北京大兴最大潜在地震评估

摘要：通过最新的浅部地震反射剖面和钻孔资料发现了大兴凸起东缘断裂全新世活动的证据, 这一发现改变了近几十年以来认为的其晚第四纪以来没有活动的结论, 对北京市地震灾害风险普查工作具有重要的应用价值, 同时也对大兴凸起东缘断裂最大潜在地震的震级上限评估提出了新的挑战。文中通过收集和整理多条地震浅层物探剖面和地震深反射剖面, 利用SKUA-GOCAD三维建模软件构建了大兴凸起东缘断裂的三维模型, 模拟了大兴凸起东缘断裂在三维空间中的展布情况, 揭示了该断裂的几何学特征及深浅构造关系。通过将大兴凸起东缘断裂和与其呈右阶排列的夏垫断裂进行构造类比, 对大兴凸起东缘断裂深、 浅部的构造特征进行了讨论, 认为大兴凸起东缘断裂是一条深浅共存的活动断裂, 并利用震级-破裂尺度经验关系式综合估计该断裂上可能诱发的最大潜在地震为7.5级。这一结论对首都圈南部地区开展震灾防治工作具有重要的科学指导意义。

引用格式：张雅静, 李正芳, 周本刚, 肖海波. 大兴凸起东缘断裂的三维建模及其最大潜在地震评估[J]. 地震地质, 2024, 46(4): 802-820. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.04.003

0 引言

地震是对城市危害最严重的突发性自然灾害之一, 一旦发生将引发严峻的社会问题, 包括造成巨大的经济损失及威胁人民生命安全等。活动断层是破坏性地震发生的主要危险源, 但由于人类活动等因素, 其在城市区域主要处于隐伏状态。因此, 查明城市地下隐伏活动断层的空间展布并评估其最大潜在地震震级是开展城市防震减灾工作的有效途径(何正勤等, 2001; 刘保金等, 2002, 2012; 彭白等, 2022)。

三维地质构造建模技术以其直观性、 定量化等特点, 已成为构建地质模型并分析其构造特点及时空变化规律的有效手段之一(姬广军等, 2019; 王金艳等, 2020)。从Houlding(1994)、 Mallet(1989)最早阐述三维地质可视化技术的核心理论和基本方法, 到Wu(2004)、 薛林福等(2014)、 潘懋等(2017)对三维地质构造建模技术的不断完善和发展, 三维地质构造建模技术的蓬勃发展为广大地质工作者提供了描述地质体在三维空间中展布状态的工具。目前, 国内外的地质建模软件主要有FCM、 Petrel、 RMS、 FastTracker、 ArcGIS、 GOCAD等, 每款软件均有各自独特的优点, 但同时也存在自身的不足。刘先林等(2016)曾针对复杂三维地质模型耗时长、 构建难等现状, 提出了采用多种软件共同建模的方法, 以实现模型在各软件中的交互使用与分析。但在具体操作过程中, 多软件的使用使建模流程变得复杂, 大大提升了工作量。SKUA-GOCAD综合了各软件的优缺点, 已被广泛应用于地质及地球物理等相关研究领域的三维建模工作中(于贵华等, 2007; 鲁人齐等, 2018)。其具有强大的三维建模功能, 可进行表象或实体建模并对所构建的模型进行直观展示及分析解译, 建模过程中采用的离散平滑内插值算法弥补了克里金插值法的不足, 保持了原始网格的几何细节。SKUA-GOCAD是国际上公认的主流地质建模软件, 故本文选用其作为三维建模的载体。

大兴凸起东缘断裂是北京平原东南部一条重要的边界断层。在伸展构造背景下, 其东侧廊固凹陷的发育过程受该断裂控制。断裂总体走向NE, 倾向SE, 平均倾角约50°, 全长约90km。针对大兴凸起东缘断裂的地质构造背景、 分段性、 断层几何学、 运动学特征等方面的研究已取得了一定的成果(赵红格等, 2002; 桂宝玲等, 2012; 何付兵等, 2020)。近年来, 研究者利用高精度地震反射剖面及高密度联合钻孔技术在大兴凸起东缘断裂上发现了全新世活动的证据(李正芳等, 2021), 改变了近几十年认为的其晚第四纪以来没有活动的结论。新证据的出现对于研究大兴凸起东缘断裂的深浅构造关系及三维建模工作的开展尤为重要。

