夏縣地震臺(tái)南山底短水準(zhǔn)形變與震源機(jī)制解對(duì)應(yīng)關(guān)系探討

楊 靜，張文男，王向陽，王洪峰

(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)

0 引言

地震是斷層的快速錯(cuò)動(dòng)或巖體突然破裂的一種自然現(xiàn)象。斷層形變是地震發(fā)生時(shí)最直接的伴隨現(xiàn)象，是地殼應(yīng)力場(chǎng)改變最直觀、最顯著的表現(xiàn)方式，跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)量是監(jiān)測(cè)斷層形變最有效的方法之一。

1 夏縣臺(tái)短水準(zhǔn)觀測(cè)概述

文章通過對(duì)夏縣中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱夏縣臺(tái))跨斷層短水準(zhǔn)觀測(cè)資料的分析，結(jié)合其他數(shù)據(jù)，研究局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化。

夏縣臺(tái)有兩條跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)線—夏縣南山底和永濟(jì)風(fēng)伯峪短水準(zhǔn)，分別跨越中條山北麓斷裂北東段和東西段，監(jiān)測(cè)斷裂兩側(cè)的活動(dòng)情況[1-2](見圖1)。南山底短水準(zhǔn)測(cè)線(NSD)位于夏縣南山底村，近鄰夏縣臺(tái)，測(cè)線總長(zhǎng)0.59 km，分2個(gè)測(cè)段施測(cè)。NSD1-2測(cè)段為跨斷層測(cè)段，起始點(diǎn)NSD1基巖點(diǎn)埋設(shè)在下盤基巖中，NSD2土層點(diǎn)埋設(shè)在上盤第四紀(jì)黃土層中(見第17頁圖2)；永濟(jì)風(fēng)伯峪測(cè)線位于永濟(jì)市風(fēng)伯峪村，距離夏縣臺(tái)約61 km，分2個(gè)測(cè)段施測(cè)，F(xiàn)BY2-3為跨斷層測(cè)段。自1999年起，兩條短水準(zhǔn)測(cè)線由日觀測(cè)改為流動(dòng)觀測(cè)，每逢雙月下旬觀測(cè)。

2011年夏縣南山底短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線打破穩(wěn)速下降的年變趨勢(shì)，出現(xiàn)反向上升變化，持續(xù)8個(gè)月后恢復(fù)正常年變形態(tài)。同期的風(fēng)伯峪(FBY)測(cè)線水準(zhǔn)數(shù)據(jù)未發(fā)生明顯變化，觀測(cè)結(jié)果顯示南山底區(qū)域內(nèi)由張性轉(zhuǎn)變?yōu)閴盒原h(huán)境。

2 夏縣臺(tái)南山底水準(zhǔn)資料分析

自觀測(cè)以來，南山底短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線保持一定速率的下降變化趨勢(shì)。期間，跨斷層測(cè)段出現(xiàn)數(shù)次反向上升變化，斷層活動(dòng)增強(qiáng)，與地震有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見第17頁圖3a)。 1998年與2003年測(cè)線出現(xiàn)明顯反向上升變化，在此期間山西南部發(fā)生5.0級(jí)以上地震；1996年與2008年測(cè)線也出現(xiàn)明顯上升變化，雖未對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)地震，但此時(shí)間段由于發(fā)生包頭6.4級(jí)、汶川M8.0大震，使整個(gè)華北區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)都受到影響而發(fā)生改變；此外，測(cè)線數(shù)據(jù)有多次小幅度上升現(xiàn)象，且上升時(shí)期無明顯構(gòu)造活動(dòng)，可能與測(cè)線的特殊位置有關(guān)。南山底測(cè)線地處溫泉開發(fā)中心地帶，受地下水位干擾嚴(yán)重，觀測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)雜多變。

圖2 夏縣南山底流動(dòng)短水準(zhǔn)測(cè)線布設(shè)示意圖Fig.2 Layout of mobile short leveling lines in Nanshandi in Xiaxian

