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面状发震构造在地震构造法中的应用:以大姚—姚安发震构造鉴定为例
面状发震构造在地震构造法中的应用:以大姚—姚安发震构造鉴定为例
李金臣* 潘华*
中国地震局地球物理研究所,北京 100081
 [收稿日期]: 2013-01-23
摘要

核电厂地震安全性评价中的地震构造法,要求鉴定发震构造和划分地震构造区,在以往实践中,发震构造鉴定往往基于地表活动断裂构造,且表征为线状震源。当存在较强非随机分布的地震活动且难以找到清晰的地表活动断裂构造形迹时,地震构造法就难以合理地表现这些地震的危险性。本文以云南滇中大姚—姚安发震构造鉴定为例,探讨了在地表活动构造形迹不清,中强地震活动性较强的滇中大姚—姚安地区,采用面状发震构造来表征地震危险性的方法,讨论了在地震构造法中采用面状发震构造的必要性、鉴定思路和方法,并建议在今后的核工程地震危险性评价地震构造法中应充分考虑面状发震构造的应用。


前言

根据我国核安全法规《核电厂厂址选择中的的地震问题(HAD101/01)》(国家核安全局等,1994)、国家标准《工程场地地震安全性评价(GB 17741-2005)》(中华人民共和国国家标准,2005)和《核电厂工程地震调查与评价规范(GB/T 50572-2010)》(中华人民共和国住房与城乡建设部,2010)的相关规定,在对核电厂址进行地震安全性评价确定设计基准地震动参数时,需要采用确定性方法中的地震构造法。

地震构造法将所有地震活动归结为两类:一类为与已知发震构造相关的地震活动;另一类为已知发震构造无法解释的地震活动。前者直接受控于发震构造,其空间分布限定在发震构造范围内,在地震构造法中以明确的几何要素简化来表示实际上颇为复杂的具体地质构造,用于表述这类地震活动的危险性。后者称为弥散性地震活动,这类地震活动通常为中小地震活动,在一定的空间范围内呈弥散性分布特征,评价这类地震活动的危险性遇到的最大障碍是难以鉴别其发震构造,在地震构造法中简单以面状几何区域来限定与特定构造背景相关的弥散地震活动的分布范围,即地震构造区。通过上述简化过程,将区域地震构造特征抽象表达成地震构造区和发震构造,构成地震构造法计算的输入模型。因此,在核电厂地震危险性评价工作中,对发震构造的鉴定是一项重要的工作。

核工程地震危险性评价涉及的相关法规与规范中对于发震构造的定义大同小异,均指显示地震活动性的、或存在历史地表破裂的、或有古地震活动的构造,在所关心的时期内具有“显震活动”水平的构造。“显震活动”是指能够反映构造具有显著和持续活动性的地震活动,通常认为是大于等于3级的地震活动(导则HAD101/01,IAEA导则(NS-G-3.3)),区别于微震活动。从定义中可以看到,对发震构造的定义比较宽泛,只要是有一定地震活动水平和地震活动遗迹的地质构造,均可视为发震构造。

在我国多年的核电厂地震危险性评价实践中,根据我国地震活动与活动断裂的相关性研究成果,通常将地表出现的晚更新世以来的活动断裂构造鉴别为发震构造,在特定地区也有部分地震活动性显著或活动依据充分的第四纪早中期断裂构造被鉴定为发震构造。在形成地震构造模型时,发震构造均简化为简单的几何线条。上述做法比较符合我国的地震地质构造特点,对发震构造的表达较为清晰简洁,在实践中便于操作也方便计算,因此,在我国核电厂地震危险性评价工作中发挥了巨大的作用。据不完全统计,我国目前在核电厂址地震危险性评价中,超过99%的发震构造为断裂构造。然而,这一做法过于注重地表已有断裂构造与地震活动的相关性,因此,当存在较强地震活动且难以找到地表明确的断裂构造作为其发震构造时,地震构造模型的建立就存在较大的困难。随着当前核电厂地震危险性评价工作的大量开展,这种基于断裂构造的发震构造鉴定方法的不足日益显现,在地表断裂构造表现不清晰甚至缺乏断裂构造地区,或断裂构造研究程度不深的地区,或发震构造与地表断裂构造关系不明的地区,往往表现得更加突出。因此,需要对地震构造法中发震构造鉴定的思想方法与技术路线进行调整和改进,以更好地利用地震构造法来评价核电厂址的地震危险性。

本文将结合云南大姚—姚安发震构造鉴定的实例,探讨在地表活动断裂表现不明显的地区,采用一些非地表断裂表现的构造条件,来分析地震活动的构造背景,鉴别和表征发震构造,以合理反映当地中强地震的危险性。