本文基于地震浅层勘探资料和地震深反射剖面对大兴凸起东缘断裂的深浅构造特征进行了讨论, 利用SKUA-GOCAD软件模拟了大兴凸起东缘断裂在三维空间中的展布情况, 以揭示该断裂的几何学特征及深浅构造关系。在此基础上, 将大兴凸起东缘断裂和与其在构造上存在相似性的夏垫断裂进行构造类比, 并利用前人拟合的中国东部震级-面积及震级-长度破裂尺度关系式对大兴凸起东缘断裂的最大潜在地震进行了评估。

1 构造背景

1.1 区域构造背景

中国大陆是全球板块内部构造活动活跃的地区之一, 其中华北地区更是地震活动强烈, 地震灾害频发, 而该区域内大地震的孕育与华北平原的大地构造背景密不可分(王椿镛等, 2016; 徐锡伟等, 2019)。

华北平原块体位于华北断块区东北部, 其西界为太行山山前断裂, 南界为新乡-商丘断裂, 北与阴山-燕山断块东南缘相接, 东与郯庐断裂带接壤。新生代以来构造活动活跃, 主要经历了古近纪裂陷和新近纪至第四纪整体沉降2期基本的构造演化阶段(马杏垣等, 1983)。渐新世是裂陷的鼎盛期, 该区发育了几条近NE向的断陷与断隆带, 形成了隆坳相间的构造体系(邓起东等, 1980)。该区域的隆坳构造主要以区域内的主要活动断裂为边界, 且区域内的活动断裂通常具有同生断层性质(李海君, 2020)。在区域应力场作用下, 区内主要发育NNE和NWW向2组形态共轭的活动断裂, 具有显著的方向性特征, 使得隆坳构造及各构造单元内部的次级构造呈现“棋盘式”展布特征(邓起东等, 2002)。新近纪后期, 因印度板块NNE向挤压, 华北断块区形成以NEE-SWW向为主压应力轴、 NNW-SSE向为主张应力轴的构造应力场。在现今区域构造应力场的作用下, 华北平原块体NNE—NE与NWW—NW向2组断裂均发生走滑, 从而呈现出一定的张扭性特征(牛琳琳, 2018)。

研究区(图1)位于华北沉降带与燕山隆起区交会的北京平原区南部, 该区域西侧为太行山, 北部与燕山接壤。由于受新构造时期以来伸展构造环境的影响, 研究区与华北平原区相同, 区内NNE—NE向及NWW—NW向共轭隐伏断裂产生的拉张正断活动使得其内部发育了一些类似箕状的沉积盆地。新生代以来, 研究区内的断陷活动较为显著, 区内广泛分布第四纪地层(刘保金等, 2009)。

大兴凸起东缘断裂位于冀中坳陷的西北部, 该断裂将其西侧的大兴凸起与其东侧的廊固凹陷分割开来, 廊固凹陷的构造演化受该断裂的影响和控制(桂宝玲等, 2012)。断裂南北长约90km, 东西宽20~40km, 分为北段、 中北段、 中南段与南段4段(赵红格等, 2002; 桂宝玲等, 2012)。对于大兴凸起东缘断裂的演化过程, 赵红格等(2002)认为华北平原古近纪 SE-NW 向拉张应力场促成了大兴凸起东缘断裂的形成。其中, NE走向段为主体部位, 控制廊固箕状凹陷的形成、 发育, 其浅部为犁式断层, 深部为拆离断层。且该段以张性为主, 兼具一定的右行走滑特征。之后随着时间发展, 在桐柏镇断层的左行走滑作用下, 北段的走向明显更偏N, 中南段、 南段形成较晚, 受后期改造作用强烈。

1.2 深部构造背景

活动断裂的运动往往导致地震。大量研究已表明, 地震的发生不仅与地壳浅部的隐伏断裂有关, 同时也与地壳深部的构造活动有关, 而二者共同作用往往将导致震级较大的地震。

前人已利用天然地震层析成像研究及人工测深二维剖面结果对华北地区开展了地壳、 上地幔速度结构和强震孕震环境、 岩石圈不均匀性、 断裂深部构造等多方面研究, 也取得了具有科学意义的研究成果(邵学钟等, 1993; 王椿镛等, 1993, 2017; 祝治平等, 1999; 齐诚等, 2006; Lei et al., 2008; Tian et al., 2008; 刘保金等, 2009, 2011; 王帅军等, 2011; Wang et al., 2013; 赵成彬等, 2013)。而大兴凸起东缘断裂的深部构造条件与其所属的华北地区的构造特征基本一致。在北京市城市活断层探测与地震危险性评价工作中布设的2条NW向深地震反射勘探测线的解释剖面均显示大兴浅部断裂的切割深度为16~18km, 在浅部断裂右下方的位置存在一条切穿上、 下地壳分界面和莫霍面的近直立大断裂。探测结果显示, 该大断裂宽2~3km, 且可能受该深断裂影响, 其上发育多条浅部断裂(赵成彬等, 2013)。而在其左上方的大兴凸起东缘断裂可能与该深大断裂相通。北京南部的文安—蔚县—察右中旗深地震测深剖面和北京北部的2条深地震反射剖面也揭示了该断裂的存在(李正芳等, 2021)。另外, 赵金仁等(2004)基于深地震反射剖面与宽角反射剖面探测结果分析认为该大断裂的形成与岩浆活动有关, 而大地震的孕震机制可能与这样的深浅构造条件有关, 这与高景华等(2008)的认识基本一致。