2011年8月至2012年2月南山底測(cè)線下降趨勢(shì)明顯減緩，出現(xiàn)反向上升變化(見圖3b)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分處理，顯示斷層上盤累計(jì)上升幅度達(dá)14.55 mm。

短水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常變化不僅與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化相關(guān)，與周圍觀測(cè)環(huán)境也息息相關(guān)[3-5]。對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)明顯變化及干擾因素，但隨著溫泉開發(fā)的日益增加，南山底水準(zhǔn)測(cè)線受地下水位的影響越來越大[6-7]。2011年夏縣臺(tái)水位出現(xiàn)明顯回升變化，推測(cè)南山底水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的變化可能是由地下水位的變化引起，因此分析水準(zhǔn)變化與水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。南山底短水準(zhǔn)測(cè)量為雙月觀測(cè)，為保證數(shù)據(jù)對(duì)比的一致性，分析時(shí)取測(cè)量當(dāng)天的臺(tái)站水位觀測(cè)日值。選取2001年以來的資料，繪制水位與NSD1-2測(cè)段差分曲線對(duì)比圖。由圖4看出，兩者具有很好的一致性，計(jì)算得到兩者的相關(guān)系數(shù)為0.654 9。將水位與水準(zhǔn)差分結(jié)果繪制于同一坐標(biāo)系下，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系(見第18頁圖5)，得到擬合直線方程為：

圖3 南山底短水準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)曲線及差分結(jié)果Fig.3 Original data and difference result of Nanshandi short leveling

y= 0.960x+74.39，

式中：x為水準(zhǔn)差分值；y為水位日值。

通過上述計(jì)算分析，認(rèn)為夏縣臺(tái)南山底水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化與地下水位的變化有較高的一致性。南山底短水準(zhǔn)測(cè)線土層點(diǎn)埋深較淺，位于地下水位面之上，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，上部覆蓋層隨之下降；反之，上部覆蓋層則隨之上升。2011年臺(tái)站水位明顯回升，南山底短水準(zhǔn)受影響也出現(xiàn)回升變化。

3 震源機(jī)制解分析

水準(zhǔn)測(cè)量反映的是斷層的活動(dòng)狀態(tài)，斷層活動(dòng)由區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用而引起，通過震源機(jī)制解可求解得到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。南山底短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)回升變化反映局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由張性受力轉(zhuǎn)變?yōu)閴盒允芰?，而?shí)際的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是否如此，下面通過求解震源機(jī)制解進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 臺(tái)站水位與NSD1-2測(cè)段水準(zhǔn)差分結(jié)果對(duì)比曲線Fig.4 Comparison of water level and the results of leveling difference in NSD1-2 section

3.1 資料選取

南山底水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的異常變化在2011年，考慮2008年汶川地震以后整個(gè)山西地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)都有轉(zhuǎn)變[8]，選取2007—2012年山西省南部(36.7°以南)ML≥3.0地震，采用snoke方法[9]求解震源機(jī)制解。統(tǒng)計(jì)ML≥3.0地震共33次，由于邊緣地震波形資料較少，求解得到29次地震的震源機(jī)制解(見圖6)。由圖6看出，2007—2012年，運(yùn)城盆地內(nèi)能夠得到震源機(jī)制解的地震極少，南山底測(cè)線東、北向有少量地震，因此，通過求解震源機(jī)制解可得到山西南部的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，南山底局部小區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可利用臺(tái)站近區(qū)內(nèi)單個(gè)地震的活動(dòng)情況來分析。

圖5 臺(tái)站水位與NSD1-2測(cè)段水準(zhǔn)差分結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of water level and the results of leveling difference in NSD1-2 section

