基金项目:福建省政府项目“福建省主要断裂调查与前兆流动监测”资助
作者简介:陈伟(1982-),男,高级工程师,主要从事地震地质研究。E-mail:chenwei-6666@163.com
通信作者:黄宗林(1962-),男,高级工程师,主要从事地震地质研究。E-meil:463885130@qq.com
Fujian Earthquake Agency , Fuzhou 350003, China
Fault;Disaster causing factors;Maximum potential magnitude;Seismic risk sources
DOI: 10.13512/j.hndz.2022.01.08
永安—晋江断裂带始于福建清流西北,沿永安、安溪、泉州、晋江一线展布,东南段延伸入台湾海峡,长约300 km,宽5~26 km,断裂带总体走向北西320°,倾向南西或北东,倾角60°~85°,单条断裂一般长3~15 km,最长达32 km(图1)。断裂在地貌上控制了东南段晋江河谷和泉州盆地的发育。
图1 永安—晋江断裂带构造部位Fig.1 Structural position of Yong'an-Jinjiang fault zone
断裂带横贯福建中部,位于菲律宾海板块向欧亚大陆板块俯冲碰撞的犄角转换部位形成的“台湾动力触角”轴线上[1],该轴线以北主要受菲律宾海板块通过琉球岛弧向欧亚大陆板块俯冲的影响,以南主要受菲律宾海板块通过台湾岛弧向欧亚大陆碰撞挤压的影响,地震和构造具有“南强北弱”特征。
本文通过致灾因子风险调查,结合地震活动性分析,判定致灾因子及其最大潜在震级,合理划分地震风险源,明确地震风险隐患底数。
断裂带大地构造位于华南新元古代—早古生代造山带,大致以政和—海丰断裂带为界,断裂部西北侧属于华夏地块,东南部属于东南沿海中生代岩浆带[2](见图1)。
为调查断裂活动性,需先开展新构造研究,断裂带新构造主要位于武夷—戴云隆升区,大致以长乐—诏安断裂带和政和—海丰断裂带为界,自东向西分为断块差异上升区(Ⅰ)、断块掀斜隆升区(Ⅱ)和断陷上升区(Ⅲ)三个次级新构造分区(图2)。
调查区东南段位于断块差异上升区,以间歇性差异隆升活动为主,地貌上以冲海积平原、红土台地为主。中更新世以来,地壳缓慢抬升形成三级侵蚀台面(T1B=10~25 m、T2B=30~35 m、T3B=50~60 m);第四纪晚期以来,地壳仍处于间歇性抬升,发育三级阶地和不同高程(300 m、100 m、50 m、30 m、15 m)的海蚀遗迹。
调查区中段位于断块掀斜隆升区,以西翘东斜的掀斜式差异隆升为主,地貌上以强烈切割的构造侵蚀中—低山、侵蚀剥蚀丘陵为主,河流深切呈狭谷型,形成三级夷平面,自西向东倾斜。高夷平面海拔1000~1100 m,为中新世末形成;中夷平面海拔800~900 m,为上新世末形成;低夷平面海拔500~600 m,为第四纪早期形成[1]。
调查区西北段位于断陷上升区,以间歇性断陷隆升活动为主,地貌上以侵蚀剥蚀低山、丘陵和断陷红盆组成的盆岭相间为主。第三纪至第四纪早期,晚白垩世断陷红盆普遍抬升成山,丹霞地貌发育,基本缺失沉积;中更新世以来,剥蚀丘陵发育,河流宽谷和盆谷内普遍分布高度不等的三级阶地。
调查区第四纪地层主要分布于东南沿海地区,自上到下依次为全新统长乐组、全新统东山组、上更新统龙海组、中更新统同安组,总体上属海湾冲淤积-滨海相,一般厚度10~20多米,最大近36 m [1];中、西部的山间盆地和河流两侧零星分布冲洪积相,更新统组成Ⅱ级阶地,全新统组成I级阶地及漫滩。
前第四纪地层自上而下有:新近系佛昙组沉积—基性火山岩系地层、下白垩统上部—上白垩统紫红色陆相沉积—火山岩系地层、上侏罗统—下白垩统下部沉积—中酸性火山岩系地层、上三叠统—中侏罗统细粒陆屑沉积层、上泥盆统—中三叠统滨浅海相—海陆交互相沉积层、新元古界—下古生界高绿片岩—高绿片岩相变质岩。总体规律为,调查区西北部主要为变质岩老地层,中部主要为沉积岩,东部广泛分布上侏罗统—下白垩统上部南园组火山岩,此外,白垩纪红盆主要分布于西北部以及沿北西主干断裂呈串珠状展布,新近纪—第四纪早期玄武岩零星出露于西北部明溪—宁化一带,最新喷溢时代可达中更新世[3-6]。
调查区侵入岩以燕山期和加里东期花岗岩类为主,前者广泛分布于调查区全段,后者仅在西北部出露。
