2015年1月山西介休ML 3.3震群發(fā)震原因初步研究

李麗 劉劍 吳昊昱 宋美琴 呂芳

1）山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號(hào) 030021

2）太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原市晉源區(qū)太原基準(zhǔn)地震臺(tái) 030025

3）太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024

0 引言

2015年1月15～27日山西介休發(fā)生了一次ML3.3震群活動(dòng)。在此之前，位于介休震群西部15km左右的介休井水位從2013年底開始出現(xiàn)3次下降，累計(jì)降幅為2.92m。2014年12月12日介休井水位開始轉(zhuǎn)折上升，2015年1月15日ML3.3震群即開始活動(dòng)。震群序列中ML≥1.0地震震源參數(shù)結(jié)果顯示，拐角頻率和視應(yīng)力明顯低于山西其它地區(qū)同震級(jí)地震的結(jié)果。震群重新定位結(jié)果顯示震源體較小，震源較淺。上述參數(shù)有別于其它地震是否說明本次地震成因的特殊性？介休井水位下降和介休震群的發(fā)生僅是巧合，還是存在某種聯(lián)系？本文從小震精確定位、應(yīng)力場(chǎng)、拐角頻率和視應(yīng)力等方面對(duì)介休ML3.3震群特征進(jìn)行了綜合研究，并結(jié)合構(gòu)造環(huán)境和已有研究成果對(duì)本次震群的成因進(jìn)行了解釋。

1 區(qū)域地震構(gòu)造背景及歷史震群活動(dòng)概況

介休ML3.3震群發(fā)生在太原盆地南端（圖1）。太原盆地是山西斷陷帶上的一個(gè)重要斷陷盆地，太谷斷裂、交城斷裂控制著東西兩側(cè)邊界，南端以靈石橫向隆起與臨汾盆地相隔。太原盆地西深東淺，沿西界的交城斷裂多分布有深凹陷，汾陽凹陷是最深的凹陷之一，介休地區(qū)位于汾陽凹陷的東南邊緣。此外，介休地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，其不僅是太原盆地剪切拉張段與靈石隆起擠壓段復(fù)合部位，又是太原盆地東界的NW向太谷斷裂與臨汾盆地東界的NNE向霍山斷裂交會(huì)部位。據(jù)物探測(cè)深資料可知（武烈等，1997），太原盆地內(nèi)的隱伏斷裂在介休地區(qū)尤為發(fā)育，其中一組與NE向的太谷斷裂平行，一組與NW向的孝義斷裂平行。

圖1 介休及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

有地震臺(tái)網(wǎng)記錄以來，太原盆地的震群活動(dòng)是山西境內(nèi)最為活躍的，其中介休地區(qū)尤為突出。1970年以來該區(qū)的震群活動(dòng)資料顯示，在本次ML3.3震群震中附近相繼發(fā)生6次震群活動(dòng)（1975～1988年）（表1），其中1985～1988年就有5次小震群，其序列參數(shù)均具有明顯的前兆震群特征，之后不久發(fā)生了1989年10月大同-陽高6.1級(jí)地震。王振聲等（1984）在研究了太原盆地的震群活動(dòng)后認(rèn)為，太原盆地小震群多發(fā)的力學(xué)原因與其內(nèi)部的裂隙分布有關(guān)，小震群活動(dòng)反映了太原盆地內(nèi)部裂隙分布較密，裂隙間隔距離較小，在區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)的條件下極易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)式的弱震活動(dòng)，最終形成間歇的小震群。李麗等（2013）分析山西及鄰區(qū)震群特征后發(fā)現(xiàn)，山西震群活動(dòng)與周邊地區(qū)中強(qiáng)地震有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，有學(xué)者提出太原盆地的震群活動(dòng)一定程度上對(duì)應(yīng)了華北地區(qū)中強(qiáng)地震活動(dòng)，該區(qū)域的地震活動(dòng)不僅反映了其自身的破裂特點(diǎn)，而且在一定程度上也反映了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化過程與外圍強(qiáng)震的發(fā)生有某種內(nèi)在聯(lián)系（武烈等，1997）。

表1 1970年以來介休7次震群事件

2 震群活動(dòng)特點(diǎn)

2015年1月15～27日介休震群活動(dòng)共被記錄到52次ML≥0.0地震，其中0.0～0.9級(jí)地震37次，1.0～1.9級(jí) 12次，2.0～2.9級(jí) 2次，3.0～3.9級(jí) 1次。1.0級(jí)以下地震占總數(shù)的71.2%，故該震群是一次以微震為主的震群活動(dòng)。M-t圖顯示震群分為2個(gè)活動(dòng)時(shí)段，第1時(shí)段為15～16日，其中15日地震的強(qiáng)度、頻度最高；第2時(shí)段為18～21日，除18、19日地震活動(dòng)較集中以外，其余時(shí)間僅有零星活動(dòng)（圖2）。

