地质力学学报  2013, Vol. 19 Issue (1): 93-103
引用本文
祁嘉翔, 纪洪广, 彭华, 李焕君. 渤海海峡跨海通道工程区地震危险性分析[J]. 地质力学学报, 2013, 19(1): 93-103.
QI Jia-xiang, JI Hong-guang, PENG Hua, LI Huan-jun. EARTHQUAKE RISK ANALYSIS IN THE ENGINEERING AREA OF BOHAI STRAIT CROSS-SEA CHANNEL[J]. Journal of Geomechanics, 2013, 19(1): 93-103.
渤海海峡跨海通道工程区地震危险性分析
祁嘉翔1 , 纪洪广1 , 彭华2 , 李焕君1     
1. 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:研究渤海海峡地区区域历史地震时空分布特征,分析渤海海峡地区的地震发生位置及其发震规律,论述历史地震对工程场地的影响,为渤海海峡跨海通道的选址提供依据,使选址时尽量避开活动断层以减少地震对跨海通道的影响,增加评判工程稳定性的因子,使评判结论更加可靠。
关键词渤海海峡跨海通道    地震    地震危险性分析    地震趋势    预测    
EARTHQUAKE RISK ANALYSIS IN THE ENGINEERING AREA OF BOHAI STRAIT CROSS-SEA CHANNEL
QI Jia-xiang1 , JI Hong-guang1 , PENG Hua2 , LI Huan-jun1     
1. School of Civil and Environmental Engineering, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Spatial temporal features for regional historical earthquake of Bohai Strait area has been studied, and location and law of the earthquake been analyzed. We discussed the impact of the historical earthquake to the construction area, and provided a theoretical basis for the site choice of the Bohai Strait Cross-Sea Channel, so that the construction area could avoid active faults to the greatest extent, reduced the influence of earthquake to the Bohai Strait Cross-Sea Channel, increased the factor of engineering stable judgment, and made the evaluation more exactly and reliable.
Key words: Bohai Strait Cross-Sea Channel    earthquake    risk analysis    earthquake trend    prediction    

渤海海域蕴藏着丰富的海洋资源,也是中国海域石油的主要开发区域,同时渤海沿海地区分布有许多重要城市,其人口稠密、经济发达。渤海海峡跨海通道的建设将是一项规模空前、投资巨大、社会经济效益显著、工程施工难度大的海上重大建设工程。研究渤海海峡区域地震活动性及区域地震复发规律及其对渤海海峡区域的影响具有非常重要的意义。历史地震研究是活动断裂研究内容的一部分,到目前为止,大多数历史地震研究都是针对一条断裂带所进行的,而很少有开展一定区域的历史地震研究。本文对渤海海峡地区区域地震活动的时空分布特征进行研究,分析历史地震对工程区的影响,为渤海海峡跨海通道的选线论证提供科学依据。

1 渤海海峡区域地震活动时空分布特征

区域地震活动性研究的目的在于阐明工程区及其邻近地区地震活动的时间、空间、强度特征和规律以及地震对工程区的影响,为评价工程区的地震地质条件、确定地震活动性参数提供依据。渤海地区是中国东部地震活动较多的区域,该地区地震史料丰富,其中主要分布了张家口—蓬莱断裂带、郯庐断裂带、唐山断裂带、太行山山前断裂、唐山—衡水活动断裂、东营—聊城束状活动断裂、辽东—胶东活动断裂、蓬莱—招远活动断裂、鸭绿江断裂带等。工程区历史上曾发生过郯城8.0级特大地震和多次渤海海中7.0级以上强震,如1548年渤海海中7.0级地震和1888年渤海海中$7{}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;$级地震;现代地震多以中小型地震为主。本文利用渤海地区公元元年至2008年Ms≥2.0级地震资料[1~3],对工程区的地震活动度、时序特征进行分析。从历史地震震中分布图(见图 1)上看,工程区范围内地震活动十分频繁,强震在空间和时间分布上具有明显的不均匀性,这与地壳应力的分布有着密切的关系[4~5]。张家口—蓬莱断裂带和郯庐断裂带是区内最强的2条发震断裂,工程区内大部分地震都分布在这2条断裂带上。

图 1 渤海地区Ms≥2.0级地震震中分布 Figure 1 Distribution of epicenters for Ms≥2.0 in the area of Bohai

自公元元年以来至2008年,渤海地区总共发生Ms≥4.0级地震794次,Ms≥5.0级地震116次(见表 1)。

表 1 渤海地区Ms≥2.0级地震统计 Table 1 Seismic classification statistical table for the area of Bohai
1.1 工程区域地震随深度的分布特征

