２００５年第５期敦煌研究ＮＯ． ５． ２００５（总第９３期）ＤＵＮＨＵＡＮＧ ＲＥＳＥＡＲＣＨＴＯＴＡＬ ９３甘肃地区石窟文物保护中的地震危害性估计石玉成‘王旭东“ （１．中国地震局地震预测研究所兰州创新基地中国地震局兰州地震研究所兰州７３００００２．软煌研究院，敦煌 ７３６２００）内容摘要： 本文在阐述甘肃石窟文物分布特点的基础上，归纳分析了甘肃省主要石窟文物所在地区基本烈度和历史上所遭遇的地震影响，揭示了对甘肃境内的全国重点石窟文物有重要影响的活动断层的特征，采用地震危险性概率分析方法和地震构造法对石窟寺的地震危害性进行了预测，给出了石窟未来可能遭受的地震烈度和地震动峰值加速度，为石窟文物保护和岩体抗震加固提供了重要的参考依据。关键词： 石窟；地震危害性；活动断裂；文物保护中图分类号； Ｋ８５４． ３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－４１０６（２００５）０５－００８３－０６石窟和敦煌莫高窟都曾多次遭到地震袭击〔‘〕，在一前言２００３年１０月２５日发生的民乐６． １级地震中，距离震中区较远的马蹄寺石窟群的金塔寺东窟、马 甘肃石窟寺，自十六国前秦、后秦、西秦、北凉蹄北寺３号窟、千佛洞１号窟的壁画、窟檐、窟体、起迹，历经北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西造像等受到损坏或病害加重，暴露了我省文物抗夏、元、明各代，前后历一千五六百年之久，连绵兴震防护中存在着许多隐患。目前，我省许多石窟建而久盛不衰。据不完全统计，现存者多达六十已开展或拟进行岩体的加固工作，科学分析和估计余处，其中包括世界文化遗产莫高窟在内的全国未来地震荷载大小，对于提高石窟文物保护质量和重点保护文物１０处，还有许多省级重点保护文抗御未来地震的破坏都具有重要意义。我省除莫物，也具有重要的艺术价值和文化价值。可以高窟进行地震安全性评价和石窟崖体与附属建筑说，石窟建筑、雕塑艺术在陇原各地灿若群星，形物抗震稳定性研究外［［２］［３］，大多数石窟在考虑地震成甘肃独具特色的文化群落。因素方面存在明显不足。本文结合已有研究工作，在漫长的历史岁月中，石窟寺经过千百年的 对甘肃境内的主要石窟所面临的地震危害性进行风吹沙打，水泡雨淋，阳光曝晒，地震活动以及人初步分析，以期引起文物保护部门的重视。类的破坏以后，产生了多种病害，这必然给石窟的抗震安全留下了许多潜在的隐患。目前我省的许２甘肃石窟分布概况及地震背景 多石窟位于地震活动较强烈的地区，历史上曾多 ２．１石窟分布概况次遭到地震袭击。武威天梯山石窟、天水麦积山佛教石窟寺遍及整个甘肃地区，各地石窟寺 收稿日期：２００５－０３－０１基金项目：科技部国家社会公益研究专项资助（２００２ＤＩＢ２００６２）作者简介：石玉成（１９６６－），男，山东省沂水人，中国沙震局兰州地震研究所研究员。８３ 的开创时代多为十六国或北魏时期，但西部比东部略早，西部石窟以窟为主，东部石窟以完为主，大体可按由西向东的地理位置分为五个石窟群：一、敦煌石窟群；二、河西石窟群；三、陇中石窟群；３个，分别是祁连山中东段地震重点危险区、甘东南甘青川交界地震重点危险区和河西西段注意监视区，均具有发生６级左右地震的危险性，较长一段时间存在着７级以上甚至７． ５级左右的地震活四、陇南石窟群；五、陇东石窟群［４］［５］ 敦煌石窟群，即以莫高窟为主体的古敦煌郡境内的所有石窟。