1 大姚—姚安地区地震构造背景

地处滇中地区的云南姚安、大姚一带中强地震活动十分频繁,仅1993年至2009年的10年间,就先后发生了1993年大姚5.1级地震、2000年姚安6.4级地震、2003年大姚6.3级地震和2009年7月9日姚安6.3级地震(图1)。但该地区1/20万区域地质调查及以往地震地质考察资料都未显示或发现任何活动断裂构造的形迹(张建国等,2009)。这几次地震的震源深度、余震分布、等震线存在显著差异,如:1993年和2000年姚安地震的极震区方向均为北北东向(中国地震局监测预报司,2001);2003年大姚地震为北西西向(非明伦等,2004);2009年姚安地震则为北北西向(李世成等,2011)。因此,一直以来对这些中强地震的发震构造的研究存在较大的分歧与争议。有研究者根据余震分布等认为,2000年姚安地震的发震构造为北西向断裂(王绍晋等,2002;毛燕,2007),但无法解释其等震线明显为北北东向的现象;另有研究者认为,2009年姚安地震发震断层为马尾箐断裂(秦双龙,2012),但该断裂规模偏小,最长仅15.6km(施伟华等,2003),也难以解释地震规模;还有研究者根据地球物理场、地震反演等推测,存在1条北北东向的基底断裂(王伟君等,2007)(参见图1中的F2),与上述一系列地震相关,但因其可靠性与分辨率等方面的制约,也未得到广泛的认可。张建国等(2009)认为,该地区地震构造背景十分复杂,突出地表现为多方向地震构造的交织,且可能存在不同深度层次断裂构造的耦合;仅仅依赖浅表的地震地质调查很难获得该地区地震构造背景的全面认识,也难以对该地区在如此有限的空间范围内6级地震活动如此频繁的原因做出合理解释。

※F1:元谋断裂;F2:大姚隐伏断裂;F3:楚雄-南华断裂;F4鱼泡江断裂

图 1大姚—姚安地区地震构造背景图(右上角为研究区位置图(构造资料引自邓启东2003)) Fig. 1Seismectonic map of Dayao-Yao’an area
2 大姚—姚安发震构造研究

在对云南姚安、大姚地区附近的某核工程厂址进行地震危险性评价时,为合理地考虑这一地区显著的中强地震活动危险性,笔者开展了云南姚安、大姚等一系列中强地震发震构造的鉴定工作。

正如前述,这一地区的地表活动断裂构造并不发育,更找不到与这些中强地震活动相关的断裂构造,如果基于活动断裂条件鉴定发震构造,必然难以建立地震构造模型,为此,在具体工作中笔者对发震构造的鉴定思路进行了拓展,通过对这一地区地质、地震、地球物理背景的深入分析,寻找到一些在地质或地球物理条件上真正区别于周围其他地区、且能够合理地解释中强地震活动背景的特征条件,并依据这些特征鉴别发震构造。

2.1 对滇中块体内部地质构造及其演化特征的分析

在构造位置上,大姚、姚安一带位于滇中块体上的楚雄中新生代盆地(图1)。

这一地区的构造发展历史,尤其是新生代以来的发展,在楚雄盆地的演化进程中,得以充分的反映。图2展示出楚雄盆地地区燕山期以来,白垩纪—早第三纪(K-E)、早第三纪(E)、晚第三纪(N)、第四纪(Q)的不同时期的地层展布。由该图分析可知,燕山期(图2a),楚雄盆地在本地区分布范围广大,楚雄至华坪以南均包括在该中生代盆地中,代表了此时期大陆边缘强烈的构造沉积环境。晚白垩世—早第三纪,随着盆地西部边界向东的挤压推覆,导致盆地西部和南部的凸起往东、往北扩展,盆地范围相对燕山期显著缩小,沉降中心移至北部坳陷的大姚、盐丰一带,盐丰沉积最厚,达3000m左右。该时期又可分为早晚两个阶段:早期K-E地层(图2b)的分布相对燕山期地层有明显的收缩,沉积中心移至大姚以北,东部元谋隆起在这一时期构造变动较弱,其西缘的盆地表现为继承性的沉积;晚期E地层(图2c)的分布面貌又有较大的变化,最为突出的表现就是原北部坳陷中的盆地大面积萎缩,几近消失,而楚雄盆地东部的元谋隆起却出现了永仁和牟定东两个较大的盆地,堆积了E地层。这反映出本区新生代开始自西向东大幅度的抬升状态,西部的抬升幅度大于东部,甚至高出东部隆起中地势较低的部位,导致沉积中心向东部的迁移。从上述分析中可见,本区直至早第三纪,主要构造影响还是来自于西部的挤压推覆,导致由西向东的掀斜隆起。而元谋断裂作为东部重要的边界,其在这一时期构造活动微弱,对下第三系没有控制或被动地限定了下第三系的分布,与其燕山运动中对燕山期构造层的控制形成鲜明的对比。区内的这一构造变动与区域所在的青藏高原东南边缘的构造变动是相关的,早第三纪至中新世时期,青藏高原东南缘的板块运动还是以印支块体的强烈挤出为特点,印支块体以北主要受到向东的挤压产生推覆和隆起,而锦屏山—玉龙雪山构造带作为古老大地构造边界在此时强烈活动,构成川西地区青藏高原物质侧向迁移的重要吸收和转换边界,尚未直接影响到本地区。这一构造格局大致延续至中新世早期。

