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北京地区的地震构造、历史地震与地震危险性

已有 2360 次阅读 2019-4-18 14:03 |个人分类:地震风险|系统分类:科研笔记| 北京地区, 地震危险性

有一次和几位家在北京且从事建筑抗震的朋友吃饭时,他们十分关心北京的地震安全问题,让我谈谈看法。我说大家都不希望北京发生较大的地震,这完全可以理解,但必须要尊重自然,从地震的发生机制与规律入手,才能对北京的地震危险性有客观的认识。我粗略地谈了几句,他们认为我说的靠谱,并建议我写篇文章出来,以便于更深入地讨论和交流。

北京地区活动断裂发育,是新构造活动较强烈的地区。北京地区位于我们划分的唐山地震区和运城地震区交界处的西北端(图1),且其主要位于运城地震区。在唐山地震区,曾发生 1679 年三河-平谷MS7.8地震、1966年邢台MS7.2地震,1976年唐山MS7.8地震等;在运城地震区的东北部位——山西裂陷盆地带的北端,曾发生多次强震与大地震。北京地区历史上也曾发生过多次强震,并非“安全岛”。受这些地震的波及或直接影响,导致了北京地区不同程度地人员伤亡和财产损失。显然,科学评价北京地区的地震危险性,对该区未来防震减灾工作具有重要指导意义。

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 1 唐山和运城地震区地震构造图

为此,本文从这两个地震区的地震趋势研判入手,并结合北京地区活动断裂发震潜力评估,剖析北京地区地震危险性。

一、活动断裂与地震活动

北京地区断裂【1-5NENNE向为主,其次为NW(图2)。NENNE向断裂包括延庆-矾山盆地北缘断裂、南口山前断裂、小汤山-东北旺断裂、黄庄-高丽营断裂、密云-牛栏山断裂、顺义-良乡断裂、南苑(大兴)-通县断裂、夏垫断裂与宝坻断裂等。北西向断裂包括南口-孙河断裂和永定河断裂等。

这些断裂活动时代一般在早、中更新世,第四纪晚期以来断裂活动具有明显的分段性,其中晚更新世以来有过活动的断裂包括延庆-矾山盆地北缘断裂、南口山前断裂、小汤山-东北旺断裂、南口-孙河断裂、黄庄-高丽营断裂、顺义-良乡断裂、南苑(大兴)-通县断裂、夏垫断裂和宝坻断裂等,其整体活动性表现为由南到北逐渐加强【1】。

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2 区域地震构造图【1

    有史以来,北京地区共发生MS≥5.0地震12次,见表1 

1 有史以来北京地区MS≥5.0地震【6

纬度(o

经度(o

深度(km)

震级

标度

地名

294

9


40.5

116.0


6

MS

北京延庆东

1057

3

30

39.7

116.3


6.75

MS

北京大兴

1076

12


39.9

116.4


5

MS

北京

1484

2

7

40.5

116.1


6.75

MS

北京延庆

1536

11

1

39.8

116.8


6

MS

北京通州

1586

5

26

39.9

116.3


5

MS

北京

1632

9

4

39.7

117.0


5

MS

北京通州东南

1665

4

16

39.9

116.6


6.5

MS

北京通州

1679

9

2

40.0

117.0


7.8

MS

河北三河-平谷

1730

9

30

40.0

116.2


6.5

MS

北京西北

1746

7

29

40.2

116.2


5

MS

北京昌平

1765

7

4

40.1

116.0


5

Ms

北京昌平西南

备注:根据我们的研究,已将1679年三河-平谷MS8.0地震修订为MS7.8.

以下,看看这些地震发生在哪些断裂上(断裂资料参考了文献【1-5】)。

1 延庆-矾山盆地北缘断裂(位于运城地震区)

该断裂走向NE,倾向SE,长约102km,自上新世以来活动强烈,全新世以来发生过多次古地震,具丛集复发特点。其是294年延庆东MS6.0地震和1484年延庆MS6.75地震的发震断裂。

2、南口山前断裂(位于运城地震区)

该断裂走向NE,倾向SE,长约61km,推测是1765年昌平西南MS5.0地震的发震断裂。

3、南口-孙河断裂(大部位于运城地震区)

该断裂走向NW,倾向SW/NE,长约58km,是1746年昌平MS5.0地震的发震断裂。

4、永定河断裂(位于运城地震区

该断裂走向NW,倾向SW/NE长约26.2km推测是1586北京MS5.0地震的发震断裂。

5、黄庄高丽营断裂(位于运城地震区)

