祥根，2009)，则实际值γ=0.67.当ΔM=0.3时，由式(3) 计算得理论值γ=0.7.
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图 5 汶川地震区638.2.14 -2015.11.21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.5级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 5 Temporal distribution of CBS in the period from 14 February 638 to 21 November 2015 for the Wenchuan seismic zone (The earthquake events with MS≥5.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
由上述分析知，理论计算结果与实际情况较为吻合，据式(3) 可预测未来标志性地震事件的断层破裂长度.表 2示出了对上述地震区未来标志性地震事件断层破裂长度的预测.显然，根据预测的断层破裂长度并考虑地震区的地震构造特征与地震活动性，可判断未来标志性地震事件可能的发震断层，为预测未来发震断层提供参考.
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表 2 上述地震区未来标志性地震事件断层破裂长度预测值 Table 2 The predicted values of fault rupture length for the characteristic earthquake events which will occur in the above-mentioned seismic zones |
本文基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论及地震事件量级匹配原则，建立了标志性地震事件的断层破裂长度预测模型，据此可预测未来标志性地震事件的发震断层破裂长度，可为某地震区未来具体发震断层预测提供参考.
致谢 感谢国家自然科学基金资助项目(编号：41572311, 41302233) 对研究工作的资金支持.| [] | Bai L X, Wen X Z. 1994. Seismic potential of long-term strong shock on the Maowen-Wenchuan segment of the Longmenshan fault zone[J]. Earthquake research in Sichuan(3): 51–58. |
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