中新世晚期至上新世,构造活动的面貌进一步有了较大的变化(图2d)。随着区域总体的隆升,大范围的沉积盆地消失,区域整体处于隆起剥蚀状态,上第三系的堆积较为局部。此时“川滇块体”的滑移活动开始增强,但其主要活动还局限在锦屏山—玉龙雪山构造带的前缘,因此,元谋断裂的北段此时活动性较强,沿断裂形成上新世的拉分盆地,南段活动还相对较弱。

上新世末至第四纪,青藏高原物质挤出活动再次增强。第四纪中后期,向南东方向的物质运移开始突破锦屏山—玉龙雪山构造带,区域性挤压被强烈的走滑运动所替代。此时区域边界和块体内部的断裂构造活动性增强,沿断裂形成一系列的第四纪拉分或张裂盆地,堆积第四系沉积(图2e)。在本区范围内,元谋断裂南段活动开始表现突出,沿断裂形成规模较大的元谋盆地,堆积第四系沉积物。

※F1:元谋断裂;F2:大姚隐伏断裂;F3:南华-楚雄断裂;F4:鱼泡江断裂

图 2楚雄盆地各时期地层分布 Fig. 2Stratigraphic distribution at different stages in Chuxiong basin

大姚、姚安所在的楚雄盆地北部凹陷表层褶皱构造发育,主要由近南北向和北西向两组。相对而言,断裂较不发育,仅小规模的北西向断裂出露。从盆地演化和现今第四纪盆地的展布特征来看,姚安—大姚—永仁一线的东南侧,是早第三纪以来新生代北东向坳陷最为发育的地区,其西北侧是新旧地质构造格局急剧变化改造的地带,姚安、大姚一系列地震正是发生在新构造隆起与坳陷的交接转换部位。

从上述分析中可以看到,滇中地区经历了由中生代近南北向隆凹相间的基本格局转变到新生代以来近北东向的隆起和坳陷格局,而姚安、大姚地区正处于中、新生代盆地发生改造转换的转折部位,是一个新构造活动差异性较强的条带。

2.2 对大姚—姚安一线的地球物理场背景分析

图3为大姚—姚安一线的重力异常分布图。图中显示,沿大姚—姚安一线为重力异常转折带,其西侧重力异常为宽缓的大面积的低异常区,长轴方向近南北向展布,与中生代盆地的格局一致,其东侧为北东向的梯度带,反映受新生代构造变动的影响。在上延30km的重力异常分布图上(图4),沿大姚—姚安一线的重力异常则为近南北向的重力异常梯度带,反映中生代的构造格局。上述资料表明,大姚—姚安一线是晚第三纪以来至第四纪新构造运动主要的转折带。

图 3姚安—大姚地区重力异常分布(单位:10-5m/s2 Fig. 3Gravity anomaly distribution in Dayao-Yao’an area(Unit: 10-5m/s2

图 4姚安—大姚地区重力异常分布(上延30km)(据钟楷等,2005)(单位:10-5m/s2 Fig. 4Gravity anomaly distribution in Dayao-Yao’an area (upward continuation of 30km)(Unit: 10-5m/s2

图5为大姚—姚安一线的航磁异常分布图。图中显示,沿大姚—姚安一线为航磁异常转折带,其西侧航磁异常为近南北向的正异常团块夹持的一条宽缓的大面积南北向负异常区,在姚安—大姚附近转为北东向,反映出新老沉积层的分布特征;而其东侧为宽缓的大面积近南北向正异常区,反映出较老的沉积地层分布。正异常区分布与中生代盆地的格局一致,而其间夹的负异常区则明显反映出新生代以来沉积分布特征。在上延20km的航磁异常分布图上(图6),沿大姚—姚安一线的航磁负异常区就已消失,主要的航磁异常格局反映的是中生代沉积盆地的特征。上述资料表明,大姚—姚安一线是晚第三纪以来至第四纪新构造运动主要的转折带。