圖2 2015年 1月 15～27日介休 M L 3.3震群 M-t圖

本次震群事件中有9次是可定位地震，其余均為介休臺(tái)單臺(tái)記錄。為了獲取高精度的地震震源間相對(duì)位置，本文利用雙差定位法（Waldhauser et al，2000）對(duì)可定位事件進(jìn)行了重新定位。在定位過程中采用的速度模型取自趙金仁等（2006）的研究成果（表2）。重定位結(jié)果（圖3、表3）顯示震群活動(dòng)具有NE向的優(yōu)勢(shì)分布，震源體基本限定在方圓2km左右，震源深度優(yōu)勢(shì)分布為5～6km，其中ML3.3地震的震源深度為6.285km。震源深度重新定位結(jié)果比太原盆地平均5～25km的震源深度稍淺（宋美琴等，2012；梁向軍等，2014）。一些學(xué)者認(rèn)為水庫蓄水誘發(fā)地震的震源相對(duì)較淺，發(fā)震時(shí)間密集，空間叢集（楊志高等，2010）。據(jù)調(diào)查，介休及其鄰區(qū)無大型水庫，因此可以判定介休ML3.3震群活動(dòng)不是水庫蓄水誘發(fā)地震，但介休震群活動(dòng)特征類似水庫誘發(fā)地震，這說明在震群孕震過程中水的參與可能起了重要作用。

表2 水平層狀地殼速度模型（據(jù)趙金仁等（2006））

3 介休井概況及井水位變化

圖3 介休井及重定位后介休震群的震中分布

表3 介休ML 3.3震群雙差定位結(jié)果

介休井位于太谷斷裂與霍山斷裂交會(huì)處（圖3），井區(qū)內(nèi)基巖斷裂較為發(fā)育。主要是NE走向的一組隱伏斷裂，多為正斷層，長幾千米至十幾千米，傾角60°～80°，斷距幾十至幾百米；其次為一組NNW向斷裂。地下水為多層混合水，總的流向?yàn)橛蓶|南向西北，井區(qū)第四系與第三系孔隙水主要受大氣降水的滲入補(bǔ)給，在東部的奧陶系凸起部位還受巖溶水垂向頂托補(bǔ)給及其側(cè)向徑流補(bǔ)給。

介休井與介休震群相距僅15km，均位于太谷斷裂與霍山斷裂交會(huì)處，研究區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，巖石裂隙發(fā)育。介休井水位自1981年觀測(cè)以來曾多次出現(xiàn)下降異常，且下降幅度最大達(dá)3m多，其下降變化與山西地震帶的中強(qiáng)地震活動(dòng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（張淑亮等，2002）。從2013年底開始，介休井水位出現(xiàn)3次下降（圖4），累計(jì)降幅為2.92m，2014年12月12日開始轉(zhuǎn)折上升，2015年1月15日發(fā)生介休ML3.3震群，震前井水位下降表明介休井附近應(yīng)力場(chǎng)可能為拉張狀態(tài)。在區(qū)域應(yīng)力的持續(xù)作用下，巖體體積和含水層巖體孔隙度增大，孔隙壓力減小，進(jìn)而引起井水位下降。

圖4 2011年以來介休井水位分鐘值變化曲線

4 區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)

介休井水位下降表明井孔附近應(yīng)力場(chǎng)為拉張狀態(tài)，而區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和介休井反映的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)是否具有一致性？本文根據(jù)小震震源機(jī)制來研究震群附近的應(yīng)力場(chǎng)變化。首先利用山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的地震直達(dá) P、S波振幅資料求解中小地震震源機(jī)制解（Kisslinger，1980；Kisslinger et al，1981；李幼銘等，1982；梁尚鴻等，1984），計(jì)算得到 2011年以來介休震群附近50多次ML≥2.0地震的震源機(jī)制解，并分別繪制了2011年1月～2013年11月及2014年1～12月2個(gè)時(shí)間段的震源球分布及P軸空間分布（圖5）。從圖中可以看出，這2個(gè)時(shí)間段的震源機(jī)制解類型和P軸分布特征存在顯著差異。第1個(gè)時(shí)段的震源機(jī)制顯示地震為走滑型，P軸多呈水平分布，傾角較低，主壓應(yīng)力方向與山西構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)一致；第2階段明顯看出地震類型多為正斷型，P軸較直立，傾角較高，表明這一時(shí)段區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)以拉張狀態(tài)為主，這與介休井水位反映的應(yīng)力狀態(tài)一致。

