山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)資料動(dòng)態(tài)特征分析*

賈曉東 武艷強(qiáng) 閆 偉 杜雪松

(1)遼寧省地震局，沈陽(yáng) 110031 2)中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所，北京 100036 3)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045 4)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津300180)

山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)資料動(dòng)態(tài)特征分析*

賈曉東1)武艷強(qiáng)2)閆 偉3)杜雪松4)

(1)遼寧省地震局，沈陽(yáng) 110031 2)中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所，北京 100036 3)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045 4)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津300180)

利用多種分析方法對(duì)山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)資料進(jìn)行了分析。長(zhǎng)趨勢(shì)分析結(jié)果表明，山西斷裂帶南北兩段以拉張變形為主，中段以剪切變形為主。時(shí)間分段結(jié)果表明，1989—2000年間，位于山西斷裂帶中部的下達(dá)枝、代縣、廣勝寺3個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)斷層逆繼承性轉(zhuǎn)折變化，斷層垂直運(yùn)動(dòng)速率絕對(duì)值明顯減小，反映下達(dá)枝、代縣和廣勝寺地區(qū)斷層活動(dòng)呈閉鎖狀態(tài)。另外，跨斷層形變觀測(cè)資料和GPS應(yīng)變率場(chǎng)結(jié)果均表明山西斷裂帶以近NW向拉張變形為主，但由于觀測(cè)尺度不同，在量值上二者不具有可比性。

跨斷層形變;山西斷裂帶;時(shí)空分段特性;逆繼承性;GPS應(yīng)變率場(chǎng)

1 引言

山西地震活動(dòng)帶主要活動(dòng)斷裂為NNE、NE和NEE，它們既控制了每個(gè)盆地的主要邊界，也控制了盆地的發(fā)育;次要的活動(dòng)斷裂為NW、NWW向斷裂。斷陷盆地之間被橫向隆起所隔，以太原盆地為中心，南北對(duì)稱分布，中間為剪切段，南北兩段為拉張帶。震源機(jī)制解結(jié)果表明，山西斷陷帶南北兩端為拉張帶，中部斷層活動(dòng)仍然以拉張型正斷層為主［1］，反映出山西斷陷帶整體的張性活動(dòng)。郭良遷等［2］研究結(jié)果顯示，大同盆地相對(duì)兩側(cè)山地向北北東向位移，總體上具有張扭性;忻代盆地南北兩部分具有相對(duì)張扭性運(yùn)動(dòng);太原盆地相對(duì)兩側(cè)山地具有走滑運(yùn)動(dòng);臨汾盆地南北兩部分相對(duì)具有走滑運(yùn)動(dòng)。王秀文［3］研究山西斷裂帶的水平運(yùn)動(dòng)特征，整體呈現(xiàn)逆時(shí)針的差異運(yùn)動(dòng)，主壓應(yīng)力場(chǎng)的方位角約為72°，斷裂兩側(cè)不存在明顯的走滑運(yùn)動(dòng)。

跨斷層形變觀測(cè)提供了地殼運(yùn)動(dòng)的定量化結(jié)果。謝覺民［4］將形變資料和地質(zhì)構(gòu)造展布聯(lián)系進(jìn)行分析，認(rèn)為在1984—1987年期間，大同-陽(yáng)高盆地未呈現(xiàn)確切的斷裂活動(dòng)跡象，各段測(cè)線的高差剖面圖沒有出現(xiàn)可能表明斷裂位移的階梯變化，表明在這一時(shí)段斷裂處于閉鎖狀態(tài)。李杰［5］利用跨斷層形變觀測(cè)年速率比值對(duì)大同震前時(shí)空微動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析，表明震源區(qū)速率比值較小似處于閉鎖狀態(tài)。已有的研究結(jié)果表明［2，6］山西斷裂帶南部各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一致性較好，中部顯示正斷運(yùn)動(dòng)，但量值不大;北部地區(qū)活動(dòng)情況復(fù)雜，大同-應(yīng)縣地區(qū)東側(cè)斷裂呈左旋活動(dòng)，西側(cè)斷裂呈右旋活動(dòng)。在有跨斷層觀測(cè)期間，山西帶的地震活動(dòng)表現(xiàn)出明顯的分段特征。其中，1989年10月Ms6.1大同-陽(yáng)高地震的發(fā)生，標(biāo)志著山西地震帶的地震活動(dòng)進(jìn)入了新的活躍時(shí)段。其后5級(jí)左右的地震較為活躍。

從地震形變角度來(lái)看，我們更關(guān)心的是差異運(yùn)動(dòng)，對(duì)于山西帶這樣一個(gè)斷層多、走向各異、介質(zhì)條件差別大的地區(qū)，分析該帶的差異運(yùn)動(dòng)對(duì)地震預(yù)測(cè)是極為重要的。本文利用山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)資料，在對(duì)跨斷層形變曲線基本特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了該區(qū)垂直形變的分段性特征。