工程区及邻区地震活动频繁,大多数为震源深度在1~15 km的浅源地震,占地震数据总数的56%;其次为震源深度在15~30 km的深源地震,占地震总数的43%;震源深度为30~50 km的深源地震占地震总数的1%。工程区地震深度随纬度的变化规律如图 2

图 2 工程区地震深度随纬度变化关系图 Figure 2 Seismic depth changes with latitude for the construction area
1.2 工程区域地震随断裂带的分布特征

工程区内穿越2条比较大的地震带,分别为郯庐强地震带及张家口—蓬莱强地震带。郯庐断裂是一条强震活动带,自公元1400年以来,渤海海峡200 km范围内共发生8.5级地震1次,7.0~7.9级地震5次,6.0~6.9级地震11次;张家口—蓬莱断裂带也是一条强震活动带,带内共发生7.0级以上地震6次,6.0级地震11次。渤海区域范围内强震的发生多与这2条大型的断裂带有关,由此可见,大型地震的发生和区域内的活动断裂有着密切的关系。渤海区域内Ms≥4.0级地震随纬度变化关系见图 3

图 3 渤海区域内Ms≥4.0级地震随纬度变化关系 Figure 3 Epicenter changes with latitude of Ms≥4.0 for the area of Bohai
2 工程区典型地震

工程区主要涉及渤海地区的山东半岛和辽宁半岛,对工程区影响最大的莫过于1548年蓬莱地震和1975年海城地震。通过区域范围内历史地震带研究,可以推算出区域范围内地震带衰减规律及区域范围内的地震规律。

2.1 蓬莱地震 2.1.1 地震参数

发震时间:1548年9月22号;震中位置:北纬38°,东经121°;地震震级:约7级;地理位置:蓬莱北部海域海长岛附近。

2.1.2 地震区烈度及等震线特征

经查历史资料,蓬莱地震的陆地最高烈度区蓬莱县及其以北海域今长岛县应是Ⅷ—Ⅸ度,极震区是Ⅸ度,位于蓬莱县东90 km的今牟平县。据历史文献记载[6]描绘出本次地震的等烈度图(见图 4),其长轴走向大致为290°,与蓬莱—威海断裂的走向一致。

图 4 蓬莱地震等震线图 Figure 4 Isoseismal map of the Penglai earthquake
2.2 海城地震 2.2.1 地震参数

发震时间:1975年2月4日19时36分06秒;震中位置:北纬40°39′,东京122°48′;地理位置:海城东南约20 km的岔沟附近;震级:7.3级;震中深度:12 km;震中烈度:Ⅸ。

2.2.2 地震地质背景

区内存在多条北东向活动断裂,自西向东有牛居—油燕沟断裂、金山岭断裂和双台子河—赵家堡子断裂以及与海城地震有直接关系的北西向大洋河断裂(见图 5)。根据地壳测深资料,在主震震中区东部还存在北东向析木河深断裂。

图 5 海城附近地区地震构造图 Figure 5 Geological structure in the Haicheng surrounding area
2.2.3 震中区烈度及等震线特征

海城7.3级地震的最高烈度达Ⅸ度。Ⅸ度区形状不规则,在Ⅸ度区内地裂缝很普遍;Ⅷ度区基本延续了Ⅸ度区的方向和形状;Ⅶ度区往东衰减较快,往南,特别是往西衰减较慢,等震线呈十字形的特点更加明显。长轴方向为北西西[7]。海城地震等震线参数见表 2,烈度分布见图 6

表 2 海城地震等震线参数 Table 2 Isoseismal parameter of Haicheng earthquake

(引自中国震例) 图 6 海城地震等震线图 Figure 6 Isoseismal map of the Haicheng earthquake
2.2.4 地震破坏程度

海城地震发生在人口稠密、现代工业较集中的地区,因此,国民经济蒙受很大损失。地震破坏城镇房屋面积508×104 m2、农村民房86.7万间;破坏各类输送管道和线路169×104 m;破坏各类桥梁2000余座,水利设施700多处;喷砂埋盖农田面积超过180×104 km2。总经济损失约8.1×108元,其中城镇损失4.93×108元,占总损失的61%,农村损失3.17×108元,占39%。地震直接造成人口伤亡18308人,其中死亡1328人,占受灾区总人口的0.016%。由此可见工程区强震破坏性极大。

3 工程区域历史地震对工程的影响

分析历史地震对工程区的影响,是地震安全性评价的重要组成部分。跨海通道的建设不可避免地会穿越地震断裂带,当工程场地距离地震区较近时,工程区的加速度会很大,可能会产生严重的错动效应,影响工程的稳定性。

