鄂尔多斯地块周缘应力状态与强震危险性分析

梁向军 王霞 宋美琴 陈慧

1)山西省地震局，太原 030021 2)太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025

0 引言

鄂尔多斯块体位于华北、华南和青藏高原东北缘3个陆块的汇聚部位，处于中朝准地台和祁连褶皱系2个一级大地构造单元之间。作为一个稳定的块体，鄂尔多斯块体内部地震活动频度和强度均低，但其周缘是一组具有活动特色的正断层系，有史料记载以来周边地震活动强烈(国家地震局，1988)。

鄂尔多斯周缘发育一系列的断陷盆地和褶皱山系，其东西和南北两侧分别呈现出右旋和左旋剪切拉张特征(邓起东等，1999)。北缘为河套断陷带，可划分为3个凹陷，即临河凹陷、白彦花凹陷和呼和凹陷(李彦宝等，2015)。东缘为山西断陷带，平面上呈“S”型，总体走向NNE，由大小不等的NE、NEE走向的地堑或半地堑式盆地组成，自北向南右行斜列，依次为大同、忻定、太原、临汾和运城盆地。南缘为渭河断陷带，总体呈近EW向分布，由渭河、运城、灵宝3个断陷盆地及凸起和小型断块山地等构造单元组成。西北缘为银川-吉兰泰断陷带，由银川盆地、贺兰山地垒和吉兰泰盆地呈右行雁裂式排列组成(邓起东等，1985)。西南缘(从宁夏南部中宁、中卫一带至陕西宝鸡)是一条特殊性质的边界，其没有发育拉张性质为主的地堑式盆地，而是以一组向北突出的弧形断裂为特点；这些弧形断裂自第四纪以来以强烈的挤压性质及左旋走滑运动区别于鄂尔多斯边缘的其它活动断裂(图1)。

图 1 鄂尔多斯周缘活动断裂和断陷盆地分区及ML≥2.0地震分布①大同盆地；②忻定盆地；③太原盆地；④临汾盆地；⑤运城盆地；⑥渭河盆地；⑦同心-灵武段；⑧银川盆地；⑨吉兰泰盆地；⑩内蒙磴口-五原段；白彦花凹陷；呼和凹陷

M7专项工作组(2012)在鄂尔多斯西缘和东缘划定了5个未来十年及稍长时间7～8级地震潜在危险区和值得注意地区，分别为六盘山南段-西秦岭东段危险区、内蒙古磴口-五原值得注意地区和同心-灵武值得注意地区，晋冀蒙交界危险区和侯马-运城值得注意地区(图1)。2015年4月15日，在内蒙古磴口-五原值得注意地区内发生5.8级地震，相对预期震级能量释放偏低。鄂尔多斯地块周缘现今应力状态、具有强震潜势的段落等，成为中长期地震预测研究中需要重点探讨的问题之一，也是地震学家关注的重要问题。利用以b值为主的地震活动性参数的时空扫描结果，结合地震活动背景，分析活动断裂带的现今活动状态，从而综合判定相对高应力和闭锁的断裂段，近年来已广泛应用于国内外中长期地震危险性研究中(Wiemer et al，1997；Wyss et al，2000；Yi et al，2004；易桂喜等，2004、2005、2006、2007；王霞等，2015、2017)。因此，本文利用b值时空扫描，并结合以b值为主的多种地震活动性参数分析，探讨鄂尔多斯地块周缘当前应力状态和强震危险性。

1 地震资料与方法

本文使用1970～2018年中国地震台网统一地震目录，研究区域为鄂尔多斯地块周缘地区。为了消除中强震的余震活动对b值的影响，采用K-K法进行了余震删除处理(Keilis-Borok et al，1980)，并对删除余震后的目录进行了完整性评估，即最小完整性震级MC的计算，使用的方法为震级-序号法(Ogata et al，1991)、最大曲率MAXC方法和拟合度分别为90%和95%的GFT法(Wiemer et al，2000)。从时间演化来看(图2、3)，1970～1995年MC处于2.0≤ML≤2.5，1995年之后监控能力逐渐提高，MC降至ML<2.0；参考张玲等(2011)、韶丹等(2015)、韩晓明等(2016)、张帆等(2018)在鄂尔多斯周缘地区的MC时空分布研究结果，综合认为整个区域自1970年以来ML≥2.0地震的记录能力比较平稳(图4)。

图 2 鄂尔多斯地块周缘1970年以来地震事件的震级-序号

图 3 鄂尔多斯地块周缘最小完整性震级的时序变化曲线(多方法)

图 4 1970～2018年鄂尔多斯地块周缘ML≥2.0地震年频次统计

b值的计算方法主要有线性最小二乘法、非线性最小二乘法、极大似然法和矩估计方法等4种。其中，矩估计方法得到的b值表达式与极大似然法相同，因此，矩估计方法可看作是极大似然法中的变种。针对不同的方法，随着样本数目的增加，计算结果的差异会越来越小，尤其当样本数目超过100时，4种方法基本表现出等同的计算效果(张建中等，1981)。本文要求样本数≥100，由此认为不同方法的计算结果差别不大。