2 資料概況

跨斷層形變觀測(cè)臺(tái)站或流動(dòng)測(cè)點(diǎn)見圖1。這些測(cè)點(diǎn)最早從20世紀(jì)70年代觀測(cè)，最短的也有10年以上的觀測(cè)資料，觀測(cè)精度優(yōu)于±0.45 mm/km。根據(jù)已有研究，共選取13個(gè)形變場(chǎng)地(臺(tái)站)16條跨斷層測(cè)項(xiàng)分析斷層垂直形變活動(dòng)特征(表1)。

圖1 山西跨斷層形變觀測(cè)點(diǎn)的分布Fig.1 Distribution of cross-fault deformation observation stations in Shanxi

3 山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)異常提取及分析

考慮山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)最早為1972年，結(jié)合山西斷裂帶中強(qiáng)地震平靜-活躍-平靜特點(diǎn)［7］，對(duì)山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)數(shù)據(jù)分3個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析:第一時(shí)段，1989年前，中強(qiáng)地震平靜時(shí)段;第二時(shí)段，1989—2000年，中強(qiáng)地震活躍時(shí)段;第三時(shí)段，2000—2010年底，中強(qiáng)地震平靜時(shí)段。

3.1 原始數(shù)據(jù)分析

大同3-1測(cè)段(圖2(a))，自觀測(cè)以來(lái)表現(xiàn)為持續(xù)張性變化，在3個(gè)時(shí)段均表現(xiàn)為與地質(zhì)構(gòu)造背景運(yùn)動(dòng)一致的繼承性特點(diǎn)，但在進(jìn)入第二、第三時(shí)段后有明顯的加速特征;小磨2-1測(cè)段(圖2(b))，自觀測(cè)以來(lái)表現(xiàn)為持續(xù)的張性變化，在3個(gè)時(shí)段上均表現(xiàn)為與地質(zhì)構(gòu)造背景運(yùn)動(dòng)一致的繼承性特點(diǎn)，異常主要表現(xiàn)為第二時(shí)段中強(qiáng)震前明顯的繼承性加速異常;應(yīng)縣1-3測(cè)段(圖2(c))，自觀測(cè)(第二時(shí)段)以來(lái)逆繼承性活動(dòng)特性明顯，在第二時(shí)段中強(qiáng)震前有明顯的短期異常變化;下達(dá)枝1-3測(cè)段(圖2(d))，第一時(shí)段繼承性變化，在進(jìn)入第二活躍時(shí)段前發(fā)生逆繼承性變化轉(zhuǎn)折，并在第二、三時(shí)段持續(xù)逆繼承性變化特征;茶房口2-1測(cè)段(圖2(e))，自觀測(cè)以來(lái)總體表現(xiàn)為繼承性變化特點(diǎn)，在第二時(shí)段中強(qiáng)震前有明顯的短期異常變化;眉音口3-1測(cè)段(圖2(f))，自觀測(cè)以來(lái)總體表現(xiàn)為繼承性變化特點(diǎn)，第二時(shí)段中強(qiáng)震前有明顯的短期異常變化;廣勝寺1-2測(cè)段(圖2(g))，地震活躍的第二時(shí)段逆繼承性變化特性顯著，進(jìn)入第三時(shí)段后轉(zhuǎn)向?yàn)槔^承性變化并持續(xù)加速;風(fēng)柏峪2-3測(cè)段(圖2(h))，自觀測(cè)以來(lái)持續(xù)繼承性變化，進(jìn)入第三時(shí)段后有明顯的持續(xù)加速。

表1 山西跨斷層形變測(cè)點(diǎn)概況Tab.1 Overview of cross-fault deformation observation stations in Shanxi

圖2 跨斷層觀測(cè)曲線Fig.2 Cross-fault observation curves

由原始數(shù)據(jù)圖示法結(jié)果看，山西斷陷帶斷層活動(dòng)以繼承性正斷運(yùn)動(dòng)為主，與背景資料有很好的一致性，13個(gè)場(chǎng)地、16條跨斷層測(cè)線中僅有位于恒山北麓斷裂上的應(yīng)縣、下達(dá)枝2個(gè)測(cè)段顯示斷層活動(dòng)為逆繼承性逆斷運(yùn)動(dòng)。在空間上，山西斷裂帶中段下達(dá)枝、原平、茶房口、眉音口的變化速率較小，表現(xiàn)出一定的變形閉鎖特性，區(qū)域內(nèi)中強(qiáng)震前短期異常變化顯著，是區(qū)域中強(qiáng)地震敏感測(cè)點(diǎn);山西斷裂帶南、北兩段測(cè)點(diǎn)曲線趨勢(shì)變化明顯，表現(xiàn)為明顯的持續(xù)張性變化，與地質(zhì)構(gòu)造背景具有很好的一致性，但中強(qiáng)震前短期異常變化不明顯。分時(shí)段結(jié)果顯示:第一個(gè)時(shí)段繼承性變化特征明顯，短期異常不顯著;第二個(gè)時(shí)段，逆繼承性轉(zhuǎn)折變化明顯，短期異常明顯增多，并多出現(xiàn)在中強(qiáng)震前;第三時(shí)段，與第一時(shí)段特征相似，繼承性趨勢(shì)變化特征明顯，短期異常不顯著。

