由2010 年河津MS4.8 級(jí)地震探討臨汾臺(tái)形變異常機(jī)理

楊 靜 荊紅亮 靳寶萍 韓 磊

（1、山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾041000 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，山西 太原030025）

地震的發(fā)生是地下應(yīng)力持續(xù)增長(zhǎng)的結(jié)果，在地震孕育過程中，當(dāng)?shù)叵聭?yīng)力累積到一定程度會(huì)引起地殼介質(zhì)發(fā)生改變，尤其是在地震孕育的短臨階段, 高應(yīng)力集中區(qū)的地殼介質(zhì)已接近失穩(wěn)狀態(tài)，必然會(huì)引起區(qū)域內(nèi)一些前兆觀測(cè)資料在短時(shí)間內(nèi)集中出現(xiàn)準(zhǔn)同步性短期異常變化[1]。臨汾中心地震臺(tái)的形變觀測(cè)項(xiàng)目在2010 年河津MS4.8 級(jí)地震前相繼出現(xiàn)多項(xiàng)異常測(cè)項(xiàng)，本文結(jié)合GPS研究成果從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化狀態(tài)對(duì)臨汾臺(tái)異常測(cè)項(xiàng)的變化機(jī)理進(jìn)行了探討，并分析了其它測(cè)項(xiàng)未出現(xiàn)異常現(xiàn)象的原因。

1 臨汾臺(tái)背景

1.1 臺(tái)站介紹。臨汾中心地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱臨汾臺(tái)）建設(shè)于1953年，是山西省首批建立的地震臺(tái)站之一，目前臨汾臺(tái)包括郭家莊監(jiān)測(cè)中心、龍祠觀測(cè)臺(tái)和侯馬觀測(cè)臺(tái)三個(gè)部分，擔(dān)負(fù)著山西省中南部地震震情監(jiān)測(cè)的重要任務(wù)。郭家莊監(jiān)測(cè)中心位于市中心，是臺(tái)站業(yè)務(wù)及觀測(cè)數(shù)據(jù)處理中心；龍祠觀測(cè)臺(tái)位于臨汾市龍祠村北約1km的山谷中，觀測(cè)項(xiàng)目主要有水平擺、垂直擺、體應(yīng)變、水準(zhǔn)、地電阻率、大地電場(chǎng)、FHD、測(cè)震等三大學(xué)科的7 個(gè)測(cè)項(xiàng)；侯馬觀測(cè)臺(tái)位于侯馬市復(fù)興村南約1km的山溝中，主要觀測(cè)項(xiàng)目有2 項(xiàng)定點(diǎn)形變測(cè)項(xiàng)水管傾斜儀和伸縮儀。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造背景。臨汾臺(tái)地處臨汾盆地，臨汾盆地位于山西斷陷帶的軸部，北面以靈石橫向隆起與太原盆地相隔，南緣以峨嵋臺(tái)地與運(yùn)城盆地為鄰，東為霍山山前斷裂以及浮山斷裂，西為羅云山山前斷裂，受主干斷裂的影響, 盆地內(nèi)小斷層較為發(fā)育，是山西五大盆地內(nèi)次級(jí)構(gòu)造最為復(fù)雜的盆地。龍祠觀測(cè)臺(tái)地處臨汾盆地西緣，位于臨汾凹陷內(nèi)的龍祠沉降中心，主控?cái)嗔褳榱_云山山前斷裂。該斷裂是全新世活動(dòng)斷裂，全長(zhǎng)100 多公里，走向北北東，傾向南東，傾角70°左右，是東盤下降、西盤上升的正斷層，斷距約150 m。羅云山山前斷裂從龍祠地震臺(tái)通過，龍祠觀測(cè)山洞建于較為穩(wěn)定的斷層下盤，基巖為中奧陶系馬家溝組灰?guī)r，上盤為第四系洪積物。觀測(cè)山洞總長(zhǎng)130.7 米，山體大部分植被為草和灌木，覆蓋層厚度約30 m[2]。侯馬觀測(cè)臺(tái)地處臨汾盆地南緣與峨嵋臺(tái)地的交界地帶，屬侯馬凹陷范圍內(nèi)，主控?cái)嗔褳槎脶遗_(tái)地北緣斷裂帶的紫金山山前斷裂，該斷裂走向東西，斷面北傾，傾角60°左右，垂直斷距約150 m。觀測(cè)山洞位于的斷裂南側(cè)的下盤，山洞基巖為太古界石英角閃片麻巖，巖體完整，洞體覆蓋厚度大于80 米，植被茂盛。

