2001年昆侖山口西地震前后山西構(gòu)造帶的應力狀態(tài)變化

王凱英 馬 瑾 刁桂苓 Yu.Rebetsky王曉山 閆小兵

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)河北省地震局，石家莊 050021

3)Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810

4)山西省地震局，太原 030021

0 定量化應力參數(shù)研究方法

山西是中國歷史上的強震活躍區(qū)。1303—1695年在400a的時段內(nèi)，相距不足45km的范圍內(nèi)相繼發(fā)生8級和7 1/2級的強震。為此，1993年馬宗晉先生領導完成了重大研究項目，并主編了《山西臨汾地震研究與系統(tǒng)減災》專著，旨在預測和預防。作為城市地震預測預防的典范作品，此項研究成果一直是我們研究山西地震規(guī)律的借鑒。十幾年過去了，山西發(fā)生強震的危險性依然存在。值此馬宗晉先生80華誕之際，我們謹以“2001年昆侖山口西地震前后山西構(gòu)造帶的應力狀態(tài)變化”為題的短文表示祝賀。近年來俄羅斯科學院大地物理研究所基于震源機制資料、巖石破裂實驗結(jié)果、強震區(qū)的地形和應力降等資料，開發(fā)了評價地震危險區(qū)應力狀態(tài)參數(shù)的碎裂分析方法(Cataclastic Analysis Method，簡稱 CAM)(Rebetsky，1997a，b，2003)，該方法主要包括以下幾個步驟:

(1)首先獲取應力“同源”分區(qū)及各區(qū)的應力主軸方向和應力張量形狀系數(shù)，其基本原理是:在每個應力“同源”區(qū)中所發(fā)生的地震節(jié)面方向在一特定范圍內(nèi)并通過使用塑性理論的能量準則加以限定;基于以下基本假定:在應力“同源”區(qū)中每個地震造成的應變增量由發(fā)震斷層的面積和沿斷層的平均位移量所決定，地震發(fā)生時應力“同源”區(qū)內(nèi)部彈性能減少及彈性能最大釋放，可應用各應力分區(qū)內(nèi)的每組震源機制數(shù)據(jù)獲得各分區(qū)的應力主軸方位及用來描述應力主軸相對大小的Lode-nadai系數(shù)。

(2)在獲得3個主應力軸的方位以及Lode-nadai系數(shù)后，CAM方法基于巖石脆性行為的摩爾庫侖定律，將第1步獲得的結(jié)果結(jié)合摩爾圓圖解的幾何關系，可計算出有效應力和最大剪應力相對巖石內(nèi)聚力τf的歸一化值

其中，ks為靜摩擦系數(shù);μσ為應力橢球系數(shù);pfl為孔隙流體壓力;τ= ( σ1－σ3)/2，p=－ (σ1+σ2+σ3)/3;ni和ti(i=1，2，3)是任意方向斷層面法向和這個面上的剪應力在所求主應力軸坐標系下的方向余弦，P和τ是未知的平均應力和最大剪應力。

(3)通過區(qū)域強震矩張量信息，可估算出巖石內(nèi)聚力τf并進而獲得最大剪應力和有效應力的絕對值;在獲取區(qū)域地形和巖石密度的基礎上，可進一步得到區(qū)域孔隙流體壓力的分布。

相比現(xiàn)有的一些運用小震震源機制數(shù)據(jù)推斷區(qū)域應力主軸的方法，該方法對于構(gòu)造應力“同源”區(qū)域的判斷和選擇避免了應力分區(qū)的主觀性，而且該方法不僅能夠獲得主應力軸的方向、應力張量的形狀系數(shù)等，還可以在此基礎上進一步確定區(qū)域巖石內(nèi)聚力、有效應力、最大剪應力等應力參數(shù)的定量化分布。此方法被用于完成過大量地震活動區(qū)如地中海東部、阿拉伯地區(qū)、太平洋的西北側(cè)、森他弧西側(cè)、加利福尼亞北部的應力狀態(tài)重建(Rebetsky，2006a，b;2009a，b)。該方法所獲得的應力定量數(shù)據(jù)不僅能夠?qū)Φ厍騽恿W相關問題的研究給予可能的約束，而且對強震前地殼應力分布的研究有助于探索強震的孕育過程。

1 山西構(gòu)造帶的歷史強震及現(xiàn)今活動特點

山西構(gòu)造帶是歷史強震多發(fā)地區(qū)，有記載以來本地震帶內(nèi)共發(fā)生7級以上強震7次，由北向南依次是:1626年發(fā)生在太白維山山前斷裂帶的7級地震;512年發(fā)生在五臺山北麓斷裂帶的7 1/2級地震;1683年發(fā)生在云中山山前斷裂帶的7級地震;1038年發(fā)生在系舟山山前斷裂帶的7 1/4級地震;1303年發(fā)生在大陽-霍山山前斷裂帶的8級地震;1695年發(fā)生在臨汾-浮山斷裂的7 1/2地震等。歷史地震震中分布(圖1)顯示，除了1626年太白維山山前斷裂帶的7級地震外，其余幾次強震均發(fā)生在山西構(gòu)造帶內(nèi)的近SN向段落或由NE向構(gòu)造向SN向構(gòu)造轉(zhuǎn)折的部位，顯示了山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落對強震發(fā)生的控制作用，這一重要現(xiàn)象及其所對應的動力學含義值得進一步研究。