图2 永安—晋江断裂带新构造与地貌图Fig.2 Neotectonics and geomorphology map of Yong'an-Jinjiang fault zone
调查区经历了扬子—加里东、华力西—印支、燕山、喜马拉雅四个构造演化旋回,区内构造总体呈现由活跃到稳定、活动带逐渐向东南变迁的演化趋势。
扬子—加里东旋回,随华夏古陆裂解,本区中西部拉张断陷,接受巨厚沉积,加里东运动褶皱隆起,产生区域变质作用,造成中西部加里东期混合花岗岩广泛分布。
华力西—印支旋回,受海侵影响,西北部形成陆表海盆沉积,印支早期基底隆升形成伸展滑脱,晚期水平挤压形成宽缓褶皱,本断裂带也在印支期形成,成为福建中部最早的北西向基底断裂之一。
燕山旋回,区内构造运动由古特提斯构造域转变为环太平洋构造域,本断裂带表现为横张调整性运动,断裂东南部与北东向断裂共同形成大规模断陷和大面积火山喷发带,西北部以沉积为主,沿断裂带形成轴向北西的白垩纪串珠状红盆。
喜马拉雅旋回,进入相对稳定时期,古近纪地壳继续隆升,造成沉积缺失,新近纪以来,区内断裂继承性运动,西部断裂交汇部位出现玄武岩喷溢,第四纪以来,断裂活动控制地貌发育,沿北西向断裂形成一级河流,并控制东南部泉州断陷盆地发育。
为摸清永安—晋江断裂带致灾因子,对调查区内50条次级断裂、9条主要线性构造开展地震构造调查,兼顾两组断裂交汇部位的断裂交切关系以及区内5级以上中强地震的发震构造,逐条排查鉴定各次级断裂的活动性。沿断裂带基岩出露区共追踪到431个地质调查点,在断裂东南段隐伏区垂直断裂布设9条浅层地震勘探测线、5条地质雷达测线,浅层地震勘探测线总长度2103 m,地质雷达测线总长度1510 m (见图3)。
图3 永安—晋江断裂带调查实际材料图Fig.3 Primitive data map of investigation on Yong'an-Jinjiang fault zone
通过调查得知,断裂压扭性运动最早,主要分布于断裂带西北段,切过了中侏罗统及其之前的地层,说明活动时代处于印支期—燕山早期。印支期,受古特提斯构造域南北向应力场影响[7-8],区内北西向断裂呈现右旋压扭力学性质,燕山早期,受古太平洋板块俯冲形成的北北西向挤压应力场影响,区内断裂进一步做右旋压扭运动。
断裂张扭性运动较晚,主要分布于中段和东南段,普遍切过上侏罗统—下白垩统地层,并控制白垩纪红盆展布,说明活动时代始于燕山晚期,影响范围从东南沿海延伸至断裂带中段。燕山晚期,古太平洋板块俯冲角度增大并向东回卷形成弧后伸展环境[8-10],断裂力学性质由压扭性转变为张性;至喜马拉雅期,随着太平洋板块运动方向由北北西向转变为北西西向[11-12],断裂性质转为左旋走滑;之后南海海盆扩张,以及太平洋板块和菲律宾海板块快速向西俯冲等地质事件,断裂均做左旋走滑运动[11-12] 。野外调查也验证了中段和东南段断裂明显具有上述两期活动特征,因此,燕山晚期至第四纪早期,中段和东南段断裂总体呈现先张、后扭两期活动特征。
第四纪晚期以来,断裂活动渐趋稳定,仅在东南段泉州盆地尚有活动,通过浅层地震勘探、跨断层联排钻探和地层测年分析,揭露盆地内的寺角断裂在更新世晚期尚有活动[13],表现为正断倾滑特征,相应的断裂力学性质为张性。
综上所述,永安—晋江断裂带活动性分段可总体分为东南段、中段、西北段三段,其中,东南段断裂最新活动时代可达晚更新世;中段次之,最新活动时代为第四纪早期;西北段均为前第四纪断裂(表1、图4)。
表1 永安—晋江断裂带活动性分段一览表Table 1 List of active segments of Yong'an-Jinjiang fault zone
图4 永安—晋江断裂带地震构造图Fig.4 Seismotectonic map of Yong'an-Jinjiang fault zone
调查区能确定的历史破坏性地震有14次(见图4),多集中在东南段,区内最大地震是东南段1934年福建安溪53/4级地震,中段和西北段震中分列于断裂带两侧,与北西向断裂没有直接对应关系。西北段4次历史破坏性地震,总体呈北东东向排列。因此,与本断裂相关的历史破坏性地震分布呈现东南强、西北弱的特点。
