利用GPS觀測研究山西斷陷帶現今構造應力場變化與地震活動

劉瑞春 , 張 錦, 郭文峰, 陳 慧, 陳永前

(1. 太原理工大學,山西 太原 030024; 2. 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站, 山西 太原 030021;3. 山西省地震局, 山西 太原 030021)

0 引言

地殼構造應力場是地球動力學研究的核心問題之一[1]。地球表面變形和地殼內部的構造運動及其產生的各種地質災害都與構造應力場的作用密切相關,構造應力場作用之下的現代地殼運動控制著地震的孕育、發(fā)展過程和發(fā)震力學機制[2]。因此,要了解地震的孕育、發(fā)生過程,最根本的途徑是研究構造應力場的分布和演化規(guī)律[3]。由于地震多發(fā)生在地殼10～15 km范圍內,故研究地殼深部應力場狀態(tài)及其變化,是地震預測預報研究的關鍵[4]。受自然條件和技術手段制約,目前對地殼深部應力場及其變化還難以進行直接測量,傳統(tǒng)的地應力測試方法獲取深部(>3 000 m)地應力信息非常困難,且成本較高,難以大規(guī)模開展。

眾多學者利用地質學和地震學等不同領域資料和方法對構造應力場進行研究,給出構造應力方向、地殼張壓狀態(tài)等參數。通過測量區(qū)域活動斷層擦痕可以確定斷層滑動矢量,從而反演構造應力張量[5],但構造應力場演變所導致的多期擦痕數據處理是該方法所面臨的普遍性難題[6]。不同深度震源的地震波包含了巖石圈應力狀態(tài)的信息,通過地震震源機制解、視應力可以了解震源斷層的力學性質以及單位位錯輻射地震波的能量[7-8]。利用多個地震的震源機制解可以反演地震分布區(qū)域的構造應力場[9-10],或通過計算地震視應力的大小以間接估計區(qū)域應力水平的下限[11-12]。然而,基于地震學方法的構造應力場研究使用地震波形資料,在多震地區(qū)效果較好,對于少震弱震地區(qū)難以發(fā)揮作用。隨著空間大地測量技術尤其是GPS技術的不斷進步,基于大地測量的構造應力場研究彌補了其他方法的不足,成為定量研究構造應力場的重要手段[13]。

山西斷陷帶是鄂爾多斯地塊和華北平原地塊兩個二級活動塊體邊界帶,由新生代形成的一系列斷陷盆地及其間的橫向隆起組成?；顒拥貕K邊界帶由于差異運動強烈使構造變形非連續(xù)性最強,最有利于應力的高度積累而孕育強震[14]。本文基于山西斷陷帶1999—2007年的GPS位移速率,反演地殼深部最大主應力和剪應力變化分布,分析應力場變化空間分布與區(qū)域中強地震活動之間的關系,探索山西斷陷帶基于地殼應力狀態(tài)變化的地震預測技術途徑。

1 理論與方法

1.1 應力場計算方法

在知道應力應變本構關系的前提下,假設地殼為完全各向同性和線彈性,在不考慮深度的情況下,通過GPS地面觀測得到的位移或基線長度等純幾何關系得出的視應變可以間接推測地殼應力場的變化。這類研究方法原理簡單,但其假設難以成立,因為地殼既不均勻也不各向同性,甚至不是完全彈性的,在較長時間尺度上,塑性和脆性變形時有發(fā)生[15]。將應力場變量表示成觀測值的函數,通過各種智能優(yōu)化算法對應力場變量進行反演計算[16]。該類方法不需要建立復雜的物理模型,但計算量大,物理意義不明確。通過物理模型建立地面形變觀測值與地球內部應力場變量之間的關系[17],該類方法具有較為明確的物理意義,但需要綜合多學科資料,模型建立相對復雜,成果時效性不高。隨著空間大地測量資料時空分辨率的提高,迫切需要一種能夠基于地面位移觀測資料實現快速精確估算地殼應力場的數學工具。

近年來,部分學者提出了基于地面位移觀測資料反演應力場分布的方法,可在不完全了解介質本構關系的情況下,建立地面位移場與地球內應力場變化的關系[18]。

(1)

以位移場為邊界條件,建立邊界元素之間的線性代數方程組,即將研究區(qū)域的邊界面分成N個單元,這樣在整個邊界上的積分可以近視地等于N個邊界單元的積分之和[19]。在位移變化已知的情況下,計算出P點在坐標軸方向上的應力變化,再由坐標軸方向的應力變化計算最大主應力和最大剪應力變化。該方法將地面位移(場)和地球內部應力(源)通過兩點間的積分核函數相聯(lián)系,場源之間的距離越遠,兩者之間的相互影響越小。此外,地面位移場與地球內部應力場之間的關系還與介質的物理性質有關。