该断裂走向NNE-NE倾向SE,长约140km。关于1730年北京西北MS6.5地震的发震断裂,尚存争议。环文林【7】认为其是清河隐伏断裂,徐锡伟等【8】认为其是东北旺-小汤山断裂,周青云等【9】认为1730年地震是这两条断裂共同作用的结果,但以后者为主。从图3看出,东北旺-小汤山断裂、清河断裂、八宝山断裂与黄庄-高丽营断裂近似平行且相距较近,可把这些断裂总体上归为黄庄-高丽营断裂带。因此,可认为1730年地震发生于黄庄-高丽营断裂带,这是我们的新认识,且能化解“莫须有”的争议。

6、顺义-良乡断裂(位于运城地震区)

该断裂走向NNE倾向NW/SE长约133km,是1076年北京MS5.0地震的发震断裂。

7、南苑(大兴)-通县断裂(分界断裂)

该断裂走向NNE,倾向NW,长约130km,是1057年大兴MS6.75地震和1665年通州MS6.5地震的发震断裂。这两次地震发生在唐山地震区。

8、夏垫断裂(位于唐山地震区)

该断裂走向NNE倾向SE长约122km,是1536年通州MS6.0地震和1679年三河平谷MS7.8地震的发震断裂。

9、宝坻断裂(主要位于唐山地震区)

该断裂走向NEE,是1632通州东南MS5.0地震的发震断裂。

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 3 北京市地震构造图【1

二、北京地区地震危险性评估

1、唐山与运城地震区地震趋势

基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论,我们分析了唐山和运城地震区地震趋势【2】,现简述如下。

唐山地震区未来有MS7.8~8.3标志性地震发生,目前远离临界状态(图4),预判震中位置在天津-沧州一带;在标志性地震发生前,该区会发生多次不超过MS7.6的预震。

 

image.png

4 考虑误差修正后唐山地震区公元前1767-2015.11.21之间

MS≥5.0地震的CBS与时间关系

运城该地震未来有MS8.0~8.5标志性地震发生,目前远离临界状态(图5),预判震中位置在运城一带;在标志性地震发生前,该区会发生多次不超过MS7.8的预震。

 

image.png

考虑误差修正后运城地震区公元前2300-2015.11.21之间

MS≥6.0地震的CBS与时间关系

2、活动断裂发震潜力

如上所述,因上述两个地震区的未来标志性地震不发生在北京地区,且目前距临界状态尚远,故以下仅评述北京地区活动断裂发生预震的潜力。

以上曾提及,北京地区有9条活动断裂发生过MS≥5.0地震。从我们分析过的震例看,从未发生过强震但发生过中强震,且长期处于地震平静期的活动断裂,通常表明其存在非锁固段,其发震震级上限一般不超过MS6.0。鉴于这样规模的地震,烈度较小,基本上不超过北京地区的抗震设防烈度,故本文不予讨论。然而,那些发生过MS≥6.0地震且时有中强震发生的活动断裂,往往会有更大的地震发生,是本文关注的对象。

我在以前的博文中已指出,单独评价某条断裂(带)的发震潜力或地震危险性相当不靠谱。为此,我们已提出了通过在地震区中划分研究区,进而分析研究区地震危险性的方法。然而,该方法难以评价某条特定断裂(带)的发震潜力。怎么办?当然还是凉拌了,活人不能被那啥憋死,得另想招儿。

龙峰等【10】提出了适用于华北地区的震级破裂长度统计关系为:

MS =3.821+1.860lg(L)                (1)

式中,L为震源破裂长度。

显然,如果某长为L的断层在一次地震时全部破裂,则按式(1)确定的震级为该断层的发震潜力——震级上限。如果该断层发生过几次地震,则可根据式(1)算出这些地震的破裂长度之和。若把剩余长度视为未破裂长度,据式(1)可计算该断层的未来发震潜力。嗯,雕虫小技有啦,那就开干吧。

正式开干前,得先看看按这样的做法行不行。以夏垫断裂为例,该断裂长约122km,是1536年通州MS6.0地震和1679年三河-平谷MS7.8地震的发震断裂。按式(1)算得第一次地震对应的破裂长度约为14.8km,这样剩余长度约为107.2km,再用式(1)算得其相应一次地震的震级约为MS7.6,接近实际震级MS7.8,说明这样的做法大致可行。也可看出,由于夏垫断裂的发震潜力已被耗尽,故在唐山地震区当前地震周期该断裂难以再发生较大地震。

下面,捋捋有可能发生大事儿的活动断裂发震潜力。

(1)延庆-矾山盆地北缘断裂

按式(1)算得剩余长度约为49.6km,其相应的发震潜力约为MS7.0。若发震,发生在运城地震区。

2黄庄-高丽营断裂(带)