《中国大陆大地震中-长期危险性研究》(M7专项工作组，2012)将鄂尔多斯周缘分属在华北构造区和南北地震带，其中涉及到的不同区域b值、多参数组合的起算震级均为ML2.0。综合上述最小完整性震级时空分析结果以及b值、多参数组合对样本数的最低要求，本文同样选取起算震级为ML2.0。

b值空间扫描规则为：①对研究区进行0.1°×0.1°的网格化处理，统计单元以每个网格节点为圆心，半径r为20km的圆形，利用最小二乘法计算b值，将其作为相应网格单元中心点的计算值，从而获得b值空间分布；其中b值的计算可参考国家地震局预测预防司(1997)给出的公式；②统计单元内最小地震个数为100，当地震个数小于100时，扩大半径r至40km，若仍然不满足样本要求，则将该节点值置为空(易桂喜等，2011)；③震级步长0.2级，拟合间隔点不得少于5个。

M7专项工作组(2012)的研究时段大多为1970年1月～2010年6月，个别至2010年8月。为便于对比，统一选取截止时间为2010年6月的结果。

根据上述b值计算规则获得1970年1月～2018年12月的b值空间扫描结果，与1970年1月～2010年6月研究区域内2个时段同一节点的b值相减，获得Δb值，用来分析研究区不同时期的应力水平变化(易桂喜等，2013)，其中Δb为正值表示b值增高，应力水平下降；负值则表明b值降低，应力水平有所升高。根据前人的研究经验(梅世蓉，1993)，认为b值低于0.7作为异常。鄂尔多斯北缘最新研究结果将该区域b值低于0.8作为异常，预报效能最高(张帆等，2018)。

为了剔除M≥5.5地震对b值及多参数的影响，本文在b值时空扫描时，针对鄂尔多斯周缘1976年和林格尔6.2级、1979年五原6.0级、1996年包头6.4级、1976年阿拉善左旗6.2级、2015年阿拉善左旗5.8级、1989年大同阳高6.1级、1991年大同阳高5.8级、1999年大同阳高5.6级、1981年丰镇5.8级、1998年张北6.2级、1999年张北5.6级等地震，分别选取震中周围40km范围内主震后5个月(认为序列目录已经衰减到背景水平)的目录作为起算时间，原地发生2次以上中强震的则选取最后1次主震后5个月的目录作为起算时间；对多参数计算时，则是将包含上述地震的段落，同样选取主震后(大于2次强震区，选最后1次)5个月的目录作为起算时间，截止时间分别为2010年6月、2008年12月。

2 b值结果分析

鄂尔多斯地块周缘b值图像共分3个区域，在2个构造区分别展示(M7专项工作组，2012)，为了便于跟踪其变化，本文重新再现了1970年1月～2010年6月的b值图像，其中鄂尔多斯周缘1976年和林格尔6.2级、1979年五原6.0级、1996年包头6.4级、1976年阿拉善左旗6.2级、2015年阿拉善左旗5.8级、1989年大同阳高6.1级、1991年大同阳高5.8级、1999年大同阳高5.6级、1981年丰镇5.8级、1998年张北6.2级、1999年张北5.6级等地震震中周围40km范围内点的结果由上述相应起止时间的目录计算获得。图5 为1970年1月～2018年12月鄂尔多斯地块周缘b值空间分布图像，由图可见当前整体平均b值约0.91，与1970年1月～2010年6月获得的研究区的平均值0.89较为接近，变化不大；除个别统计单元b值标准误差为0.02外(约占2%)，其余统计单元b值标准误差≤0.01。目前，由M7专项工作组(2012)划定的未来潜在大地震危险区和值得注意地区仍处于低值，除此之外，忻定盆地南端和渭河盆地也呈现b值低值状态，表明这些地区当前处于较高应力水平，其余外围边界区域不作为本文讨论的重点。鄂尔多斯地块周缘其它多数区域显示b值处于0.9～1.5之间，表明这些区域目前的应力水平不高。

图 5 鄂尔多斯地块周缘当前b值分布(1970～2018年)①大同盆地；②忻定盆地；③太原盆地；④临汾盆地；⑤运城盆地；⑥渭河盆地；⑦同心-灵武段；⑧银川盆地；⑨吉兰泰盆地；⑩内蒙磴口-五原段；白彦花凹陷；呼和凹陷

图 6 鄂尔多斯地块周缘Δb值分布(1970～2018年，①～标注同图5)

