华北板块南缘及邻区地震活动性与构造模式演化的关系.pdf
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1、SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.006第一作者简介:刘晓东(1972),男,大学本科,工程师,主要从事地震活动性研究工作。E-mail:通讯作者:张扬(1982),男,博士,高级工程师,主要从事构造地质、活动构造研究工作。E-mail:基金项目:局所合作项目:豫北典型断裂活动性研究与断裂三维建模(项目编号:IGCEA902)本文收到日
2、期:2022-04-07华北板块南缘及邻区地震活动性 与构造模式演化的关系刘晓东1)张 扬1),2)李 涛1)成万里1)余尚江1)1)中国郑州 450016 河南省地震局 2)中国北京 100029 中国地震局地质研究所摘要 在进行区域地震活动性分析时,空间范围选取不同,研究结果也将存在差异。在我国省级地震会商中,目标空间范围多由人工划分,若该研究区间包含多个构造背景不同的区域,地震危险性参数扫描结果的准确性将有待验证。采用机器学习方法,按照地震空间分布密度区进行空间聚类,将华北板块南缘及邻区划分为 3 个区域,结合研究区域地质构造的作用特征,分析 3 个区域内 b 值、响应比及频度在不同构造
3、模式作用下的物理意义。结果表明:在做小区域范围地震活动性分析时,按照与同一构造模式的空间分布选取研究范围和地震震级更为合适;研究区域地震学指标频繁的同步变化与其复杂的断裂系较为吻合;地处区域 3 的南襄盆地和区域 2 的江汉盆地为同一时期的 2个大的断陷盆地,由于盆地处于整体坳陷阶段,因此断裂在地震活动性和对盆地沉积的控制方面均明显较弱,但 2 个区域近年来地震活动呈增强趋势。因此,按照构造演化模式划分空间研究范围,地震活动性的物理意义更明确,且在同一区域内,地震活动性对同一断裂系上远大震应力传递作用的影响反映比较明显。关键词 华北板块南缘及邻区;地震学参数;地震活动性;空间聚类0 引言地震活
4、动性分析是地震危险性概率分析中基础且重要的方法。在进行地震活动性分析时,按照构造演化模式划分空间范围,地震活动性的物理意义更明确,且在同一区域内,地震活动性对同一断裂系上远大震的应力传递作用的影响反映比较明显(中国地震局监测预报司,2007)。对于地震不密集成带,也无重大构造特征的地区,地震带的划分往往有较大的不确定性。不仅地震带的划分有一定任意性,实际上,对于地震带的定义也不完全统一(潘华等,2003;沈建文等,2007)。因此,研究地震活动性分区特征对于地震危险评价有着重要意义。时振梁等(1995)在全国范围内,以明确的强震活动性指标,采用定量方法进行强震活动区域划分,探讨了强震活动的区域
5、性分布特征,认为强震活动的差异和周围板块构造运动和板内各块体运动有着密切的关系。对于局部区域地震活动性的分区特征,开展的相关研究并不多。近年来,局部地质构造研究逐渐深入,为地震活动性分区特征的43第 2 期精细研究提供了重要基础。DBSCAN 是一种基于密度的聚类算法,是不需要先验知识且无监督的学习算法,对数据簇分布具有普适性(周水庚等,2000)。为了避免人为选取地震活动性空间范围的随意性和不确定性,本文采用基于地震密度的空间聚类方法(DBSCAN),利用计算机技术,根据区域地震分布的数据簇给出华北板块南缘及邻近区域的地震活动性分区,进而结合该区域的地质构造进行验证分析,以达到使地震活动性分
6、析更加精准、物理意义更明确的目的。1 华北板块南缘及邻区地质构造背景华北板块南缘及邻区(110 118 E,30 34 N)地理位置较为特殊,大部分区域位于秦岭 大别造山带,地质构造背景较为复杂,大背景处于全球现今 3 大重要板块的汇聚拼合部位,受到西太平洋板块向西、印度板块向北和西伯利亚板块向南共同汇聚作用。华北板块南缘及邻区地震活动较频繁,在进行地震活动性分析时,一般将该区作为一个相对独立区域,但在地质构造上,其可划分为 3 个不同区域,虽然具有相同的多期造山的前陆复合构造特征,但各区段有其各自不同的构造特征(张国伟等,2013)。研究区分区及 1965 2017 年地震活动分布见图 1。