现代地震,根据福建地震台网监测能力,调查区ML≥2.0地震目录基本完整,区内共记录到ML≥2.0地震735个,其中2.0≤ML<2.9地震639次, 3.0≤ML<3.9地震91次, 4.0≤ML<4.6地震3次[1],目录中有震源深度参数的地震共362次,平均震源深度9.2 km,数字地震记录210次,平均震源深度10 km[1],属板内浅源地震。震中分布在调查区中段较为密集,东南段和西北段相对稀疏,永安西南小陶附近成群出现(见图4)。
本文重新整理了前人资料[14-15]以及近年来与中国地震局地球物理研究所合作的福建地区的地震安全性评价资料,绘制出调查区及周边25个现代地震的震源机制解,得出调查区地震主要以走滑性质为主,主压应力轴总体方向为NW-SE方向,大致以永安-晋江断裂带为轴线,北侧向北偏移,南侧向南偏移(图5),该结果与前人提出的构造应力场自泉州湾向两侧呈扇形散开一致[16]。因此认为调查区的地震动力来源主要来自菲律宾海板块向欧亚大陆板块碰撞形成的从台湾海峡指向福建大陆的北西向主压应力,本断裂正好位于板块应力楔入点形成的“台湾动力触角”延伸线上。在这种应力场下,北西向断裂易做走滑运动。
地震构造致灾因子,主要指曾发生和可能发生破坏性地震、造成地震灾害的发震构造因子。因此,探明发震构造,是判定致灾因子的关键,是致灾因子风险调查的重要目标。
图5 调查区及周边震源机制解Fig.5 Focal mechanisms of the investigated area and its surrounding areas
大量调查表明,第四纪早期断裂已具备发生破坏性地震的可能,晚更新世以来的活动断裂更是存在中强以上地震风险。考虑到区内第四纪以来断裂与地震具有相关性,且调查区所处华南沿海地震带的相对活跃地带,历史上发生过多次中等—中强以上破坏性地震,因此,将区内第四纪以来有活动过、与破坏性地震具有相关性的断裂判定为发震构造。现将各段发震构造判定如下:
(1)调查区东南段:断裂活动时代较新,但单条次级断裂延伸较短,破坏性地震难以与单条断裂直接对应,一般受距离相近、性质相同的同一组断裂共同控制。泉州盆地的清源山山前断裂(f4)、寺角断裂(f5)、乌石山断裂(f6)可归为同一组断裂,其最新活动段位于寺角断裂,活动时代为晚更新世,盆地内及其附近发生过多次4~5级地震,因此,将该组断裂判为发震构造;盆地南侧官前主干断裂(f7)、小盈岭断裂(f10),附近发生过晋江安海1538年、1691年两次43/4级地震,布格重力异常北西向拐折特征明显,且在横切官前断裂的探槽内揭露出断裂上覆地层时代较新,为晚更新世[17],从安全角度考虑,将其判为发震构造;北侧洛阳江断裂(f3),附近发生过1607年泉州湾51/4级中强地震和1596年惠安西南43/4级地震,也判为发震构造。综上所述,该段存在6条北西向发震构造。
(2)调查区中段:断裂活动时代次之,破坏性地震分散。其主干部位的下镇—镇西断裂(f14)、参内断裂(f15)南侧发生过1934年安溪53/4级地震的相关性,应判为发震构造;另见主干部位一都断裂(f22)、后溪断裂(f23)、凤山断裂(f27),布格重力异常北西向拐折和串珠状特征明显,且近年来还发生2007年8月永春4.6级地震,也判为发震构造。由此,该段也判定出5条北西向发震构造。
(3)调查区西北段:北西向断裂活动时代较老,破坏性地震分列于断裂带两侧,与北西向断裂关系不大。其中,1997年永安小陶5.2级地震,调查表明其等震线长轴呈北东向展布,发震构造为北东向万安—古田断裂[18-19];西北部4次历史破坏性地震,大致呈北东东向展布,发震构造是北东东向明溪—宁化断裂带[20],通过调查,该断裂带主要以左旋走滑兼逆断性质为主,最新活动时代为中更新世。因且,该段发震构造为北东向万安—古田断裂和北东东向明溪—宁化断裂带。
(1)活动构造,采用地震强度—地表破裂长度、地震强度—破裂面积的经验关系进行评估,根据WC经验关系中的地表破裂长度与地震强度的统计关系式[21]:
Mw=4.86+1.32lg (SRL) σ=0.34
Mw=3.93+1.02lg (RA) σ=0.25
区内活动构造为寺角断裂(f5),分别取断裂活动段破裂长度和全段长度代入计算,根据泉州盆地深地震反射探测结果,断裂向地壳深部连续延伸最大深度约12 km,总体倾角约60°[13],求出断裂破裂面积代入上式可得,寺角断裂最大计算震级均在6.1~6.5级之间(表2)。考虑到断裂附近发生过多次4~5级地震,最大震级为51/4级,结合闽东南陆域晚更新世活动断裂最大发生过6.5级强震的实际情况,综合最大计算震级和构造类比法,判定寺角断裂最大潜在震级为6.5级。
