年級地震事件的確定

年級地震事件的確定

1新夏墊層和夏墊潘的關(guān)系1679年9月2日，三河-平原的8級地震（烈度）發(fā)生，這是北京及其周邊地區(qū)歷史上記錄的最大地震。由于地震發(fā)生強(qiáng)度和地點的特殊性,許多學(xué)者通過地質(zhì)、微地貌、淺層物探、化探、鉆探等一系列綜合探測,對該地震的宏觀震中、地質(zhì)構(gòu)造背景、發(fā)震斷層及其破裂方式、大地震的重復(fù)性問題進(jìn)行過不同程度的研究。他們的主要認(rèn)識有以下幾點:(1)1679年地震宏觀震中在夏墊潘各莊一帶(孟憲梁等,1983);(2)第四紀(jì)形成的北東向新夏墊斷層為1679年地震的發(fā)震斷層,其長度約20km,斷層造成下更新統(tǒng)夏墊組被垂直斷錯3.12m,中更新統(tǒng)翟里組落差約1.39m,上更新統(tǒng)東營組落差1.5m(李鼎容等,1979;彭一民等,1981)。10萬a來的平均位移速率為0.12mm/a。第四紀(jì)以來平均位移速率0.13mm/a(向宏發(fā)等,1988);(3)地震斷層以傾滑為主,表現(xiàn)為張扭性的地震形變帶(向宏發(fā)等,1988);(4)晚第四紀(jì)以來(約15000a),新夏墊斷層只發(fā)生過1679年8級地震,最大位移3.16m。由此得到的平均滑動速率為0.2mm/a。以此推斷7.5級、7級和6.5級地震的平均復(fù)發(fā)周期下限值分別為3800,1750和800a(向宏發(fā)等,1988)。顯然,上述結(jié)論揭示了1679年地震的基本構(gòu)造特征,是進(jìn)一步認(rèn)識三河-平谷8級地震區(qū)大地震重復(fù)規(guī)律的基礎(chǔ)。1996年筆者為組織30屆國際地質(zhì)大會古地震專題討論會的野外考察,有機(jī)會在上述地點,通過大探槽的開挖,針對性地研究古地震問題。在古地震發(fā)生的期次、強(qiáng)度和重復(fù)間隔時間等方面獲得一些新認(rèn)識。2晚方面地層和變形1679年三河-平谷地震地表破裂帶長約10km,最明顯的地段為從東興莊經(jīng)潘各莊至東柳河屯,長約5km,總體走向40～45°,由斷層陡坎、地形坡折帶和低洼負(fù)地形帶組成(圖1,2)。斷層兩側(cè)的地形和晚第四紀(jì)標(biāo)志地層位差顯示,斷層最大位移中心在潘各莊一帶為3.16m;向東至東興莊和向西到東柳河屯分別減小到0.5m(向宏發(fā)等,1988)。為盡可能在探槽規(guī)模確定的情況下多揭露古地震事件,選擇位移量適中的東柳河屯東北(陡坎高約1.9m)作為大探槽開挖地點,并結(jié)合已有探槽分析古地震事件。2.1探槽內(nèi)層的層?xùn)|柳河屯東北探槽長20m,深6m,上寬6m,下寬1.5m。探槽剖面共揭露出9個地層單元(圖3)。由老至新分別是:層①灰黑色粉砂土,探槽里出露厚度約為2.5m。該層的特征是直立銹色條帶發(fā)育。條帶長20～30cm,寬1～2cm。另外,層的頂部起伏不平,見到團(tuán)塊狀堆積物和充填楔。層頂部的TL樣品年代為距今(20.4±1.7)ka(表1)。層②黃色、灰色粉砂和粉砂土,厚度不均勻,最厚為1m。頂部為厚約10cm的黑色粘土。其層③灰黑色粉砂土,厚約2m。探槽西壁出露黃色、白色砂脈。砂脈向上終止在該層中上部一個不清楚的面附近。我們把不清楚面以上的地層劃分為層③的亞層。層④灰白色細(xì)砂和粉砂,其厚度在斷層下盤為60cm,在斷層上盤為90cm。底部有一厚約5mm的薄貝殼層夾于厚約1～3cm的灰黑色粘土層中,是具有區(qū)域特征的主要標(biāo)志。灰黑色貝殼粉砂的層⑤桔黃、灰白色粘土,厚約150cm,具塊狀結(jié)構(gòu)。底部TL年齡為距今(9.9±o.8)ka,頂部TL年齡為距今(7.66±0.62)ka。該層僅出露在斷層上盤。層⑥主要由層⑤中的桔黃色、灰色粘土和層④中的灰白色砂塊組成,厚約50cm,僅出露在斷層下盤。層⑦類似斷層崩積楔,厚度在近斷層處變厚而離斷層變薄。組成物質(zhì)混雜,有桔黃色砂粘土、砂團(tuán)塊和小碎石等。碎石的直徑2～5cm。另外,該層鈣和鐵錳相對富集,以致層內(nèi)含有褐色團(tuán)塊,硬度比其它層大。