北祁连山-河西走廊大震危险区预测*

邵延秀 袁道阳 曹 娜 梁明剑

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2)中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，兰州 7300003)兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000

4)华中科技大学《水电能源科学》编辑部，武汉 430074

5)四川省地震局，成都 610041

北祁连山-河西走廊大震危险区预测*

邵延秀1，2，3)袁道阳1，2，3)曹 娜4)梁明剑5)

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2)中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，兰州 7300003)兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000

4)华中科技大学《水电能源科学》编辑部，武汉 430074

5)四川省地震局，成都 610041

以青藏块体北部的北祁连山-河西走廊地震构造带为研究对象，在系统收集整理该区主干活动断裂新活动性特征、断裂滑动速率、历史地震及古地震资料的基础上，结合现今地震活动性，采用地震空区、空段识别方法和地震活动b值空间图像扫描方法，分析了研究区内历史地震及b值的分布特征。结果显示，该区的榆木山北缘断裂离逝时间较长，应力积累程度较高，具有发生大震的构造条件，其未来大震危险性最高，值得高度关注。其次，该区的嘉峪关断裂也存在地震空段和低b值段，也应引起重视。

北祁连山 河西走廊 活动断裂 b值 地震空区 榆木山北缘断裂 嘉峪关断裂

0 引言

近几年，国内外相继发生了2008年新疆于田7.3级地震、四川汶川8.0级地震、2010年青海玉树7.1级地震、海地7.3级地震、2011年日本仙台海域9.0级地震和缅甸6.8级地震，这似乎预示着全球地震活动进入一个新的相对活跃期。位于青藏活动块体北部的北祁连山—河西走廊地区是中国的主要强震构造带之一，近年来地震活动呈明显增强的趋势，其未来的大震形势严峻而紧迫。沿北祁连山前河西走廊南、北缘发育着多条规模大、延伸长的晚第四纪活动断裂带，具备孕育和发生强震甚至大地震的构造条件，历史上本区发生过公元180年表氏7⅟²级、756年张掖-酒泉7级、1609年红崖堡7⅟⁴级、1932年昌马7.6级和1954年山丹7⅟⁴级等大地震(国家地震局地质研究所等，1993;曹娜等，2010a，b)(图1)。多年来，围绕北祁连山—河西走廊地区的活动断裂及历史大震等开展了大量研究工作(Tapponnier et al.，1990;国家地震局地质研究所等，1993;袁道阳等，1998;闵伟等，2002;Hetzel et al.，2002，2004;何文贵等，2004a，b，c;陈柏林等，2005;董治平等，2007;郑文俊等，2009a，b;罗浩等，2010)，获得了主干活动断裂几何学及其分段性、滑动速率、历史地震破裂特征及古地震序列等基础资料。同时，本区较多的地震监测台网已记录了数十年连续而完整的地震观测资料，为开展该区地震危险性评估及未来大震危险区预测奠定了基础。本文依据地震空区、空段识别方法和b值图像扫描方法，来综合评估北祁连山-河西走廊活动断裂未来的强震危险性。

图1 北祁连山—河西走廊地区断层及历史地震分布图Fig.1 Distributions of active faults and historical earthquakes in Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

1 区内活动断裂及历史地震

1.1 区内断裂活动特征

北祁连山—河西走廊地区的主要活动断裂包括黑山-金塔南山断裂、嘉峪关断裂、新民堡断裂、阴洼山断裂、昌马断裂、肃南-祁连断裂、玉门-北大河断裂、佛洞庙-红崖子断裂、榆木山断裂、合黎山南缘断裂、龙首山断裂等(图1)。这些断裂的新活动特征及其历史地震见表1。

古地震探槽、地表破裂带考察以及历史地震考证表明，合黎山南缘断裂距今5ka左右的一次大地震和公元180年表氏7⅟²级地震错动了整条断裂，756年张掖-酒泉7级地震只断错了该断裂的东段(郑文俊，2009b;曹娜等，2010b;金卿等，2011)。显然，该断裂上的地震破裂比较复杂，包含了单段和全段破裂，且不完全符合特征地震准周期复发特征，而可能具有丛集性，丛集期之间的间隔为4～5ka。如果按照每次特征地震的平均位移量为1.5m(郑文俊，2009b)，滑动速率为0.34mm/a，那么所计算出来的复发间隔也在4ka以上。