2 利用SKUA-GOCAD模拟大兴凸起东缘断裂的三维结构

三维地质构造建模技术能够帮助我们清晰地认识断裂在三维空间中的形态及展布, 对于断层分段具有重要意义。前人对大兴凸起东缘断裂几何展布的描述目前仍局限于二维, 对断裂三维立体形态的模拟还不充分, 相关图件仍然很少, 隐伏断裂在地下的深浅构造关系尚不明确。本文利用SKUA-GOCAD三维建模软件并结合断裂的地震反射剖面等资料对该条断裂的形态及深浅部特征进行了模拟。

2.1 基本资料及前期准备工作

本文利用SKUA-GOCAD软件建立断层三维模型主要基于地质剖面建模方法。本研究共搜集15条前人在该区域开展并建立的物探剖面(图2), 其中在夏垫断裂周围开展并建立的物探剖面有7条, 在大兴凸起东缘断裂开展并建立的物探剖面有8条(表1)。在此基础上, 对搜集到的物探剖面进行预处理。具体过程包括:

(1)搜集统计物探剖面起始点的经、 纬度坐标;

(2)对物探剖面的横、 纵坐标进行处理(拉伸或压缩), 使横、 纵坐标比例尺统一;

(3)确定研究区的坐标系统(本文使用投影坐标系统);

(4)利用Global Mapper为剖面起始点赋予坐标, 以GeoTIFF格式导出。

2.2 以SKUA-GOCAD建模软件为依托实现断层面的三维模拟

SKUA-GOCAD建模的基本原理是采用离散平滑内插值(DSI插值)算法对断层面进行刻画。DSI插值法是由Mallet(1989)提出的一种空间插值算法, 即利用网格结点之间的拓扑关系, 通过解线性方程将断层面上的未知点及异值点过滤并重新计算, 这种算法弥补了克里金插值法的不足, 保持了原始网格的几何细节, 在网格质量得到改善的同时呈现了更好的视觉效果。本文三维建模的思路是在已有的地震反射剖面上刻画断裂的垂直剖面线, 利用软件的Several Curve功能将一条断裂的垂直剖面线集合生成断层面, 主要包括数据导入、 剖面调整、 断层垂直剖面线的刻画、 生成断层面及后期调整美化等过程。具体操作方法如下:

(1)数据导入。SKUA-GOCAD为多种不同格式数据的导入提供了可能性, 如地震体的sgy数据、 井数据的las格式或最基本的X-Y-Z数据等。本文利用SKUA-GOCAD提供的GeoTIFF Image数据导入途径将预处理后的GeoTIFF格式地震反射剖面导入软件。

(2)调整剖面。由于地震反射剖面本是二维状态, 在Global Mapper中仅对其在地表2个端点的X、 Y坐标进行了配准, 未能赋予其三维属性, 即未赋予Z值, 故当导入剖面数据至SKUA-GOCAD时, 软件默认从顶向下看时其处于水平状态, 即与地层面平行, 此时的剖面状态与真实剖面状态(与地层面垂直)不符。本文利用软件中Tool下的Move or Rotate Objects功能, 将剖面翻转一定角度(通常为90°或-90°)后得到了剖面在三维空间中的垂直状态。

(3)刻画断层的垂直剖面线。每条地震反射剖面上都包含了断层在此处的垂直剖面信息, 利用SKUA-GOCAD中Unassigned Objects模块下的Curve功能, 用Open Curve或Pencil(Open Curve用于刻画折线段, Pencil主要刻画曲线)沿剖面上显示的断层形态画线, 即生成断层垂直剖面线。

(4)生成断层面。本文在SKUA-GOCAD的surface模块下, 使用New下面的Several Curve功能对每条断层的垂直剖面线进行连接, 系统自动生成Delaunay三角网格化的断层面。

