中條山北麓斷裂形變異常分析

王向陽(yáng)，王洪峰，李 民，張文男，常 姣，徐愛(ài)慧

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

中條山北麓斷裂形變異常分析

王向陽(yáng)1，2，王洪峰1，2，李 民1，2，張文男1，2，常 姣1，2，徐愛(ài)慧1，2

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

以運(yùn)城盆地及周邊ML5.0以上地震活動(dòng)，與盆地的主控構(gòu)造中條山北麓斷裂的活動(dòng)關(guān)系進(jìn)行研究，表明地震與斷層(活構(gòu)造)的活動(dòng)有直接關(guān)系。目前，對(duì)活斷層進(jìn)行形變測(cè)量和地球物理場(chǎng)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)是揭示地殼運(yùn)動(dòng)最為有效的手段。

地震；跨斷層水準(zhǔn)測(cè)量；中條山北麓斷裂

0 引言

地震的孕育、發(fā)生伴隨地殼、斷層的形變是地殼應(yīng)力場(chǎng)改變最直觀的表現(xiàn)方式，斷層形變存在于地震孕育發(fā)生的全過(guò)程。

文章通過(guò)研究中條山北麓斷裂活動(dòng)的形變資料，發(fā)現(xiàn)運(yùn)城盆地及周邊ML5.0以上地震活動(dòng)與其形變異常存在較為密切的關(guān)系，表明地震與斷層(活構(gòu)造)的活動(dòng)有直接聯(lián)系，并對(duì)今后該地區(qū)的地震活動(dòng)趨勢(shì)做出定量化判斷，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 運(yùn)城盆地地質(zhì)構(gòu)造及跨斷層場(chǎng)地布設(shè)的概況

運(yùn)城盆地位于山西斷陷帶南端，北部有峨嵋?guī)X南緣活動(dòng)斷裂，東南部為中條山北麓活動(dòng)斷裂，境內(nèi)還有兩條次一級(jí)隱伏活動(dòng)斷裂，即北西走向的東郭—三路里和近東西向車(chē)盤(pán)—東郭隱伏活動(dòng)斷裂，北中部有鳴條崗斷隆通過(guò)，至王范、北相隱伏地下，斷層活動(dòng)總體上呈地區(qū)性剪切拉張運(yùn)動(dòng)。中條山北麓斷裂是盆地內(nèi)的主要活動(dòng)斷裂，長(zhǎng)約175 km，總體走向NEE，兩端走向NE，是一條斷面傾向NW的高角度正斷層。該斷裂西南段南起首陽(yáng)、北至蒲州以東山麓，長(zhǎng)21 km，走向NE；中段由蒲州一帶至磨河，長(zhǎng)76 km，走向NEE；北段由磨河穿過(guò)盆地北面的峨嵋臺(tái)地達(dá)臨汾盆地東界，長(zhǎng)約78 km，走向NE。其中，中段解州至虞鄉(xiāng)一帶活動(dòng)性最強(qiáng)，斷裂兩盤(pán)垂直差異升降運(yùn)動(dòng)幅度達(dá)6 000～7 000 m[1]。

夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪跨斷層水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地分別布設(shè)在中條山北麓斷裂的北段中部夏縣瑤峰鎮(zhèn)南山底村、西南段的永濟(jì)虞鄉(xiāng)鎮(zhèn)風(fēng)伯峪村(見(jiàn)第33頁(yè)圖1)。

2 震例分析

1998年以來(lái)，山西南部先后發(fā)生了1998年7月11日永濟(jì)臨猗ML5.0、2003年11月25日洪洞甘亭ML5.0、2010年1月24日河津ML5.2的3次5.0級(jí)以上地震(見(jiàn)第33頁(yè)圖2、表1)。震前，夏縣南山底流動(dòng)水準(zhǔn)、永濟(jì)風(fēng)伯峪流動(dòng)水準(zhǔn)測(cè)項(xiàng)均出現(xiàn)異常變化。