3.2 山西南部區(qū)域計(jì)算結(jié)果及分析

統(tǒng)計(jì)震源機(jī)制解結(jié)果，節(jié)面走向優(yōu)勢(shì)方位為北北東或北東向，滑動(dòng)角集中在180°多為走滑斷層，傾角集中在60°～90°，與山西南部盆地內(nèi)多為北東向高角度斷裂一致。結(jié)果顯示，山西南部主壓應(yīng)力軸為NEE—SWW向，主張應(yīng)力軸為NNW—SSE向，與華北區(qū)域及山西區(qū)域的平均構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)[10-15]一致，但南部區(qū)域內(nèi)兩個(gè)主應(yīng)力軸的仰角變化較大，表現(xiàn)出一定的局部小構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征。

圖6 震源機(jī)制解平面分布圖Fig.6 Distribution of source mechanism solutions

繪制山西南部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)時(shí)序演化圖(見圖7)，進(jìn)一步分析山西南部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化特征，分析結(jié)果如第19頁表1所示。

圖7 山西南部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)時(shí)序演化圖Fig.7 Temporal series evolution of tectonic stress field in southern Shanxi

由表1看出，山西南部應(yīng)力場(chǎng)在2008年之后經(jīng)過兩年的調(diào)整，已基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，主張應(yīng)力軸為北北西向，主壓應(yīng)力軸為北東東向，區(qū)域內(nèi)地震主要為正斷走滑型，表現(xiàn)出以拉張作用為主, 伴有擠壓作用的局部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征，與夏縣臺(tái)短水準(zhǔn)測(cè)線長(zhǎng)期以來按一定速率下降的趨勢(shì)是一致的。

表1 山西南部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)時(shí)序變化特征Table 1 Temporal series variation characteristics oftectonic stress field in southern Shanxi

3.3 夏縣區(qū)域內(nèi)地震分析

2011年南山底短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)存在異常變化，同年卻未發(fā)生地震，但2010年和2012年在測(cè)線附近均發(fā)生一次地震，震源機(jī)制解結(jié)果如表2所示。

2010年8月2日夏縣發(fā)生ML3.2地震，震中位于南山底測(cè)區(qū)東側(cè)中條山上，距臺(tái)站39 km，地震類型為走滑逆沖型，表明中條山夏縣段斷裂張性受力減弱，壓性受力增強(qiáng)，斷層上盤向上移動(dòng)，局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征明顯轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓環(huán)境，從而造成南山底短水準(zhǔn)與水位同步回升現(xiàn)象。

2012年9月2日聞喜發(fā)生ML3.0地震，震中位于南山底測(cè)區(qū)東北側(cè)中條山前，距臺(tái)站27.5 km，地震類型為走滑型，表現(xiàn)出少許正斷性質(zhì)，表明到2012年中條山夏縣段局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征消失，又轉(zhuǎn)回張性環(huán)境，趨向于山西南部區(qū)域平均構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，南山底短水準(zhǔn)與水位又恢復(fù)正常變化趨勢(shì)。

4 GPS資料分析

為進(jìn)一步證實(shí)夏縣局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化特征，引入相關(guān)GPS資料，給出2007—2011年山西南部應(yīng)變率場(chǎng)演化圖[16](見圖8)。

表2 夏縣地震和聞喜地震震源機(jī)制解Table 2 Source mechanism solutions of earthquakes in Xiaxian and Wenxi

圖8 山西南部應(yīng)變率場(chǎng)演化特征[14]Fig.8 Evolution characteristics of strain rate field in southern Shanxi

圖8顯示，2007—2009年，運(yùn)城盆地東、南邊界中條山北麓斷裂呈現(xiàn)明顯的張性活動(dòng)狀態(tài)；2009—2011年，運(yùn)城盆地邊緣由之前的張性活動(dòng)轉(zhuǎn)為壓性活動(dòng)，尤其以夏縣區(qū)域表現(xiàn)最為明顯，應(yīng)變率最大。這一結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)夏縣區(qū)域2011年存在局部小構(gòu)造活動(dòng)，呈現(xiàn)壓性環(huán)境，與南山底短水準(zhǔn)和水位變化一致。