3.1 工程区地震活动时序特征

为了判断未来地震活动的趋势,给地震活动性参数的确定提供依据,本文研究了地震时间序列特征。图 7为渤海工程区内1500—2008年以来Ms≥3.0地震的震级(Ms)随时间(T)分布图。从图中可以看出,自1500年以来区域内强震活动显示出4个活跃周期(Ⅰ—Ⅳ),每个活跃期内均有1次Ms≥7.0地震或多次Ms≥6.0地震发生。第Ⅰ活跃期为1528—1597年,持续时间69 a;第Ⅱ活跃期为1624—1679年,持续时间55 a,第Ⅲ活跃期为1829—1888年,持续时间59 a;第Ⅳ活跃期为1922—1977年,持续时间55 a。从地震活动态势看,第Ⅳ活动期已经结束,但第Ⅴ活动期尚未来到。

图 7 工程区地震震级时序特征 Figure 7 Timing sequence characteristic of the earthquake for the construction area

上述几个活跃期之间的平静时间分别为27 a、150 a和24 a,而1983年至今已经29 a没有发生Ms≥6.0级地震,按平均复发周期67 a,工程范围内20 a内发生Ms≥6.0级地震的可能性极大。从工程区地震目录可以看出,工程区范围内自1500年以来,共发生Ms≥7.0地震6次,即区内7.0级以上强破坏性地震的平均重复时间为83 a;6.0~6.9级地震13次,平均复发时间间隔为38 a。而从1983年至今,区域范围内尚未发生Ms≥6.0级地震。因此,无论根据Ms-T图各个地震活跃期或活动时段分析,或是从全区6.0~7.0级以上地震平均复发周期计,工程区域范围20 a以内发生Ms≥6.5级以上地震的可能性极大。

3.1.1 工程区地震活动的周期性

地震活动随时间分布是不均匀的,具有活跃、平静互相交替的周期性变化。在活跃期,地震活动频度高、强度大,而在平静期,地震活动水平较低[8~10]。工程区域范围内自公元1500年以来,共发生Ms>7.0级地震7次,6.0~6.9级地震15次;工程区自1991年以来,已经连续21 a没有发生6.0级以上地震。

工程区大型地震的可能性分析通常采用古登堡-里克特的震级-频度公式:

$ {\rm{lg}}N = a - bM $ (1)

上式中,b值为一个区域内不同大小地震频数的比例,它和该区应力状态和地壳破裂强度有关,不同地区的地震区或地震带有其相应的b值分布。b值应由该区域或地震带内实际拥有的地震数据统计而得,它与实际资料的完整性、可靠性、统计样本量的大小、取样的时空范围、样本的起始震级和取样的间隔等都有关系。采用此种方法可以更好地揭示工程区的时序特征[11~14]

本文利用(1)式对未来百年地震复发周期和最大震级进行估计。对工程区使用自1500年以来的地震资料,采用最小二乘法求出了渤海海峡工程区地震a/b值,统计结果为:b=0.514,a=3.969,相关系数R=0.98。工程区震级-频度式关系为:

$ {\rm{lg}}N = 3.969 - 0.514M $ (2)

工程区震级-频度关系拟合曲线见图 8

图 8 工程区震级-频度关系拟合曲线 Figure 8 Fitting curve of magnitude to frequency for the construction area

工程区内各级地震的平均复发周期TM根据下式计算:

$ {T_M} = \Delta T \times {10^{ - \left( {a - bM} \right)}} $ (3)

经计算得出渤海工程区各地震带各级地震平均复发周期(见表 3)。根据工程区地震目录进行分析,工程区自1500年以来已经333 a没有发生过8.0级地震,124 a没有发生7.5级地震,415 a没有发生7.0级地震,67 a没有发生6.5级地震。

表 3 工程区震级-频度关系拟合曲线 Table 3 Fitting curve of magnitude to frequency for the construction area

根据各级地震平均复发周期可计算设计使用年限(100 a)内工程区各级地震的复发概率。计算公式如下:

$ {p_i} = \frac{{工程区上次发生i级地震至工程区设计使用年限的时间}}{{复发周期{T_i}}}\left( {i \in 6 \sim 8} \right) $ (4)

经计算可得,工程区设计使用年限内,8.0级地震复发的概率为37.3%,7.5级地震复发的概率为57.4%,工程区设计使用年限内至少会发生1次以上的7.0级地震。

3.1.2 工程区最大震级估计

利用古登堡-里克特的震级-频度公式可以进一步导出工程区域最大震级:

$ {M_{\rm{u}}} = \frac{a}{b} + \frac{1}{b}{\rm{lg}}\left( {b + {\rm{ln}}10} \right) - \frac{1}{{2b}}{\rm{lg}}\left( {1 + {\rm{ln}}10} \right) $ (5)