長期以來，對于山西構(gòu)造帶所處的鄂爾多斯塊體現(xiàn)今運動狀態(tài)的研究存在諸多爭議，如認為鄂爾多斯塊體現(xiàn)今運動狀態(tài)主要體現(xiàn)為逆時針轉(zhuǎn)動(蘇剛，1984;邵輝成等，1999)、上升運動(鄧起東等，1985，1999;胡惠民，1988)、順時針旋轉(zhuǎn)(車自成等，2002;張希等，2002)或順時針運動背景疊加了逆時針運動(徐錫偉等，1994;陳小斌等，2005)及順時針與逆時針的交替活動(范俊喜等，2003)。鄂爾多斯塊體的現(xiàn)今運動狀態(tài)之所以存在諸多爭議，與鄂爾多斯塊體的現(xiàn)今復雜應力狀態(tài)是密切相關的?，F(xiàn)今地殼應力狀態(tài)分布圖(馬杏垣等，1989)顯示:由多種手段所獲得的鄂爾多斯塊體的西邊界顯示出主壓應力方向為NE向和NW向共存的復雜狀態(tài)，而山西構(gòu)造帶數(shù)據(jù)很少，北部的數(shù)據(jù)表明主壓應力方向近EW向，南部則比較復雜。表明鄂爾多斯塊體本身所受到的應力狀態(tài)很復雜，山西構(gòu)造帶的應力狀態(tài)值得分析。

圖1 山西構(gòu)造帶7級以上歷史強震震中分布圖Fig.1 Distribution of epicenters of historical strong earthquakes above M7.0 in Shanxi tectonic belt.

2 山西構(gòu)造帶現(xiàn)今應力狀態(tài)反演

通過搜集測定山西構(gòu)造帶內(nèi)波形可靠的震源機制，獲得了1967—1999年間震源機制數(shù)據(jù)1650個及2001—2010年9月期間數(shù)字化記錄的震源機制數(shù)據(jù)416個，這些震源機制的震中分布如圖2所示。運用應力狀態(tài)參數(shù)定量化分析方法對這些震源機制數(shù)據(jù)分時間段進行應力參數(shù)計算。1989年10月、1991年3月以及1998年1月晉東北先后發(fā)生3次6級以上地震(圖3)。近年來在全國范圍內(nèi)發(fā)生了3次強震，它們是1996年麗江7.0級地震、2001年昆侖山口西8.1級地震以及2008年汶川8.0級地震等，按這些強震發(fā)生時間對數(shù)據(jù)進行了分時段研究，研究過程中對強震時間點之間的數(shù)據(jù)也進行了細分。如果這些強震的發(fā)生是應力場調(diào)整的信號，則按時段的分析結(jié)果就有可能得到體現(xiàn)。

圖2 震源機制解的震中分布Fig.2 Distribution of active faults of the Shanxi ectonic belt and the used focal mechanism data.

圖3 1985年以來山西地震M-t圖Fig.3 M-t diagram of earthquakes in Shanxi area since 1985.

圖4 山西構(gòu)造帶不同時段最大主壓應力軸的分布Fig.4 Distribution of the maximum principal compressive stress axes of the Shanxi tectonic belt in different periods of time.

按上述強震發(fā)生時間分段獲得了山西構(gòu)造帶應力反演結(jié)果。圖4顯示的是1967—1989年9月、1989年10月至1996年2月麗江地震前、1996年麗江地震后至2001年11月昆侖山口西地震前、2001年昆侖山口西地震后至2008年5月汶川地震前及2008年汶川地震后至2010年9月等時間段的最大主壓應力軸分布的水平投影，應力軸所顯示的方向為最大主壓應力軸方向，其長短反映了最大主壓應力軸的傾角(傾角為零時長度最大)。結(jié)果顯示，1967—2001年昆侖山口西地震發(fā)生前的各時段結(jié)果均顯示最大主壓應力軸分布以NW向為主;而2001年昆侖山口西地震發(fā)生后山西構(gòu)造帶的最大主壓應力軸方位發(fā)生了顯著變化，由NW向分布轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向分布。其中，2001年昆侖山口西強震前晉北地震主要發(fā)生在西部，而這次強震后的地震主要發(fā)生在東部，難以確認應力主軸方向變化的原因。但是，晉中和晉南有不同時段震源機制數(shù)據(jù)共同覆蓋，由不同時段應力主軸方位的分布能夠確切說明2001年昆侖山口西地震發(fā)生后山西構(gòu)造帶的應力主軸方向有顯著轉(zhuǎn)變，且這種轉(zhuǎn)變并非是由震源機制數(shù)據(jù)的地點不同所造成的。2008年5月汶川地震后山西構(gòu)造帶地震活動有所增強，但獲得的震源機制數(shù)據(jù)較少，且主要分布在晉北地區(qū)。由2009年山西構(gòu)造帶發(fā)生了2次4級以上及2010年發(fā)生的3次近5級中等強度地震的震源機制來看(圖4)，其P軸均為NE或NEE向分布。它們與2001年昆侖山口西地震后2008年汶川地震前這一時間段的最大主壓應力軸方向保持一致，表明2008年汶川地震后山西構(gòu)造帶的應力主軸方向未發(fā)生明顯變化，仍保持昆侖地震后的應力方向。