5 結(jié)論

(1) 南山底短水準(zhǔn)測(cè)量環(huán)境受地下水位干擾較為嚴(yán)重，經(jīng)分析計(jì)算，水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的變化與地下水位的變化具有較好的相關(guān)性，兩者呈線性關(guān)系。

(2) 2011年南山底短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)反向上升變化，顯示局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由拉張狀態(tài)轉(zhuǎn)為擠壓狀態(tài)。震源機(jī)制解整體結(jié)果分析表明，2011年山西南部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)較為穩(wěn)定，表現(xiàn)出以拉張作用為主, 伴有擠壓作用的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征。夏縣區(qū)域內(nèi)單個(gè)地震震源機(jī)制解結(jié)果表明，2011年夏縣有局部小構(gòu)造活動(dòng)，表現(xiàn)為擠壓環(huán)境，南山底短水準(zhǔn)與水位出現(xiàn)同步回升現(xiàn)象；2012年局部應(yīng)力場(chǎng)特征消失，水準(zhǔn)與水位恢復(fù)正常變化趨勢(shì)。

(3) 根據(jù)GPS資料分析結(jié)果，2009—2011年運(yùn)城盆地東、南邊緣由之前的張性活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閴盒曰顒?dòng)，尤其在夏縣區(qū)域壓性應(yīng)變率最大，與南山底水準(zhǔn)數(shù)據(jù)回升顯示局部區(qū)域內(nèi)由張性變?yōu)閴盒允且恢碌摹?/p>

[1] 王向陽，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):25-28.

[2] 王向陽，楊海祥，劉國(guó)俊.山西永濟(jì)風(fēng)伯峪流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)的監(jiān)測(cè)能力判定[J].山西地震，2002(1):7-10.

[3] 王秀文，宋美琴.山西近期形變短期異常的調(diào)查和分析[J].山西地震，2004(2):1-4.

[4] 劉瑞春，季靈運(yùn)，齊浪.臨汾龍祠地震臺(tái)水準(zhǔn)測(cè)量巨幅形變異常綜合分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2012，32(4):20-24.

[5] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.寬頻帶傾斜儀及其觀測(cè)干擾因素分析[J].山西地震，2017(2)：16-21.

[6] 李淑玲，武守仁.太原夏縣短水準(zhǔn)測(cè)量與地下水位的關(guān)系[J].山西地震，1990(1):24-26.

[7] 胡惠民.短水準(zhǔn)干擾因素的識(shí)別[J].地殼形變與地震，1982(3):59-68.

[8] 劉 峽，馬 瑾，占 偉，等.汶川地震前后山西斷陷帶的地殼運(yùn)動(dòng)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2013，33(3):5-10.

[9] 呂 睿，董春麗，劉素珍，等.山西地區(qū)ML≥3.0地震震源機(jī)制解研究[J].山西地震，2014(3):1-4.

[10] 劉 巍，趙新平，安衛(wèi)平.山西地區(qū)的震源機(jī)制解結(jié)果[J].山西地震，1993(2):7-12.

[11] 劉 巍，趙新平，安衛(wèi)平.山西地區(qū)的地殼應(yīng)力場(chǎng)[J].山西地震，1993(3):3-11.

[12] 李欽祖.華北地殼應(yīng)力場(chǎng)的基本特征[J].地球物理學(xué)報(bào)，1980，23(4):377-387.

[13] 劉 巍，趙新平，安衛(wèi)平.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.

[14] 王秀文，宋美琴，楊國(guó)華，等.山西地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)變化與地震的關(guān)系[J].地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(5):1127-1133.

[15] 李 麗，宋美琴，劉素珍，等.山西地區(qū)震源機(jī)制一致性參數(shù)時(shí)空特征分析[J].地震，2015，35(2)：43-50.

[16] 劉瑞春，李自紅，趙文星，等.汶川M8.0級(jí)地震前后山西地震帶水平形變場(chǎng)變化特征研究[J].地震工程學(xué)報(bào)，2014，36(3):634-638.