(2)第四纪早期发震构造,相对于活动构造,该类属于发生中强地震危险性相对较低的一般发震构造。根据上一节致灾因子判定结果,调查区该类发震构造涵盖了本断裂带的9条第四纪早期断裂、以及永安小陶5.2级地震所属的万安—古田断裂、西北段4个中强地震所属的明溪—宁化断裂带。
表2 寺角断裂最大计算震级一览表Table 2 List of maximum calculated magnitudes of Sijiao fault
根据文学泽的研究,这类断裂可以由地震强度—地表位移的下限值进行估计;根据入仓—三宅经验关系估计,震级小于MS 5.3地震的发生不可能伴有地表断层的同震错动;根据WC经验关系估计,震级小于MS 5.6的地震一般不伴有地表断层的同震位错;综合以上两种方法,该类发震构造一般取平均值MS 5.5作为最大潜在震级。
此外,考虑到下镇—镇西断裂(f14)、参内断裂(f15)附近最大震级为53/4级,明溪—宁化断裂带最大震级为51/2级,根据历史地震重演法,将这3条发震构造的最大潜在震级提升为6.0级。
(3)非致灾因子,主要指经过调查,与破坏性地震的孕育和发生基本无关的第四纪早期或前第四纪断裂,其所在区域最多发生5级以内的弥散地震,因此判定其最大潜在震级定为5.0级。
下面列出调查区各致灾因子主要参数与发震能力(表3)。
表3 调查区致灾因子主要参数与发震能力一览表Table 3 List of main parameters and seismogenic capacity of disaster causing factors in the investigated area
根据断裂活动性分段和致灾因子最大潜在震级评价结果,开展致灾因子风险区划,划分各致灾因子所在地震风险源的边界,厘定震级上限,划分出7个地震风险源和背景源(表4、图6)。
本区划结果与现行第五代《中国地震动参数区划图》的潜源划分方案对比,特点是:①细化了各震级档风险源范围,尤其是东南段活动断裂所处的6.5级风险源范围;②明确了5级以上中强地震的发震构造归属,划分出明溪—宁化6.0级风险源和小陶5.5级风险源。
表4 调查区地震风险源和背景源一览表Table 4 List of seismic risk sources and background sources in the investigated area
图6 调查区致灾因子风险区划图Fig.6 Risk zoning map of disaster causing factors in the investigated area
(1)通过致灾因子风险调查,梳理出永安—晋江断裂带的次级断裂50条,其中,晚更新世断裂1条:寺角断裂,第四纪早期断裂12条,其余为前第四纪断裂。本断裂自西北向东南活动性逐渐增强,其活动性可分为三段,西北段为前第四纪断裂,中段最新活动时代为第四纪早期,东南段最新活动时代为晚更新世。
(2)断裂带西北段以压扭性质为主,活动时代处于印支期—燕山早期;中段和东南段以张扭性质为主,始于燕山晚期,最新可延至第四纪早期,呈现先张、后扭两期活动;晚更新世以来,断裂仅在东南段泉州盆地尚有活动,表现为正断倾滑性质。
(3)断裂带历史破坏性地震分布呈现东南强、西北弱的特点,现代地震分布呈现中部多、两侧少的特点,属板内浅源地震。区内地震主要以走滑性质为主,主压应力轴大致以永安-晋江断裂带为轴线向南北两侧呈扇形张开,说明本区地震孕育的主要动力来自台湾海峡的北西向主压应力。
(4)综合构造活动性和地震研究,判定调查区内致灾因子13条,其中,东南段寺角活动断裂的最大潜在震级为6.5级,中段下镇—镇西断裂、参内断裂、西北段明溪—宁化断裂带的最大潜在震级为6.0级,其它致灾因子的最大潜在震级为5.5级。
(5)在摸清调查区致灾因子及其发震能力的基础上,进一步开展致灾因子风险区划,将调查区划分出7个地震风险源,其中,6.5级地震风险源1个,6.0级地震风险源2个,5.5级地震风险源4个,背景源震级上限定为5.0级。
本文以永安—晋江断裂带活动性调查为基础,提供一套应用于地震构造领域的致灾因子判定、风险区划的评估方法,为响应国家自然灾害风险普查、摸清风险隐患底数提供一个思路,也为第六代地震动参数区划图编制提供基础资料。