图 5姚安—大姚地区航磁异常分布 Fig. 5Aeromagnetic anomaly distribution in Dayao-Yao’an area

图 6姚安—大姚地区航磁异常分布(上延20km) Fig. 6Aeromagnetic anomaly distribution in Dayao-Yao’an area (upward continuation of 20km)

在地壳深部结构上,大姚—姚安一带正位于攀枝花—楚雄幔凸与西部幔凹的分界部位(图7)。

图 7大姚—姚安一线地壳厚度分布 Fig. 7Crustal thickness in Dayao-Yao’an area

从上述分析可知,该地区是航磁、重力异常的变化转换带,也是地壳厚度转折的梯度带,虽然不能很清楚地断定产生这一现象的深部构造形式,但上述现象的存在无疑表明本地区在深部有较大规模的构造变异,考虑到一系列的中强地震活动基本上沿该变异带分布,因此,可以将次北北东向地球物理场变异带作为发震构造的一种深部表现。

2.3 对大姚、姚安地震震源构造的分析

大姚—姚安一带地表断裂构造虽不甚发育,但蒲新纯等(1996)、陈根文等(2002)、Wang等(2003)、Zhang等(2006)、王伟军3等(2007)的研究认为,在姚安—大姚一线基底存在一条隐伏断裂。

地质调查部门和石油地质部门的资料——《中国石油地质志:滇黔桂油气区》(滇黔桂石油地质编写组,1992)也推论:在楚雄坳陷内基底断裂发育,主要为北北东—近南北向,南部受红河断裂影响,有北西西向断裂分布,其中在大姚附近存在一条北北东—近南北向的大姚隐伏断裂,构成凹陷沉积中心的东界断裂,对次级凹陷的发育及沉积具有重要作用(陈根文等,2002)。

华卫等(2006)根据大姚余震双差定位结果认为,大姚在2003年发生的2次主震均发生在近乎直立的北西西向右旋走滑断层上,2次主震破裂尺度均为15km左右。王伟君等(2007)利用大姚地震后流动数字化地震监测台网的地震走时和波形资料,反演了震中区VP、VS和QP三维结构的研究结果,证实不仅北西西向断裂存在,还存在一条规模较大、倾向西的北北东向断裂,主震发生在两组断裂交汇部位,而余震则分布在北北东向断裂以西,几乎垂直于北北东向断裂带而呈北西西向带状排列。北北东向断裂在地震孕育过程中起着应力集中和障碍体的作用。

2000年姚安主震距离2003年大姚地震震中约40km,哈佛大学的震源机制解表明,大姚和姚安的4个主震的震源机制解非常类似,表明这两个地区的地震构造条件可能比较一致,而姚安余震的初步层析成像结果也发现类似近南北向的地震低速带。Wang等(2003)、Zhang等(2006)的研究结果也证实,北北东向断裂在不同深度的存在。

上述研究均推论,在大姚—姚安一线可能存在深部的断裂构造,其与这里的一系列中强地震存在成因上的关系。

2.4 发震构造鉴定与表征

根据前述,对大姚—姚安一线地震构造背景总结如下:①大姚、姚安地震均位于楚雄盆地沉降中心—北部凹陷东部,该区地表构造以褶皱为主,断裂不发育,活动性表现不强;②大姚—姚安一线为中、新生代盆地格局发生巨大变化的转折部位,是新构造活动差异性较强的条带,对地震活动的影响较大;③大姚—姚安一线在深部存在有较大规模的构造变异带或较大规模的隐伏断层;④大姚—姚安一线地震活动分布与上述构造条件密切相关。

根据上述地震构造背景,对大姚、姚安地震的发震构造鉴定形成如下认识:

(1)大姚、姚安地区发生的一系列中强地震,不是随机分布的,应该存在控制其发生的构造条件,但根据地表断裂活动迹象,目前还无法给出确切的发震构造。

(2)大姚—姚安一线存在明显的具有深部背景的较大规模的新构造变异活动带,从第四纪地层的分布看,该构造带对第四纪以来的构造活动也有一定的控制,尽管前人推测存在隐伏断裂,但尚缺乏直接的证据。