它包括今甘肃省敦煌市境内的莫高窟、西千佛洞，安西县境内的榆林窟、东千佛洞、水峡口，肃北蒙古族自治县境内的五个庙、一个庙等石窟。在古代，上述石窟都位于敦煌郡境内，其内容及艺术风格亦同属一脉，因此总称之为敦煌石窟。 河西石窟群，指敦煌石窟群以东、永靖炳灵寺以西的所有石窟，主要指酒泉一带的昌马石窟和肃南文殊山石窟、张掖一带的马蹄寺石窟和金塔寺石窟、武威一带的天梯山石窟等。陇中石窟群，即以今甘肃省中部永靖的炳灵 寺石窟为主体，包括靖远的寺儿湾石窟和法泉寺石窟以及景泰的五佛寺石窟等。陇南石窟群，即以今甘肃省南部的天水麦积 山石窟为主体，包括麦积山附近的仙人崖石窟、甘谷的大像山石窟和华盖寺石窟、武山的木梯寺石窟、水帘洞石窟和禅殿寺石窟、西和的法镜寺石窟等。其中水帘洞石窟包括水帘洞、拉梢寺、千佛洞、显圣池四处。 陇东石窟群，即以今甘肃省东部的庆阳北石窟寺、径川南石窟寺为主体，包括径川的王母宫石窟．合水的保全寺石窟、蓬花寺石窟．镇原的石空寺石窟，华亭的石拱寺石窟，庄浪的云崖寺石窟等。２． ２石窟所在地区的地震背景和未来地震形势甘肃省是中国大陆地震灾害最严重的地区之 一。从公元前１９３年至今的历史地震统计，破坏性地震强度位于全国各省区第二，其中发生７级以上大震１５次，８级特大地震４次。１９８０年以来，甘肃地区及波及本区的５级以上破坏性地震２２次，而１９９０年来，就发生了破坏性地震１５次。全省１４个市（州、地）均发生过６级以上地震或遭受过邻区地震的波及破坏。根据地震活动性异常、前兆异常及活断层的空间分布及其活动特征等，２００。年国务院确定了８个全国６级以上地震重点监视防御区（即未来一段时间内地震活动水平较高的区域），其中直接与甘肃地区有关的就存８４ 动的背景，除了陇东地区的石窟以外，大部分石窟位于地震重点危险区或附近地区，未来地震形势严峻。根据国家颁布实施的《中国地震动参数区划 图（２００１））），笔者统计了甘肃２５处较重要的石窟寺的地震峰值加速度分布情况，其中１５处分布在珊度地区，８处分布在姐度区，只有２处分布在ｉｖ度区（见表１），从这方面也可以看出，甘肃石窟寺分布地区的地震危险程度非常高。三影响石窟稳定性的主要活动断裂 甘肃省地处青藏块体东北缘，著名的南北地震带和河西走廊祁连山地震带基本贯通全省，是我国大陆地震活动最强烈的地区之一，地震活动分布广、频度高、强度大、震源浅、震害重等是我省及边邻地区地震活动的主要特征。近十多年来，地震活动明显增强，平均每年有一次中强以上破坏性地震。甘肃省内的活动断裂总体上分为北西西、北北西、北东东和东西向四组活动断裂，尤以北西西向断裂最为发育，活动强烈，占主导位置。现对甘肃境内的全国重点石窟文物影响最大的全新世活动断裂（Ｑ４）的特征分述见表２，（１）阿尔金断裂东段： 位于敦煌莫高窟和安西榆林窟以南，西起阿克塞西金雁山，从肃北经石包城、玉门镇大坝至赤金堡，沿Ｎ７５０Ｅ延伸近四百八十公里，是一条规模宏伟的左旋平移深大断裂。该断裂由１０条不连续断层段组成，晚更新世以来活动强烈，从古地震离逝时间分析该断裂段未来一段时间内存在发生７．