7、图 1 华北板块南缘及邻区 19652017 年 ML 3.0 地震活动分布Fig.1 Distribution of ML 3.0 seismic activities in the southern margin of the North China Plate and its adjacent areas from 1965 to 2017图 例ML 3.03.9ML 4.04.9ML 5.0省界区域分界线断裂线F1 秦岭大别断裂F2 郯城庐江断裂F2F1110112114116118 E35 N3433323130区域1区域3区域2该区东部(图 1 中区域 1)为沿着郯城 庐江断裂向东
8、北平移的苏鲁前陆复合构造区段,其起源于华北 下扬子陆块印支期的碰撞,经历了强烈的左行平移、伸展、挤压等复杂的演化过程(朱光等,2004),第四纪以来表现为右旋走滑兼逆冲的活动性质(国家地震局地质研究所,1987)。该区西南部(图 1 中区域 2)的桐柏 大别区段为因华南板块推覆逆掩作用而残存的前陆复合构造带。该区域构造演化过程为,受华南板块的逆冲推覆影响,在板块的前缘挠曲部位形成前陆盆地,同期形成 NW 向和 NEEEW 向 2 组断裂,从而奠定了盆地棋盘格网构造体系;在断陷盆地发育阶段,断裂由原逆冲或逆走滑转变为正断性质,且控制盆地沉刘晓东等:华北板块南缘及邻区地震活动性与构造模式演化的关系
9、地震地磁观测与研究44 卷 44积中心,同时盆地发生顺时针旋转,岩浆活动强烈;第三纪以来,盆地发育以坳陷为主,整体下降,表现为断裂对盆地沉积控制明显减弱,岩浆活动停止,应力场以 NE 向挤压为主(杨攀新等,2009)。研究区北缘(图 1 中区域 3)为始终保持稳定古陆块基本特征的华北陆块,该陆块南界为“台槽”分界断裂,西段经洛南 栾川 固始断裂与秦岭造山带相连,呈 NWW 向,东段经六安断裂与大别地块相接,呈近EW向。华北陆块北缘经太要 三门峡断裂和济源 焦作断裂与晋冀地块相接。华北地块呈近 EW 向延伸,东界止于郯庐断裂带,向西尖灭于西安临潼附近(李俊建等,2010)。2 基于 DBSCAN
10、 方法的空间范围划分不同的地层和地质结构,所处应力场和孕震过程不同,最终的地震时空分布也不同。而目前地震学参数扫描的本质就是,根据震级大小和时空分布得到统计量。在时空扫描时,若不结合空间位置的构造特征进行分析,将难以解释该统计量的物理意义。目前,地震相关研究均是人为选取目标范围。根据同一类性质的地震其时空分布上趋于一致的特点,利用机器学习方法,按照 ML 3.0 地震的空间分布密度进行空间聚类,进而选取目标范围。具体做法如下:扫描整个地震目录,找到任意一个地震的震中位置 p;以 p 为中心点,半径为 r 的区域称为 p 的 r 邻域;在此区域内,若 ML 3.0 地震样本数大于给定阈值 Min
11、Pts,则称 p 为核心点;遍历该核心点的 r 邻域内所有核心点(边界点无法扩充),寻找与这些数据点疏密程度相近的点,直至无可扩充的数据点为止。聚类成的簇的边界节点均为非核心数据点;重新扫描数据集,寻找未被聚类的核心点,重复以上步骤,对该核心点进行扩充,直至数据集中无新的核心点。其中,未包含在任何簇中的数据点就构成数据集的异常点。选取 1965 2017 年华北板块南缘及邻区发生的 ML 3.0 地震,以基于密度的空间聚类方法对地震进行自动分类,结果见图 2。图 2 基于 DBSCAN 方法的地震分布空间聚类(r=1,MinPts=8)Fig.2 Spatial clustering of e
