京西北地區(qū)地應(yīng)變觀測與小震震源機制解一致性研究

茅遠哲 曹筠 高晨 馮向東 王曉山

河北省地震局，石家莊 050021

0 引言

地應(yīng)變觀測手段作為研究地殼應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律的地震形變前兆觀測方法之一，在地震監(jiān)測預(yù)報研究中一直發(fā)揮著重要作用。隨著中國地震局“十五”數(shù)字化應(yīng)變觀測手段在全國地震前兆觀測領(lǐng)域的廣泛使用，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震活動活躍的京西北地區(qū)布設(shè)了前兆觀測臺網(wǎng)，并通過洞體應(yīng)變伸縮儀與分量式鉆孔應(yīng)變儀積累的豐富觀測資料，前人使用多種方法對研究區(qū)內(nèi)地應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進行了分析。例如，馬棟等(2010)依據(jù)張家口地區(qū)伸縮儀的應(yīng)變參數(shù)結(jié)果，并根據(jù)歷史震例與地質(zhì)構(gòu)造進行參數(shù)分析，得出了該地區(qū)各項應(yīng)變參數(shù)的轉(zhuǎn)折時間基本同步且處于同步變化的結(jié)論；馬棟等(2013)通過對張家口—渤海地震構(gòu)造帶布設(shè)的洞體應(yīng)變測項進行了Venedikov調(diào)和分析，利用計算的應(yīng)變參數(shù)時間序列對照分析華北M5.0地震前的變化現(xiàn)象，同時與GPS應(yīng)變觀測結(jié)果進行了差異性對比，得出多臺的應(yīng)變參數(shù)能夠在一定程度上反映區(qū)域的應(yīng)變特征；侯曉真等(2017)在計算統(tǒng)計河北省內(nèi)應(yīng)變參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合區(qū)域地震情況對短期地震活動性進行相關(guān)分析，得出大華北地區(qū)中各個區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢。

利用某區(qū)域中一定數(shù)量的震源機制解可以研究該區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變場和構(gòu)造運動特征。已有的研究結(jié)果表明，中國大陸地區(qū)GPS觀測下主應(yīng)變率方位與震源機制解反演得出的P和T軸方位分布較為一致(Zhu et al，2006)；張晶等(2008)對地應(yīng)變觀測資料進行處理，發(fā)現(xiàn)2006年文安5.1級地震前地區(qū)主應(yīng)變方向與該區(qū)小震震源機制解P軸方位發(fā)生同步偏轉(zhuǎn)。本文選取京西北地區(qū)為研究區(qū)域，利用應(yīng)變參數(shù)方法對研究區(qū)中前兆觀測臺網(wǎng)布設(shè)的多個三分向測點應(yīng)變參數(shù)時間序列進行計算，得出各個測點的最大主應(yīng)變性質(zhì)與方位，并與該區(qū)小震震源機制解進行一致性對比分析。

圖 1 地應(yīng)變觀測測點與M≥3.5地震震中分布

1 區(qū)域背景與資料選取

京西北地區(qū)因其地理位置的重要性和地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，一直是河北省地震重點監(jiān)視區(qū)。該地區(qū)地處中朝準(zhǔn)地臺北部，區(qū)域內(nèi)包括燕山斷塊隆起的西部、鄂爾多斯斷塊隆起的東北部、太行山斷塊隆起的北部和山西斷陷北部，區(qū)內(nèi)活動斷裂密集，斷裂第四紀(jì)活動性質(zhì)以正斷層為主，區(qū)內(nèi)活動斷裂主要方位為NNE—NE向，與正交的活動斷裂共同構(gòu)成長達十至百余千米的網(wǎng)狀斷裂帶分布。研究區(qū)近年來發(fā)生過多次小震，包括2014年河北逐鹿4.3級地震和2016年河北尚義4.0級地震等，地震活動較為活躍。京西北地區(qū)布設(shè)有諸多地應(yīng)變觀測測點，本文利用研究區(qū)測點多年積累的豐富地應(yīng)變觀測資料進行計算分析，可進一步為一致性研究提供更加細(xì)致可靠的數(shù)據(jù)資料。

