引言

第三代区划图和第四代区划图的编制工作均采用考虑时空非均匀性的地震危险性分析方法CPSHA(高孟潭,2006;时振梁等,2001;高孟潭,2003)。该方法是在Cornell(1968)提出的方法的基础上发展起来的,其基本技术思路是考虑潜在震源区的二级划分,即在地震带划分的基础上划分潜在震源区,并在地震带内统计地震年平均发生率和b值,通过地震空间分布函数,将各震级档的年平均发生率分配到各个潜在震源区(高孟潭,1988;时振梁等,1991;胡聿贤等,2006)。根据随机场方法统计检验,采用CPSHA得到全国范围地震区划结果在统计上是可靠的(高孟潭等,1993),但是不排除在具体地区由于资料和具体处理方法的局限,区划结果需要不断改进和更新(Frankel A.,1995)。

CPSHA方法的核心技术是划分潜在震源区和确定相应的地震活动性参数。近年来一些中强地震活动地区发生的地震表明,潜在震源区划分及地震活动性确定方法确实需要不断改进(高孟潭等,2008;李颖等,2007),地震区划图在一些中强地震活动地区的结果也存在明显不合理的地方。

湖南省现今的地震活动性较弱,历史上也只发生过21次43/4级以上地震。

因此,本文开展了第四纪活动断裂野外考察研究,弥补了地震样本较少的缺陷。在划分不同“试验潜源”时广泛收集了前人的研究成果,特别是在收集了湖南省境内核电工程地震安全性评价报告的基础上,开展了地震活动性、地震构造、地球物理场及地震地质野外考察等室内、外分析工作,并对湖南地区的潜在震源区7种划分的方案进行了对比,得出了划分原则和依据。

1 湖南省地震构造与地震活动性

湖南及邻区横跨扬子地台和华南褶皱系2个大地构造单元,可进一步划分为6个二级构造单元,即华南褶皱系的湘桂、赣粤褶皱带;扬子地台的江南台隆、江汉-洞庭拗陷和上扬子台褶带、下扬子台褶带(图1)。

图 1 湖南地区的大地构造单元图 Fig. 1Map of tectonic units of the study region
1.1 活动盆地

湖南境内有沅陵-麻阳拗陷、洞庭湖拗陷、长寿街-平江断陷、湘乡拗陷、衡阳拗陷、醴陵-攸县断陷、茶陵-永兴断陷等盆地。这些构造均在断陷区与隆起区的边界上,断块差异运动和构造地貌反差强烈地区,地震活动频度、强度亦较大。总体上看,缓慢上升区和断块差异运动不明显的地区,地震活动的频度和强度皆低。第四纪活动的洞庭湖断陷盆地的南西缘及西缘的中强地震强度、频度都较强。现代小震在常德-石门一带较为密集。

湖南中强地震活动与断块隆起和断陷盆地的交接部位有关。在白垩-古近纪盆地构造的边缘上,历史曾有中强地震活动,如长沙-平江、新化等盆地。在沅麻、衡阳、长沙-平江及洞庭湖等盆地的边缘、盆地内中更新世活动的断裂带在历史上均发生过有感地震(M≥3.0级)。这些盆地边缘和内部第四纪活动断裂上,现代均有小震发生。据向宏发等(2008)的研究,中强地震的发生均与第四纪断陷盆地发育和分布有关。

1.2 第四纪活动断裂

第四纪活动的断裂主要以北东向为主,其次为北北东和北西向。湖南省境内第四纪活动断裂有14条(图2、表1),即澧县-石首断裂带、慈利-张家界断裂带、沅江断裂带、新晃-怀化断裂带、溆浦-洪江断裂带(溆浦-低庄段、岳溪-安化段)、太阳山断裂带、新化断裂带(老王冲-梅城段、罗家冲-新化段、新化-城步段)、邵阳-新宁断裂带(崇阳-望城段、望城-新宁段)、湘潭-邵东断裂带、岳阳-湘阴断裂带(北段、中段、南段)、浏阳-衡阳-永州断裂带、茶陵-临武断裂带、常德-益阳-长沙断裂带(北西段、中段、南东段)、郴州断裂带。这些断裂活动时代为早更新世、早-中更新世、中更新世、中更新世晚期和中更新世-晚更新世等。

