1879年武都南8级大地震断层面参数和滑动性质的厘定

刘白云 袁道阳 张 波 陈文凯 牛延平

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州 73000

2)中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，兰州 730000

3)甘肃省地震局，兰州 730000

1879年武都南8级大地震断层面参数和滑动性质的厘定

刘白云1)袁道阳1，2)张 波1)陈文凯3)牛延平3)

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州 73000

2)中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，兰州 730000

3)甘肃省地震局，兰州 730000

1879年武都南8级大震发生在高山峻岭之间，由于受自然环境和交通条件所限，一直难以进行详细的实地考察。到目前为止，关于此次地震的发震构造的研究较少且观点不一。依据成丛小震发生在大震断层面附近的原则以及参考前人给出的极震区长轴形态，我们采用1985—2009年发生在该地震破裂区的精定位地震目录，选定了一个长条状研究区域，将模拟退火算法和高斯－牛顿算法结合，给出了1879年武都南8.0级地震震源断层是一条长约30km、埋深2～23km的NNE走向、高倾角并在NNW－SSE向压应力作用下发生右旋走向滑动的断层。该区域地壳深部(H＞24km)至今没有地震发生，推测震源断层没有扩展到地壳深部。震源断层位置在文县高楼山(33.01°N，104.74°E)和梨坪(33.22°N，104.90°E)之间。另外，我们发现在极震区以西的雄黄山地区小震成丛发生，但野外调查并未发现明显的断面，这些小震应该与1879年武都南8级地震没有关系。

小震丛集 武都南地震 最小二乘解 断层面解

0 引言

清光绪五年五月十二日(公元1879年7月1日)，在甘肃阶州发生的地震是中国近代历史上一次巨大地震，影响范围很广，多达10余个省市(中央地震工作小组办公室，1971;顾功叙，1983;谢毓寿等，1985;国家地震局震害防御司，1995)。清政府高度重视此次地震，光绪帝曾多次下旨拨款，责令地方官吏做好赈灾工作。因此，有关这次地震的文史资料也较为丰富。前人曾利用有关史料结合地质考察对此次地震做过研究(国家地震局兰州地震研究所，1985，1989;国家地震局兰州地震研究所等，1993;冯希杰，2005;侯康明，2005)。但由于该地震发生在高山深沟及交通条件所限，给深入考察带来了诸多困难，因此对该地震至今仍缺乏系统的、具有说服力的研究成果。这也成为中国19个8级地震中地震与活动断裂关系仍不明了的三大地震之一(邓起东等，2003)。

一般来说，大地震发生后的很长一段时间内，大量小震不断在断层面及其附近发生。因此，根据小震震源位置的空间分布可以较精确地勾画出断层面的产状和位置。假定发震断层可以用一个平面来模拟，且设大多数小震发生在此断层面附近，则可以通过小震震源位置参数求解发震断层的走向、倾角及位置(王鸣等，1992)。万永革等(2008)最初采用模拟退火全局搜索和高斯－牛顿局部搜索相结合的方法计算了唐山地震断层面参数。周翠英(2010)应用此方法，计算反演了1668年郯城8y²级强震震源区地震断裂在深部的产状。为该断裂带未来强震孕育发生规律及其预测提供基础依据。

根据成丛小震发生在大震断层面附近的原则及参考前人给出的极震区长轴方向，我们采用1985—2009年发生在地震破裂区的精定位地震目录，选定了一个长条状研究区域，将模拟退火算法和高斯－牛顿算法相结合，给出了利用小震密集程度求解到的主震断层面走向、倾角和位置。并根据已有的局部应力场参数得到断层滑动角及其误差。在此基础上结合已有的认识，分析了此次地震的震源断层的几何学特征及深部产状。通过本项研究希望这种方法能在甘东南活动断层探测及历史地震的研究中发挥一定的作用。