上述依据表明,姚安—大姚构造变异带就是控制一系列中强地震发生的发震构造。

以往基于地表断裂鉴定出的发震构造,直接以地表断裂迹线表征其平面分布,未来地震活动将限定在断裂迹线上。而本次鉴定出的发震构造,其各种表现均显现出面状分布的特征,显然不能再采用线状发震构造形式。为此,本次工作依地质构造特征、深部地球物理场特征、大姚、姚安地震及其余震分布的特征,在楚雄盆地北部凹陷东部沿大姚—姚安一线,划分出一个较宽的面状发震构造,用来表征这一构造背景对中强地震地表分布的控制(图8),笔者称其为:“大姚—姚安发震构造”。

图 8大姚—姚安发震构造示意图 Fig. 8Schematic map of seismogenic structure in Dayao-Yao’an area

大姚—姚安发震构造整体位于滇中块体内部。滇中块体相对较为完整,其构造活动以整体性的块体滑移、水平旋转为主,块体内部的差异运动相对不强。同时,地震活动的特征表明,滇中地区7级以上地震多发生在差异运动强烈的块体边界断裂带上,而块体内部以中强地震发生为主。鉴于上述认识,大姚—姚安发震构造的最大潜在地震震级可取为6.5级。

3 结论

上述大姚—姚安发震构造的鉴定完成于2009年6月,在2009年7月9日就在该发震构造范围内又发生了云南省姚安6.3级地震,由于采用了面状发震构造,因此,对厂址地震构造法的结果很好地涵盖了这次地震的影响,没有影响对厂址地震危险性的评价结果。这也表明在构造背景复杂、地震活动性也较强的地区,以面状发震构造的形式替代线状发震构造鉴定的思路是可行的,也是必须的。

根据对大姚—姚安发震构造鉴定实例的分析,可以得到以下一些认识:

(1)虽然我国地震活动与地表活动断裂的展布存在比较明显的相关性,而且在我国的地震安全性评价工作中,无论是概率方法中的潜在震源区划分,还是确定性方法中的发震构造鉴定,均较为倚重地表活动断裂构造标志。但是,如果简单地仅以地表活动断裂来表达发震构造,无疑将对地震构造法地震危险性评价结果的合理性产生非常不利的影响,也必然会影响地震构造法的适用性。大量的震例也反映出当前知识对地震发震构造认识的局限,许多大地震往往找不到显著的地表活动断裂。因此,必须突破以往工作中形成的惯有认识,不仅采用线状发震构造,也应采用面状发震构造,唯一的检验标准是能否合理地反映控制地震发生的构造背景,而不仅仅是地表断裂及其活动性。

(2)我国地震活动与地表活动断裂的展布存在比较明显的相关性,因此,基于活动断裂的发震构造鉴定依然是将来发震构造鉴定的主要方法。但是,也应该注意活动断裂认识的不确定性以及地震分布的特征,如果对活动断裂的空间展布位置认识存在一定的不确定性,或地震活动围绕活动断裂位置存在一定的分布范围,则也应该考虑围绕活动断裂的一定范围圈定发震构造。

(3)在地表断裂构造表现不清晰甚至断裂构造不发育地区,或断裂构造研究程度不深的地区,或地震活动与地表断裂构造关系不明的地区,应对地质构造、地球物理场、地震活动特征等进行深入的综合分析,并在此基础上圈定控制地震发生的可能的构造背景,以面状发震构造的形式在地震构造法中考虑地震活动的危险性。

本文根据大姚—姚安发震构造的实例,探讨了在核工程地震危险性评价的地震构造法中应用面状发震构造的必要性和面状发震构造的鉴定思路与方法。这仅仅是初步的探索和实践,还需在更多的工作中去研究和完善对面状发震构造的使用,同时也需要进一步对地震构造法的理论和方法进行完善。

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Application of Planar Seismogenic Structure in Seismotectonic Method—A Case Study in Dayao - Yao'an
Li Jinchen* and Pan Hua*
Institute of Geophysics, CEA, Beijing 100081, China
Abstract

In seismic hazard analysis of nuclear power plant of China there is a need to identify both of seismogenic structures and seismotectonic zones. In the past practice, the identification of the seismogenic structures was often based on the surface active faults and characterization of linear seismic source. In the situation which shows quite strong non-random seismic activity and lacks of the surface active faults, however, it is difficult to evaluation of the seismic hazard reasonably. Taking Dayao - Yao'an seismogenic structure as a case study in this paper, we discuss the need and the possibility to apply the planar seismogenic structure in seismotectonic method. Then we suggest that the planar seismogenic structure should be considered in seismotectonic method of nuclear engineering in future.



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面状发震构造在地震构造法中的应用:以大姚—姚安发震构造鉴定为例
李金臣* 潘华*
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20130203