地應(yīng)變觀測資料選取研究區(qū)內(nèi)2008～2017年洞體應(yīng)變伸縮儀與分量式鉆孔應(yīng)變儀的小時值觀測數(shù)據(jù)，小震震源機制解所用歷史震例選取同期研究區(qū)M≥3.5的部分地震(圖1)，考慮到應(yīng)變參數(shù)計算結(jié)果的可靠性，篩選出研究區(qū)內(nèi)觀測資料連續(xù)性 ≥95% 的測點數(shù)據(jù)，所選具體測點信息見表1。

表1 地應(yīng)變觀測測點信息

2 資料處理與分析

2.1 線應(yīng)變組合觀測計算應(yīng)變參數(shù)

在形變觀測中，常采用多個方向的線應(yīng)變觀測解析地殼變形過程及其與發(fā)震機制之間的關(guān)系，通過不少于3個方位的應(yīng)變組合觀測可解算出描述測點地區(qū)應(yīng)變狀態(tài)的平面應(yīng)變參數(shù)(張雁濱，1997)。

首先，選取京西北地區(qū)5個定點應(yīng)變觀測測點為研究對象，各測點均具有不少于3個方位的觀測，除2個正交方向觀測以外，還包含了斜邊方向觀測，其中延慶、易縣、懷來臺伸縮儀斜邊方向為NE，張家口臺伸縮儀斜邊方向為NW，順義臺為4個方向的分量應(yīng)變觀測(表1)。如圖2 所示，按照地平坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為觀測方向的直角坐標(biāo)應(yīng)變張量轉(zhuǎn)換公式(郗欽文等，1994)，旋轉(zhuǎn)α方向后的直角坐標(biāo)可表示為

exx=eθθcos2α+eλλsin2α-2eθλsinαcosα

eyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα

2exy=(eλλ-eθθ)sin2α-2eθλcos2α

(1)

其中，α為直角坐標(biāo)系X軸與大地坐標(biāo)系E軸的夾角。

當(dāng)α=135°時，由式(1)可得

2eθλ=2e135-(eθθ+eλλ)

(2)

當(dāng)α=45°時，由式(1)可得

2eθλ=(eθθ+eλλ)-2e45

(3)

圖 2 應(yīng)變張量在不同坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換

式(2)、(3)中，eθθ、eλλ分別對應(yīng)正交的NS、EW向觀測值，e45、e135分別為斜邊NE、NW向觀測值，代入斜邊測值后可計算出剪切應(yīng)變，進一步計算可得出最大主應(yīng)變及其方向(張晶等，2008)。

2.2 計算結(jié)果

采用上述應(yīng)變參數(shù)方法，對京西北地區(qū)所選三方向以上地應(yīng)變觀測測點時值時序數(shù)據(jù)進行計算，得出各個測點最大主應(yīng)變及其方位角時間序列數(shù)據(jù)，繪制時間-參數(shù)序列圖，如圖3～7所示，并提取得出該時期內(nèi)最大主應(yīng)變性質(zhì)與方位的數(shù)據(jù)變化區(qū)間與時期平均值。

由應(yīng)變測點最大主應(yīng)變及其方位角時序曲線可知，全部測點的最大主應(yīng)變曲線均隨時間呈整體升高趨勢，在圖中繪制擬合趨勢線，進一步得出最大主應(yīng)變數(shù)據(jù)隨時間逐步增加的結(jié)果，其中曲線隨時間整體上升表示測點最大主應(yīng)變狀態(tài)在該研究時段內(nèi)整體呈拉張狀態(tài)，多數(shù)測點的應(yīng)變與方位角曲線隨年份出現(xiàn)的變化體現(xiàn)出測點地應(yīng)變具有較好的周期性年變規(guī)律。根據(jù)SSY-Ⅱ型洞體應(yīng)變伸縮儀與YRY- 4型分量鉆孔應(yīng)變儀的儀器特性與觀測曲線變化趨勢的關(guān)系，得出所有測點最大主應(yīng)變在2008～2017年之間均呈整體拉張性質(zhì)，最大主應(yīng)變方位角如表2 所示。

圖 3 2008～2017年易縣臺伸縮儀觀測最大主應(yīng)變及其方位角時間序列曲線

圖 4 2008～2016年順義臺分量式鉆孔應(yīng)變觀測最大主應(yīng)變及其方位角時間序列曲線數(shù)據(jù)庫中順義臺分量式鉆孔應(yīng)變觀測資料記錄截至2016年

