1927年古浪8级大地震断层面参数和滑动性质

刘白云 曾文浩 袁道阳 李秋红 陈文凯

1)兰州地球物理国家野外科学观测研究站，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 730000

3)甘肃省地震局，兰州 730000

0 引言

1927年古浪8级地震是继1920年海原8.5级地震后发生在祁连山－河西走廊地震带内的又一特大地震。这次地震以甘肃古浪、凉州(今武威)受灾最重，受灾区域长约600km，宽200km(顾功叙，1983)，其范围东可达永登、宁朔，西可抵临泽、高台，北达民勤，南到兰州一带，死伤约10万人(国家地震局兰州地震研究所，1989)。许多中、外地震学家都对这一地震的研究给予了极大的关注，但数十年来，在对发震构造的认识上一直存在着很大的争议和分歧。周光等(1954)认为，古浪地震地表破裂带主要有1条，主体分布于冬青顶北麓的黄羊河与闸渠河之间，长约15km，以NWW向张性破裂为主。贾云鸿等(1988)认为，古浪地震形变带主要由4条组成，分别是下方寨－寺儿沟形变带、皇城－塔儿庄－双塔地震形变带、西山堡－黄羊川地震形变带及磨咀子－中坝NNW向地震形变带。侯康明(1998)认为皇城－双塔活动断裂的东段和武威－天祝活动断裂带北段构成了1927年古浪地震的主破裂带。郑文俊等(2004)认为除了构成古浪推覆体的皇城－双塔断裂冬青顶断裂段以及武威－天祝隐伏断裂以外还有天桥沟－黄羊川断裂也为此次地震的发震断裂之一。总之，对于此次地震的发震构造还没有形成统一的认识。

一般来说，大地震发生后的较长一段时间内会有大量小震在断层面及其附近发生。因此，小震震源位置的空间分布可以较精确地勾画出断层面的形状和位置。假定发震断层可以用1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。此后，许多学者利用此方法研究了不同地区的历史大震的断层面参数(Zhou et al.，2010;刘白云等，2012，2014;曾宪伟等，2013)，为研究相应地区未来强震的孕育发生规律及其预测提供了基础依据。

本研究根据成丛小震发生在大震断层面附近的原则及参考前人的有关研究成果，采用1985—2012年发生在地震破裂区的精定位地震目录，选定了震区地震相对密集成带的2个长条状研究区域(分别用①，②表示)，将模拟退火算法和高斯－牛顿算法结合，给出了利用小震密集程度求解到的此次地震有关断层面的走向、倾角和位置。并根据已有的局部应力场参数得到了断层滑动角及其误差。

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。这是因为大震的震源断层完全愈合需要较长时间，或多或少仍在继续活动。震后长时间范围内震区处于应力调整状态，大量小震会沿着断层面附近发生。这使得对于通过现今小震的活动情况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;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。然而以往这些研究结论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，未给出确定断层走向和倾角的误差、断层面位置及断层滑动角。

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，使得在求解1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－牛顿算法结合，利用小震密集程度求解了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1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的垂直距离与观测误差比值的平方和:

寻找参数ρ、φ、δ的值，使得式(1)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所在位置，由于确定断层段断层参数的小震已分别确定，因此采用9O%的小震所在区域作为断层面的位置似乎是合理的。这样只有1O%的小震落在断层面外的区域。因此，将最上面的2.5%小震的底边界作为该断层面的上边界，将最深部发生的2.5%的小震的上边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，组建当初台站数量少，观测仪器主要以模拟仪器为主。经过“九五”、“十五”2次大规模的扩建、改建，台站仪器完全实现了数字化，目前台站数量已达到44个，台站布局也进一步趋向合理。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(杨智娴等，2003;朱艾斓等，2005)，小震定位精度越来越高，重定位后定位精度可＜1km，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—2012年甘肃测震台网记录的地震资料进行了重新定位。Hyp2000定位法由于非常看重因结构的复杂而产生的误差，它可以在震源区设立非常复杂的结构模型。经过对区域地质作一定的研究后往往可以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，可以提高定位的精度，因此可以反演出地震构造的精细特征(李文军，2004)。本研究采用冯建刚对1985—2012年甘肃测震台网记录的地震资料重新定位的地震目录，考虑到震级＜2.0地震的随机性较强，剔除了震级＜2.0的数据。根据小震丛集程度、震区断层的分布、极震区的分布等，在1927年古浪8级地震震区范围内选择了2个矩形区域的小震样本反演此次地震震源断层的几何形态。

