晉陜豫交界地殼應(yīng)力場特征分析

閆 睿,萬永革,崔華偉,王明亮,高家乙,付 靖

(1.河南省地震局,河南 鄭州 450000;2.防災(zāi)科技學(xué)院,河北 三河 065201;3.河北省地震動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 三河 065201;4.山東省地震局,山東 濟(jì)南 250000;5.河南衛(wèi)生健康干部學(xué)院,河南 鄭州 450008)

0 引言

晉陜豫交界(34°～37°N,110°～113°E)南鄰秦嶺褶皺山系北麓,北接鄂爾多斯地塊東南緣,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地形多變,包括多個斷陷盆地和隆起,1303年山西洪洞趙城和1556年陜西華縣分別發(fā)生了8.0級大震,1695年山西臨汾發(fā)生了7級大震,交界區(qū)是歷史上強(qiáng)震的多發(fā)部位。而該區(qū)域因其特殊構(gòu)造背景備受學(xué)者關(guān)注(圖1)。許多學(xué)者基于地震資料[1-5]、地質(zhì)資料[6-9]等對研究區(qū)做了大量工作,取得了一系列成果。這些資料也為該區(qū)域復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)及地球動力學(xué)特征研究提供了重要依據(jù)。

F1:什林?jǐn)嗔?F2:上下團(tuán)柏斷裂;F3:萬安斷裂;F4:羅云山山前斷裂;F5:蘇堡斷裂;F6:霍山山前斷裂;F7:浮山斷裂;F8:峨眉臺地北緣斷裂;F9:臨猗斷裂;F10:中條山北麓斷裂;F11:華山山前斷裂;F12:晉城—長治斷裂;F13:封門口—五指嶺斷裂;F14:新安—郟縣斷裂;F15:盤古寺—新鄉(xiāng)斷裂;F16:洛河斷裂圖1 斷層分布圖Fig.1 The distribution of active faults

應(yīng)力場作為震源錯動和構(gòu)造運(yùn)動的直接來源,是地球動力學(xué)研究中的一個主要問題。了解塊體交界區(qū)現(xiàn)今地殼應(yīng)力場的分布形態(tài)對該地區(qū)淺部塊體之間的動力學(xué)成因、地震危險性分析具有十分重要的科學(xué)意義。不少學(xué)者對有關(guān)該地區(qū)的應(yīng)力場研究做了大量工作[4-5,10-17]。其中大多數(shù)學(xué)者利用地震資料求解該區(qū)域的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場[4-5,11-13];少數(shù)學(xué)者利用實(shí)測應(yīng)力值的方式求解應(yīng)力場信息[18-20];還有些學(xué)者收集區(qū)域斷層滑動資料反演應(yīng)力場[21-22]。有關(guān)晉陜豫交界地殼應(yīng)力場的研究,結(jié)果均顯示該區(qū)域應(yīng)力場的復(fù)雜性:總體上為NE-NEE向的主壓應(yīng)力和NW-NNW向的主張應(yīng)力,這種應(yīng)力場格局與研究區(qū)同時受印度板塊和太平洋板塊擠壓并以前者為主有關(guān)[7,13,17],同時交界的局部區(qū)域也含有獨(dú)特的應(yīng)力場信息[3,5,22]。這些研究因其區(qū)域較大,反演工作較為繁瑣,使給出的應(yīng)力場結(jié)果不夠精細(xì),缺少相關(guān)解釋。本文收集研究區(qū)大量中小震的P波初動資料,求解晉陜豫交界精細(xì)應(yīng)力場信息,以分析研究區(qū)現(xiàn)今上地殼應(yīng)力狀態(tài)。

1 綜合震源機(jī)制解法

近年來大多數(shù)學(xué)者主要基于震源機(jī)制解數(shù)據(jù)反演應(yīng)力場,而求取單個地震的震源機(jī)制解需要足夠好的臺站包裹性和足夠多的地震數(shù)據(jù)。在實(shí)際觀測中,大量較小地震因數(shù)據(jù)限制不能反演出震源機(jī)制解。為避免丟失豐富的小震資料,Aki[23]提出用P波初動符號推斷應(yīng)力場的方向,其后國內(nèi)學(xué)者[24-26]對其方法進(jìn)行完善和改進(jìn)。萬永革等[26]改進(jìn)的方法對網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)的P波初動增加了權(quán)重,使結(jié)果更加準(zhǔn)確。該方法在國內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用[3-4,27-28]。