1.2 數據選取與處理

基于1999、2002、2004和2007年的4期“中國地殼運動觀測網絡”觀測資料。首先利用GAMIT軟件獲得GPS測站坐標、衛(wèi)星軌道及臺站對流層天頂延遲等參數及其方差-協(xié)方差矩陣的單日松弛解,解算時采用SOPAC數據中心提供的精密星歷文件,并將中國大陸及周邊的IGS站觀測數據加入區(qū)域網的數據處理中。其次,利用GLOBK軟件進行多時段綜合解算,獲得網平差結果。將區(qū)域站單日松弛解和全球多個IGS站單日松弛解捆綁在一起,并選取全球均勻分布的90多個穩(wěn)定站(GAMIT/GLOBK軟件提供)為基準點,將區(qū)域站速度場固定到ITRF2008框架下[20]。在獲得的數據中,剔除由于點位不穩(wěn)或其它不明原因造成的速度奇異值、運動方向與周邊觀測點整體運動方向不協(xié)調或是運動量相比周邊點位偏大若干倍的值[21]。最后,扣除了區(qū)域自身的平移與旋轉分量,獲取區(qū)域無整體旋轉運動的水平運動速率場[22]。

圖1為基于1999—2007年4期觀測值得出的山西斷陷帶GPS測點位移年變化率,箭頭長度表示速率大小,箭頭指向為運動方向。從山西斷陷帶近十年(1999—2007)的GPS站點速率變化看,在扣除整體旋轉運動后,山西斷陷帶整體朝南運動,平均運動速率約為2 mm/a。不同構造區(qū)域地殼運動差異顯著,一是以太原盆地為界,斷陷帶南段和北段地殼運動方向不相同,表現為大同、忻定盆地及其以北區(qū)域地殼整體向SSW方向運動,從太原盆地開始運動方向逐漸向東偏轉,到臨汾、運城盆地及其以南地區(qū)地殼運動已轉為SSE方向。太原盆地為地殼運動方向轉換的過渡地帶,站點運動方向一致性較差;二是以斷陷帶為界,東部太行山和西部呂梁山的地殼運動速率大小存在差異,東部太行山區(qū)大部分測點運動速率大于或等于2 mm/a,而西部呂梁山區(qū)的測點運動速率均小于2 mm/a。

圖1 山西斷陷帶GPS位移速率及主要斷裂 分布(1999—2007年)Fig.1 Distribution of GPS velocity rates and main faults along the Shanxi rift zone (1999—2007)

從萬年尺度的地質研究結果來,山西斷陷帶是一個右旋剪切拉張帶,表現為NNE—SSW向擠壓、NNW—SSE向拉張。太原盆地位于忻定、臨汾南北兩個剪切單元相鄰部位,介質較為破碎,易于釋放能量,中小地震活動頻繁[23]。從十年尺度的GPS大地測量結果來看,仍符合這種特征,斷陷帶兩側地殼運動速率表現為東大西小,表明斷陷帶仍在右旋剪切。斷陷帶南部地殼SEE向運動而北部地殼SSW向運動,表明斷陷帶仍維持NNE-SSW向擠壓、NNW-SSE向拉張的構造格局。太原盆地為地殼運動方向變化的過渡地帶,站點運動方向一致性較差,與區(qū)域地殼介質整體性差相符。地質研究結果和大地測量觀測結果的互洽也說明高精度GPS觀測可以用于山西斷陷帶地殼運動的監(jiān)測和進一步深入研究。

2 計算過程及結果

將圖1中所示研究區(qū)域的113個GPS觀測點為節(jié)點劃分成208個三角形單元(圖2),然后將公式(1)的積分方程變成數值積分形式,計算出地殼深處點位在坐標軸方向上的應力變化,再由坐標軸方向的應力變化計算最大主應力和最大剪應力變化。在應力計算的過程中,考慮到不同介質對應力的傳遞作用不同,參考已有研究成果,取彈性模量E=7.5×104MPa、泊松比v=0.3[24]。

圖2 計算單元劃分Fig.2 Mesh of computed elements

山西斷陷帶已有地震精定位研究結果表明,多震層震源深度接近于正態(tài)分布,96%的地震分布在20 km以上,優(yōu)勢分布為10 km[25]。本研究參照地震精定位研究結果,反演地殼10 km深處的應力場用于后續(xù)分析。圖3和圖4分別為反演獲得的1999—2007年山西斷陷帶地殼10 km深處最大主應力和最大剪應力分布圖像。為了進一步分析區(qū)域構造應力場與地震活動的關系,我們將近年來的中強地震和研究時段內所發(fā)生地震的震源機制解同時標注在圖上。