圖 5 2008～2017年懷來臺伸縮儀觀測最大主應(yīng)變及其方位角時間序列曲線

圖 6 2008～2017年延慶臺伸縮儀觀測最大主應(yīng)變及其方位角時間序列曲線

圖 7 2008～2017年張家口臺伸縮儀觀測最大主應(yīng)變及其方位角時間序列曲線

表2 京西北地區(qū)選取測點最大主應(yīng)變性質(zhì)及方位角結(jié)果

2.3 與震源機制解一致性對比

將研究區(qū)2008～2017年定點觀測主應(yīng)變方位作為一致性研究對象，與2008～2017年京西北地區(qū)地震中的24次震源機制解(表3)作對比，研究與驗證定點觀測反映區(qū)域應(yīng)變場信息的能力，同時為本研究成果的可靠性提供更多依據(jù)。

雙力偶震源機制解中的P軸代表震源區(qū)最大擠壓變形方向，簡稱最大主壓應(yīng)力軸，T軸代表最大拉張變形方向，簡稱最大主張應(yīng)力軸，力軸的方位從正北向順時針度量。目前已取得的地殼形變研究成果顯示，中國大陸主應(yīng)變方位與震源機制解中主應(yīng)力軸的分布方位基本一致(Zhu et al，2006)，這也是本文討論與研究的前提，結(jié)合研究區(qū)定點地應(yīng)變觀測最大主應(yīng)變性質(zhì)均呈拉張的狀態(tài)，對定點觀測最大主應(yīng)變方位結(jié)果與震源機制解最大拉張變形方向，即T軸結(jié)果作一致性分析。由于定點觀測在水平方向進行應(yīng)變測量，故分析中采用震源機制解T軸在水平方向的投影進行一致性行研究。

圖 8 定點地應(yīng)變觀測最大主應(yīng)變方位與震源機制解最大拉張變形方向(T軸)對比

定點應(yīng)變觀測點最大主應(yīng)變方位與震源機制解T軸結(jié)果的對比如圖8 所示，研究結(jié)果顯示，研究區(qū)在該時期震源機制解最大拉張變形方向(T軸)的水平方向投影以NNW向為主，部分呈NE向，與同位置定點觀測最大主張應(yīng)變方位基本一致。同時，研究區(qū)所在的華北地塊北部地區(qū)的定點地應(yīng)變觀測結(jié)果顯示，自西向東排布的呈拉張性質(zhì)的測點最大主應(yīng)變方位，逐次東向偏移，這一結(jié)果與鄂爾多斯塊體一定程度的逆時針旋轉(zhuǎn)活動產(chǎn)生“齒合效應(yīng)”帶動華北塊體拼接部分發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)的結(jié)果相一致(李延興等，2005)。

3 結(jié)論與討論

(1)對2008～2017年期間定點地應(yīng)變觀測與震源機制解進行了一致性對比，得出京西北地區(qū)定點觀測最大主應(yīng)變方位與震源機制解的最大主張應(yīng)力軸水平方向投影具有良好的對應(yīng)性，二者方位均以NNW—NE向為主，檢驗了研究區(qū)內(nèi)定點地應(yīng)變觀測具備反映區(qū)域應(yīng)變場真實信息的能力。

(2)定點地應(yīng)變觀測結(jié)果顯示自西向東排布的測點最大主應(yīng)變方位具有依次東向偏移的趨勢，這一結(jié)果與鄂爾多斯塊體一定程度的逆時針旋轉(zhuǎn)活動產(chǎn)生“齒合效應(yīng)”，進而帶動華北塊體拼接部分發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)相一致。

(3)定點地應(yīng)變觀測均值與震源機制解方位存在數(shù)值結(jié)果不完全一致的情況，反映了該地區(qū)實際地震斷層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性?？紤]到控制誤差效應(yīng)，本文選用了相對多的地震震源機制解P軸或T軸方向取平均，并進行了一致性對比分析。一般來講，由于地震震源深度遠大于傳統(tǒng)定點地應(yīng)變觀測儀器所處的埋深，兩者受到構(gòu)造因素的影響程度也可能不盡相同，故觀測結(jié)果一致性對比中的個體差異，不能夠單一地歸因于2種觀測手段所體現(xiàn)的研究區(qū)地應(yīng)變性質(zhì)差異。