綜合震源機(jī)制解法求解應(yīng)力場主要分以下幾步:(1)根據(jù)地震位置計(jì)算到觀測臺站P波射線的方位角和離源角;(2)通過計(jì)算得到的方位角和離源角,將P波初動符號投影到震源球上;(3)尋找合適震源機(jī)制的兩個節(jié)面,使觀測P波初動符號與震源機(jī)制模型所預(yù)測的P波初動符號相差最小,即矛盾比(考慮權(quán)重后不符合綜合震源機(jī)制解模型的P波初動數(shù)與總P波初動數(shù)之比,見下節(jié))最小[26]。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

本文研究的區(qū)域范圍為34°～37°N,110°～113°E。觀測數(shù)據(jù)來自“十五”建成的河南數(shù)字地震臺網(wǎng)及鄰省接入的共享臺站,且臺站較均勻地分布于研究區(qū)內(nèi)。共收集區(qū)域內(nèi)2008年1月到2018年12月晉陜豫交界3 036個地震的20 395個P波初動資料,其中ML2.0以下地震記錄2 423次,2.0≤ML≤2.9地震記錄550次,3.0≤ML≤3.9地震記錄56次,ML4.0以上地震記錄7次。經(jīng)統(tǒng)計(jì)ML3.0以下地震占到地震總數(shù)的98%以上,而這些地震多分布于上中地殼。為了充分利用這些觀測資料,本文將晉陜豫交界劃分為0.15°×0.15°的網(wǎng)格(圖2)。

圖2 震中及震源深度分布圖Fig.2 Distribution map of epicenters and focal depths

使用P波初動求解網(wǎng)格處的應(yīng)力場時,需要注意每個地震距網(wǎng)格點(diǎn)的距離不同,對網(wǎng)格點(diǎn)上的貢獻(xiàn)也不相同,因此根據(jù)距網(wǎng)格點(diǎn)的距離本文給予不同地震P波初動不同的權(quán)重。每個地震的P波初動權(quán)重為w,按式(1)計(jì)算。

w=e-r2/D2

(1)

式中:D為距離衰減常數(shù);r為折合距離,按式(2)計(jì)算。

(2)

式中:Φ、θ、z分別為地震的經(jīng)度、緯度和深度;Φ0、θ0、z0為網(wǎng)格處的經(jīng)度、緯度和深度。距離衰減常數(shù)D的選取直接影響P波初動符號的權(quán)重,因此計(jì)算應(yīng)力場時對網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交?并且借助附近網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)對資料較少的網(wǎng)格點(diǎn)施加約束。參考前人研究成果[3-4,26-28],本文將D取為30 km,為保證反演質(zhì)量選取65 km范圍內(nèi)的P波初動數(shù)據(jù)[3]。

反演結(jié)果中每個網(wǎng)格點(diǎn)得到最小矛盾比所對應(yīng)的綜合震源機(jī)制解是求得的最優(yōu)解[26]。為討論網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)P波初動數(shù)對矛盾比穩(wěn)定性的影響,本文分別采取P波初動數(shù)為60、80、100、120、140作為輸入數(shù)據(jù)的下限(圖3),對每個網(wǎng)格點(diǎn)的應(yīng)力場進(jìn)行反演,發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)P波數(shù)≥100時,網(wǎng)格點(diǎn)的矛盾比基本處于穩(wěn)定狀態(tài)(即P波數(shù)≥100時各網(wǎng)格點(diǎn)的結(jié)果基本一致),能夠保證應(yīng)力場的反演質(zhì)量。因此設(shè)置每個網(wǎng)格點(diǎn)至少有100個P波初動數(shù)參與反演。

圖3 網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)不同P波初動數(shù)對矛盾比的影響Fig.3 The influence of different number of P-wave initial motion on contradiction ratio in grid

本研究中選取王曉山[4]反演運(yùn)城地區(qū)最優(yōu)一維速度模型作為計(jì)算P波射線離源角的速度模型?；谏鲜鲑Y料和方法,獲得每個網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)的最優(yōu)綜合震源機(jī)制解,將綜合震源機(jī)制解的P、T軸方位角和權(quán)重、P波初動數(shù)展示在圖4中,將P、T軸方位角及傾伏角大小展示在圖5中。