2 2010 年河津MS4.8 級(jí)地震

2010 年1 月24 日10 時(shí)36 分，山西省運(yùn)城市河津－萬榮交界地區(qū)發(fā)生Ms4.8 級(jí)地震，震源區(qū)位于運(yùn)城盆地和臨汾盆地之間的峨嵋臺(tái)地隆起區(qū)，距離龍祠觀測(cè)臺(tái)站89km，距離侯馬觀測(cè)臺(tái)站63km（圖1）。由于地震強(qiáng)度較低，未在地表形成破裂帶，經(jīng)地震現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘察以及其它學(xué)者對(duì)該地震進(jìn)行重新定位后推測(cè)震中區(qū)的北北西向的西辛封隱伏斷裂可能為本次地震的發(fā)震構(gòu)造[3-4]。震源機(jī)制結(jié)果顯示本次地震錯(cuò)動(dòng)類型為正斷兼斜滑活動(dòng)，其主壓應(yīng)力軸為ENE 向，主張應(yīng)力軸為近NS，以水平拉張作用為主、擠壓作用為輔[5]。

圖1 2010 年河津MS4.8 級(jí)地震震中分布圖

3 臨汾臺(tái)形變異常測(cè)項(xiàng)

臨汾臺(tái)形變測(cè)項(xiàng)共有龍祠臺(tái)水平擺、垂直擺、體應(yīng)變、短水準(zhǔn)和侯馬臺(tái)水管儀、伸縮儀6 項(xiàng)，在河津地震前龍祠臺(tái)有3 項(xiàng)形變測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)地震前兆短期異常變化，而侯馬臺(tái)2 個(gè)測(cè)項(xiàng)均未表現(xiàn)出異?，F(xiàn)象，各異常測(cè)項(xiàng)特征如下所述。

3.1 短水準(zhǔn)異常。臨汾臺(tái)短水準(zhǔn)測(cè)線建立在龍祠臺(tái)站周邊，主要監(jiān)測(cè)羅云山斷裂兩側(cè)的垂直方向的變化。臨汾臺(tái)短水準(zhǔn)測(cè)線共有3測(cè)段，4 個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，其中兩測(cè)段斜交跨越斷層分別為BM2-BM3和BM4-BM1，另一測(cè)段與斷層近似平行布設(shè)，全線布設(shè)呈“U”字形導(dǎo)線。BM3土層點(diǎn)受周邊環(huán)境干擾較大，因此WN測(cè)段即BM4-BM1測(cè)段更能真實(shí)地反映所監(jiān)測(cè)斷層的變化。如圖2 所示，WN測(cè)段多年變化趨勢(shì)為相對(duì)勻速的上升變化，表明斷裂兩側(cè)的高差持續(xù)增加，斷裂表現(xiàn)為穩(wěn)定的繼承性張性變化，與華北區(qū)域張性應(yīng)力場(chǎng)一致。2010 年1 月2 日高差曲線突然轉(zhuǎn)折，表現(xiàn)為快速下降變化，至河津地震發(fā)震累積下降幅度為1.19mm，顯示出斷裂兩側(cè)的高差快速減小，這說明BM4 土層點(diǎn)所在區(qū)域受到擠壓，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)由拉張狀態(tài)轉(zhuǎn)為擠壓狀態(tài)，短臨異常明顯。該異常與2003 年洪洞4.9 級(jí)地震前兆異常相似，均在趨勢(shì)轉(zhuǎn)折后發(fā)震，震后逐漸恢復(fù)正常背景趨勢(shì)。

3.2 水平擺、垂直擺異常

圖2 臨汾臺(tái)短水準(zhǔn)WN 測(cè)段2000.00-2013.09 高差日均值圖

水平擺和垂直擺均為地傾斜類測(cè)項(xiàng)，主要觀測(cè)地平面與水平面之間的夾角及其隨時(shí)間的變化。繼水準(zhǔn)異常出現(xiàn)后，2010 年1 月10 日臨汾臺(tái)水平擺、垂直擺出現(xiàn)了同步趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折異常（見圖3）。水平擺南北分量由平穩(wěn)變化形態(tài)向北轉(zhuǎn)折快速北傾，東西分量由平穩(wěn)變化形態(tài)向西轉(zhuǎn)折快速西傾，表明水平擺整體向北西方向傾斜；垂直擺南北分量變化形態(tài)與水平擺相反，在原緩慢南傾趨勢(shì)下加速南傾，東西分量變化形態(tài)與水平擺相同，在原東傾趨勢(shì)下轉(zhuǎn)折加速西傾，表明垂直擺向南西方向傾斜，經(jīng)排查后未發(fā)現(xiàn)明顯的干擾因素，認(rèn)為垂直擺與水平擺的轉(zhuǎn)折變化為較可靠的短期異常。通常認(rèn)為傾斜儀轉(zhuǎn)折的方向指向或背向震中的方向，垂直擺發(fā)生轉(zhuǎn)折所指向的南西向與1 月24 日河津地震震中方位一致。

