2001年昆仑山口西地震前后山西构造带的应力状态变化

王凯英 马 瑾 刁桂苓 Yu.Rebetsky王晓山 闫小兵

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)河北省地震局，石家庄 050021

3)Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810

4)山西省地震局，太原 030021

0 定量化应力参数研究方法

山西是中国历史上的强震活跃区。1303—1695年在400a的时段内，相距不足45km的范围内相继发生8级和7 1/2级的强震。为此，1993年马宗晋先生领导完成了重大研究项目，并主编了《山西临汾地震研究与系统减灾》专著，旨在预测和预防。作为城市地震预测预防的典范作品，此项研究成果一直是我们研究山西地震规律的借鉴。十几年过去了，山西发生强震的危险性依然存在。值此马宗晋先生80华诞之际，我们谨以“2001年昆仑山口西地震前后山西构造带的应力状态变化”为题的短文表示祝贺。近年来俄罗斯科学院大地物理研究所基于震源机制资料、岩石破裂实验结果、强震区的地形和应力降等资料，开发了评价地震危险区应力状态参数的碎裂分析方法(Cataclastic Analysis Method，简称 CAM)(Rebetsky，1997a，b，2003)，该方法主要包括以下几个步骤:

(1)首先获取应力“同源”分区及各区的应力主轴方向和应力张量形状系数，其基本原理是:在每个应力“同源”区中所发生的地震节面方向在一特定范围内并通过使用塑性理论的能量准则加以限定;基于以下基本假定:在应力“同源”区中每个地震造成的应变增量由发震断层的面积和沿断层的平均位移量所决定，地震发生时应力“同源”区内部弹性能减少及弹性能最大释放，可应用各应力分区内的每组震源机制数据获得各分区的应力主轴方位及用来描述应力主轴相对大小的Lode-nadai系数。

(2)在获得3个主应力轴的方位以及Lode-nadai系数后，CAM方法基于岩石脆性行为的摩尔库仑定律，将第1步获得的结果结合摩尔圆图解的几何关系，可计算出有效应力和最大剪应力相对岩石内聚力τf的归一化值

其中，ks为静摩擦系数;μσ为应力椭球系数;pfl为孔隙流体压力;τ= ( σ1－σ3)/2，p=－ (σ1+σ2+σ3)/3;ni和ti(i=1，2，3)是任意方向断层面法向和这个面上的剪应力在所求主应力轴坐标系下的方向余弦，P和τ是未知的平均应力和最大剪应力。

(3)通过区域强震矩张量信息，可估算出岩石内聚力τf并进而获得最大剪应力和有效应力的绝对值;在获取区域地形和岩石密度的基础上，可进一步得到区域孔隙流体压力的分布。

相比现有的一些运用小震震源机制数据推断区域应力主轴的方法，该方法对于构造应力“同源”区域的判断和选择避免了应力分区的主观性，而且该方法不仅能够获得主应力轴的方向、应力张量的形状系数等，还可以在此基础上进一步确定区域岩石内聚力、有效应力、最大剪应力等应力参数的定量化分布。此方法被用于完成过大量地震活动区如地中海东部、阿拉伯地区、太平洋的西北侧、森他弧西侧、加利福尼亚北部的应力状态重建(Rebetsky，2006a，b;2009a，b)。该方法所获得的应力定量数据不仅能够对地球动力学相关问题的研究给予可能的约束，而且对强震前地壳应力分布的研究有助于探索强震的孕育过程。

1 山西构造带的历史强震及现今活动特点

山西构造带是历史强震多发地区，有记载以来本地震带内共发生7级以上强震7次，由北向南依次是:1626年发生在太白维山山前断裂带的7级地震;512年发生在五台山北麓断裂带的7 1/2级地震;1683年发生在云中山山前断裂带的7级地震;1038年发生在系舟山山前断裂带的7 1/4级地震;1303年发生在大阳-霍山山前断裂带的8级地震;1695年发生在临汾-浮山断裂的7 1/2地震等。历史地震震中分布(图1)显示，除了1626年太白维山山前断裂带的7级地震外，其余几次强震均发生在山西构造带内的近SN向段落或由NE向构造向SN向构造转折的部位，显示了山西构造带内的SN向段落对强震发生的控制作用，这一重要现象及其所对应的动力学含义值得进一步研究。