文章采用原始值曲線法對(duì)該異常變化進(jìn)行分段研究，在剔除年變趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，采用異常參數(shù)R值進(jìn)行分析，給出較為明確的異常判斷指標(biāo)。

2.1 原始曲線法

2.1.1 1998年7月11日永濟(jì)ML5.0地震震前異常分析

永濟(jì)ML5.0地震震中分別距夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地59 km、14 km，震前，兩條測(cè)線跨斷層測(cè)段高差均出現(xiàn)明顯異常變化。

1994年以來(lái)，夏縣南山底水準(zhǔn)測(cè)線跨斷層1～2測(cè)段數(shù)據(jù)呈固定的斜率變化，存在較明顯的年變形態(tài)。1997年3月至1998年3月，數(shù)據(jù)變化曲線明顯超出原有變化斜率范圍，數(shù)據(jù)下降幅度為46.02 mm，是1994至1996年年變率9.4 mm/a的4.9倍，而后逐漸回升。斷層活動(dòng)由張性變成壓性，表現(xiàn)出中期異常。

永濟(jì)風(fēng)伯峪測(cè)線1997年6月至8月跨斷層測(cè)段高差變化為2.12 mm，變化率為1994至1996年平均年變率1.53 mm/a的1.4倍，而后逐漸持平。斷層活動(dòng)由張性變成壓性，表現(xiàn)出中期異常(見(jiàn)第33頁(yè)圖3)。

圖1 山西運(yùn)城盆地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及跨斷層場(chǎng)地布設(shè)示意圖Fig.1 Regional geological structure of Yuncheng basin and the site layout across the fault

圖2 1998年以來(lái)山西南部ML5.0以上地震分布圖Fig.2 Distribution of earthquakes with ML≥5.0 in southern Shanxi since 1998

序號(hào)日期(年?月?日)緯度(°)經(jīng)度(°)震級(jí)(ML)震中位置風(fēng)伯峪南山底震中距km震中距km11998?07?1134．95110．625．0永濟(jì)臨猗145922003?11?2536．17111．625．0洪洞甘亭17312232010?01?2435．57110．775．2河津萬(wàn)榮8365

圖3 1994—1999年夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪觀測(cè)曲線圖Fig.3 Observation curves of Nanshandi in Xiaxian and Fengboyu in Yongji from 1994 to 1999

2.1.2 2003年11月25日洪洞ML5.0地震震前異常分析

洪洞ML5.0地震震中分別距夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地為122 km、173 km，震前兩條測(cè)線跨斷層測(cè)段高差均出現(xiàn)明顯異常變化。

震前半年左右，兩條測(cè)線跨斷層測(cè)段高差曲線變化斜率明顯異于年變趨勢(shì)，上盤(pán)下降速率減緩，斷層活動(dòng)逐漸由張性變成壓性，表現(xiàn)出中期異常(見(jiàn)第34頁(yè)圖4)。

圖4 1999—2004年夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪觀測(cè)曲線圖Fig.4 Observation curves of Nanshandi in Xiaxian and Fengboyu in Yongji from 1999 to 2004

2.1.3 2010年1月24日河津萬(wàn)榮ML5.2地震震前異常分析

河津萬(wàn)榮ML5.2地震震中分別距夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地為65 km、83 km，震前兩條測(cè)線跨斷層測(cè)段高差均出現(xiàn)明顯異常變化。

2007年10月，夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪流動(dòng)水準(zhǔn)測(cè)線跨斷層測(cè)段高差年變趨勢(shì)發(fā)生明顯改變，上盤(pán)下降速率減緩，斷層活動(dòng)逐漸由張性變成壓性。2008年4月，兩測(cè)線高差又同步出現(xiàn)張性變化。2009年6月至8月，夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪測(cè)線跨斷層測(cè)段高差分別下降19.16 mm、7.45 mm，呈現(xiàn)加速下降(張性)變化，表現(xiàn)出中期異常(見(jiàn)圖5)。