1 理论基础

王泽皋(1985)通过对中国内陆地区历史上一些7级以上大震区地震活动时、空、强的统计分析发现，许多大震区时过几十年、几百年乃至近千年，都还有不少小震活动，从而提出了大震区的“长期活动”概念，认为这是一种普遍现象。这是因为大震之后的长时间内震区处于应力调整状态，大量小震会在发震断层面附近发生，断层完全愈合需要较长时间。这使得通过现今小震的活动情况来推断历史大震震源的状况成为可能。近年来的研究表明，在具有长期活动的历史大震区，可通过对现今小震震源位置群体特征和震源机制的研究，给出历史大震震源断层的位置及其在构造应力场作用下的运动方式(刘澜波等，1995;刁桂苓等，1999;胡新亮，2002)。这种采用地震学分析，由众多小地震资料反推震源断层空间取向及其运动方式的尝试，对于认识历史大震发震构造、形成机制是有帮助的。然而，以往的研究只是大致给出了震源断层空间取向及其运动方式等定性化结果，而未给出确定断层走向和倾角的误差、断层面位置及断层上滑动角的估计方法。

近年来，随着计算机硬件的发展，计算速度越来越快。同时，国内外学者相继提出一些效率更高的反演算法，使得我们在求解一个超定非线性拟合问题时，不仅能够快速获得最佳解，还可求得解的误差范围，从而对解进行评价。万永革等(2008)首次将模拟退火算法和高斯－牛顿算法相结合，利用小震密集程度求解唐山地震主震断层面走向、倾角、位置及其误差。在此基础上考虑区域构造应力参数，给出了估计在已求得的断层面上的滑动角的方法。其基本思路是，寻求一个平面，使所有小震震源位置到这个平面距离的平方和最小(王鸣等，1992)。建立目标函数为所有小震到断层面垂直距离与观测误差比值的平方和

其中，E为关于ρ，φ，δ的三元非线性函数;n为参加拟合的小震数目;σi为第i个小震的定位误差;Di为第i个震源点(x，y，z)到所求平面的距离;ρ为断层面距坐标原点的距离;φ，δ分别为所求断层面的走向和倾角。

寻找参数ρ，φ，δ的值，使得上式为最小值。在此基础上，根据给定的局部应力场参数，可进一步求出断层的滑动角。

根据小震密集程度确定断层面位置。由于确定断层段断层参数的小震已知，因此采用90%的小震所在区域为断层面的位置似乎是合理的。这样只有10%的小震落在断层面外的区域。因此，我们将震源最浅的2.5%小震的底边界作为该断层面的上边界，将震源最深的2.5%的小震的顶界作为该大震断层面的下边界，将地震丛集最左端的2.5%小震的右边界作为大震断层面的左边界，将地震丛集右端的2.5%小震的左边界作为大震断层面的右边界。由此可以确定大震断层面的4个顶点位置(万永革等，2008)。

2 资料的选取

2.1 地震资料的选择

甘肃测震台网始建于1970年，组建之初台站数量少，观测设备以模拟仪器为主。经过“九五”、“十五”两次大规模地扩建、改建，现在台站数量已达到44个，台站布局也进一步趋向合理，而且台站仪器已完全实现了数字化，监控能力进一步提升，对大部分地区的监测能力达到ML2.5以上。资料的大大增加，为研究历史地震的震源断层状况提供了基础条件。另一方面，随着地震精定位方法在地震学中的应用(杨智娴，2003;朱艾斓，2005)，小震定位精度越来越高，可达到＜1km的精度，基本可以满足地震构造分析的需求。丰富的观测资料以及较高的定位精度，使得采用小震的丛集性定量化描述深部活断层几何形态成为可能。中国地震局兰州地震研究所冯建刚工程师曾利用Hyp2000定位程序对1985—2009年甘肃测震台网记录的地震资料进行了重新定位。Hyp2000定位法非常重视因结构复杂而产生的误差，它可以在震源区设立非常复杂的结构模型。对区域地质进行一定的研究后可获得大量的结构信息，从这些结构信息出发，预先构制所需要的模型，可提高定位的精度，反演出地震构造的精细特征(李文军，2004)。