长期以来，对于山西构造带所处的鄂尔多斯块体现今运动状态的研究存在诸多争议，如认为鄂尔多斯块体现今运动状态主要体现为逆时针转动(苏刚，1984;邵辉成等，1999)、上升运动(邓起东等，1985，1999;胡惠民，1988)、顺时针旋转(车自成等，2002;张希等，2002)或顺时针运动背景叠加了逆时针运动(徐锡伟等，1994;陈小斌等，2005)及顺时针与逆时针的交替活动(范俊喜等，2003)。鄂尔多斯块体的现今运动状态之所以存在诸多争议，与鄂尔多斯块体的现今复杂应力状态是密切相关的。现今地壳应力状态分布图(马杏垣等，1989)显示:由多种手段所获得的鄂尔多斯块体的西边界显示出主压应力方向为NE向和NW向共存的复杂状态，而山西构造带数据很少，北部的数据表明主压应力方向近EW向，南部则比较复杂。表明鄂尔多斯块体本身所受到的应力状态很复杂，山西构造带的应力状态值得分析。

图1 山西构造带7级以上历史强震震中分布图Fig.1 Distribution of epicenters of historical strong earthquakes above M7.0 in Shanxi tectonic belt.

2 山西构造带现今应力状态反演

通过搜集测定山西构造带内波形可靠的震源机制，获得了1967—1999年间震源机制数据1650个及2001—2010年9月期间数字化记录的震源机制数据416个，这些震源机制的震中分布如图2所示。运用应力状态参数定量化分析方法对这些震源机制数据分时间段进行应力参数计算。1989年10月、1991年3月以及1998年1月晋东北先后发生3次6级以上地震(图3)。近年来在全国范围内发生了3次强震，它们是1996年丽江7.0级地震、2001年昆仑山口西8.1级地震以及2008年汶川8.0级地震等，按这些强震发生时间对数据进行了分时段研究，研究过程中对强震时间点之间的数据也进行了细分。如果这些强震的发生是应力场调整的信号，则按时段的分析结果就有可能得到体现。

图2 震源机制解的震中分布Fig.2 Distribution of active faults of the Shanxi ectonic belt and the used focal mechanism data.

图3 1985年以来山西地震M-t图Fig.3 M-t diagram of earthquakes in Shanxi area since 1985.

图4 山西构造带不同时段最大主压应力轴的分布Fig.4 Distribution of the maximum principal compressive stress axes of the Shanxi tectonic belt in different periods of time.

按上述强震发生时间分段获得了山西构造带应力反演结果。图4显示的是1967—1989年9月、1989年10月至1996年2月丽江地震前、1996年丽江地震后至2001年11月昆仑山口西地震前、2001年昆仑山口西地震后至2008年5月汶川地震前及2008年汶川地震后至2010年9月等时间段的最大主压应力轴分布的水平投影，应力轴所显示的方向为最大主压应力轴方向，其长短反映了最大主压应力轴的倾角(倾角为零时长度最大)。结果显示，1967—2001年昆仑山口西地震发生前的各时段结果均显示最大主压应力轴分布以NW向为主;而2001年昆仑山口西地震发生后山西构造带的最大主压应力轴方位发生了显著变化，由NW向分布转变为NE向分布。其中，2001年昆仑山口西强震前晋北地震主要发生在西部，而这次强震后的地震主要发生在东部，难以确认应力主轴方向变化的原因。但是，晋中和晋南有不同时段震源机制数据共同覆盖，由不同时段应力主轴方位的分布能够确切说明2001年昆仑山口西地震发生后山西构造带的应力主轴方向有显著转变，且这种转变并非是由震源机制数据的地点不同所造成的。2008年5月汶川地震后山西构造带地震活动有所增强，但获得的震源机制数据较少，且主要分布在晋北地区。由2009年山西构造带发生了2次4级以上及2010年发生的3次近5级中等强度地震的震源机制来看(图4)，其P轴均为NE或NEE向分布。它们与2001年昆仑山口西地震后2008年汶川地震前这一时间段的最大主压应力轴方向保持一致，表明2008年汶川地震后山西构造带的应力主轴方向未发生明显变化，仍保持昆仑地震后的应力方向。