其中衡阳-永州断裂先后在江西九江、靖安、铜鼓;湖南道县、双牌、江华;广西昭平等地引发破坏性地震,并存在断错中更新世地层(中更新统)的现象。湘潭-邵东断裂和常德-益阳-长沙断裂带不但具有中更新世活动表迹,并沿带存在中强地震的活动。因此,考虑上述因素及不确定因素,特别是那些断裂在地貌表现清楚,断错相应时代地层(中更新统)的现象,综合社会和经济发展的需求等因素,判定上述断裂与地震潜在震源有一定的相关性(肖和平等,2009;2010)。

表1 湖南省第四纪断层(段)参数一览表 Table 1 Parameters of the Quaternary faults (section) in Hunan Province
图 2 湖南省地震构造图 Fig. 2Seismo-tectonic map of Hunan Province
1.3 新构造特征

湖南省新构造活动以垂直差异活动为主。由于间歇性不均衡升隆、拗陷和掀斜运动使山地遭受侵蚀,形成多级剥夷面,河流两岸阶地。

根据湖南境内河流阶地和夷平面的相对平均时代,即第四纪晚更新世(Q3)平均距今12.05万年;第四纪中更新世(Q2)平均距今45.35万年;第四纪下更新世(Q1)平均距今129.35万年;新近纪上新世(N2)平均距今356.9万年;新近纪下新世(N1)平均距今368.1万年。

根据河流阶地计算出的参考抬升速率为:第四纪晚更新世(Q3)=0.19mm/a;第四纪中更新世(Q2)=0.04mm/a。此外,根据第四纪中更新世(Q2)抬升的相对高差计算的参考平均速率为Q2=0.83mm/a。

根据夷平面计算出的参考抬升速率为:第四纪下更新世(Q1)=0.17mm/a;新近纪上新世(N2)=0.10mm/a;新近纪下新世(N1)=0.08mm/a。

在长江及其湘、资、沅、澧等主要支流河谷中,阶地相当发育。湖南北部主要河流阶地发育的总趋势是比较稳定且较一致,阶地越老,相对高程越大;不同地区同级阶地的分布高程存在一定的差异,似乎有从西北(澧水)向东南(湘江)阶地分布高程逐渐降低的趋势。

1.4 地震活动与新构造特征

湖南省地震活动的标志可归纳为:地震发生在新构造一、二级构造单元分区的边界断裂带,这些分区边界与不同级别的断块隆起或凹陷交切或汇聚的地段;在断块差异运动和构造地貌反差强烈地区,地震活动频度、强度亦较大;有两组或多组第四纪活动断裂交汇区,或与背景弧形、环状等构造交汇或汇而不交形成的闭锁区;区域性北北东向第四纪活动断裂或北西西向第四纪活动断裂成组出现,同向排列相间组合的断块结构,第四纪活动断裂收敛、拐折或与其它方向第四纪活动断裂相交的结点处;第四纪活动的断陷盆地、断陷谷,特别是断块隆起与断陷盆地的交接部位。

2 湖南省地球物理场

地震是活动断裂激烈运动的结果,然而,活动断裂与深部构造之间具有密切的内在联系。湖南省内几条主要第四纪活动断裂与重力、地磁异常有以下相关性(图3、图4):

图 3 湖南省地区重力异常图 Fig. 3Regional gravity anomaly map of Hunan Province
图 4 湖南省地区航磁异常图 Fig. 4Regional aeromagnetic anomaly map of Hunan Province

花垣-慈利断裂表现为重力梯度带,均衡异常图表现出弱梯度带,在磁场上断裂带反映不明显;汩罗-宁乡-新宁断裂带表现为重力梯度带和等值同向扭曲,在布格重力异常图上的反映为等值线同向扭曲;祁东-衡山-株洲断裂带表现为重力局部异常呈“串珠”状展布;桃江-新化-城步断裂表现为西侧壳内低速层出现在19-22km,而东侧壳内低速层在11-15km。沿断裂带为重力低。在大陆磁卫星△T异常图反映出断裂带北西侧为2-4nT的北东向区域正异常,南东侧为0-4nT的区域异常;常德-益阳-长沙断裂带表现为一条重力梯度带,沿带分布一系列“串珠”状重力低值区。