根据上式得出公元1500至2012年工程区域最大震级为7.7级,而此间该区域实际发生地震的最大震级为8.0级。

3.2 工程区域历史地震衰减规律

工程区有历史记载的强震和中强震较少,为了研究地震影响场特征、烈度衰减规律,本文收集了大量的文献资料,选择Ms>3.0的32个地震的64条可靠等震线数据,采用最小二乘法,研究渤海地区的烈度衰减规律。所用的回归公式为:

$ I = {C_0} + {C_1}M - {C_2}{\rm{ln}}\left( {a - {a_0}} \right){\rm{ln}}\left( {b - {b_0}} \right) $ (6)

上式中,I为地震烈度;M为震级;ab分别为长、短轴半轴长度,且有a≠0,b=0,或b≠0,a=0;C0C1C2均为回归系数;a0b0分别为预设常数,以使回归的标准差最小为原则选取。采用最小二乘法最终确定渤海地区的烈度衰减公式为:

长轴:Ia=5.336+1.154M-1.414ln(R+20)(σ=0.48)

短轴:Ib=4.034+1.138M-1.238ln(R+11)(σ=0.47)

式中,R为距震中距离,m;σ为方差。

根据渤海地区的地质构造(见图 9),并综合渤海地区对跨海通道工程区烈度影响较大的地震,如:1548年蓬莱地震、1597年砣矶岛地震和数次渤海地区海中地震,绘制了综合等震线图(见图 10)。由图 10可知,渤海地区工程区历史地震对工程沿线影响烈度达Ⅸ度1次,Ⅷ度2次,Ⅶ度达3次,Ⅵ度达6次,受历史上2次近8.0级地震的影响,工程区要穿越Ⅸ度、Ⅷ度、Ⅶ度、Ⅵ度区,可见历史地震对工程区的影响还是很大的。

图 9 工程区地质构造图 Figure 9 Geological map for the construction area

图 10 工程区区域综合等震线图 Figure 10 Comprehensive isoseismal map for construction area
3.3 工程区分区烈度

根据公元元年至2008年工程区范围内684次地震数据的统计分析及历史地震烈度分布规律,利用超越概率公式(Pn=1-(1-p)nn为工程设计使用年限,p为地震复发周期的倒数),以100 a内超越概率为10%的地震影响为基本的防御目标,以100 a内超越概率为63%的地震影响为多遇地震的防御目标,以100 a内超越概率为2%的地震影响为罕遇地震的防御目标[15],经区域地震数据统计分析得到,渤海地区跨海通道北长山岛—南高山岛段、南高山岛—砣矶岛、大钦岛—北隍城岛段、北隍城岛—旅顺段,基本烈度为Ⅶ度,结构应按7级设防;蓬莱—北长山岛段,基本烈度为Ⅷ度,结构应按8级设防;砣矶岛—大钦岛段,基本烈度为Ⅸ度,结构应按9级设防。

4 结论

地震活动时序分析结果表明,渤海工程区自有历史记录以来,已经历了4个完整的地震活动期,第Ⅰ活跃期为1528—1597年,第Ⅱ活跃期为1624—1679年,第Ⅲ活跃期为1829—1888年,第Ⅳ活跃期为1922—1977年。从地震活动态势看,第Ⅳ活动期已经结束,但第Ⅴ活动期尚未到来。这些地震交替发生,呈现出若干次地震活动期和平静期,规律性较强。

运用古登堡-里克特的震级-频度关系式,估算出渤海工程区强震复发周期规律,8.0级地震的复发周期为1161 a,7.5级地震的复发周期为390 a,7.0级地震复发周期为216 a,6.5级地震复发周期为119 a,6.0级地震复发周期为66 a,并估算出渤海地区可能发生的最大震级为7.7级。

对渤海区历史地震的时序规律和地震活动的周期性分析认为,工程区100 a的设计使用年限内,8.0级地震复发的概率为37.3%,7.5级地震复发的概率为57.4%,工程区设计使用年限内至少会发生1次以上的7.0级地震。

运用抗震设计手册,对跨海通道各段进行了烈度设防等级设计。渤海地区跨海通道北长山岛—南高山岛段、南高山岛—砣矶岛、大钦岛—北隍城岛段、北隍城岛—旅顺段,基本烈度为Ⅶ度,结构按7级设防;蓬莱—北长山岛段,基本烈度为Ⅷ度,结构按8级设防;砣矶岛—大钦岛段,基本烈度为Ⅸ度,结构按9级设防。

致谢 本文研究工作得到了中国地质科学院地质力学研究所彭华研究员的悉心指导,在此表示衷心感谢。

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