介休震群中3次ML≥2.0地震的震源機(jī)制解顯示：ML3.3、ML2.5地震震源機(jī)制解一致性較好，主壓應(yīng)力軸方位為NE方向，與山西整體構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)一致（表4）。ML3.3地震的破裂方式為正斷兼走滑型，另外2次地震破裂方式為逆斷或逆沖兼走滑，反映出震群序列受控于局部應(yīng)力場(chǎng)。介休ML3.3震群位置距離太谷斷裂和霍山斷裂交會(huì)處不足10km，但震源機(jī)制解結(jié)果顯示的界面解與這2條斷層產(chǎn)狀并不相符，因此推測(cè)本次震群可能為隱伏次級(jí)斷裂活動(dòng)的結(jié)果。

5 拐角頻率與視應(yīng)力

地震波拐角頻率可以反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化特征。同等震級(jí)的地震，如果發(fā)生在高應(yīng)力背景條件下，地震震源脈沖高而窄，相應(yīng)的高頻成分多，拐角頻率大；如果發(fā)生在低應(yīng)力背景條件下，地震震源脈沖則低而寬，相應(yīng)的高頻成分少，拐角頻率?。惻嗌频龋?993）。影響拐角頻率大小的主要因素為地震波傳播速度及巖體破裂速度、尺度等，而巖體裂隙、孔隙的變化以及巖體的擴(kuò)容、飽和、浸水弱化等是影響地震波的主要因素，其中裂隙中的流體飽和度對(duì)地震波速影響顯著。巖體裂隙浸水等流體后軟化，軟介質(zhì)對(duì)地震波的高頻成分有較強(qiáng)的吸收作用，震級(jí)小的地震拐角頻率將會(huì)變小。姚立珣等（2004）基于二相介質(zhì)的地震波理論，解釋了巖體裂隙充水后對(duì)拐角頻率的影響，指出拐角頻率偏小可以作為地殼淺部巖體裂隙發(fā)育及充水的判斷依據(jù)。楊志高等（2010）通過對(duì)紫坪鋪水庫170個(gè)ML≥1.0地震震源參數(shù)的計(jì)算和分析后認(rèn)為，地震波穿過巖體裂隙充水后介質(zhì)會(huì)有較明顯的衰減過程，且拐角頻率低于中國大陸其它地區(qū)的結(jié)果。陳濤等（2012）研究認(rèn)為地殼流體的孔隙壓力作用是觸發(fā)地震以及影響震群、余震活動(dòng)的重要因素之一。

圖5 介休震群附近震源機(jī)制解分布及P軸空間分布

表4 介休ML 3.3震群中3次ML≥2.0地震的震源機(jī)制解參數(shù)

目前震源動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法主要是通過震源譜在Brune模型下利用遺傳算法擬合出拐角頻率和零頻極限（陳學(xué)忠等，2011）。從地震事件震源譜來看，其高頻衰減不僅反映了震源本身的物理過程，也反映了傳播介質(zhì)的非彈性和散射作用的強(qiáng)弱，拐角頻率是震源譜低頻和高頻的分界點(diǎn)。表5給出了介休ML3.3震群中ML≥1.0地震的拐角頻率。因有關(guān)山西地區(qū)拐角頻率的研究都是基于2001～2013年ML≥2.0地震的計(jì)算結(jié)果，所以表5提供了震群中ML≥2.0地震的拐角頻率及山西地區(qū)同震級(jí)地震的平均值。一般情況下，對(duì)于構(gòu)造地震而言，震級(jí)越小，拐角頻率越大；反之，拐角頻率則越小。根據(jù)這一現(xiàn)象，雖然1.0≤ML≤2.0地震的拐角頻率沒有可參考的數(shù)據(jù)，但是理論上應(yīng)該比山西其它地區(qū)的ML≥2.0地震的拐角頻率大。從表5可以看出，1.0≤ML≤2.0地震的拐角頻率明顯小于ML2.0地震的平均結(jié)果。震群中ML3.3、ML2.5地震相對(duì)于同等震級(jí)的拐角頻率減小24.6%，該結(jié)果與姚立珣等（2004）的研究結(jié)果一致；而ML2.0地震的拐角頻率則減小44.4%，這表明地震波高頻衰減程度較大，也進(jìn)一步說明震源區(qū)水等流體的滲入在較大程度上影響了巖石介質(zhì)的物理性質(zhì)，使得巖體強(qiáng)度弱化。