圖5 2005—2011年夏縣南山底、永濟(jì)風(fēng)伯峪觀測(cè)曲線圖Fig.5 Observation curves of Nanshandi in Xiaxian and Fengboyu in Yongji from 2005 to 2011

綜上所述，中條山北麓斷裂上盤(pán)向運(yùn)城盆地呈繼承性趨勢(shì)下降變化(張性)。當(dāng)斷層上盤(pán)下降速率減慢且出現(xiàn)上升變化(壓性)，或出現(xiàn)加速下降(張性)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)城盆地或周邊200 km范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生ML5.0以上地震。

2.2 異常參數(shù)法

運(yùn)用跨斷層形變資料時(shí)，以斷層的下盤(pán)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)統(tǒng)一各測(cè)線的高差。每月(雙月)的高差觀測(cè)值減去上一年同月份的觀測(cè)值，得到相應(yīng)月份的形變年速率值，消除年變化影響。以平均速率加上其變化的中誤差為基準(zhǔn)，將速率值與基準(zhǔn)值比較，可得出異常參數(shù)，公式如下：

式中：hi、hi-12和hj、hj-12分別為間隔1 a的觀測(cè)高差值；n為計(jì)算出的速率總數(shù)量；i=1,2,3；j=1,2,3……n；異常參數(shù)R是一個(gè)無(wú)量綱的值，其值越大，說(shuō)明斷層活動(dòng)速率越大，形變異常也越大。

│R│≥0.5為異常；│R│≤0.5為正常變化；R=0.5～1.0時(shí)，存在一定的異常信息。異常參數(shù)R值增大時(shí)，地殼應(yīng)力場(chǎng)在改變。相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，中條山北麓斷裂的活動(dòng)速率在繼承性運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)持續(xù)加速變化，與研究區(qū)內(nèi)ML≥4.2地震活動(dòng)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)應(yīng)的地震震級(jí)大小同異常的持續(xù)時(shí)間及變化幅度的關(guān)系，與王向陽(yáng)等[2]提出的“震級(jí)大小和異常持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短、范圍大小有關(guān)，與異常的幅度大小沒(méi)有絕對(duì)關(guān)系”的結(jié)論較為一致。

1998年7月11日永濟(jì)臨猗ML5.0、2003年11月25日洪洞甘亭ML5.0、2010年1月24日河津ML5.2地震前，永濟(jì)風(fēng)伯峪、夏縣南山底測(cè)線跨斷層測(cè)段高差異常參數(shù)R值顯示出明顯異常變化(見(jiàn)第35頁(yè)圖6)，持續(xù)時(shí)間為1至14個(gè)月，發(fā)震時(shí)間在異常期間或異常結(jié)束后7個(gè)月內(nèi)(見(jiàn)第35頁(yè)表2、表3)。兩條測(cè)線異常變化存在明顯同步性，說(shuō)明中條山北麓斷裂各個(gè)部位活動(dòng)存在整體性、一致性。

2011年以來(lái)，永濟(jì)風(fēng)伯峪、夏縣南山底測(cè)線跨斷層測(cè)段高差R值顯示在0.5～1.0之間波動(dòng)，因此，永濟(jì)風(fēng)伯峪、夏縣南山底測(cè)線監(jiān)測(cè)的中條山北麓斷裂存在趨勢(shì)異常，不存在近期發(fā)生ML5.0以上地震的危險(xiǎn)。

圖6 永濟(jì)風(fēng)伯峪、夏縣南山底水準(zhǔn)測(cè)線R值分析圖Fig.6 Analysis of R values of leveling lines of Fengboyu in Yongji and Nanshandi in Xiaxian