12、arthquake distribution based on the DBSCAN method图 例分区1地震震中分区2地震震中分区3地震震中分区外地震震中断裂线110112114116118 E35 N343332313045第 2 期图 2 中绿色、蓝色和红色图形所在区域,记为分区 1(绿色覆盖区域)、分区 2(蓝色覆盖区域)、分区 3(红色覆盖区域),与图 1 中基于构造背景的 3 个分区范围的中心位置基本一致,说明 3 个地震震中聚集区域与各自所属的断裂构造紧密相关。因此,按照其构造特征不同,可将研究区划分为 3 个区域,研究每个区域地震活动与各自所属断裂构造演化之间的关系。具体分
13、区如下:如图 2 所示,分区 1 为郯庐断裂与大别地块相接区域,分区 2为桐柏 大别南缘与江汉盆地相接区域,分区 3 为桐柏 大别北缘与南襄盆地相接相接区域。3 目标区域地震活动性分析 地震学参数是一种统计量,力求对区域地震活动性的某些特征进行刻画或给出定量表征。其中,b 值主要反映震级分布特征,与岩石均匀程度和应力强度有关;加卸载响应比即固体潮汐对震源区的加载和卸载响应率之比,可反映区域内应力水平的变化;地震频度指的是,在一定时间范围内,单位时间所发生的地震活动次数,是地震活动性的标志之一。因此,选用 b 值、响应比及地震频度来表征区域地壳应力变化。3.1 郯庐断裂与大别地块相接区域在郯庐断
14、裂与大别地块相接区域(分区1)内,ML4.5地震活动及近代小震活动(ML 4.5以下)主要发生在秦岭 大别断裂带与郯庐断裂带交会区。1965 2017 年,该区域发生8 次 ML 4.5 地震活动。对分区 1 内 1965 2017 年地震的 b 值、频度、响应比进行时间扫描,结果见图 3。图 3 分区 1 地震学指标时间扫描Fig.3 Time scanning of seismological indexes in area 10.80.60.40.20128402010019651973198119891997200520131965197319811989199720052013196
15、5197319811989199720052013年份年份年份(c)(b)(a)响应比频度b值MS 7.0MS 7.0MS 7.5MS 8.0由图 3 可见,3 个参数的变化具有一定同步性,其中:1973 年起,b 值和频度开始大幅度变化,呈急剧上升和下降态势,响应比也具有平静到明显起伏的变化特征。1979刘晓东等:华北板块南缘及邻区地震活动性与构造模式演化的关系地震地磁观测与研究44 卷 46年,该区域发生 MS 5.4 地震(研究时段分区 1 最大地震),此后 b 值和频度呈逐步恢复趋势变化,而响应比在此次地震过程中出现明显的同步变化特征。1993 2008 年,b 值和响应比变化幅度较大
16、,在 1994 年、2003 年、2008 年呈一定同步性的大幅起伏变化,但从该区域地震频度和震级分析,无显著地震事件与之对应。值得注意的是,1994 年我国台湾地区连续发生3次MS 7.0左右强震,2003年俄中蒙交界区域连续发生3次平均震级MS 7.5以上的强震,而 2008 年汶川地震前后,区域 1 地震学参数具有同步变化(缪鹏等,2010)。2014 年,频度、b 值和响应比发生显著变化,与霍山 ML 4.8 地震的发生同步性较好。分区 1 的地震学参数变化同步性较好,其异常变化与中国大陆发生的中强地震具有较好的对应关系。该区小震以浅层地震为主,震源深度集中在 8 km 以内,以此为基
17、础计算的地震学参数主要反映了地壳浅部的应力活动水平。基于断裂带应力作用,选取 1965 年以来区域 1 应力作用方向上发生的历史大震,有 1973 年吉林 MS 7.7、1975 年海城 MS 7.3、1976 年唐山 MS 7.8、1976 年滦县 MS 7.1、1976 年松潘 MS 7.2、1976 年松潘 MS 7.2、1976年天津 MS 6.9、1990 年青海 MS 7.0、1999 年吉林 MS 7.0、2002 年吉林 MS 7.2、2008 年汶川 MS 8.0、2013 年芦山 MS 7.0 地震,绘制该区域内 b 值变化与远大震的应力传递作用对应关系图,结果见图 4,明
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