圖4 P軸方位與矛盾比及T軸方位與P波初動數(shù)分布圖Fig.4 P-axis azimuth and contradiction ratio,and T-axis azimuth and P-wave initial motion distribution

從圖4可以看出P軸的方位角整體由南向北、由西向東以近EW向轉(zhuǎn)為NE再轉(zhuǎn)至NEE向的應(yīng)力狀態(tài),而T軸的方位角大多呈現(xiàn)出NNW和近NS向的應(yīng)力信息。圖4中方位角箭頭的長短表示其傾伏角的大小,箭頭越長表示應(yīng)力主軸的傾伏角越緩,反之則表明其傾伏角越陡。為了更直觀地表示出方位角和傾伏角的關(guān)系,本文給出了P、T軸隨傾伏角的分布狀態(tài)(圖5)?？梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)T軸的高傾伏角狀態(tài)主要集中在渭河盆地的華山山前斷裂以南、三門峽及長治以北地區(qū)。而P軸大面積出現(xiàn)高傾伏角狀態(tài),且傾伏角變化較為強(qiáng)烈的地區(qū)主要有羅云山山前斷裂以西、靈寶至運(yùn)城及晉城。參照世界應(yīng)力圖[29]的劃分表(表1),給出了綜合震源機(jī)制解的分布情況(圖6),按照結(jié)果類型將晉陜豫交界分為A、B、C、D四個區(qū)域并分析其應(yīng)力場特征。

圖 5 P、T軸方位及傾伏角分布圖Fig.5 Azimuth of P-axis and T-axis and the inclination angle distribution

表1 震源機(jī)制解分類依據(jù)表Table 1 Classification basis of focal mechanism solutions

2.1 A區(qū):華山山前斷裂周邊應(yīng)力場結(jié)果分析

華山山前斷裂處于渭河斷陷盆地南界的東段。研究區(qū)內(nèi)在華縣以東呈EW走向,經(jīng)潼關(guān)向東可繼續(xù)延至靈寶附近,與NE向的三門峽—靈寶斷裂相交。該斷裂傾向NW,傾角60°～70°,為正斷層。從綜合震源機(jī)制解分布圖(圖6)可以看出,該地區(qū)以逆沖型節(jié)面解為主,T軸傾伏角較大,P軸傾伏角較小。A區(qū)整體受到近EW向擠壓和垂直向拉張的平均應(yīng)力場作用。胡亞軒等[31]在討論渭河盆地現(xiàn)今三維地殼運(yùn)動及斷裂活動性中發(fā)現(xiàn)關(guān)中地區(qū)曾短暫表現(xiàn)為強(qiáng)烈的逆繼承性垂直差異運(yùn)動,證明華山山前斷裂周邊存在擠壓應(yīng)力場作用。其研究結(jié)果與本文結(jié)果一致。

2.2 B區(qū):羅云山山前斷裂周邊應(yīng)力場結(jié)果分析

羅云山山前斷裂帶沿臨汾盆地西緣延伸,為臨汾盆地西邊界的主控斷層,是一條以正斷為主兼具右旋走滑分量的復(fù)雜且具有多期活動特性的斷裂帶,全長約145 km。斷裂帶整體走向NNE,傾向SEE,南部發(fā)生弧形轉(zhuǎn)折為NWW向,北段發(fā)散為數(shù)條,走向逐漸轉(zhuǎn)為NE[32]。上新世以來兩側(cè)垂直差異升降運(yùn)動總幅度可達(dá)3 000 m以上。從圖6可以看到B區(qū)應(yīng)力場主要以拉張型應(yīng)力體系為主,與前人結(jié)果一致[3,13,25,30]。其中P軸傾伏角普遍較高,從西向東再至臨汾斷陷盆地內(nèi)側(cè)具有陡-緩-陡的趨勢,B區(qū)中南段部分高傾伏角狀態(tài)會有微小的方向轉(zhuǎn)變,這種高傾伏角方向的改變會使正斷層的上下盤發(fā)生改變。李自紅[33]在討論臨汾盆地地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)和孕震構(gòu)造時解釋,羅云山山前斷裂南段自范家莊起走向發(fā)生很大偏轉(zhuǎn),而這種高傾伏角走向的偏轉(zhuǎn)也是極易產(chǎn)生不同傾向的正斷層。在這種情況下正應(yīng)力在走向接近270°的高傾角斷層也逐漸增大,呈現(xiàn)拉張[34]。上述結(jié)果表明B區(qū)域上地殼現(xiàn)今應(yīng)力場主要呈現(xiàn)拉張作用。