3.2 斷層垂直運(yùn)動(dòng)速率分析

以斷層上盤的測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算各測(cè)段的垂直形變速率，速率為正時(shí)表示正斷張性，為負(fù)時(shí)表示逆斷壓性。在計(jì)算過(guò)程中，利用最小二乘直線擬合求出了斷層活動(dòng)速率，結(jié)果見表2。

表2 斷層垂直運(yùn)動(dòng)速率(單位：mm/a)Tab.2 Vertical movement of the fault(unit：mm/a)

表2結(jié)果表明:山西斷裂帶南北兩段拉張帶垂直形變速率明顯大于中段;計(jì)算結(jié)果反映的斷裂帶斷層活動(dòng)特性以繼承性正斷運(yùn)動(dòng)為主，均與地質(zhì)調(diào)查結(jié)果具有很好的一致性(圖1);以下達(dá)枝、代縣為分界南北兩側(cè)斷層垂直運(yùn)動(dòng)速率明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯的分段差異活動(dòng)。

4 垂直運(yùn)動(dòng)速率時(shí)空分段特性分析

4.1 時(shí)間分段特征分析

第一時(shí)段反映斷層具有一致性較好的繼承性正斷運(yùn)動(dòng)，但速率較小(表3);第二時(shí)段，下達(dá)枝、代縣、廣勝寺3個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)斷層逆繼承性轉(zhuǎn)折變化，斷層垂直運(yùn)動(dòng)速率絕對(duì)值明顯減小，反映山西斷裂帶斷層活動(dòng)差異變化局部地區(qū)斷層活動(dòng)趨于閉鎖的狀態(tài);第三時(shí)段仍有應(yīng)縣、下達(dá)枝、原平3個(gè)測(cè)點(diǎn)反映斷層逆繼承性運(yùn)動(dòng)，其中下達(dá)枝延續(xù)第二時(shí)段變化，應(yīng)縣、原平為斷層活動(dòng)繼承性轉(zhuǎn)折變化為逆繼承性。

4.2 空間分段特征分析

圖3為分時(shí)段計(jì)算出的斷層活動(dòng)速率，從圖3可以看出其結(jié)果較好地反映了山西斷裂帶張壓特性;第二時(shí)段出現(xiàn)空間分布相對(duì)集中的逆繼承性變化并出現(xiàn)中強(qiáng)地震活躍，空間集中位置主要為中強(qiáng)震頻發(fā)的大同盆地、忻代盆地南部;第三時(shí)段逆繼承性變化空間分布更趨于集中，主要位于山西斷裂帶南段大同盆地、忻代盆地南部的恒山斷裂、恒山山前斷裂、五臺(tái)山山前斷裂，但與第二時(shí)段的中強(qiáng)地震頻發(fā)不同，中強(qiáng)地震異常平靜。

4.3 與GPS結(jié)果的對(duì)比分析

根據(jù)中國(guó)大陸地殼觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)1999—2007年區(qū)域網(wǎng)結(jié)果［8，9］，采用最小二乘配置球面方法計(jì)算得到的山西帶主應(yīng)變率結(jié)果見圖4。將第三時(shí)段跨斷層結(jié)果與GPS結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者差別明顯，主要表現(xiàn)在:1)GPS主應(yīng)變率反映出整個(gè)山西帶以近NW-NS向拉張為主，且由南到北拉張變形由弱到強(qiáng)的變化特征;2)跨斷層結(jié)果表明南北兩端的拉張變形的強(qiáng)度高于中段。差異的原因可能在于二者所代表的變形的空間范圍大小不同所致。

5 認(rèn)識(shí)與討論

1)山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)長(zhǎng)趨勢(shì)曲線和垂直運(yùn)動(dòng)速率反映斷層活動(dòng)特性與背景資料具有很好的一致性，表明跨斷層形變觀測(cè)能夠反映斷層活動(dòng)的真實(shí)特性，表現(xiàn)為:以下達(dá)枝、代縣、原平為分界南北兩側(cè)斷層活動(dòng)性質(zhì)為張性正斷，與斷裂帶兩端受NW、NWW向拉張的構(gòu)造應(yīng)力一致;中部斷層垂直運(yùn)動(dòng)速率較小，與斷裂帶中段正斷走滑并受WWNN向區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力具有一致性，反映局部地區(qū)斷層閉鎖活動(dòng)狀態(tài)。