為了落實山西構(gòu)造帶應力主軸變化是區(qū)域應力場調(diào)整所引起還是受局部構(gòu)造的差異活動所影響，分析了各點應力主軸的傾角隨緯度的分布。從圖5可以看出，應力主軸方向變化前的時段最大主應力軸的傾角絕大多數(shù)低于45°，表明最大主應力軸以水平分布為主;而在應力方向變化后即2001年昆侖山口西地震后的時段，大量的數(shù)據(jù)點(122個)仍顯示最大主應力軸為低傾角，少數(shù)(47個)數(shù)據(jù)顯示為高傾角，而最大主壓應力軸為高傾角的點位基本分布在山西構(gòu)造帶內(nèi)的NE向盆地內(nèi)或由SN向構(gòu)造向NE向構(gòu)造轉(zhuǎn)折的部位，反映了此時段在NE向構(gòu)造應力作用下山西構(gòu)造帶內(nèi)SN向構(gòu)造的右旋水平剪切運動及NE向盆地的拉張。因此推斷山西構(gòu)造帶的應力方向變化是由區(qū)域構(gòu)造應力的變化所引起，并非是發(fā)震構(gòu)造的不同所導致，并值得進一步關注。

圖5 山西構(gòu)造帶應力主軸傾角在不同時段隨緯度的分布Fig.5 Plunge distribution of stress axes versus latitude in Shanxi tectonic belt.

圖6 山西構(gòu)造帶不同時段應力狀態(tài)的分布Fig.6 Distributions of stress state of the Shanxi tectonic belt in different time periods.

圖6顯示的是3個應力主軸σ1(最大主應力軸)、σ2(中等主應力軸)及σ3(最小主應力軸)空間方位狀態(tài)的直觀描述，其中σ1和σ2水平、σ3豎直時表示應力狀態(tài)為水平擠壓;σ2和σ3水平、σ1豎直時表示應力狀態(tài)為水平拉張;σ1和σ3水平、σ2豎直時表示應力狀態(tài)為水平剪切，之間為過渡狀態(tài)。從圖6可以看出，2001年昆侖山口西地震前各時段山西構(gòu)造帶應力狀態(tài)以水平剪切為主，而2001年昆侖山口西地震發(fā)生后，山西構(gòu)造帶的應力狀態(tài)主要表現(xiàn)為水平剪切和水平拉張的交替分布特點，其中水平剪切的部位對應著山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落，而水平拉張的部位對應著山西構(gòu)造帶內(nèi)的NE向段落。

3 結(jié)論

(1)山西構(gòu)造帶中南部地區(qū)應力主軸方向在2001年昆侖山口西地震前后存在明顯變動。山西構(gòu)造帶的應力狀態(tài)研究顯示，在不同時間段均有數(shù)據(jù)覆蓋的中南部地區(qū)應力主軸隨時間變化，在數(shù)據(jù)分布的時間范圍內(nèi)最大主壓應力軸的方向由2001年昆侖山口西地震前的NW向分布為主轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸷蟮腘E向分布為主。

(2)山西構(gòu)造帶不同方向構(gòu)造段的應力狀態(tài)受應力主軸方向控制。山西構(gòu)造帶的歷史強震大多數(shù)發(fā)生在山西構(gòu)造帶內(nèi)的近SN向段落或由NE向構(gòu)造向SN向構(gòu)造轉(zhuǎn)折的部位，顯示了山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落對強震發(fā)生的控制作用。本文對區(qū)域應力的分時段研究結(jié)果顯示，當最大主壓應力軸分布以NE向為主時，山西構(gòu)造帶的應力狀態(tài)主要表現(xiàn)為水平剪切和水平拉張的交替分布特點，其中水平剪切應力狀態(tài)的部位對應著山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落，而水平拉張的應力狀態(tài)部位對應著山西構(gòu)造帶內(nèi)的NE向段落。通過簡要的構(gòu)造物理模型可解釋這一特點:山西構(gòu)造帶受NE向推擠時，內(nèi)部SN向段落容易積累應力產(chǎn)生右旋剪切變形，處于地震活動的優(yōu)勢方位;而NE向的構(gòu)造段在NE向應力作用下拉張變形，不利于積累應力產(chǎn)生較強的地震。推斷山西構(gòu)造帶的歷史強震活動與NE向的構(gòu)造應力相關。

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