圖6 綜合震源機(jī)制解分布圖Fig.6 The distribution of composite focal mechanism

2.3 C區(qū):蘇堡斷裂以北周邊應(yīng)力場結(jié)果分析

C區(qū)域?qū)儆谂R汾斷陷盆地北部,主要分布著什林、上下團(tuán)柏、萬安、蘇堡等活動斷裂。其中什林?jǐn)嗔咽桥R汾盆地邊界斷裂,走向近EW,東段傾向N,西段傾向S。該斷裂走向運(yùn)動大于垂直錯動量,且可能作右旋走滑運(yùn)動。從圖4～圖6中看到C區(qū)主要為NE向的主壓應(yīng)力軸和NW向的主張應(yīng)力軸控制,且傾伏角較緩,其中臨汾北部斷陷盆地內(nèi)相對周圍一圈矛盾比較小,表明反演的局部區(qū)域現(xiàn)今上地殼應(yīng)力方向與P波初動資料較吻合。地震和電法勘探結(jié)果也表明[33],蘇堡斷裂由3條北盤下降的正斷層組成,中間的一條為主斷層。

2.4 D區(qū):山西斷陷盆地東界至豫西差異隆起區(qū)應(yīng)力場結(jié)果分析

D區(qū)域?qū)儆谘芯繀^(qū)內(nèi)應(yīng)力形態(tài)最復(fù)雜的地區(qū),由西北向東南依次包括臨汾、運(yùn)城盆地東界、太行山隆起東南緣、豫西差異隆起等地區(qū)。從圖4和圖5中可以看出,壓應(yīng)力軸向東整體由NE向轉(zhuǎn)至NEE向,且傾伏角較大,局部地區(qū)出現(xiàn)近垂直傾伏角;而張應(yīng)力軸由西北向東南整體為NW向轉(zhuǎn)至NS向展布,傾伏角較緩。其中臨汾盆地東界至太行山隆起東南緣,即霍山山前斷裂帶附近地區(qū)和封門口—五指嶺斷裂帶的西南部地區(qū)出現(xiàn)了由走滑應(yīng)力體系向拉張應(yīng)力體系的過渡。其中霍山山前斷裂為臨汾盆地的主控斷裂,是一條右旋走滑兼具一定傾滑分量的新生代以來長期活動的斷裂,其右旋走滑活動量遠(yuǎn)較傾滑量大[35-36]。李爽[37]發(fā)現(xiàn)沿著太行山的南緣發(fā)育了一組正斷裂構(gòu)造,斷裂的走向從西面開始,向東延續(xù),并且方向逐漸轉(zhuǎn)化為NE、NNE向,大部分的斷裂向南傾斜。莘海亮等[5]利用太行山斷裂帶東南緣地區(qū)的地震數(shù)據(jù)獲得了68個中小地震的震源機(jī)制解,結(jié)果顯示走滑類型占總數(shù)的57%,還分別有正斷和逆斷的存在,文獻(xiàn)[5,37]認(rèn)為該區(qū)除了受整體的構(gòu)造應(yīng)力場控制之外,還可能受到局部構(gòu)造的影響,上述現(xiàn)象與本研究得到的應(yīng)力場結(jié)果基本一致。

本文發(fā)現(xiàn)在D區(qū)夾于封門口—五指嶺斷裂帶和新安—郟縣斷裂帶的部位拉張型和走滑型應(yīng)力體系相互交錯。封門口—五指嶺斷裂帶為總體走向NW的深部斷裂,以黃河為界分為北西段和南東段,該斷裂第四紀(jì)活動明顯。據(jù)前人地質(zhì)調(diào)查顯示[38],斷裂北西段發(fā)育著多條NEE向的左旋走滑斷裂,并被NW向陡傾正斷層所切割。這也印證了該區(qū)域走滑和拉張應(yīng)力體系相互交錯的現(xiàn)象。該區(qū)域內(nèi)夾于封門口—五指嶺斷裂帶和新安—郟縣斷裂帶的地區(qū)出現(xiàn)了矛盾比最高值,表明其局部地殼應(yīng)力場控制的復(fù)雜性。上述兩個地區(qū)表明山西斷陷帶為典型的剪切拉張性盆地[39-40]。