地震起始時(shí)間(年?月)結(jié)束時(shí)間(年?月)持續(xù)時(shí)間發(fā)震時(shí)間在異常結(jié)束后永濟(jì)臨猗ML5．01997?101998?047個(gè)月3個(gè)月洪洞甘亭ML5．02003?022003?087個(gè)月3個(gè)月無(wú)震2005?082006?049個(gè)月無(wú)震河津萬(wàn)榮ML5．22009?082009?081個(gè)月5個(gè)月無(wú)震2011?062011?083個(gè)月無(wú)震

3 存在的問(wèn)題

跨斷層流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)手段測(cè)線布設(shè)受地質(zhì)條件限制，因此，測(cè)點(diǎn)并非都設(shè)置在基巖點(diǎn)，監(jiān)測(cè)斷層活動(dòng)存在區(qū)域水位變化的影響，且應(yīng)考慮降雨、氣候等變化因素，為資料的分析判斷帶來(lái)較大干擾，難以做出定量的判斷。

根據(jù)上述問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中條山北麓斷裂原有測(cè)

表3 永濟(jì)風(fēng)伯峪測(cè)線|R|≥1異常統(tǒng)計(jì)表

線所監(jiān)測(cè)的活動(dòng)斷層進(jìn)行地下探測(cè)，搞清斷層的確切位置，為測(cè)線布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。在未探明斷層的準(zhǔn)確位置時(shí)，對(duì)現(xiàn)有測(cè)線土層點(diǎn)進(jìn)行改造，安裝鋼管標(biāo)，深鉆至淺水位以下，盡可能減少區(qū)域水位下降的干擾。

4 結(jié)論

(1) 中條山北麓斷裂上盤(pán)向運(yùn)城盆地呈繼承性趨勢(shì)下降(張性)變化。當(dāng)斷層上盤(pán)下降(張性)速率減慢且出現(xiàn)上升(壓性)變化，或出現(xiàn)加速下降(張性)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)城盆地或周邊200 km的范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生ML5.0以上的地震。

(2) 中條山北麓斷裂各個(gè)部位活動(dòng)存在整體性、一致性。

(3) 2011年以來(lái)，永濟(jì)風(fēng)伯峪、夏縣南山底測(cè)線跨斷層測(cè)段高差R值在0.5～1.0之間波動(dòng)。因此，永濟(jì)風(fēng)伯峪、夏縣南山底測(cè)線監(jiān)測(cè)的中條山北麓斷裂存在趨勢(shì)異常，運(yùn)城盆地及周邊200 km范圍暫不存在發(fā)生ML5.0以上地震的危險(xiǎn)。

[1] 劉 巍，安衛(wèi)平，趙新平，等.運(yùn)城盆地的現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)及現(xiàn)代地殼應(yīng)力場(chǎng)的基本特征[J].山西地震,1996(2):9-13.

[2] 王向陽(yáng)，張曉紅，黃春玲，等.中條山北麓斷裂形變異常的研究[J].山西地震,2004(1)：26-28.

Analysis of Abnormal Deformation of The Northern Zhongtiaoshan Fault

WANG Xiang-yang1,2, WANG Hong-feng1,2, LI Min1,2, ZHANG Wen-nan1,2, CHANG Jiao1,2, XU Ai-hui1,2

(1.Xiaxian Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Xiaxian, Shanxi 044400, China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Study shows that the activity of earthquakes withML≥5.0 in Yuncheng basinand its periphery has a close relationship with the activity of the northern Zhongtiaoshan fault. It is proved that the earthquakesare directly related to the fault activity (active tectonics). It is the most effective means to measure the crustal movement by the deformation measurement and the dynamic observation of the geophysical field.

Earthquake; Leveling across the fault; Northern Zhongtiaoshan fault

1000-6265(2017)01-0032-04

2016-07-21

王向陽(yáng)(1974— )，男，山西省夏縣人。2003年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等專科學(xué)校，工程師。

P315.2

A