1.2 历史地震特征和地震空区判定

综合上述活动断裂、历史地震和古地震研究资料 (图1)，考虑历史地震和古地震事件的离逝时间，采用排除法(袁道阳等，1998)以及地震空区、空段识别法(Mogi，1979)，从地震地质的角度首先判定出未来具有发生大地震构造背景的危险区段。排除法的原则是:1)排除全新世以外的活动断层;2)排除近期已发生过7级以上大地震的断层段;3)排除离逝时间＜1ka的活动断层段。综合以上考虑及上述断裂的新活动特征，我们认为榆木山北缘断裂全新世以来曾发生多次地震，复发间隔约为2ka(金卿等，2011)，且最近4ka以来该断裂未发生过大震(郑文俊等，2009a;曹娜等，2010a，b;金卿等，2011)，具有第1 类地震空区的特征(Mogi，1979)，因此应属未来的强震危险区(图1)。而前人对嘉峪关断裂、黑山-金塔南山断裂研究较少，其古地震序列或大震离逝时间等资料缺少或不确定性大，因此难以直接判定其未来的危险程度。不过从断裂无历史大震记载判定，其离逝时间较长，也属于未来大震危险断裂段。

上述由地震地质研究结果所确定的未来地震空区、空段，时间尺度相对较长，基本上是百年尺度，因此，所确定的危险区(段)相对较多。为了逐步缩小危险区范围或科学判定时间紧迫性强的大震危险区段，还需结合地震活动性资料加以分析，其中b值图像分析是目前较常用的方法之一，其时间尺度也可以缩短到数年或十几年(易桂喜等，2008)。

2 研究区内b值计算

Gutenberg-Richter关系式中的b值(Gutenberg et al.，1945;式1)可以反映岩石圈的应力积累水平(Wiemer et al.，1997;易桂喜等，2004a，b，2005，2006，2007，2008;邵延秀等，2011)，即 b值越大，应力积累水平越低，反之，则越高。应力积累水平的高低是判断地震危险性的重要指标。因此，计算研究区内的b值，可圈定高应力区，为强震和大地震的中长期危险性评估提供一定的依据。

式(1)中M为震级，N为在一定时间段内发生M≥Mc(最小完整性震级)的地震数量，a，b为经验常数。

2.1 地震数据的选择及计算方法

为了提高b值计算的精确性，我们采用1970年1月至2009年6月重新定位的小震数据(图2)，并对余震进行必要的剔出。重新定位地震目录所使用的定位方法为Hypoinverse-2000，该方法得出的水平定位效果较好。由于震相资料等的限制，部分地震没能给出重新定位结果，这部分地震的震中使用原始震相报告中的结果。

图2 北祁连山-河西走廊地区小震分布图Fig.2 Spatial small earthquakes distribution in Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

计算b值的地震样本量不得少于50，否则计算出来的b值误差比较大(Wiemer et al.，2002)。由于台站监测能力的限制，震级很小的地震往往漏记，在震级-频度关系曲线中表现为拐点。而式(1)中的b值是由震级大于最小完整性震级的地震目录获得的，因此计算b值之前，必须确定最小完整性震级Mc。在计算每一个节点上的b值之前，本文均对选取的样本进行统计，采用快捷实用的 MAXC 法(Wiemer et al.，2000;Woessner et al.，2005)确定最小完整性震级Mc(MAXC)，最后采用的最小完整性震级还需要引进一个修正量0.2(Woessner et al.，2005)，即Mc=Mc(MAXC)+0.2(图3)。对每个节点都进行Mc值计算，主要是考虑到地壳结构及仪器记录在空间上的差异性，虽然大部分的Mc值都基本上符合某一数值 (图4)，但是对于某些地区与平均值仍然存在一定的差异。

图3 MAXC法确定最小完整性震级McFig.3 Determination of the minimum magnitude of completeness Mc with MAXC method.

b 值的计算方法有最大似然法(Utsu，1965;Aki，1965;Bender，1983;Woessner et al.，2005)和最小二乘法，经验证明最大似然法给出的结果更符合实际情况(Bender，1983)。因此，本文采用最大似然法(式2)。Utsu(1965)和Aki(1965)给出的公式是基于连续震级，但是本文在统计地震目录的累积频度和非累积频度时，均引入了一个震级档，比如0.1，这样式(2)中的Mmin实际应为最小完整性震级与震级档一半(即0.05)的差。同时，文中还根据式(3)(Shi et al.，1982)计算出b值误差结果:

式(3)中Mi为第i个地震的震级，N为地震总数。

图4 北祁连山—河西走廊地区Mc值分布柱状图Fig.4 Histogram of Mc value distribution of Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

对于b值的空间扫描计算，我们采用筛选地震样本的方法:先将选定区域以0.1°的间距进行网格划分，计算每个网格节点的b值;以网格节点为圆心、20km为半径的圆为样本统计单元，如果统计单元内的样本量少于计算所需样本量，则将圆半径增加为30km，再次进行样本统计;如果样本量还达不到计算所需样本量，则此节点的b值无法计算，在最终的b值图像上为空白;最后利用所有节点b值数据，绘成沿断裂空间分布的b值等值图;而计算各断裂总b值时，沿断裂带10km的范围内选取地震样本，进而利用最大似然法计算出所需b值。

2.2 结果分析和相关讨论

利用上述方法，我们对每个节点的Mc值都进行计算，发现Mc值多集中在2.2(图3)，最小为1.3，最大为3.2，中值和平均值均为2.2，此值基本上与冯建刚等(2010)利用b值拟合法给出的结果相符。

图5为b值空间图像的扫描结果，同时还计算了每条断层(段)的总b值，从图5和图6可以看出，北祁连山—河西走廊b值分布多集中在0.6～0.8，误差集中在0.1以下。b值平均值约为0.71，略小于冯建刚等(2010)给出的不同时段祁连山地震带的总b值，但均低于正常b值水平(=1)，说明北祁连山—河西走廊地区现今正处于构造活跃的时期(袁道阳等，1998)。

我们把图5中的 b值分布划分为异常低(b＜0.6)、低(b=0.6～0.7)和高(b＞1.1)值区。其中异常低和低值区域是我们需要重点关注的地区，这些区域包括榆木山北缘断裂、佛洞庙-红崖子断裂中部和肃南-祁连断裂东段上，b值异常低(b＜0.6)，说明这些地区的应力积累水平较高。

金卿等(2011)通过古地震探槽开挖发现榆木山北缘断裂最晚一次地震事件的离逝时间为4ka左右，复发间隔可能是2ka左右，而该断裂在最近1～2ka内没有大震记录。如果榆木山北缘断裂的构造活动遵循特征地震的话，那么在距今2ka左右应有一次大震，估计在有限的探槽剖面中没有记录到。也有可能在距今4ka内，榆木山北缘断裂活动减弱，尚未发生过大震。无论是哪种情况，结合图4中榆木山北缘断裂分布有大片的低b值区，可以说明该断裂目前处于相对较高的应力积累状态，未来的大震危险性高。根据断裂长度和震级的经验关系(Wells et al.，1994)，推算出最大震级可以达到MW7以上。

图5 北祁连山—河西走廊地区b值空间分布图Fig.5 b value distribution in spatial of Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

图6 北祁连山—河西走廊地区b值(a)及误差分布柱状图(b)Fig.6 Spatial distribution of b values(a)and errors(b)in Northern Qilianshan-Hexi Corridor.

由于佛洞庙-红崖子断裂在1609年发生了7⅟⁴级地震，并沿整个断裂产生地表破裂，M＞7地震的离逝时间仅402a，对于板块内部低滑动速率的断裂来说，大震的复发间隔都在1ka以上，因此佛洞庙-红崖子断裂在未来50a不可能发生7级以上大地震，中段存在发生中强地震的可能性。

肃南-祁连断裂东段属于晚更新世断裂，没有发生大震的记录，目前处于高应力积累状态，虽然发生大震的可能性小(袁道阳等，1998)，但存在发生中强地震的应力条件。

低b值(b=0.6～0.7)区分布在嘉峪关断裂、肃南-祁连断裂中段、龙首山断裂中段、民乐-永昌隐伏断裂西段及祁连山北缘断裂中段上。嘉峪关断裂在全新世以来有一定活动性，历史上无大震记载，表明其离逝时间相对较长，而且根据b值大小判定其现今应力累积相对较高，因此有可能在未来发生中强以上地震;根据断裂长度和震级的关系(Wells et al.，1994)估算其最大震级约为7级。肃南-祁连断裂中段最晚一次地震事件是距今700a，而古地震揭示的特征地震复发间隔为500～1 000a，另外龙首山断裂东段是发生1954年山丹7⅟⁴级地震的地段(董治平，2007)，因此这两条断层在未来50a内也不太可能发生大震，但不排除中强地震的发生。而对于祁连山北缘断裂，前人研究较少，只提到其为晚更新世断层(国家地震局地质研究所等，1993)，其中段的b值区可能受其两侧的影响，也存在发生中强地震的可能性。