按式(1)算得剩余长度约为112.4km,其相应的发震潜力约为MS7.6。若发震,发生在运城地震区。

3南苑(大兴)通县断裂

按式(1)算得剩余长度约为64.8km,其相应的发震潜力约为MS7.2。若发震,发生在唐山地震区。

上述分析给出的是震级上限,然而某断裂可能会以几次较大的地震发生分段破裂,这样该断裂所能发生的最大地震震级会减小。尽管如此,分析地震危险性时,我们只能按最不利情况考虑,因为我们赌不起。

3、地震危险性

以上分析说明,北京地区的上述3条活动断裂具有发生MS7.0~7.6地震的潜力,对此须有清醒地认识。无疑,上述计算仅是“理论”上的可能,那么“实际”情况又该如何呢?为此,下面接着分析唐山和运城地震区未来标志性地震发生前,这些断裂最可能的发震潜力。

我们注意到,唐山地震区在1668年后的两次标志性地震之间,会发生1~2次“鹤立鸡群”的预震,如在1679年和1888年两次MS7.8标志性地震之间,曾发生1830年河北磁县MS7.5预震;在1888年和1976年两次MS7.8标志性地震之间,曾发生1966年邢台MS7.2预震和1969年渤海湾MS7.4预震(前震)。1976年唐山地震后,间隔不到一天曾发生河北滦县MS7.5预震,故该区仍有可能再次发生不小于MS7.0的预震。因此,不能排除南苑(大兴)通县断裂发生MS7.2预震的可能性。

我们也注意到,在运城地震区的3MS8.0标志性地震之间,均发生过1~2次大预震(MS7.0)。在1695年山西临汾MS8.0标志性地震发生后,该区尚未发生MS7.0预震,故该区发生大预震的几率增加。鉴于以前预震的震级上限未超过MS7.0,通过类比可把黄庄-高丽营断裂的发震潜力降低些,定为MS7.0~7.2较为合理。

综上分析,我们认为上述3条活动断裂具有发生MS7.0~7.2地震的潜力。我们的研究表明,在发震前不会出现神马短临“物理异常”现象,且根据中小地震活动判断有无后续较大地震的方法是徒劳无功滴。事实上,某断裂未来究竟可能发生多大规模的地震,本质上取决于当前锁固段的分布范围是否把该断裂牵涉其中,以及破裂尺度等。鉴于此,我们建议对上述3条断裂进行地质调查和地球物理勘探,以查明当前锁固段的分布范围与这3条断裂的关系,进而复核本文的地震危险性评估结果,以有的放矢地开展防震减灾工作。

北京地区位于唐山和运城地震区交界处的西北端,这两个地震区活动构造发育、强震与大震频发,且随时间的延续距主震越来越近,未来的地震活动将会趋于频繁和猛烈,由此决定了北京地区的防震减灾形势不容乐观。北京地区不仅要预防外围地震的波及,还要应对当地地震造成的直接破坏。鉴于地震区预震的发生(时空强要素)具有随机性的特点,再考虑到北京地区的特殊地位,为确保无虞,最有效的防震减灾措施是适当提高抗震设防烈度。基于上述分析,我们建议把目前北京地区的设防烈度参数,特别是与这3条断裂关系密切区域的设防烈度参数,上调0.5度或1度,则能大幅减小该区未来的地震风险。

孟子有云:“生于忧患,死于安乐。”对头,宁可千日无震,不可一日无防啊。

参考

1】玄月,2011. 北京市断裂活动性研究及地震危险性分析. 中国地质大学硕士学位论文.

【2】杨百存, 秦四清, 薛雷等. 2017.雄安新区地震危险性评估. 地球物理学报,60(12):4644-4654,doi: 10.6038/cjg20171209.

3】第四纪断裂,https://wenku.baidu.com/view/b325855cbe23482fb5da4c06.html

4】秦向辉,张鹏,丰成君,等.2014.北京地区地应力测量与主要断裂稳定性分析.地球物理学报57(7):2165-2180,doi:10.6038/cjg20140712.

【5】高战武,陈棋福,黄金莉,齐诚,李乐,2010. 北京地区主要活动断裂深部速度结构特征及强震构造分析. 震灾防御技术,53):271280.

6】宋治平,张国民,刘杰,等. 2011. 全球地震目录. 北京:地震出版社.

7环文林,1996. 1730 年北京圆明园地震. 地震研究, 19 ( 3 ) :260 – 2661.

8徐锡伟,吴卫民,张先康, . 2002.首都圈地壳最新构造变动与地震. 北京: 科学出版社.

9周青云,周仕勇, 陈棋福,. 2008. 正演推算1730年北京西郊地震的发震断层和滑动角.地震地质,314),369-376.

10】龙锋,闻学泽,徐锡伟,2006. 华北地区地震活断层的震级-破裂长度、破裂面积的经验关系. 地震地质,284),511-535.




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