７． ５级地震的较大危险性。 （２）昌马断裂：位于文殊山石窟以西，西起昌马南香毛山北麓，越红窑子隆起后，跨石油河，经月牙大板、雅儿河、大泉口，止于北大河西的臭水柳沟一带，总体走向２９００，全长约一百二十公里，西段以逆冲为主，东段左旋走滑为主。曾发生１９３２年昌马７． ６级地震。（ ３）嘉峪关一文殊山断裂：该断裂分布在酒泉东部盆地西侧，距文殊山石窟很近，呈北北西向展布，自黑山东麓的孕拉子沟口，经黄草营、嘉峪关至文殊沟，走向３２００，长约三十八公里，断裂性质为右旋逆走滑，北段活动较强烈。沿走廊南山主脊的北侧展布，走向２９００＾３０００，长约三百公里，以逆断为主兼具左旋。在断裂Ｑ４活动明显，中段多处见到古地震崩塌、古滑坡以及 （４）佛洞庙一红崖子断裂：位于文殊山石窟以南，西起佛洞庙，向东经榆林坝、黄草坝、终止于红断错山脊、水系等现象。（６）榆木山东缘断裂：位于马蹄寺石窟西南，崖子。总体走向ＮＷＷ，长９０公里，性质以逆断北起大、小磁窑口，向南经黑河口、西武当至马蹄为主微具左旋。断裂中段发生了１６０９年红崖堡寺以南，走向３４００，全长１１０公里，具有逆冲兼右７％级地震，地震形变带沿断裂带分布，中段还发旋走滑特征。断裂中段活动强烈，南北两端相对现了古地震遗迹。较弱。（５）肃南一祁连断裂： 位于马蹄寺石窟以南，裹１甘南省主要石窟文物所在地区甚本烈度分布情况 地域分类石窟名称时代地址峰值加速度（ｇ） 基本烈度莫高窟‘（包括西千佛洞石窟）北魏至元敦煌０．１０姐敦煌石窟群榆林窟“（包括东千佛洞石窟）北魏至元安西０．１５姐＋五个庙石窟北魏至宋肃北０．２０粗马蹄寺石窟群．（包括金塔寺石窟）十六国至清肃南０．２０祖文殊山石窟’北朝至西夏肃南０．２０粗河西石窟群天梯山石窟．北朝至唐武威０．２０祖昌马石窟北凉（推测）玉门０．２０粗炳灵寺石窟‘北魏至明永靖０．２０粗寺儿湾石窟北魏靖远０．１５姐＋陇中石窟群法泉寺石窟北魏至明靖远０． １５姐十五佛寺石窟北魏至清景泰０．２０粗麦积山石窟‘北魏至明天水０．３０姗＋水帘洞一大象山石窟’北朝至唐武山、甘谷０．２０＾－０．３０粗＋华盖寺石窟元至清甘谷０．３０祖＋陇南石窟群仙人崖石窟唐至清天水０．３０祖十木梯寺石窟北魏至清武山０．３０祖＋法镜寺石窟北魏西和０．３０祖＋北石窟寺’北魏至宋西峰０．１０１４南石窟寺．北魏至唐径川０．１０孤王母宫石窟北魏径川０．１０姐北魏合水ｍ陇东石窟群保全寺石窟０．０５莲花寺石窟唐至宋合水０．０５ｍ石空寺石窟宋至清镇原０．１０姐石拱寺石窟北魏至西魏华亭０．２０祖云崖寺石窟北魏至清庄浪０．２０植，为全国重点文物保护单位。Ｖｄ ＋植＋分别代表Ｖｄ度强、姐度强。８５・ 表２甘肃境内的全国盆点石窟文物地展危容性分析结果窟区及毗邻地区石窟名称地址（１５０公里范围）内地震活动情况未来地震强度估计石窟开凿以来所遭遇的对石窟有重大影响的概率分析方法地震构历史最大影响地震及活动断裂及距石窟寺（９） 造法最近距离’ 影响烈度 ｌｏ Ｙｏ２００（烈度） 莫高窟５．０一５． ９级：７次，６． ０－１９３２年昌马７． ６级（包括西千敦煌６．９级地震１次地震阿尔金断裂东段（４２佛洞石窟）（历史地震记载有遗漏）（影响烈度：Ｎ一姐公里）ｎｔ门又０２２只８．