圖3 臨汾臺(tái)水平擺、垂直擺2010 年1 月份分鐘值曲線圖

4 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析

臨汾盆地位于山西斷陷帶的剪破裂段，是全帶應(yīng)力最為集中的地區(qū)，薛宏運(yùn)等利用小震資料提出臨汾盆地平均應(yīng)力場(chǎng)為北西向的水平拉張狀態(tài)，主壓應(yīng)力軸仰角變化很大[6]。劉瑞春等根據(jù)GPS觀測(cè)結(jié)果[7]，發(fā)現(xiàn)1999-2007 年，臨汾盆地及其周緣整體朝SSE 向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率整體均勻。2007-2009 年，受汶川地震龍門山斷裂帶右旋剪切運(yùn)動(dòng)影響，測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的一致性遭到破壞，部分測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)為朝SW向運(yùn)動(dòng)，臨汾盆地西南段從羅云山斷裂南段至峨嵋臺(tái)地北緣斷裂之間的區(qū)域由多年的張性活動(dòng)轉(zhuǎn)為壓性活動(dòng)狀態(tài)，形成了一個(gè)以羅云山斷裂南段為中心的面應(yīng)變壓縮區(qū)，向南一直延伸至峨嵋臺(tái)地北緣斷裂。2009-2011 年，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)再次進(jìn)行調(diào)整，回到了汶川地震之前的拉張背景。寧亞靈等利用InSAR 干涉圖時(shí)間序列法[8]，計(jì)算得到2009 年2 月之前羅云山斷裂與韓城斷裂的交匯處斷裂上盤表現(xiàn)為背景性下降狀態(tài)，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)一致，而2009 年2 月后該區(qū)域轉(zhuǎn)折上升，顯示斷層張性活動(dòng)受到一定的阻滯，逐步轉(zhuǎn)向壓性活動(dòng)，與GPS計(jì)算結(jié)果一致。

5 異常機(jī)理分析

形變異常是地下構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)改變最直接的體現(xiàn)方式，通過構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化來分析形變異常現(xiàn)象能夠更為準(zhǔn)確的驗(yàn)證形變地震前兆異常的可靠性[9]。2010 年河津4.8 級(jí)地震前20 天左右，位于震源區(qū)北東方向的龍祠觀測(cè)臺(tái)短水準(zhǔn)、水平擺、垂直擺先后出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。由GPS構(gòu)建的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化狀態(tài)可以看出，在汶川地震后，從羅云山斷裂南段一直到峨嵋臺(tái)地北緣斷裂區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，由長(zhǎng)期拉張背景狀態(tài)轉(zhuǎn)為擠壓狀態(tài)，當(dāng)擠壓作用積累到一定程度時(shí)，區(qū)域內(nèi)的前兆測(cè)項(xiàng)開始顯示出異?，F(xiàn)象。龍祠臺(tái)短水準(zhǔn)直接觀測(cè)羅云山斷裂兩側(cè)的垂直變化，當(dāng)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)后，短水準(zhǔn)曲線率先出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，體現(xiàn)了斷裂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。水平擺和垂直擺觀測(cè)曲線在東西分量上呈現(xiàn)出同步的西傾變化，這與GPS結(jié)果2009 年后臨汾盆地內(nèi)測(cè)點(diǎn)由原來的SSE 向運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)為SW向一致，體現(xiàn)了盆內(nèi)的測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)向西運(yùn)動(dòng)的一個(gè)狀態(tài)；而水平擺和垂直擺觀測(cè)曲線在南北分量上呈現(xiàn)出相反的北傾和南傾變化，可能是與兩套儀器在山洞內(nèi)所處的位置有關(guān)。河津地震前，距離震源區(qū)更近的東部的侯馬觀測(cè)臺(tái)無明顯異常出現(xiàn)，分析是因?yàn)樵阢氪ǖ卣鸷笈R汾盆地出現(xiàn)的壓縮區(qū)范圍從羅云山斷裂南段向南一直延伸至峨嵋臺(tái)地北緣斷裂，區(qū)域擠壓應(yīng)力受到峨嵋臺(tái)地的阻擋在此聚集，當(dāng)擠壓力積累到一定程度后發(fā)生河津地震，區(qū)域應(yīng)變能量得到釋放。侯馬觀測(cè)山洞位于峨嵋臺(tái)地北緣斷裂的下盤，擠壓應(yīng)力受斷裂阻擋，對(duì)下盤影響較小，因此侯馬臺(tái)測(cè)項(xiàng)未出現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象。

6 結(jié)論

河津地震前，龍祠觀測(cè)臺(tái)的多個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目相繼出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，其中短水準(zhǔn)測(cè)項(xiàng)由多年的趨勢(shì)拉張狀態(tài)轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)，是臨汾盆地區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變的直接體現(xiàn)；水平擺、垂直擺的同步西傾變化與臨汾盆地整體轉(zhuǎn)為西南向運(yùn)動(dòng)有關(guān)。侯馬觀測(cè)臺(tái)的測(cè)項(xiàng)未出現(xiàn)明顯異常變化，應(yīng)該是由于侯馬臺(tái)正好處于擠壓區(qū)域的外圍，受擠壓應(yīng)力的影響較小，因此在河津地震前無明顯異常現(xiàn)象出現(xiàn)。通過分析認(rèn)為，臨汾臺(tái)的觀測(cè)項(xiàng)目有較好的地震監(jiān)測(cè)能力，能夠真實(shí)有效的反映區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造活動(dòng)情況。