综上所述,区域内地球物理场与深部构造之间有一定的内在联系。总体来说,地壳起伏较为平稳,地壳厚度变化不大,地震活动呈低水平;布格重力场梯度较大的常德太阳山是湖南省历史地震和近代小震多发区;地壳等厚线(图5)显示湖南省境内的莫霍界面一般都在15-30km,地震基本上都发生在莫霍界面以上的地壳内;地下热泉的分布与地质构造和地震有一定联系,三者在趋势和位置上往往是一致的。湖南省地下热泉的分布与地震活动存在明显的相关性,湘西北、湘东南、湘中和湘东是地下热泉集中点和密集区。

3 潜在震源区划分的原则和依据

潜在震源区划分主要依据特定地段的地质、地震和地球物理场等,根据不同震级档地震发生条件来综合判别。

湖南区域内地震活动主要以中强地震为主,第四纪以来的构造活动总体上较弱,因此中强地震潜在震源区的划分十分重要。在具体划分中遵循以下原则:

图 5 湖南省地区地壳等厚线图 Fig. 5Crustal thickness isopach map of Hunan Province

潜在震源区划分主要以《中国地震动参数区划图(2001)》中潜在震源区综合划分方案为基础,参考通过审查的相关地震安全性评价报告中的划分结果,根据新资料与认识对一些潜在震源区做适当的修改。

潜在震源区划分仍采用“地震重复”和“构造类比”两条基本原则。此外,据以下原则划分潜源区,即新构造特别是晚第四纪差异性活动显著的地段,应考虑划分潜在震源区,一般划分为震级稍高一些的潜在震源区;对明显断错早、中更新世地层的断层,一般需考虑划分为中等震级的潜在震源区;对于仅有断层物质测年显示的早-中更新世有活动的断裂,但新构造运动时期差异性运动不明显,对第四纪地层分布没有控制作用,无断错早-中更新世地层证据的断裂,亦无地震活动证据,则不勾划潜在震源区;中小地震活动呈带密集发育的条带,显示了深部有差异性活动,尽管尚未发生中强地震,也应考虑为震级上限低一些的潜在震源区。潜在震源区的范围参考中小地震密集条带分布范围划分;确定潜在震源区的范围和方向时主要依据断裂延伸方向、断裂带的规模以及中小地震的分布范围。同时还考虑断层分段和断层交汇等因素。

4 潜在震源区划分方案

中强地震活动地区应以地质构造类比为主,为此,对提出的7种潜在震源区划分方案(图6)进行了对比。

(1)潜在震源区划分方案1原则及论证

该方案主要是依据第四代地震动参数的划分方案,其参数也是利用原有地震区和地震带的参数。

图 6 湖南省地区7种潜在震源区划分方案 Fig. 6Seven zonation programs of potential seismic sources of Hunan Province

(2)潜在震源区划分方案2原则及论证

地震与地质资料是划分潜在震源区的重要依据。根据湘东地区中强地震分布与断裂早第四纪活动特征,划分潜在震源区(表2)根据以下原则:

① 对于第四纪差异活动盆地,在发震构造不清楚,也无其他反映活动构造的线索的情况下,若是张陷盆地,潜在震源区宽度需包括整个盆地的宽度;如是压陷盆地,潜在震源区的宽度应比盆地宽度稍大(周本刚等,1997),如衡阳盆地潜在震源勾划;

② 在北西与北东向断裂复合部位,断裂中更新世活动幅度较大,且历史上有中强地震活动的地区勾划为6.0级地震潜在震源区,如长沙-湘潭-湘乡一带潜在震源勾划;

③ 在第四纪盆地内,伴随盆地的活动必然引起沉降中心及周缘附近断裂构造的活动,存在中更新世断裂活动形迹的地区勾划为潜在震源区,如衡阳盆地潜在震源区;

④ 在向西突出的祁阳弧形构造顶部,即北西与北东构造皆发育地段,存在较弱中更新世活动构造形迹,则勾划为震级稍低的潜在震源区,如祁阳-永州潜在震源区。

表2 湖南及邻区潜在震源划分表 Table 2 Potential source division of Hunan and its adjacent region