運(yùn)城至三門峽再到洛陽地區(qū)的應(yīng)力體系分別為走滑-拉張-擠壓的模式。壓應(yīng)力軸在該區(qū)域由NE向逐漸轉(zhuǎn)至NEE向,傾伏角先增大后減小,在崤山地區(qū)傾伏角達(dá)到最大,到洛陽凹陷傾伏角又減至最小。崤山地區(qū)屬于豫西差異隆起最強(qiáng)烈的地區(qū),海拔500～2 000 m。從圖4～圖5中發(fā)現(xiàn)該區(qū)出現(xiàn)了壓應(yīng)力軸高傾伏角方位的突變,這種高傾伏角方位的突變極易使斷層的上下盤發(fā)生改變。運(yùn)城盆地主要由侯馬凹陷、運(yùn)城凹陷和峨嵋臺地組成,盆地內(nèi)主要活動斷裂呈NEE向,這些斷裂主要以走滑和正斷為主,也間接說明應(yīng)力場由走滑向拉張應(yīng)力體系的過渡。再往東南方向?yàn)槿T峽—魯山—舞陽斷裂帶的西北段。三門峽—魯山—舞陽斷裂帶是一條傾向S或SW、上陡下緩、間歇活動并切入地殼深部的大斷裂,不同時期以不同的方式活動決定了斷裂兩側(cè)地質(zhì)發(fā)展歷史的差異。宜陽地區(qū)的石門沖逆沖斷裂古生界沖斷于上三疊統(tǒng)之上,魯山青草嶺韓梁煤田汝陽群逆沖推覆在下震旦統(tǒng)之上,而石炭—二疊系又推覆在二疊統(tǒng)山西組煤系之上,該斷裂下部存在逆沖現(xiàn)象而上部則表現(xiàn)為正斷層,這種斷裂負(fù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象說明了前后構(gòu)造應(yīng)力場的轉(zhuǎn)變[38,41]。因此推測洛陽凹陷早期擠壓應(yīng)力體系的活化造成現(xiàn)今應(yīng)力場逆沖型綜合震源機(jī)制解的存在。

3 結(jié)論與討論

本文應(yīng)用綜合震源機(jī)制解法在晉陜豫交界地區(qū)展開精細(xì)應(yīng)力場的工作研究。在反演應(yīng)力場的網(wǎng)格劃分上精度更細(xì),應(yīng)力場的非均勻特征也更加明顯。研究區(qū)域地震多數(shù)在上中地殼,因此我們只分析了區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場的橫向變化特征,并得到如下認(rèn)識:

(1) 晉陜豫交界大部分地區(qū)主要受走滑和拉張應(yīng)力體系的作用,整體壓應(yīng)力軸方位表現(xiàn)為NE-NEE向,張應(yīng)力軸方位表現(xiàn)為近NS向,表明山西斷陷盆地為典型走滑拉張的產(chǎn)物。

(2) 華山山前斷裂周邊及洛陽盆地出現(xiàn)擠壓型應(yīng)力場作用的特征,反映了逆沖作用機(jī)制在這兩個地區(qū)占主要成分。

(3) 夾于封門口—五指嶺斷裂帶和新安—郟縣斷裂帶的地區(qū)出現(xiàn)了矛盾比最大值,表明應(yīng)力場在該區(qū)域的復(fù)雜性,該地區(qū)受拉張和走滑雙重作用控制較大。

(4) 晉陜豫交界應(yīng)力場存在明顯的非均勻性特征,而隆起和坳陷的過渡區(qū)往往是應(yīng)力場非均勻性特征的主要體現(xiàn)。

應(yīng)力場的調(diào)整和變化可以直接影響不同機(jī)制地震的發(fā)生。而應(yīng)力場每次調(diào)整和地震發(fā)生有怎樣的先后關(guān)系,調(diào)整前后P波初動矛盾比又將會發(fā)生增大還是減小的趨勢,這些矛盾比的變化能不能作為一次地震發(fā)生的判別指標(biāo),這些問題都是我們接下來需要研究和探討的。

致謝:感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見和建議。本文部分圖件采用GMT和Matlab軟件包繪圖,作者在此表示感謝。