(5)美化和调整。本文首先使用Beautily功能和Interpolation模块对断层面进行光滑美化, 之后根据已搜集到的物探剖面及前人对该断裂的调查资料, 使用SKUA-GOCAD提供的三角网格加密功能(split)对断层面的三角网格进行调整(Move by Dragging), 使三维断层面更美观的同时, 也使断层面上的各参数更接近前人的地质调查结果。(图3)。

3 最大潜在地震评估

3.1 利用构造类比法分析大兴凸起东缘断裂的最大潜在地震

夏垫断裂是北京平原东南部一条典型的隐伏断层, 中生代时曾强烈活动, 至古近-新近纪时仍继续活动(殷娜等, 2021), 具有生长断裂的特点。其与大兴凸起东缘断裂呈右阶排列, 总体走向约N30°E, 倾向SE, 倾角为50°~70°, 长约54km, 具有正断层特征, 为全新世活动断裂, 1679年三河-平谷8.0级地震即发生在该断裂上。

基础的地质调查已查明大兴凸起东缘断裂总体走向NE, 倾向SE, 全长约90km, 倾角约为50°。本文利用已有的物探剖面模拟了大兴凸起东缘断裂在三维空间中的展布, 图4、 图5分别按倾角和深度对其进行了展示。三维模拟图显示, 大兴凸起东缘断裂在空间中的展布经过3个拐点, 能看出其走向具有明显的分段性。从北东到南西其走向依次呈现出NNE—NE—近EW—近SN的分段特征, 与赵红格等(2002)、 桂宝玲等(2012)将大兴凸起东缘断裂按走向展布特征分为北段、 中北段、 中南段与南段4段的分段结果接近。这也验证了利用多条地震反射剖面控制断层的总体三维走向特征具有可行性。

依次对图5中大兴凸起东缘断裂的每段截取其剖面, 剖面位置如图中A—D所示, 得到了4段的垂直剖面图(图6); 并将小地震投影于垂直断裂走向的横切面上, 得到了断裂附近小地震的深度分布图(图7)。2组剖面图显示: 1)深部断裂到达地下35km以深, 这与深地震反射剖面揭示的结果一致; 2)大兴凸起东缘断裂的倾向在各段大致相同, 总体倾向SE; 3)倾角在各段有明显差异, 从北到南4段的倾角依次约为70°、 40°、 50°和60°, 呈现出陡直—平缓—偏缓—偏陡的变化特征, 这与前人(赵红格等, 2002; 桂宝玲等, 2012)对该断裂倾角变化特征(70°、 40°、 40°、 60°)及每段倾角范围的研究结果具有一致性; 4)小地震在断裂附近的深度分布范围为0~25km, 其中优势范围为10~20km。

总体上, 利用该方法构建的断层面三维模型在总体走向、 倾向、 倾角等三维形态及其展布特征的刻画上具有一定的适用性, 能够较准确地展示断层的总体特征。但模型对于细节的刻画相对薄弱: 地震反射剖面所揭示的断层在不同深度的倾角略有不同, 而目前的模型则只能简单将深、 浅2个部分的倾角分别展现却不能精细刻画。模型的精确程度与建模过程中所使用的剖面数量及剖面信息的质量相关。

三维模拟图显示, 大兴凸起东缘断裂在构造上具有与夏垫断裂相似的特征, 按深度展示的对比图(图5)表明2条断裂都是深浅共存的大断裂, 浅部断裂均在地下15km深处附近消失, 而深大断裂向下延伸切割了下地壳和莫霍面; 按倾角展示的对比图(图4)则清晰地反映了2条断裂具有深、 浅2组明显不同的倾角, 深断裂近陡直, 而该深大断裂的形成可能与下方的岩浆活动造成的局部应力分布差异有关(张先康等, 2002; Zhang et al., 2003; 高景华等, 2008; 刘保金等, 2009, 2011; 何付兵等, 2013; 王椿镛等, 2016)。

前人的研究已表明大兴凸起东缘断裂与夏垫断裂均错动了全新世地层, 是全新世的活动断裂(江娃利等, 2000; 高景华等, 2008; 刘保金等, 2009; 何付兵等, 2013; 孟立朋等, 2019; 李正芳等, 2021)。由于2条断裂在活动性和构造特征上存在极大的相似性, 而夏垫断裂上曾发生过1679年三河-平谷8级地震, 其上古地震呈准周期复发特征(冉勇康等, 1997; 江娃利等, 2000; 万永魁等, 2014; 邓梅等, 2018; Deng et al., 2019), 具有很强的发震能力, 故推断大兴凸起东缘断裂也具有发生大地震的危险。但由于2条断裂的活动性具有由北向南逐渐减弱的特点, 本文推断大兴凸起东缘断裂的最大潜在地震可能小于发生在夏垫断裂上的1679年三河-平谷8.0级地震。