３度） 榆林窟５．０一５． ９级：１１次，６． ０１９３２年昌马７． ６级（包括东千安西一６．９级地震２次，７．０一地震（影响烈度：Ａ阿尔金断裂东段（７００．１１５０．２１９７．９佛洞石窟）７．９级：１次度）公里）１５４８年张掖５级地马蹄寺石窟群５．０一５． ９级：２８次，６． ０震、２００３年民乐６．榆木山东缘断裂（（３（包括金塔寺肃南一６．９级地震８次，７．０一２，５．８级地震公里）０． １７２０．３５０８．２石窟） ７．９级：３次，８级：１次（影响烈度：ＶＩ￣ Ｖｑ肃南一祁连断裂（１８度）公里）昌马断裂（（４５公里）５．０一５． ９级：１２次，６． ０１６０９年红崖堡７％嘉峪关一文殊山断文殊山石窟肃南一６．９级：４次，７．０一７． ９级地震裂（１． ５公里）０． １５５０．２８６７． ７级：２次（影响烈度：姗度）佛洞庙一红崖子断裂（（６公里）５．０一５． ９级：４４次，６． ０１９２７年古浪８级地武威一天祝断裂（（２天梯山石窟武威一６．９级：７次，７． ０－７． ９震公里）０． １８００．３７１８．４级：２次，８级：１次（影响烈度：Ｘ度）皇城一塔儿庄断裂（１０公里）５．０一５． ９级：４６次，６． ０兰州１１２５年７级地炳灵寺石窟永靖＾－６． ９级：１８次，７． ０－７．震马衔山一兴隆山断９级：８次，８级以上：２次（影响烈度：珊度）裂系（４０公里）０．１４１０．２８０６． ９５．０＾－５． ９级：３７次，６． ０７３４年天水７级地西秦岭北缘断裂带麦积山石窟天水一６．９级：１６次，７． ０－７．震、１６５４年天水南（２７公里）０．２７５０．４９０８．７９级：５次，８级以上：２次８．级地震礼县一罗家堡断裂（影响烈度：Ｘ度）（３５公里）水帘洞一武山５．０一５． ９级：３３次，６． ０１６５４年天水南８． ０大象山石窟甘谷一６． ９级：１８次，７． ０－７．级地震西秦岭北缘断裂带０．２２００．４０５９．２９级：７次，８级：１次（影响烈度：ＩＸ一Ｘ（５公里）度）５．０一５． ９级：３０次，６． ０１９２０年海原８． ５级海原断裂（１０５公里）北石窟寺西峰一６．９级：１１次，７． ０－７．地震牛首山一罗山东麓０．０８２０． １７５６．８９级：３次，８级：１次（影响烈度：珊度）断裂（９２公里）５．０－５． ９级：３５次，６． ０１９２０年海原８． ５级海原断裂（８５公里）南石窟寺径川一６．９级：１２次，７． ０一７．地震牛首山一罗山东麓０．０９５０． １９０７．０９级：３次，８级：１次（影响烈度：１９度）断裂（８１公里） （７）皇城一塔儿庄断裂：位于天梯山石窟以 （８）武威一天祝断裂：该断裂多为隐伏断裂，南，西起鸡冠山，向东经皇城、上寺、塔儿庄到双距天梯山石窟很近，北自武威向南经磨嘴子、水峡塔，全长１４０公里，总体走向２８５０，晚更新世以来口、西山堡等地至天祝，走向３４００，断裂两侧高差断裂西段表现为左旋走滑运动性质，东段为倾滑悬殊，具挤压逆冲兼右旋走滑性质，全长约一百公运动性质。１９２７年古浪８级地震就发生在断裂里。１９２７年古浪地震沿该断裂在磨咀子、中坝一东段上，造成了多处地表破裂。带产生地表形变现象。