2)山西斷裂帶跨斷層形變觀測(cè)分區(qū)段、分時(shí)段分析結(jié)果與背景資料存在差異性，即部分測(cè)點(diǎn)反映斷層活動(dòng)的逆繼承性特點(diǎn)，表現(xiàn)為:空間上，主要分布于山西斷裂帶南段大同盆地、忻代盆地南部的恒山斷裂、恒山山前斷裂、五臺(tái)山山前斷裂;時(shí)間上，逆繼承性變化在第二時(shí)段集中，第三時(shí)段更趨于集中，但第二時(shí)段中強(qiáng)地震頻發(fā)，異于第三時(shí)段的中強(qiáng)地震異常平靜。

表3 斷層垂直形變速率分時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果(單位：mm/a)Tab.3 Sub-period statistical results of fault’s vertical deformation rate(unit：mm/a)

圖3 分時(shí)段資料結(jié)果反映的斷層活動(dòng)特性Fig.3 Fault activity characteristics in different period

圖4 跨斷層觀測(cè)結(jié)果與GPS觀測(cè)結(jié)果Fig.4 Comparison between results of principal strain rates from cross-fault and GPS observation

3)跨斷層測(cè)量結(jié)果獲取的斷層運(yùn)動(dòng)速率與地質(zhì)結(jié)果及GPS結(jié)果在性質(zhì)上表現(xiàn)出一致特征，但在量值上存在一定差異。造成該差異的原因在于它們所反映變形的尺度不同，其中GPS資料反映了較寬范圍內(nèi)變形的平均結(jié)果，地質(zhì)結(jié)果和跨斷層觀測(cè)均表現(xiàn)出斷層變形的局部特征，因此它們?cè)诹恐瞪喜痪哂锌杀刃浴?/p>

致謝 感謝邵志剛、張浪平博士和李瑞莎的幫助和有益討論!

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5 李杰，張希.大同地震前跨斷層形變年速率比時(shí)空微動(dòng)態(tài)演化特征［J］.地震學(xué)刊，2000，20(2):23-31.(Li Jie and Zhang Xi.Evolutional characteristics of temporal and spatial microdynamic of annual rate ratio of cross-fault deformation prior to Datong Earthquake［J］.Journal of Seismology，2000，20(2):23-31)

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8 武艷強(qiáng)，等.利用最小二乘配置在球面上整體解算GPS應(yīng)變場(chǎng)的方法及應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(7):1 707-1 714.(Wu Yanqiang，et al.The application and method of GPS strain calculation in whole mode using least square collocation in sphere［J］.Chinese J.Geophics，2009，52 (7):1 707-1 714)

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DYNAMIC ANALYSIS OF SHANXI FAULT ZONE CROSS-FAULT DEFORMATION OBSERVATIONAL DATA

Jia Xiaodong1)，Wu Yanqiang2)，Yan Wei3)and Du Xuesong4)

On the basis of analysis of the fault-crossing deformation observation data on Shanxi fault zone，this paper discussed the deformation characteristics of the zone.According to the long-term trend analysis，tensional deformation has been the main deformation of both the north and the south part of the Shanxi fault.On the middle part shearing is the main deformation.The time subsection results indicates that from 1989 to 2000，faulting inverse inheritance turning changes appeared in three stations:Xiadazhi，Daixian，Guangsheng temple，in the central part of Shanxi fault zone.In the same time，the absolute value of the fault’s vertical movement rate significantly reduced，which reflectes a locking condition of the fault activity in Xiadazhi，Daixian，Guangsheng temple area.In addition，the fault-crossing deformation observation data and GPS strain rate field results indicate that the Shanxi fault deformed mainly with a near NW tensional deformation.However，as the different observation dimension，the value between them are not be comparable.

cross fault deformation;Shanxi faults zone;spatio-temporal subsection characteristics;inverse inheritance;GPS strain rate field

1671-5942(2012)03-0031-06

2011-09-11

中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃(XH12011Y);中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司合同制定向跟蹤任務(wù)(2011020203)

賈曉東，男，1980年生，工程師，主要從事地形變地震分析預(yù)報(bào)和研究工作.E-mail:jxd.dx@163.com

P315.72+5

A

(1)Earthquake Administration of Liaoning Province，Shenyang 110031 2)Institute of Earthquake Science，CEA，Beijing 100036 3)China Earthquake Networks Center，Beijing 100045 4)First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin300180)