楔體的厚度約80cm。楔體底部的TL樣品年代為距今(8.3±0.7)ka。層⑧為灰黃色粉砂和土壤,夾灰黃色團(tuán)塊和灰白色砂塊。在探槽西壁距斷層5.5m發(fā)現(xiàn)一塊紅磚,估計為1949年后制成。因此,該層堆積年代應(yīng)該很晚。近斷層處發(fā)育一充填楔,粘土和砂團(tuán)塊充填其中。我們推測這和1679年地震及以后的人類活動有關(guān)。層⑨耕作土,由于當(dāng)?shù)卦?958～1959年改造土地,故可能是1958年后的產(chǎn)物。2.2探槽的地層被擾動的事件在東柳河屯東北開挖的大探槽兩壁雖然現(xiàn)象不完全相同(圖3),但信息相互補(bǔ)充,共揭露了4次古地震事件。有兩次事件由斷層直接位錯證據(jù)得出,另兩次由古液化現(xiàn)象推測得出。在探槽兩壁,層①的頂面起伏不平,尤其西壁砂囊集中在層頂附近,并見一充填楔,楔內(nèi)堆積有砂團(tuán)塊。盡管難以辨別斷層的直接位錯證據(jù),但仍可把這些地層被擾動的現(xiàn)象和古地震事件聯(lián)系起來。該層上部的TL樣品年代為距今(20.4±1.7)ka,那么,推測該事件發(fā)生在稍晚于這個年代之后,約為距今20ka。為敘述方便,把該事件確定為A。在探槽西壁還存在另一次古液化現(xiàn)象。有幾條砂脈穿過②層,終止在層③中上部。若認(rèn)為這是又一次古地震事件的遺跡的話,它的發(fā)生年代應(yīng)在層②堆積以后,層④堆積以前。層②頂部和層④底部的在探槽的兩個壁上都可清楚地見到兩次斷層的直接位錯事件。在探槽東壁,F另外,對以前開挖的探槽進(jìn)行分析,也可見到多次古地震事件。以潘各莊西南磚瓦廠取土坑剖面為例(圖4),至少存在兩次直接的斷層位錯事件和一次間接事件。間接事件發(fā)生在層④堆積以前,以受擾動的層(10)被層④覆蓋為鑒別標(biāo)志。由層位對比得知,層④的至此,我們認(rèn)為探槽共揭露了4次地震事件。它們大約發(fā)生在距今20,13.3,7.5和0.317ka,即最后一次事件為1679年8級地震。后兩次事件的位移量分別大于1m和1.3m。3陡坎剖面的地震事件分析前已述及,發(fā)生1679年地震的新夏墊斷層在東興莊、潘各莊至東柳河屯一帶地表留有明顯的斷層陡坎和地形坡折帶。過去沒有注意這些地表形變是單一事件還是復(fù)合事件的產(chǎn)物。而通過測量和分析斷層陡坎或地形陡變帶的剖面形態(tài),可以推斷陡坎包含了兩次事件的作用結(jié)果(圖5)。對于正斷層的斷層陡坎,國內(nèi)外學(xué)者作過較多的研究(Wallace,1977;Bucknametal.,1979;Hanks,1984;黃昭,1986)。他們認(rèn)為,對于單一事件的陡坎而言,陡坎演化的坡角可以指示陡坎形成的年代;多次事件形成的陡坎,在其上原始面與陡坎主坡角之間的地段存在明顯的坡度轉(zhuǎn)折點,并且一個轉(zhuǎn)折點至少對應(yīng)一次古地震事件。新夏墊斷層是以正傾滑為主的斷層,一方面正斷層陡坎演化的理論適用于此,另外又注意到該區(qū)人類活動頻繁,斷層陡坎的原始形態(tài)難以保存。尤其是主坡角面基本被完全改造,用陡坎主坡角推斷陡坎的形成年代是不可能的。然而,延長剖面測量長度,可以淡化人工改造對陡坎總體形態(tài)的影響。在兩次事件間隔時間較長的情況下,陡坎坡折帶變寬,坡折點遠(yuǎn)離主坡面,受人類改造的可能性小。由此,用坡折點作為分析古地震次數(shù)的參考仍是可行的。圖5顯示的5條陡坎剖面中,其中4條可見主坡面與上原始面之間有兩個明顯的坡折點,越年輕的坡折點轉(zhuǎn)折角越大,而且轉(zhuǎn)折角的大小與陡坎的高度相關(guān)。最低的一個陡坎剖面上僅能看到一個轉(zhuǎn)折點,其它陡坎見兩個坡折點,陡坎越高坡折點越明顯,這種現(xiàn)象在理論上是合理的。一種可能是低陡坎僅為一次事件的產(chǎn)物,另一種可能是早期事件形成的陡坎低,易被剝蝕,難以識別不明顯的坡折點。由此,依據(jù)坡折點,可以推斷目前存在于東興莊至東柳河屯一帶的斷層陡坎或地形陡變帶是兩次事件的產(chǎn)物。另外,通過圖解法(Bucknametal.,1979),從4條有兩個坡折點的陡坎剖面可以求出兩次事件的參考位移量。