８６ （９）马衔山一兴隆山断裂系：位于炳灵寺石窟东北，该断裂自兰州西果园一带起，沿马衔山、兴隆山延至定西通安骚以东，由四条近于平行的断由十一条不连续断层段组成，第四纪以来曾有不同程度的活动。沿断层在不同时期内发生过多次古地震事件。１９２０年沿海原活断层发生了８． ５裂组成，分别为兴隆山南、北缘和马衔山南、北缘断裂。全长约一百五十公里，总体走向为Ｎ６０７００Ｗ。其中的马衔山北缘断裂新活动显著，表现为左旋兼逆断特性，在断裂西段曾发生过１１２５年兰州７级地震。 （１０）西秦岭北缘断裂带：位于麦积山石窟以南，东自宝鸡，西经天水、漳县，直达太子山以西同仁附近，长约四百四十公里，走向２７０．２９００，断裂早期以压性活动为主，中更新世以来为左旋走滑兼逆冲性质。自东向西分别天水断裂、甘谷武山断裂、漳县断裂及锅麻滩断裂。在断裂带上６＾－７级以上地震频繁发生。（１１）礼县一罗家堡断裂：位于麦积山石窟以 北，西起宕昌，向东经挑坪、礼县、罗家堡至街子口一带，长约一百五十五公里，走向ＮＥＥ，为一高角度顺倾滑兼左旋走滑断裂。断裂线性特征清晰，具明显的分段活动特征。曾发生１６５４年发生礼县一罗家堡８级地震。（１２）牛首山一罗山东麓断裂：位于庆阳北石 窟、径川南石窟以西，北沿牛首山一罗山一云雾山一小关山分布，走向Ｎ３００Ｗ，长约一百二十公里，断裂卫片影象清晰，左旋兼逆断性质，其上发现多次古地震事件，１５６１年沿断裂发生了７好级地震。 （１３）海原断裂：西起兴泉堡，东至南海子峡附近，走向由ＮＷＷ向转为ＮＮＷ向，延伸２３７ｋｍ，Ｐｋ （Ａ之ａ）＝１一ｅｘｐ２ｖ，ＲＮ．艺伙艺一川ｐ（Ａ之ａ Ｉ月洲一Ａ（Ｓｉ ）为地震统计区内第个潜在震源区的面积，ｐ（Ａ＞ａ Ｉ Ｅ）为地震统计区内第个潜在震源区内发生某一特定地震事件（震中（ｘ，刃，震级ｍ，士粤Ａｍ，２￣”一’朴分，１’破裂方向确定）一Ｊ，”￣时场点地震动超越。的概一Ｊ一内‘’、、一“声卜分￣￣一”研’，“率，ｆ （Ｂ）为破裂方向的概率密度函数，Ｎ。为震级分档数，ｆ （ｍ；）为统计区内震级分布函数，ｆ，、为震级档ｍ，的地震空间分布函数，ｓｈ・）为双曲函数。 假定共有Ｎ：个地震统计区对场点有影响，则综合所有地震统计区的影响得场点地震动参魏级地震，目前中强地震频繁发生。四石窟未来地震危险性预测 对于重大工程而言，如何科学合理地估计未来地震荷载一直是设计部门非常关注的重大技术问题之一。目前表征抗震设防特点的主要参数是地震烈度和地震动参数（峰值加速度等）。目前地震动参数的确定方法大致分为两种：一类是基于地震危险性概率分析和场地地震反应分析方法确定地震动参数，它能综合考虑周围总体地震环境影响；另一类是基于地震构造、断层状况及历史地震等确定发震断层可能的地震震级，进而确定活动断层对场址的地震影响。 ４．１地震危险性概率分析方法采用编制全国第四代区划图时所使用的潜在 震源区划分结果Ｘ６１，通过对各石窟寺１５０公里半径范围内的地震活动环境和地震构造环境综合研究，划分不同震级上限的潜在震源区。在大量野外考察、资料收集和研究工作的基础上，采用考虑时间、空间非均匀性的概率分析方法［７１，计算获得石窟地震危险性分析结果，见表２０根据分段泊松分布模型和全概率公式，地震 统计区内部发生的地震，影响到场的地震动参数Ａ超越给定值ａ的年超越概率为：Ｅ）・ｆ （０）・ｆ． －；ｋ ｍ； ”ｓｈ（ ，，１，‘ Ａ （Ｓ，）’．