圖3 山西地區(qū)深部最大主應力分布Fig.3 Distribution of the maximum principal stress in deep Shanxi area

圖4 山西地區(qū)深部最大剪應力分布Fig.4 Distribution of the maximum shear stress in deep Shanxi area

3 構造應力場變化分析與討論

3.1 構造應力場變化與區(qū)域地震地質構造

區(qū)域構造應力場的變化受長期構造應力加載和強震兩方面因素的影響[26-27]。在強震活動相對平靜的時段內,長期構造應力加載在區(qū)域構造應力場變化中起決定作用。地質研究結果表明,山西斷陷帶是由一條NNE向的大型剪切帶發(fā)生順時針水平錯動而形成,從力學機制來看,大同、太原和運城盆地是地塹系的拉張擴展部位,忻定盆地和臨汾盆地是地塹內的剪切段,山西斷陷帶有歷史記錄以來的5次7級以上地震和1次8級地震均發(fā)生在這兩個區(qū)域,是易于積累應變能的區(qū)域[23,28]。從本次研究給出的構造應力變化空間分布圖來看,變化較為顯著的區(qū)域分布在忻定盆地、臨汾盆地及其臨近的橫向隆起區(qū),與易于積累應變能的剪切地質構造單元基本重合,這表明通過現今高精度GPS觀測能夠獲得山西斷陷帶較為可靠的現今構造應力場變化,同時也說明,在長期構造應力加載作用下,山西斷陷帶應力場變化空間分布與區(qū)域地震地質構造特征密切相關。

3.2 構造應力場變化與區(qū)域地震活動

構造應力場變化控制地震的孕育和發(fā)生,應力的不斷聚集,使已有斷裂突然失穩(wěn),從而發(fā)生地震。1970年有現代地震臺網記錄以來,山西斷陷帶共發(fā)生M≥4.0地震45次,年均0.9次(圖5)。在本文研究所涉及的8年觀測時段內,山西斷陷帶發(fā)生了6次M≥4.0地震,頻次與背景平均活動水平接近,但空間分布很不均勻,有3次發(fā)生在大同盆地、2次發(fā)生在臨汾盆地、1次發(fā)生在太原盆地北段,這三個區(qū)域均為研究時段內GPS應力場變化相對較大的區(qū)域,主要表現為壓性或右旋剪切應力的增強,說明現今應力場變化強烈且與構造背景應力場一致的區(qū)域,地震活動水平也相對較高。

(方框為忻定盆地原平段至石嶺關隆起區(qū))圖5 山西斷陷帶1970年以來M≥4.0地震空間分布Fig.5 Spatial distribution of M≥4.0 earthquakes in Shanxi rift zone since 1970

構造應力場變化除了受區(qū)域地質構造活動的控制外,還受到構造相關區(qū)強震活動的影響。一次強震的發(fā)生往往會引起構造相關區(qū)應力場的變化,從而改變區(qū)域地震活動狀態(tài)[29-30]。鄂爾多斯塊體西南緣與青藏高原東北邊緣相連,汶川地震發(fā)生時,龍門山斷裂帶的右旋剪切運動使鄂爾多斯塊體逆時針旋轉增強,鄂爾多斯塊體周緣斷裂系應力狀態(tài)發(fā)生改變。2003年洪洞M4.6地震后,山西斷陷帶M≥4.0地震持續(xù)平靜超過5年,為1970年有地震臺網以來的最長平靜時間,2008年汶川8.0級地震發(fā)生時山西地區(qū)震感強烈,根據強震臺記錄所得到的烈度為Ⅳ～Ⅴ度[31],在地震發(fā)生后的兩年內,山西斷陷帶密集發(fā)生4次M≥4.0地震,遠超有現代臺網記錄以來的背景活動水平,這種活動狀態(tài)可能與汶川地震對區(qū)域應力場的影響有關[30]。