图1 1927年古浪震区的小震(黑圆圈)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(black circles)and the data selection areas(thick rectangles).

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。卜玉菲等(2013)将甘肃及其邻区划分为 1°×1°的子区，利用甘肃及邻区2001年以来 245个ML≥3.5地震的震源机制解数据，由多个震源机制解反演该区的平均应力场，给出了覆盖甘肃及邻区的1°×1°的构造应力场方向和相对大小。其中就包括我们研究的古浪地区的构造应力场和R值的大小。考虑到8级大地震应当受大尺度构造应力场的控制，而古浪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)。

表1 古浪地震震源区局部应力场参数Table 1 Regional stress field of Gulang

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

反演得到的断层均为近直立的断层(图2c，3c)。由于被选择用于反演断层面的地震基本上沿断层面呈对称均匀分布，所以得到的小震距反演断层面距离的分布频度(图2d，3d)也基本上均匀分布，表明大部分小震分布在所求断层面的附近。

基于模拟退火算法和高斯－牛顿算法相结合，拟合出各震源断层的几何形态分别为:主震断裂走向310°，其下界深度27km，上界埋深约为0km左右(图2c)，表明该震源断层已切穿地壳到达至地表。反演到该断层段的滑动角为4°，表明其滑动性质以左旋走滑为主兼具逆断。其长度约为87km，由西向东从皇城(37.97°N，102.00°E)延伸至冬青顶(37.50°N，102.69°E);次级断裂走向210°，其下界深度22km，上界埋深约为5km左右(图3c)，反演到该断层段的滑动角为－178°，表明其滑动性质为右旋正断。其长度约为21km，由南向北从天祝毛藏寺(37.49°N，102.21°E)延伸至祁连(37.64°N，102.33°E);反演得到的断层面顶点位置见表2。

图2 主震断裂精确定位的小震分布在水平面(a)、断层面(b)和垂直于断层面的横断面(c)上的投影;(d)小震距断层面距离的分布Fig.2 Distribution of precisely located small earthquakes near the western segment of the Gulang earthquake.

反演到的断层①为古浪8级大地震的主干断裂。另外，本研究首次发现在主干断裂的中南部基于成丛小震也可以反演得到1个断层面，认为这可能是地震时震区整体发生了逆时针旋转而在主干断裂之上新发育的张性地震断层。

4 深部构造环境及发震机制讨论

1927年古浪地震区处于祁连山NWW向褶皱带北缘和武威－庄浪河NNW向构造带反接复合部位。震区主要出露古生界各种变质砂岩、石英岩及各种碎屑岩等，加里东期花岗岩分布较广泛。该区地质构造复杂，褶皱断裂发育，新构造运动强烈。