为了落实山西构造带应力主轴变化是区域应力场调整所引起还是受局部构造的差异活动所影响，分析了各点应力主轴的倾角随纬度的分布。从图5可以看出，应力主轴方向变化前的时段最大主应力轴的倾角绝大多数低于45°，表明最大主应力轴以水平分布为主;而在应力方向变化后即2001年昆仑山口西地震后的时段，大量的数据点(122个)仍显示最大主应力轴为低倾角，少数(47个)数据显示为高倾角，而最大主压应力轴为高倾角的点位基本分布在山西构造带内的NE向盆地内或由SN向构造向NE向构造转折的部位，反映了此时段在NE向构造应力作用下山西构造带内SN向构造的右旋水平剪切运动及NE向盆地的拉张。因此推断山西构造带的应力方向变化是由区域构造应力的变化所引起，并非是发震构造的不同所导致，并值得进一步关注。

图5 山西构造带应力主轴倾角在不同时段随纬度的分布Fig.5 Plunge distribution of stress axes versus latitude in Shanxi tectonic belt.

图6 山西构造带不同时段应力状态的分布Fig.6 Distributions of stress state of the Shanxi tectonic belt in different time periods.

图6显示的是3个应力主轴σ1(最大主应力轴)、σ2(中等主应力轴)及σ3(最小主应力轴)空间方位状态的直观描述，其中σ1和σ2水平、σ3竖直时表示应力状态为水平挤压;σ2和σ3水平、σ1竖直时表示应力状态为水平拉张;σ1和σ3水平、σ2竖直时表示应力状态为水平剪切，之间为过渡状态。从图6可以看出，2001年昆仑山口西地震前各时段山西构造带应力状态以水平剪切为主，而2001年昆仑山口西地震发生后，山西构造带的应力状态主要表现为水平剪切和水平拉张的交替分布特点，其中水平剪切的部位对应着山西构造带内的SN向段落，而水平拉张的部位对应着山西构造带内的NE向段落。

3 结论

(1)山西构造带中南部地区应力主轴方向在2001年昆仑山口西地震前后存在明显变动。山西构造带的应力状态研究显示，在不同时间段均有数据覆盖的中南部地区应力主轴随时间变化，在数据分布的时间范围内最大主压应力轴的方向由2001年昆仑山口西地震前的NW向分布为主转变为地震后的NE向分布为主。

(2)山西构造带不同方向构造段的应力状态受应力主轴方向控制。山西构造带的历史强震大多数发生在山西构造带内的近SN向段落或由NE向构造向SN向构造转折的部位，显示了山西构造带内的SN向段落对强震发生的控制作用。本文对区域应力的分时段研究结果显示，当最大主压应力轴分布以NE向为主时，山西构造带的应力状态主要表现为水平剪切和水平拉张的交替分布特点，其中水平剪切应力状态的部位对应着山西构造带内的SN向段落，而水平拉张的应力状态部位对应着山西构造带内的NE向段落。通过简要的构造物理模型可解释这一特点:山西构造带受NE向推挤时，内部SN向段落容易积累应力产生右旋剪切变形，处于地震活动的优势方位;而NE向的构造段在NE向应力作用下拉张变形，不利于积累应力产生较强的地震。推断山西构造带的历史强震活动与NE向的构造应力相关。

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