1. 引言
银川盆地位于南北地震带北段,地处鄂尔多斯块体、阿拉善块体和青藏块体之间交汇的过渡带,地质构造复杂,分布着多条全新世活动断裂,强震活动频繁。历史上曾于1143年和1477年及1739年发生过2次6.5级地震和1次8级大震,给银川市造成巨大的人员伤亡和财产损失。1970年以来银川市周边的破坏性地震主要集中在宁夏吴忠灵武,以及银川盆地的外围阿拉善块体,银川市灵武地区1971年宁夏灵武5.1级地震、1984年宁夏灵武5.3级地震、1987年和1988年宁夏灵武分别5.5级、5.3级地震;银川周边的1976年内蒙古巴音木仁6.2级地震、1991年内蒙古阿拉善左旗3次5.0级左右地震、2015年内蒙古阿拉善左旗5.8级地震,这些破坏性地震都波及到银川市,造成一定程度的灾情和人们恐防。银川市周边经常发生中等地震,且震感强烈,相关研究表明银川市周边是破坏性地震多发区,也是2010~2020年全国地震重点监视防御区 [1] 。刘雷 [2] 研究银川盆地地震活动特征和水平运动;雷启云 [3] 研究1739年平罗8级地震构造;柴炽章 [4] 研究银川盆地断裂构造特征等,这些前人研究成果为研究银川市及其周边破坏性地震活动特征及震感强烈的特征分析提供基础资料,也为政府规划城市发展、地震预警和预防等提供强有力的依据,体现以人为本和谐社会的防震减灾方针。
2. 银川盆地周围破坏性地震
2.1. 银川盆地位置
银川盆地位于银川市周边,盆地内共发育着6条活动断裂,每条断裂都具备发生破坏性地震的构造背景,都是第四纪活动断裂。盆地的南边分布着三关口–牛首山断裂 [5] ,西北分布着贺兰山东麓断裂 [6] ,北边分布着正谊关断裂,东边分布着黄河灵武断裂 [7] ,盆地内部还分布芦花台隐伏断裂和银川—平罗隐伏断裂 [4] 。
2.2. 破坏性地震基本特征
所谓破坏性地震的是指一定时间和一定范围内通常震级为M4.7级以上地震就具有一定的破坏性。本文主要研究银川市周边4.7级以上破坏性地震,使用的地震资料为中国地震目录 [8] 、中国地震简目(中国地震简目汇编组,1988) [9] 和宁夏地震台网中心的观测资料为基础,编制了银川盆地研究区内的破坏性地震(M ≥ 4.7)目录 [10] (表1)。
自公元876年以来,截止2018年底银川盆地内共记录到M ≥ 4.7级的地震27次,各震级分档的地震统计数见表2,图1为银川盆地内破坏性地震的M-t图,表明银川盆地破坏性地震成等间距发生,但二十世纪八十至九十年代,破坏性地震成密集成丛发生,但1993年宁夏石嘴山4.8级地震后,目前已经平静20多年,目前银川盆地内可能存在发生破坏性地震的背景,因此需要引起重视。
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Table 1. Destructive earthquakes have been recorded in Yinchuan basin
表1. 有记录以来银川盆地发生破坏性地震
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Table 2. Statistical table of earthquake frequency
表2. 地震频次统计表
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Figure 1. Destructive earthquakes in Yinchuan basin of M-t map
图1. 银川盆地破坏性地震M-t图
银川盆地破坏性地震活动具有频度高、强度大的特点。空间主要集中在以永宁县和灵武市之间为界可分为南北两段,北段以银川市中心和南段以灵武市为中心,两者地震活动性存在一定的差异。北段的银川–平罗段共发生12次强震,包括8.0级地震1次,6.5级地震2次,1143、1477和1739年地震的间隔为334和262年。需要指出的是2次6.5级地震和6次5.0级地震就发生在银川市兴庆区东北角。可以看出北段的地震频次略高于南段,强度较大。但自1739年8.0级地震以后,北段的地震活动趋于平静,再没有发生过5级以上地震,破坏性地震转移到南段。南段的破坏性地震活动从灵武至牛首山东,形成南北走向的带状分布,靠近盆地的东侧,该段发生了9次,最大震级为5.5级。1962和1984年两次地震的间隔为22年,1984年后于1987和1988年呈连续发生5.0级地震。1962和1988年灵武破坏性地震为双震型地震。
2.3. 中小地震活动特征
图2可以看出,银川盆地内的中小地震震中在灵武及其以南十分密集,形成南北走向的分布,其长约50 km,宽度30 km,向东越过地堑边界影响到鄂尔多斯地块的西缘。银川盆地北段的永宁至银川之间中小地震也相对密集,而银川至平罗弱震震中较为稀疏。
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Figure 2. Earthquake epicenter distribution in Yinchuan basin since records began