3.2 利用震级-破裂尺度关系式评估大兴凸起东缘断裂的最大潜在地震

前人的研究多认为大兴凸起东缘断裂晚更新世以来不存在明显活动(徐锡伟等, 2019; 何付兵等, 2020), 而针对该断裂的古地震事件研究极少, 仅有通过探槽识别出的发生于距今约 5500a的一次古地震事件。现有证据虽已表明大兴凸起东缘断裂是全新世以来的活动断裂(李正芳等, 2021), 但有记录以来, 其上仅发生过1057年6.5级地震, 古地震及破裂参数等资料相对缺乏, 故本文利用震级-破裂尺度经验关系评估大兴凸起东缘断裂最大潜在地震震级。

活动断层的破裂尺度(包括同震破裂长度、 破裂面积等)与地震震级之间存在正相关性(Chinnery, 1969; Kanamori et al., 1975)。针对该关系, 国内外学者进行了诸多野外调查与科学研究工作, 并建立了关于断层破裂尺度与地震震级的经验关系式(Bonilla et al., 1984; Slemmons et al., 1989; 邓起东等, 1992; Wells et al., 1994; 叶文华等, 1996; 龙锋等, 2006)。由于前人对夏垫断裂的研究程度较高, 其上发生过1679年三河-平谷地震, 且其古地震呈准周期复发特征, 故本文利用夏垫断裂与大兴凸起东缘断裂进行构造类比, 对用震级-破裂尺度关系式得到的最大潜在地震的震级进行修正, 以对大兴凸起东缘断裂的最大潜在地震进行科学评估。

从断层长度与震级的关系来看, 大兴凸起东缘断裂长约90km, 本文采用Wells等(1994)给出的正断层长度-震级关系式对该断裂的最大潜在地震震级进行估计, 得到的数值为7.4。

(1)采用董瑞树等(1993)综合前人结果拟合出的适用于中国东部较宽范围的断层长度与震级的关系式得到的数值为7.4。

(2)从断层面积与震级的关系来看, 目前华北地区相关的经验式较少, 本文采用龙锋等(2006)通过地震波谱、 地壳形变及余震分布多种方法, 并结合1965年以来华北地区发生的地震获得的震级-破裂尺度(面积)经验关系式对大兴凸起东缘断裂的地震危险性进行评估。

(3)大兴凸起东缘断裂全长约90km, 其震源破裂深度为15~18km, 总体倾角为60°, 故破裂面积约1870.6km2, 以此计算得到的最大震级约为7.3。

前文已述及, 大兴凸起东缘断裂与夏垫断裂在构造背景、 三维展布、 深浅构造等方面具有很强的相似性, 但目前的研究成果显示其活动性仍弱于夏垫断裂, 考虑到结果的不确定性, 综合评估认为大兴凸起东缘断裂最大潜在地震的震级为7.5级。

4 讨论与结论

前人在研究区开展了诸多工作, 在断层活动性、 三维结构、 深浅构造等诸多方面已取得了丰硕成果, 但受现有台网数据成像分辨率和精度及技术的限制, 且大陆地震构造本身具有复杂性, 导致许多问题仍待解决, 如大兴凸起东缘断裂深部断裂的形成、 深浅断裂之间的关系等。自通过最新的浅部地震反射剖面和钻孔资料发现大兴凸起东缘断裂全新世活动的证据后, 对北京市的地震灾害风险普查工作也随之开展, 同时这对于构建大兴凸起东缘断裂的三维模型及其最大震级上限的评估也提出了新的挑战。本文在前人研究的基础上, 利用现有地震剖面资料得到了以下新认识:

(1)本文收集并整理了15条地震物探剖面, 利用SKUA-GOCAD三维建模软件构建了大兴凸起东缘断裂和夏垫断裂的三维结构模型, 模拟了2条断裂在三维空间中的展布情况, 揭示了2条断裂的几何学特征及深浅构造关系, 发现2条断裂在构造上存在极大的相似性, 且小地震的优势分布范围基本一致, 均为具有相同构造背景的深浅共存的断裂, 故推测大兴凸起东缘断裂可能具有发生类似1679年三河-平谷地震的强震发震能力。

(2)本文利用构造类比原则及前人对于中国华北地区拟合得到的震级-断层破裂尺度关系式, 综合估计大兴凸起东缘断裂可能发生的最大潜在地震为7.5级。这一结论对首都圈开展震灾防治工作具有重要的科学指导意义, 应引起重视, 并积极采取防范和避让措施。

我国近代地震都发生在哪里？GNSS、InSAR等技术在地震研究中都有什么作用？

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