冯建刚利用Hyp2000对甘肃地区小震进行了精定位，张元生利用T－D定位程序对甘东南台阵记录的震区小震进行了精定位，我们采用他们的定位结果，同时考虑到＜2.0级的地震的随机性较强而予以剔除。根据小震丛集程度、大震等震线长轴取向等，在1879年武都南8.0级地震最高烈度(Ⅹ度)区域范围内选择小震样本，反演此次地震震源断层的几何形态。选择范围如图1中矩形框所示。

2.2 局部应力场参数的选择

在研究地震震源机制和构造应力场之间的关系时，不仅需要知道应力场P轴走向φp、俯角δp、T轴走向φT、俯角δT，还需引入表示主应力相对大小的量R。万永革(2009)将中国大陆划分为2°×2°的子区，利用中国及其邻区地壳应力数据库和哈佛大学1976—2005年的矩心矩张量目录资料，反演出每个子区内的构造应力场主应力方向和相对应力大小值。其中就包括我们研究的甘东南地区的构造应力场和R值的大小。考虑到8级大震应当受大尺度构造应力场的控制，而甘东南构造应力场的应力方向在百年尺度上是稳定的，我们选取了其研究结果中能代表该区域的构造应力场参数(表1)。这些数据说明该区现代地壳应力活动以水平运动为主导，震源类型多为走滑挤压型。这与其他学者给出的该区域地震构造应力方向一致(邓起东等1979;许忠淮等，1989)。

图1 1879年武都南震区的小震(圆圈)分布、反演断层走向和倾角所用的小震范围(粗方框)Fig.1 Spatial distribution of small earthquakes(circles)and the data selection area(thick rectangle)used for inversion of fault strike and dip.

3 计算结果及其分析

利用在断层矩形区域内选择的小震事件(图l)进行反演，求得了断层的走向、倾角、距坐标原点的距离、滑动角及断层的4个顶点位置(表2)。

表1 武都地区(震区)平均应力张量Table 1 Regional stress field of Wudu(seismic region)and adjacent area

反演过程中总共选择了103个小震参与拟合震源断层面的计算，这些小震基本上都分布在1879年武都南8级地震的最高烈度区域范围内(国家地震局兰州地震研究所等，1993)。反演得到断层近于直立(图2 c)。小震距反演断层面距离的分布(图2 d)表明大部分小震分布在所求断层面的附近，并且基本以断层为中心向两边呈对称分布。

表2 使用精定位小震资料反演得到的武都南8级地震断层面走向、倾角和位置Table 2 Fault plane parameters determined using precisely located earthquakes

图2 震区精确定位的小震分布Fig.2 Distribution of precisely located small earthquakes in earthquake area.

基于模拟退火算法和高斯－牛顿算法相结合，拟合出的震源断层的几何形态为:走向38°、倾角89.5°、距坐标原点的距离0.8m，其各自的标准差分别为1.5°、1.5°、160m。反演得到的断层面顶点位置见表2。其下界深度23km，上界埋深约2km(图2 c)。反演得到的滑动角为－162°，标准差为23°，表明其滑动性质为以右旋为主兼有部分正断，震源断层未切穿地壳至地表。震源断层的长度约30km，由南向北从文县高楼山(33.01°N，104.72°E)延伸至文县梨坪(33.22°N，104.90°E)。

前人对该地震断层面的研究较少，只有侯康明(2005)给出过研究结果是主断面走向N38°～70°E，与本文的走向38°基本一致，而本文研究结果与小震的分布更为接近(图2 a)。对于断层的倾角，前人只是说近于直立，没有给出具体的数值，我们反演到的倾角为89°。从震源深度剖面图(图2 c)上似乎可以看出，在拟合到的震源断层两侧小震对称分布，根据其分布特征可以勾勒出另外2条高倾角断层，其与主断层的距离在3km左右。它们的倾角向下逐渐变缓，最终收敛于地下23km处。另外，根据局部应力场数据得到的震源断层以右旋走滑运动为主兼具一定的正断，而前人给出的地表断裂却以左旋为主并具有较大的倾向滑动分量(侯康明，2005)。我们认为这可能意味着武都震区深部构造与浅部构造是不一致的，浅部断裂是在深部震源断层的牵引下产生某种扭动作用的结果。