图2. 有记载以来银川盆地地震震中分布图
3. 银川盆地破坏性地震灾害
银川盆地土地面积约为0.39万km2,历史上曾多次遭受严重地震灾害,对当地的社会和经济造成重大破坏。
自公元876年至今,银川盆地发生6级以上地震4次(不包括余震),这些地震都曾给宁夏人民的生命财产造成过灾害(表3)。
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Table 3. Earthquake and disaster of magnitude 6 or above occurred in Yinchuan basin
表3. 银川盆地发生的6级以上地震和灾害
注:表中X是表明1143年4月某日,发生银川6.5级地震,具体日期不详。
自1950年以来,银川盆地共发生5级以上地震6次5组(表4),主要集中在吴忠–灵武,银川市区周围无破坏性地震发生,平均约10年左右遇到一次VI度的地震灾害。这些地震的发生,对当地人民的生命财产造成了一定灾害损失。如1987年8月10日宁夏灵武5.5级地震约有27万间房屋受到不同程度的破坏和损坏。
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Table 4. Devastating earthquake and disaster hit Ningxia in 1950
表4. 1950年以来宁夏发生的破坏性地震灾害
4. 震感强烈原因
4.1. 银川市沉积地层
银川市市辖兴庆区、金凤区、西夏区三区,永宁县、贺兰县两县,代管灵武市1个县级市。银川市位于贺兰山东麓冲积半原上,地形开阔平坦,海波约1100 m,地面坡度平缓,由于黄河的冲积和变迁,形成以第四系冲积湖地层组成,包括:砂性土层、粘性土层、淤泥及淤泥质土层,全新世软土层。由于黄河的不断东移,致使兴庆区至金凤区在黄河冲积下沉积了较为复杂的粘性土层,上覆人工填土,具有结构松散,压缩性高,分布不均匀特征。一般来说兴庆区的填土厚度大于金凤区的填土厚度。
4.2. 地震波的放大作用
工程地震中普遍认为,基岩以上的沉积层对地震波有吸收作用和放大效应,由此分析建在不同类别土层建筑物在地震过程中呈现不同的破坏现象。一般认为地基土越坚硬,其卓越周期越短,峰值也越明显;反之地基土越松软,其卓越周期越长,峰值越平坦。银川市兴庆区主要由沉积性松软粘性土层构成,土层厚度大,经常发生一些中小地震,震感也很强烈。
4.3. 房屋固有周期与场地卓越周期对比
本人从兴庆区金凤区、西夏区11栋4~6层居民房屋和机关办公楼房进行自振频率和自振周期的测量结果如表5,发现银川市房屋的自振周期范围主要集中在0.227 s~0.370 s。
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Table 5. The measured results of natural vibration frequency and period of brick and concrete buildings in Yinchuan city
表5. 银川市以砖混楼房自振频率和周期实测结果
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Figure 3. Comparison of housing cycle and soil cycle in three areas of Yinchuan city
图3. 银川市三个区域房屋周期和场地土层周期对比
从图3和表5看出,银川市西夏区、金凤区和兴庆区的场地卓越周期与砖混结构4~6层楼房的自振周期对比可以看出,银川市兴庆区场地卓越周期与房屋自振周期十分接近为在0.3~0.4s,西夏区至金凤区的房屋自振周期明显高于该场地的卓越周期。因此银川市发生破坏性地震,兴庆区极易产生地震波与房屋的共振现象,从而导致房屋严重破坏,而金凤区和西夏区地震造成的破坏性对较小。
5. 结论
本文通过研究银川市破坏性地震活动的特征和其震感强烈的原因,得出如下结论:
1) 银川盆地破坏性地震活动具有频度高、强度大的特点。破坏性地震空间上主要集中在两个区域,第一个区域为永宁至银川市,该区域主要包括历史性强震;另一个区域为吴忠灵武地区,建国后该区域破坏性地震频次多,强度低的特点。未来几年或者几十年后者是银川盆地再次发生破坏性地震活动的重点危险区。
2) 银川盆地历史上发生多次破坏性地震,造成严重的人员伤亡和财产损失,如1739年银川–平罗8级地震造成5万多人死亡;1987年灵武5.5级地震造成27万间房屋破坏和损失。
3) 银川市主要以沉积地层为主,对地震波有吸收作用和放大效应。银川市自西向东西夏区、金凤区到兴庆区沉积地层厚度加大,土层对低频率成分的放大作用越来越明显。特别是兴庆区的4~6层砖混楼房的自振周期频率与场地的卓越周期频率十分接近,极易发生共振现象,地震后容易而产生严重破坏。
致谢
感谢审稿专家和编辑部对本文提出宝贵的修改意见和建议。
基金项目
宁夏回族自治区科技厅自然科学基金项目(NZ17222)。
NOTES
*通讯作者。