在民乐-永昌隐伏断裂西段，低b值区呈NNW向条带分布，这与童子坝河断裂在空间上的展布较为一致(何文贵等，2004a;郑文俊等，2005)。同样榆木山北缘断裂上的低b值区及嘉峪关断裂上的低b值区的条带状分布也与断裂走向一致，这说明b值带状分布可能受控于断裂在空间上的分布。由于该地区的b值是我们使用2003年之前的地震目录进行计算的，因此低b值区也是2003年民乐2次中强地震很好的震前反应。

黑山-金塔南山断裂处于b值图像的边缘，由于地震目录的限制，其图像结果误差较大，结合该断裂为全新世活动的大震空段及1.2节中的论述，该断裂存在可信度较低的大震危险性。

3 结论

综合以上论述，得出以下主要结论:

(1)北祁连山—河西走廊地区总平均b值较低，说明该地区整体应力水平较高。

(2)榆木山北缘断裂无论从地震地质上分析还是b值扫描结果来看，其应力积累水平都较高，已经具备发生大震的应力条件，未来大震危险性很高，值得关注。嘉峪关断裂的b值较低，其应力积累水平相对较高，由历史上无大震记载推测其离逝时间较长，可能是未来发生强震甚至大震的危险区。

(3)佛洞庙-红崖子断裂中段、龙首山断裂东段、祁连山北缘断裂、肃南-祁连断裂中东段均为中强地震危险区。对处于人口密集地区的活动断裂，也要采取防范和监测措施。

致谢 感谢中国地震局地球物理研究所蒋长胜博士提供重新定位的地震目录及其与作者的相关讨论，感谢评审专家对本文提出有益的修改意见。

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SEISMIC RISK ANALYSIS FOR NORTHERN QILIANSHAN-HEXI CORRIDOR

SHAO Yan-xiu1，2，3)YUAN Dao-yang1，2，3)CAO Na4)LIANG Ming-jian5)
1)Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
2)Lanzhou Base of Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
3)Lanzhou National Geophysical Observatory，Lanzhou 73000，China
4)《Water Resources and Power》Editorial Department，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
5)Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China

In recent years，many big earthquakes(M≥7)struck China and other nations.These big earthquakes may indicate that the earth is in a globally seismic active period.Therefore，in order to mitigate future earthquake disasters，the assessment of future big earthquake risk for major active boundary faults has been done as an important approach for mitigation.In this paper，our focus area is Northern Qilianshan-Hexi Corridor locating in northeastern of Qinghai-Tibet plateau.We collected and summarized the active faults'data sets systematically，e.g.geometrical characteristic，slip rate，rupture segmentation，latest rupture event and paleo-earthqakes.And based on these data sets，we use the methods of seismic gap identification and b value mapping to analyze the characteristics of historical earthquakes and b value.And then，high risk zones or faults of big earthquakes were identified synthetically.We think the Northern Yumushan Fault has the most probability of generating big earthquake in the future.Because the elapse time from the last event is long and b value along it is remarkably low，which betokens high stress.Meanwhile，attention should be paid too to the Jiayuguan Fault，where seismic gap and low b value zone exist too.

Northern Qilianshan，Hexi Corridor，active fault，b value image，seismic gap，northern Yumushan Fault，Jiayuguan Fault

P315.2

A

0253-4967(2011)04-0865-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.011

2011-05-23收稿，2011-06-29改回。

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项“祁连山-河西走廊主干活动断裂破裂分段与大震危险区预测”(2010A882)和国家自然科学基金(40872132)共同资助。

*中国地震局兰州地震研究所论著号:LC2011022。

邵延秀，男，1984年生，2007年毕业于兰州大学地质工程系，2010年在中国地震局兰州地震研究所获理学硕士学位，研究实习员，主要研究方向为新构造运动与地震危险性分析，电话:0931-8273226，E-mail:shaoyx@geoidea.org。