4 发震机制讨论

1879年武都南8级大震发生在青藏高原东北缘地区，本区的东昆仑断裂带与西秦岭北缘断裂带的2条大型左旋走滑断裂之间可以看成是一个巨大的左阶岩桥区(袁道阳，2004)，它们之间通过多条次级剪切断裂实现构造转换，其上有多次中强地震发生。在这2条大型走滑断裂的“挟持”下，其内部块体发生逆时针旋转，此次地震正是发生在转换部位。我们认为其发震机理是青藏块体原来由西向东的推挤作用，在受到SN向构造带阻挡后，这种推挤作用沿SN向构造带转换为以剪切作用为主的结果。在这一剪切力的作用下，在秦岭与南北构造带交会的武都南地区形成应力集中区，最终孕育此次大地震。破裂强度以西强东弱、南强北弱为特征，小震活动性也证实了这一点(图1)，其破裂方式类似汶川8.0级地震(张培震，2009)。甘东南地区P轴优势方向主要在NE和近NS向，基本与青藏高原边缘呈垂直分布。研究区内多数震源机制解反映的现代构造应力场的主压应力轴方向呈现出规律性变化，整体构造应力场在较长时间内基本上保持稳定状态。构造应力场研究表明甘东南地区的应力作用以水平挤压为主，与区域主要活动断裂走向基本一致，表明了区域内的现代构造运动方式以走滑活动为主，与本文得出的结论一致。

5 主要结论和认识

大地震的成因是很复杂的，研究震源状况对于开展地震预测是有意义的(郭安宁等，2010)。现代地震学研究结果认为，浅源构造地震的弹性振动发源于地壳内扩展的剪切破裂面，这个不连续面被称为震源断层。构造断层是岩层或岩体的一条或一组破裂面，沿破裂面两侧的岩层或岩体发生了显著相对位移，对于地震破裂而言是地质历史时期形成的先存断裂。地震断层则是强震区伴随地震出现的地面破裂带，是震源断层延伸到地表的结果。华北地区的邢台、唐山等强震区的深浅构造关系研究表明，发震断层是在深部陡立的震源断层的牵引下，浅部铲形断裂产生相应的走滑或倾滑等调整运动(邵学钟等，1993)。因此，震源断层、构造断层、地震断层是既互相联系又有一定区别的概念(高祥林等，1992)。震源断层更多地代表了地震断层的深部情况。本文基于小震丛集性反演得到了1879年武都南8级地震震源断层状况，结果表明这是一条长约30km、埋深2～23km的NNE走向、高倾角并在NNW－SEE向压应力作用下，发生右旋走向滑动的断层。地壳深部(H＞24km)至今没有地震发生，推测震源断层没有扩展到地壳深部。

1993年由兰州地震研究所、甘肃省计划委员会完成的“甘肃省地震危险区划研究”，对该次地震进行了考察，收集补充了大量野外观测资料，对地表破裂现象进行了分类归纳。在此基础上，首次提出武都南地震的宏观震中位于文县的屯寨一带，并给出长轴为NNE—NE向的椭圆形极震区形态(国家地震局兰州地震研究所等，1993)。其长轴走向基本上与我们反演得到的断层面走向一致。冯希杰等(2005)通过对TM卫星影像解译，认为此次地震的发震断裂为NEE向的范家坝－临江断裂。2009年甘肃省地震局在汶川地震陇南灾后重建项目开展的1/5万地震地质填图中，对这条断裂进行了详细的地震地质调查，认为该断裂晚第四纪以来活动性不强，排除了其为1879年武都南地震发震断裂的可能性。另外，采用小震精定位结果，我们首次发现极震区以西的雄黄山地区小震明显呈条带状分布，根据小震的丛集程度也可拟合出另一条震源断层。但在地质填图过程中对该区域进行调查时，没有发现明显的断面。且距离极震区较远，应该与1879年武都南8级地震无关。