重力场资料显示从祁连山西段到本区为1个NWW向的重力梯级带，在武威以南急转为NNW向，向南经兰州、岷县，直到川西一带(梁桂培等，1983)。甘肃西部地区莫氏面等深线也表明，祁连山北麓为一地壳厚度变异带，它将全区分成东、西2大区，西区地壳厚度＞56km，最厚可达70km;东区地壳厚度仅40km多。可以推测“莫氏面”沿此变异带产生了断裂，断幅大约为12±4km，这一推测断裂的走向从西向东由NWW转为NNW，而古浪地震恰好位于断裂走向发生转弯的部位，也就是变异带扭曲弯转的部位。据电磁测深资料(詹艳等，2008)，古浪地震区深部为“鼻烟壶”状的高电阻体，高电阻体对应奥陶纪变质砂岩、石英岩和加里东期的花岗岩组成的岩性地层，这种刚性和整体性好的岩性条件，有利于弹性应变能的积累。古浪地震震源区、西南侧和上部区域为高电阻率区，北侧和下部区域为低电阻率区，古浪地震发生在高阻区和低阻区的边界并靠近高阻区域，位于电性结构明显呈台阶陡变的地带。地震层析成像结果表明(李海鸥等，2011)，古浪震区为明显的P波速度高异常区。具有积蓄应变能并在地震事件中释放应变能的能力，为强震的孕育和发生提供了重要基础，古浪8级地震则可能是这种高速区积累应变能集中释放的反映。

图3 次级断裂段精确定位的小震分布Fig.3 Distribution of precisely located small earthquakes near the secondary fault.符号与图2相同

无论是从地球物理场资料还是从地球物理反演资料以及震区所处的构造环境等方面来看，古浪震区均处于应力最易集中的部位。当应力超过岩石圈承受能力时发生破裂，从而酿成了此次地震。

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，这个不连续面称为震源断层。构造断层是岩层或岩体的1个或1组破裂面，沿破裂面两侧的岩层或岩体发生了显著的相对位移，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的研究表明，次级断层是在深部陡立的发震断层的牵引下，浅部铲形断裂产生相应的走滑或倾滑等调整运动的产物(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;陈涛等，2012)。震源断层更多地代表了地震断层的深部情况。本文反演到的主震断裂与地质学认为的古浪8.0级地震的发震断裂，即皇城－塔儿庄断裂走向近似平行，距离也很近。我们认为破裂至地表的断裂可能是反演到的震源断层在深部动力的牵引下破裂至地表的结果。因此，反演到的震源断层代表的是深部发震情况，而地质学认为的发震断裂应该是震源断层破裂至地表的反映。一般来说，历史地震等震线长轴方位可较好地反映新生代活动断裂的走向和对地震活动的控制(张杰等，2004)。本文反演到的断层①位于此次地震等震线的最高烈度(Ⅺ度)圈内(图4)，也再次印证了本文反演到的震源断层可能就是此次地震的深部控制构造。

图4 1927年古浪8级地震等震线图与震源断层之间的关系Fig.4 The relationship of focal fault and isoseismal map of the Gulang M8.0 earthquake in 1927.

另外，本研究首次发现在主干断裂的中南部有1个小震成丛区，利用这些小震也能清晰地反演出1条断裂，该断裂是否在地表存在有待进一步考证，认为这可能是古浪地区在SW－NE向主压应力长期不断作用下，突然发生大地震导致震区块体发生了逆时针旋转，旋转过程中在主干断裂之上产生了新的张性断裂。地球物理反演资料表明，古浪震区处于重力梯级带和地壳厚度变异带转弯的部位以及电性结构明显呈台阶陡变的地带和P波速度高异常区，属于应力最易集中的部位。当应力积累到一定程度时必然会发生能量的1次集中释放，从而发生大地震。

与本区发生的海原8.5地震、昌马7.6级地震相比，古浪地震的破裂带显得较短。这可能是因为古浪地震属于双断交错型并以垂直运动为主，在地震时2条断裂同时破裂，彼此都分解了一部分应力，导致总的破裂长度并不长。另外，在主震断裂的两侧存在着1组NNW向的断裂，构成了典型的障碍构造，障碍构造的存在对位移的分布具有明显的制约作用。对位移量及位移方向的变化都有影响，对主干破裂在EW方向的扩展具有明显的终止作用(Gaudemer et al.，1995;侯康明，1998)。

前人对古浪地震的发震构造认识一直存在着很大的争议。历史大地震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，对认识此次地震的发震构造是有益的。