ｔ２ ｐ１ｍ）ａｘａｙａｄＡ超越给定值ａ的年超越概率为：ｐ（Ａ之ａ）＝１一ｎ（１一Ｐｋ（（Ａ＞ａ））４．２ 地震构造法 关于如何评定活动断裂段的最大发震能力问题，目前基本上采用与沿断裂地震破裂和位错有关的经验关系对地震最大震级进行估计。其中，比较常用的经验关系为地震的地表破裂长度Ｌ和震级Ｍ的关系式（见表３） Ｅ８１，同时采用中国西部地震烈度衰减关系计算烈度（Ｄ。综合各种计算方法，结合断裂活动段的长度，各石窟所遭遇的８７ 地震烈度见表２，裹３活动断裂．大地从，级（Ｍ）的估算公式适用地区公式公式来源备注全球范围Ｍ＝６． ２４＋０． ６１９１ｇＬＢｏｎｉｌｌａ等（１９８４）美国和中国Ｍ＝４．９４＋１． ２９６１ｇＬＢｏｎｉｌｌａ等（１９８４）青藏高原Ｍ＝５．９２＋０． ８８１ｇＬ邓起东等（１９９２）比较适合于走中国西部Ｍ＝５． １１７＋０． ５７９１ｇＬ闻学泽（１９９４）滑断层类型中国西部Ｍ＝３．３＋２． １１ｇＬ郭增建（１９６５）＇＇ 中国西部地震烈度衰减关系为：地震水准较为适宜，同时要适当考虑附近活动断长轴方向： Ｉ．＝ ５．６５３＋１． ５３８Ｍ－２． １０９１ｎ（Ｒ层的影响。对于具有重大文物价值的石窟（尤其＋２５） ａ＝０．６４是世界文化遗产）的抗震加固，更要提高设防标短轴方向：Ｉ ｂ ＝ ２． ９４１＋ １． ３６３Ｍ－１． ４９４１ｎ（Ｒ准。＋７） ａ＝０． ６１ 地震危险性概率分析方法和地质构造法所得结果均显示出甘肃境内石窟寺未来地震危险程度参考文献：非常高。其中天水麦积山石窟未来可能遭遇的地［１］黄克忠．岩土文物建筑的保护［Ｍ］．北京：中国建筑工震强度最大，庆阳北石窟和径川南石窟由于距离 业出版社，１９９８．活动断裂较远，未来可能遭遇的地震强度稍低，其［２〕樊锦诗．敦煌莫高窟的保护与管理〔Ｊ］．敦煌研究，它石窟未来遭遇的地震强度均较高。２０００，（１）． ［３〕李最雄．敦煌石窟保护工作六十年［Ｊ］．敦煌研究，２００４，（３）． 五结论［４］董玉祥．甘肃石窟寺【Ｍ］．兰州：甘肃教育出版社，１９９９． 西部大开发建设，为甘肃的发展带来了契机，［５〕胡同庆，安忠义．佛教艺术［Ｍ］．兰州：敦煌文艺出版充分发挥石窟寺作为一种独特的艺术文化景观所 社，２００４．具有的优势，对于进一步扩大开放，振兴甘肃经［６〕胡幸贤．ＧＢ１８３０６－２００１《中国地震动参数区划图》宜济，具有重要的社会经济价值。因此，大力开展石 贯教材［Ｍ］．北京：中国标准出版社，２００１．窟文物地震危险性预测研究，对甘肃省经济建设［７〕石玉成，徐晖平，王旭东．敦煌莫高窟地震安全性评价和社会发展具有深远和现实意义。本文给出的［ Ｊ］．敦煌研究，２０００，（１）．５０年超越概率１０％和２％的地震水准相对应的［８］闻学泽．活动断裂地震潜势的定量评估［Ｍ］．北京：地地震重复间隔分别为４７５年和２４７５年，石窟寺作 震出版社，１９９５．为一类特殊的建筑物，其抗震加固设防标准问题１９１郭增建，秦保燕，李革平．未来灾害学［Ｍ］．北京：地震出版社，１９９２．有待于进一步研究。目前，对应于甲类建筑物，普（责任编辉黄晓荣）遍采用基本烈度提高一度进行抗震设防。对于全国重点文物保护单位，采用５０年超越概率２写的・８８・