表5 介休ML 3.3震群中ML≥1.0地震的拐角頻率及視應(yīng)力

地震視應(yīng)力是一個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，反映了震源物理過程，通常與滑動(dòng)類型、破裂速度及介質(zhì)強(qiáng)度等有關(guān)（McGarr et al，2001、2002）。本研究利用多臺(tái)聯(lián)合計(jì)算視應(yīng)力方法，選取 S波段在1.0～20.0Hz范圍內(nèi)的波形進(jìn)行分析，所用臺(tái)站個(gè)數(shù)均大于15，最后計(jì)算了震群中ML≥1.0地震的視應(yīng)力值（表5）。雖然1.0≤ML≤2.0地震視應(yīng)力不能參考有關(guān)山西地區(qū)的已有研究結(jié)果，但是比較ML≥2.0地震與山西地區(qū)2001～2013年多年同震級(jí)視應(yīng)力平均計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，這3次地震的視應(yīng)力值明顯小于平均視應(yīng)力水平，降幅最大為89.6%，最小的也為69.1%，這一結(jié)果與楊志高等（2010）對(duì)紫坪鋪水庫地震視應(yīng)力的研究結(jié)果基本一致。由于小震能量主要集中在震源譜高頻部分，如果震源區(qū)有流體的滲入，則會(huì)使高頻成分衰減，視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果將會(huì)明顯小于山西其它地區(qū)同震級(jí)地震的結(jié)果。

6 結(jié)論與討論

本文基于小震精確定位、應(yīng)力場(chǎng)、拐角頻率和視應(yīng)力等結(jié)果，研究了介休ML3.3震群特征和發(fā)震原因，得到了如下主要結(jié)論：

（1）震群所在區(qū)域構(gòu)造位置特殊，環(huán)境復(fù)雜，巖石裂隙發(fā)育，在應(yīng)力增強(qiáng)的條件下，極易產(chǎn)生弱震活動(dòng)。根據(jù)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析，在介休井水位上升階段，小震震源機(jī)制表現(xiàn)為主壓應(yīng)力方向受山西構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，破裂方式主要為走滑型；介休井水位下降階段，小震震源機(jī)制表現(xiàn)為受拉張作用，破裂方式主要為正斷型；隨著區(qū)域應(yīng)力不斷加強(qiáng)，介休井水位轉(zhuǎn)折上升，介休震群中ML≥2.0地震震源機(jī)制解表現(xiàn)的破裂方式有逆沖成分，反映了應(yīng)力場(chǎng)的擠壓狀態(tài)，與井水位回升表現(xiàn)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)一致。因此，介休井水位的升降應(yīng)能夠反映震源區(qū)附近應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。

（2）介休震群小震精確定位結(jié)果顯示，震源體較小，則震源深度較淺。震群中ML≥1.0地震拐角頻率和視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果明顯低于山西地區(qū)同震級(jí)地震的水平，對(duì)比山西地區(qū)2001～2013年ML≥2.0地震的平均結(jié)果，拐角頻率最大降幅為 44.4%，視應(yīng)力最大降幅89.6%，與二相介質(zhì)的地震波理論解釋的水庫誘發(fā)地震拐角頻率和視應(yīng)力變化特征相吻合。

（3）介休井水位異常變化和介休ML3.3震群，反映了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整和增強(qiáng)。通過小震精確定位以及對(duì)拐角頻率和視應(yīng)力的研究，不排除水等流體在震群孕震過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用。初步分析本次震群活動(dòng)的成因?yàn)椋旱?階段，在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)拉張作用下，裂隙在巖體中擴(kuò)展，巖體體積有所增大，孔隙壓力下降，引起井水位下降；第2階段，當(dāng)震源區(qū)出現(xiàn)擴(kuò)容之后，迫使擴(kuò)容區(qū)外圍的地下水向該區(qū)滲入，一定程度上改變了巖石的物理性質(zhì)，弱化了巖石強(qiáng)度，巖石更容易破裂，同時(shí)流體孔隙壓力回升，有效應(yīng)力降低，抗剪強(qiáng)度減弱，最終巖體錯(cuò)動(dòng)并觸發(fā)地震。整個(gè)過程與擴(kuò)容模式描述的孕震不同演化階段特征基本相同（汪成民等，1988）。由于介休震群震源區(qū)裂隙發(fā)育和水的滲入作用等，巖體強(qiáng)度弱化，裂隙密度增加，地震波通過震源區(qū)時(shí)高頻成分衰減強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致地震的拐角頻率和視應(yīng)力有別于山西地區(qū)其它地震。

致謝：本文在成文過程中得到山西省地震局李自紅研究員、張淑亮研究員的指導(dǎo)，兩位匿名評(píng)審專家對(duì)本文提出了寶貴的修改意見，在此一并表示衷心的感謝！