1879年武都南8级地震破裂长度不足60km，与同样发生在青藏高原东北缘的汶川8级地震形成的长达240km的地震破裂带相比，本文反演到的震源断层似乎是短了一些。作者认为此次地震破裂虽以走滑破裂为主，但却兼有较明显的正断层倾滑活动。野外实测得到的断层陡坎分布资料表明，武都南地震同震断裂走滑量平均可达6m，倾滑量3～5m，发震断裂垂直与水平分量之比为1︰2～1︰1.2(侯康明，2005)。由于较大的倾滑分量分解吸收了沿走滑方向的扩展量，这是造成地震破裂相对较短的原因。

2009年甘肃省地震局承担了汶川灾后重建陇南辖区活断层调查项目，其中一项很重要的任务就是要查明此次8级地震的发震断裂。但由于本次地震为多点破裂(从等震线分析具有从SW向NE扩展的特征)，致使地表破裂形迹不清楚，加之受后期侵蚀、人为改造等因素的影响以及受限于自然环境、交通不便的原因，进行详细野外调查是非常艰难的。目前可见最清晰的地震地表破裂带长度仅15km左右。这对于认识此次地震的发震构造是远远不够的。历史大地震区持续有小地震发生，是大震区长期活动的一种表现，属于震源体附近地壳的继承性活动。因此，可以由这些小地震的群体特征来描述历史大地震震源体的特征。这种采用地震学分析，由众多小地震资料推测震源断层空间取向及其运动方式的尝试，对认识地震构造尤其是历史疑难地震的发震构造情况是有益的。本文利用小震分布情况反演了此次地震的震源断层状况，并结合已有的研究结果详细分析了1879年武都南8级地震发震断裂的几何学特征、滑动性质等。作为主震断层面详细探测的一部分工作，弥补了由于交通不便导致野外无法完成的任务。希望这种方法能在甘东南地区确定主震断层面和探测活断层位置及历史地震的研究中发挥一定的作用。

致谢 在本文的完成中万永革研究员给予了悉心的指导，计算所用地震目录由西部强震预测研究室邵延秀提供，在此一并深表谢意。

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DETERMINATION OF FAULT PARAMETERS AND SLIDING BEHAVIOR OF THE 1879 SOUTHERN WUDU M8.0 EARTHQUAKE

LIU Bai-yun1)YUAN Dao-yang1，2)ZHANG Bo1)CHEN Wen-kai3)NIU Yan-ping3)

1)Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
2)Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China
3)Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

The southern Wudu M8.0 great earthquake occurred in 1879，many places in Wudu and adjacent areas had suffered destruction in various degrees.So far，the research results on the causative structure of this earthquake are less and inconsistent.Because it occurred in lofty mountains and the traffic is inconvenient，it is hard to make detailed field study on the earthquake site.Based on the assumption that clustered small earthquakes often occur in the vicinity of fault plane of large earthquake，and referring to the morphology of the major axis of the meizoseismal area obtained by the predecessors，we selected a strip-shaped zone from the relocated earthquake catalog which occurred near the earthquake rupture zone in the period from 1985 to 2009 to calculate fault plane parameters of the earthquake，such as strike and dip，with the simulated annealing and Gauss-Newtonian nonlinear inversion algorithms.On this condition，the rake angles of the fault plane are further inferred from regional tectonic stress parameters.We discussed the causal mechanism of the earthquake and finally identified the length and location of the seismogenic fault.In addition，clustered small earthquakes occurred frequently in the Xionghuangshan area west of the mezoseismal area，but we didn't find clear fault planes in field investigation，so，they should not have relation with the 1879 M8 southern Wudu earthquake.

small earthquake clustering，the southern Wudu earthquake，least-squares solution，fault plane solution

P312.5

A

0253－4967(2012)03－0415－10

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.003

2011－11－23收稿，2012－05－28改回。

中国地震局兰州地震研究所地震科技发展基金(2012Y03)和星火计划项目(XH12047)联合资助。

刘白云，男，1980年生，2004年毕业于西北师范大学电子工程专业，现为中国地震局兰州地震研究所在读硕士研究生，工程师，主要从事活动构造与地震关系等方面的研究，电话:0931－8275393，E －mail:leng168258@sohu.com。