以東柳河屯北東剖面為例,陡坎上原始面的延長線與下原始面的位差是1.9m,為兩次事件的合位移,又作年輕坡折點與下原始面的平行線,求得兩線位差為1.15m。視1.15m為后一次事件的位移量,那么,前一次事件的位移量為0.75m。依此類推,獲得大胡莊南兩次事件的合位移為1.72m,前事件為1.05m,后事件為0.67m。齊心莊西南合位移1.25m,后事件為0.76m,前事件為0.49m。齊心莊東400m合位移為0.68m,后事件為0.38m,前事件為0.30m(表2)。4古地震強(qiáng)度和重復(fù)模型4.1兩次事件的位移量對比至今用于判定古地震強(qiáng)度的標(biāo)尺主要是通過古地震破裂帶的長度和事件的位移量與歷史及現(xiàn)今地震震級相關(guān)的破裂和位移經(jīng)驗對比。新夏墊斷層發(fā)生的古地震強(qiáng)度的對比標(biāo)尺即1679年8級地震的破裂長度和位移量。上文提到1679年地震地表破裂長度為10km,而原認(rèn)為的1679年地表破裂帶實際包含了兩次事件。那么,僅就位移量而言,1679年事件的最大位移不再是3.16m。大探槽兩壁直接見到的和陡坎剖面分析得到的兩次事件位移量分別為:1679年事件1.3m,前1679年事件1m和1679年事件1.15m,前1679年事件0.75m?？梢?實際見到的位移量大于陡坎分析的位移量;而且1679年事件位移量大于前1679年事件位移量。這種現(xiàn)象是具有普遍性的(表2顯示的陡坎與鉆探揭露的兩次事件合位移的差及4條陡坎剖面圖解的位移量都證明了這一點)。依據(jù)這些資料可以求得1679年事件的地表位移比古地震事件位移量大(33±7)cm,陡坎得到的位移量比實際位移量平均小20cm,那么推測得到1679年事件的地表最大位移為1.75m,古地震事件的最大位移為1.41m。最大位移地點仍在潘各莊一帶(表2)。另外,從東柳河屯0.5m高的陡坎剖面難以辨認(rèn)兩次事件的坡折點看,古地震事件的地表破裂長度也稍小于1679年事件。由此,可以斷言,前1679年的那一次古地震事件略小于1679年事件。如果把得到的兩次事件最大位移量代入華北地區(qū)由現(xiàn)代地震地表破裂與震級的關(guān)系式(鄧起東等,1992),分別得到1679和前1679年事件的震級為7.82與7.75。兩者相差不到0.1個震級差。由此可見,當(dāng)已知1679年地震為8級時,前1679年古地震事件應(yīng)為7.9級。4.2重復(fù)模型的建立嚴(yán)格地說,僅憑目前獲得的兩次直接斷錯事件的資料,是無法建立古地震重復(fù)模型的,因為僅有一個間隔數(shù)據(jù)。但是,加上另外兩次古液化現(xiàn)象確定的古地震事件,可以得到時間上的3個間隔數(shù)據(jù),基本建立起時間間隔的模型。盡管間接事件沒有強(qiáng)度的資料,建立起的重復(fù)模型不完整,有很大的不確定性,然而具有參考意義。根據(jù)同一斷層破裂段上重復(fù)發(fā)生震級大小相近的地震可視為特征地震的概念(Schwartzetal.,1984),本文已揭露兩次直接位錯事件屬特征地震。另外,從重復(fù)間隔的時間看,4次事件分別發(fā)生在距今約20000,13300,7500和317a,其間隔時間為6700,5800和7183a,平均值為(6561±691)a,是一種準(zhǔn)周期的重復(fù)模式。如果說,特征地震的準(zhǔn)周期復(fù)發(fā)模式(Savageetal.,1987)包括嚴(yán)格周期性復(fù)發(fā)、時間可預(yù)報復(fù)發(fā)和滑動可預(yù)報復(fù)發(fā)三種極端情形(Shimazakietal.,1980;聞學(xué)澤,1995),三河-平谷地震斷層(新夏墊斷層)上的大震重復(fù)更可能是一般形式的準(zhǔn)周期復(fù)發(fā)。5準(zhǔn)周期重復(fù)與位錯作用(1)三河-平谷8級地震斷層自從距今20000a以來共發(fā)生過4次古地震事件,其中前兩次為間接標(biāo)志顯示的古地震事件,后兩次為直接標(biāo)志顯示的古位錯事件(包括1679年事件)。它們發(fā)生的時間分別距今為20000,13300,7500和317a,平均重復(fù)間隔時間為