從山西斷陷帶1970年有現代地震臺網記錄以來的M≥4.0地震空間分布來看,忻定盆地原平段至石嶺關隆起共發(fā)生4次M≥4.0地震(圖5),其中汶川8.0級地震后的十年內發(fā)生3次,為有現代地震臺網記錄以來最為突出的現象(圖6),大同、太原、臨汾和運城盆地各發(fā)生1次4級以上地震,與區(qū)域背景地震活動水平相當。圖3的GPS構造應力場計算結果顯示,忻定盆地至太原盆地北段應力變化顯著,張性(正值)和右旋剪切(負值)應力增強明顯。張性應力增加使區(qū)域斷層面之間的摩擦應力減小,使斷層面在剪應力增加的情況下更易于發(fā)生剪切滑動,汶川地震作用于鄂爾多斯塊體使該區(qū)域的右旋剪切進一步增強,這可能是近十年忻定盆地原平段至石嶺關隆起中等地震活躍的原因。

圖6 忻定盆地原平段至石嶺關隆起區(qū)M≥4.0 地震M-t圖Fig.6 M-t map of M≥4.0 earthquakes from Yuanping section in Xinding basin to Shilingguan uplift

地震孕育和發(fā)生受控于區(qū)域構造應力場,通過地震震源機制解也可以了解區(qū)域構造應力場特征。分析基于GPS獲得的構造應力場變化與區(qū)域中強地震震源機制解的關系,可以進一步分析GPS構造應力場變化的可靠程度,深化中強地震與區(qū)域構造應力場變化關系的認識。在GPS觀測時段內,山西斷陷帶共發(fā)生M≥4.0地震5次,最大為1999年11月1日大同—陽高M5.6地震。分析這幾次地震的震源機制解可以發(fā)現,發(fā)生于不同構造位置的地震震源機制各不相同,斷陷帶北部的大同—陽高M5.6、應縣M4.1和太原M4.7地震均為走滑型,而發(fā)生在臨汾盆地北部的洪洞M4.9和臨汾M4.1地震均具有較強的逆沖分量。這與研究時段內GPS構造應力場變化主要表現為斷陷帶北部右旋剪切應力和臨汾盆地北部壓性應力顯著增強的特征非常一致。這說明基于山西斷陷帶十年尺度的高精度GPS地殼運動速率可以反演出較為可靠的構造應力場變化,同時也說明區(qū)域地震活動受構造應力場控制,其震源機制與區(qū)域構造應力場變化密切相關。

3.3 構造應力場變化與區(qū)域地震危險性

區(qū)域地震危險性受區(qū)域背景應力水平和各種因素引起的附加應力場變化影響。其中,區(qū)域背景應力水平是決定因素,附加應力場變化是誘發(fā)因素。當區(qū)域構造應力達到較高水平,此時斷裂已經處于強閉鎖狀態(tài),其附加應力場變化雖小,但中強以上地震發(fā)生的危險性可能更高。從計算結果也可以看到,中強地震并不都發(fā)生在構造應力場變化顯著的區(qū)域,尤其是2010年河津4.8級地震,GPS計算得到的震中附近區(qū)域構造應力場變化接近于零,而與區(qū)域絕對應力水平相關的深鉆孔應力測量和地震視應力研究結果表明,山西斷陷帶的運城盆地最大主應力已達到逆斷層活動的臨界值,山西南部的河津M4.8地震余震視應力水平、最大余震震級也明顯高于山西北部的陽曲和大同M4.6地震[32-33]。從這個角度來看,我們更應該關注山西南部尤其是運城盆地的強震危險性。

4 結論

本文采用山西斷陷帶1999—2007年的GPS地殼運動速率數據反演了地殼深部10 km的應力場變化,結合區(qū)域地震地質構造、地震活動以及地震危險性進行分析,得出了如下結論:

(1) 山西斷陷帶GPS地殼運動速率、構造應力場變化與區(qū)域地震地質構造特征、中強地震震源機制解一致,表明高精度GPS監(jiān)測及數據處理結果可靠,可以用于山西斷陷帶地殼動力學與地震活動的研究。

(2) 山西斷陷帶中強地震活動受區(qū)域構造應力場的控制,現今應力場變化強烈的區(qū)域,地震活動水平相對較高,地震震源機制與構造應力場變化特征一致性較強。

(3) 山西斷陷帶構造應力場變化和中強地震活動受區(qū)域地震地質構造和構造相關區(qū)強震活動的雙重影響。區(qū)域地質構造活動和汶川8.0級地震的影響使忻定盆地原平段至石嶺關隆起區(qū)張性剪切應力增強,斷層面摩擦應力減小,更易于發(fā)生滑動,這可能是該區(qū)域在汶川地震后密集發(fā)生3次M≥4.0地震的原因。

(4) 區(qū)域背景應力水平是區(qū)域地震危險性的決定因素,深鉆孔應力測量和地震視應力研究結果均表明山西南部尤其是運城盆地具有較高的背景應力水平,應進一步關注該區(qū)域的地震危險性。