⑤ 沿断裂现代中小地震具有明显的第四纪特征,可以勾划为潜在震源区,如邵东潜在震源区。

(3)潜在震源区划分方案3原则及论证

根据周本刚在湖南及湖北两省工作经验划分。同时根据周本刚在湖南及湖北参加核电安评的研究1, 2, 3, 4,并在课题阶段讨论会上交流,形成此方案。

(4)潜在震源区划分方案4-7原则及论证

根据衡阳核电报告资料,综合第四代地震动参数区划图的结果以及在方案2—3的基础上增加了衡阳、湘潭潜在震源区,即划分出方案4-7。

现就衡阳、湘潭潜在震源区的特征简述如下:

① 衡阳潜源特征

该潜在震源区沿着衡阳断裂带划分。在泉溪镇西约2km处蔡家冲公路边,可见耒水中更新世河流相砾石层被断错现象。在该套砾石层与棕红色粘土层之间,存在一组破劈理面,并且断面具有切过砾石层顶面继续向上延伸的迹象。沿着断面,砾石略显定向排列,并有宽约15—20cm的构造混杂带。采集断错地层的年代样品(E-CZ-3),测试结果为距今(468±46)ka。根据构造类比原则,该潜在震源区震级上限为5.5级。

② 湘潭潜源特征

该潜在震源区沿着湘乡断裂划分。湘乡断裂地貌表现清楚,沿带发育断崖及断层三角面,是湘乡红盆地的边界断裂。第四纪时期,该断裂对中更新统下段的新开铺组分布有明显控制作用。在庙湾里,可见直接断错中更新世地层的构造现象,为一条中更新世断裂。根据构造类比原则,震级上限为5.5级。

5 潜在震源区震级评定因素及结论

潜在震源区划分的合理性和可靠性在很大程度上取决于强震发生条件的识别,不同地区发生同级地震的构造标志是不同的(张裕明等,1992;1994)。

湖南区域北部属华南地震区的长江中游地震带与东南沿海地震带。长江中游地震带为华南地震区最北的一条地震带,包括四川、湖南、湖北、贵州、广西、江西、浙江和福建大部或部分地区。北邻华北地震区,南邻东南沿海地震带。东南沿海地震带包括东南沿海、东海南部、台湾海峡及南海北部海域。本地震带位于华南加里东褶皱带,地壳厚度从海域向大陆逐渐增厚。

根据湖南省及邻区的地震活动性、地震构造、地球物理等特征,在潜源划分中震级上限评定主要考虑以下因素:区域地震活动的总体水平,从区域地震活动强度对潜在震源区的震级上限进行宏观控制;潜在震源区的震级上限应等于或大于历史地震震级;新构造位置及活动性类似地段,如果没有资料说明它们在晚第四纪以来构造活动存在差异,应通过构造类比划分为相同震级上限的潜在震源区;对于在地表发现断错晚更新世或全新世地层的断层,需要考虑划分为震级上限6.5级或6.5级级以上潜在震源区的可能性,在这种情况下需要考虑断层活动幅度或活动速率的大小;对于断错早、中更新世的断层,且位于重要的新构造分区边界,需要考虑划分为震级上限6级或6级以上潜在震源区的可能性;对于规模较大的断层带,有地质地貌证据显示中更新世有过活动,一般可划分为低震级潜在震源区,如5.5级潜在震源区。

中强地震活动地区具有危险性低而风险性高的特点。我国约三分之一地区位于中强地震活动地区,科学合理地确定这些地区的抗震设防要求,对这些地区的地震安全,特别是农村地区的地震安全是至关重要的,地震区划是制定抗震设防要求的基础。中强地震活动地区的地震活动性分析方法、潜在震源区划分及其震级上限的确定和地震动衰减关系的研究,仍然是制约地震区划科学性和合理性的关键因素,应该进一步加强研究。应结合国内外中强地震地区潜在震源区划分及地震活动性参数确定的最新研究进展,发展一种以新构造运动特征为加权因素的活动性空间光滑方法,加强地震资料、地质资料和地球物理场资料的融合使用,加强经验判断与数理统计方法的结合,提高潜在震源区划分的科学性。

致谢:“湖南中强地震活动地区抗倒塌地震区划图示范编制(2006BAC13B01-0605-1)”是科技部2006年设立的国家科技支撑计划课题——“强震危险区划关键技术研究(2006BAC13B01)”的第六专题“地震区划概率水准确定与地震区划图预编试验研究”中的第五个子专题,本文的研究工作是以此为基础的,在此,对该项目的所有专家、同仁,以及对本文研究成果有贡献的所有专家、同仁表示诚挚地感谢。

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