为获取近几年研究区域b值的变化特征，引用易桂喜等(2013)提出的Δb，即研究区域当前b值与1970年1月～2010年6月时段b值之间的差值(图6)，由图6 可见，鄂尔多斯周缘断陷盆地区域变化相对平稳，绝大多数在±0.05，少部分区域为±0.15，个别区域可达±0.25。其中内蒙古磴口-五原值得注意地区、同心-灵武值得注意地区、晋冀蒙交界危险区和侯马-运城值得注意地区4个区域的Δb均在-0.05～0.05，反映出经过8年的时间演化，这些区域的应力仍处于匀速的应力积累状态。忻定盆地东侧、临汾盆地北段、吉兰泰盆地南端、灵武地区较其它区域呈现较为明显的b值降低，反映其应力水平有明显上升。

3 多参数结果分析

在b值时空扫描结果的基础上，结合M7专项工作组(2012)划定的危险区和值得注意地区，开展多个地震活动性参数组合分析，除选取2个危险区、2个注意地区外，将周缘剩余区域按照断陷盆地划分成12段，除上述含大震的段落要选用主震后5个月的时间作为起算时间外，其余均采用1970年1月～2010年6月和1970年1月～2018年12月2个时段的ML≥2.0地震资料，分别计算了鄂尔多斯地块周缘12个段落的多地震活动性参数组合。分析可得，经过8年的演化，除第8段落外，整个周缘断陷带的年发生率、年释放率均整体下降，揭示出这一区域自2010年6月以来呈现出地震弱活动状态(表1、2)。其中，①～⑥段属于鄂尔多斯东缘、南缘，⑦～段属于鄂尔多斯西北缘(表2)。目前，2段呈现出显著的差异，具体表现在：前者除第⑥段地震年发生率为0.03次/a/km外，其余保持在0.1～0.5次/a/km，后者除第⑨段在0.1次/a/km外，第⑦、⑧、⑩段为0.05～0.07次/a/km；北缘的和也维持在0.09次/a/km左右。约80%的段落年释放率保持在200～400J1/2/a/km，少数段落为70～170J1/2/a/km。综上所述，鄂尔多斯东缘、西北缘、北缘活动特点分别为频繁小震活动、频繁中小地震、稀疏中等地震活动，各段落具体分析如下。

图 7 鄂尔多斯东缘多参数组合时序分布

临汾盆地北段④：历史上发生1303年洪洞8.0级、1695年临汾 7级地震，破裂贯通整个段落。b值空间等值线图(图5)显示这一区域以高b值为主，不具备发生大震的条件。该段落具有偏高的b值值和a/b值(图7、表2)，表明该段处于低应力背景下，以小震滑动为特征，断层面尚未耦合，近期复发强震的可能性不大。

渭河盆地⑥：历史上发生1501年朝邑7.0级、1556年华县 8级、1568年西安 6级地震，破裂贯通整个段落。b值空间等值线图(图5)显示华县震源区为高b值，其余段落以中等偏低的b值为主，具有较低的b值值和a/b值(图7、表2)，表明该段处于低应力背景下，以微弱小震活动为特征，断层面尚未耦合，近期复发强震的可能性不大。

4 结论与讨论

基于鄂尔多斯地块周缘1970年1月～2018年12月的b值、近8年的Δb和分段多参数组合结果，综合分析认为：

(1)与1970～2010年的结果相比，鄂尔多斯地块周缘b值变化并不显著，内蒙古磴口-五原值得注意地区、同心-灵武值得注意地区、晋冀蒙交界危险区和侯马-运城值得注意地区仍处于匀速的应力积累状态，并未出现大震前的加速现象。仅在上述区域之外的忻定盆地西侧、临汾盆地北段、吉兰泰盆地南端、灵武地区出现小范围的局部应力积累加速现象。

(2)对鄂尔多斯周缘断陷盆地12个段落的多参数组合结果综合分析显示：①当前处于高应力相对闭锁的区域主要为鄂尔多斯地块西北缘临河凹陷磴口-五原地区，与张帆等(2018)对鄂尔多斯地块北缘b值的研究结果一致，而近年来该区域的b值变化不大，反映其应力水平处于匀速积累状态，表明该区域具有长期强震潜势的背景，与其它段落相比，危险性最高。②同心-灵武地区表现出局部偏高应力下的中小震滑动特征，与1970年1月～2010年6月的结果相比，应力水平有所增高，危险性有所增强。③侯马-运城地区表现为中偏高应力背景下的中小震滑动状态，近8年来该区域b值和多参数变化比较平稳，强震危险性维持。④晋冀蒙交界区表现为中偏高应力下的频繁小震活动，与1970年1月～2010年6月的结果相比，应力水平有所减弱，危险性有所降低。⑤其余段落表现为相对偏低或低应力下的频繁小震、稀疏中小地震和稀疏小震活动，意味着自当地最晚的大地震破裂后断层面尚未重新耦合，未来复发大震的可能性不大。