利用GPS观测研究山西断陷带现今构造应力场变化与地震活动

刘瑞春 , 张 锦, 郭文峰, 陈 慧, 陈永前

(1. 太原理工大学,山西 太原 030024; 2. 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站, 山西 太原 030021;3. 山西省地震局, 山西 太原 030021)

0 引言

地壳构造应力场是地球动力学研究的核心问题之一[1]。地球表面变形和地壳内部的构造运动及其产生的各种地质灾害都与构造应力场的作用密切相关,构造应力场作用之下的现代地壳运动控制着地震的孕育、发展过程和发震力学机制[2]。因此,要了解地震的孕育、发生过程,最根本的途径是研究构造应力场的分布和演化规律[3]。由于地震多发生在地壳10～15 km范围内,故研究地壳深部应力场状态及其变化,是地震预测预报研究的关键[4]。受自然条件和技术手段制约,目前对地壳深部应力场及其变化还难以进行直接测量,传统的地应力测试方法获取深部(>3 000 m)地应力信息非常困难,且成本较高,难以大规模开展。

众多学者利用地质学和地震学等不同领域资料和方法对构造应力场进行研究,给出构造应力方向、地壳张压状态等参数。通过测量区域活动断层擦痕可以确定断层滑动矢量,从而反演构造应力张量[5],但构造应力场演变所导致的多期擦痕数据处理是该方法所面临的普遍性难题[6]。不同深度震源的地震波包含了岩石圈应力状态的信息,通过地震震源机制解、视应力可以了解震源断层的力学性质以及单位位错辐射地震波的能量[7-8]。利用多个地震的震源机制解可以反演地震分布区域的构造应力场[9-10],或通过计算地震视应力的大小以间接估计区域应力水平的下限[11-12]。然而,基于地震学方法的构造应力场研究使用地震波形资料,在多震地区效果较好,对于少震弱震地区难以发挥作用。随着空间大地测量技术尤其是GPS技术的不断进步,基于大地测量的构造应力场研究弥补了其他方法的不足,成为定量研究构造应力场的重要手段[13]。

山西断陷带是鄂尔多斯地块和华北平原地块两个二级活动块体边界带,由新生代形成的一系列断陷盆地及其间的横向隆起组成。活动地块边界带由于差异运动强烈使构造变形非连续性最强,最有利于应力的高度积累而孕育强震[14]。本文基于山西断陷带1999—2007年的GPS位移速率,反演地壳深部最大主应力和剪应力变化分布,分析应力场变化空间分布与区域中强地震活动之间的关系,探索山西断陷带基于地壳应力状态变化的地震预测技术途径。

1 理论与方法

1.1 应力场计算方法

在知道应力应变本构关系的前提下,假设地壳为完全各向同性和线弹性,在不考虑深度的情况下,通过GPS地面观测得到的位移或基线长度等纯几何关系得出的视应变可以间接推测地壳应力场的变化。这类研究方法原理简单,但其假设难以成立,因为地壳既不均匀也不各向同性,甚至不是完全弹性的,在较长时间尺度上,塑性和脆性变形时有发生[15]。将应力场变量表示成观测值的函数,通过各种智能优化算法对应力场变量进行反演计算[16]。该类方法不需要建立复杂的物理模型,但计算量大,物理意义不明确。通过物理模型建立地面形变观测值与地球内部应力场变量之间的关系[17],该类方法具有较为明确的物理意义,但需要综合多学科资料,模型建立相对复杂,成果时效性不高。随着空间大地测量资料时空分辨率的提高,迫切需要一种能够基于地面位移观测资料实现快速精确估算地壳应力场的数学工具。

近年来,部分学者提出了基于地面位移观测资料反演应力场分布的方法,可在不完全了解介质本构关系的情况下,建立地面位移场与地球内应力场变化的关系[18]。

(1)

以位移场为边界条件,建立边界元素之间的线性代数方程组,即将研究区域的边界面分成N个单元,这样在整个边界上的积分可以近视地等于N个边界单元的积分之和[19]。在位移变化已知的情况下,计算出P点在坐标轴方向上的应力变化,再由坐标轴方向的应力变化计算最大主应力和最大剪应力变化。该方法将地面位移(场)和地球内部应力(源)通过两点间的积分核函数相联系,场源之间的距离越远,两者之间的相互影响越小。此外,地面位移场与地球内部应力场之间的关系还与介质的物理性质有关。

1.2 数据选取与处理

基于1999、2002、2004和2007年的4期“中国地壳运动观测网络”观测资料。首先利用GAMIT软件获得GPS测站坐标、卫星轨道及台站对流层天顶延迟等参数及其方差-协方差矩阵的单日松弛解,解算时采用SOPAC数据中心提供的精密星历文件,并将中国大陆及周边的IGS站观测数据加入区域网的数据处理中。其次,利用GLOBK软件进行多时段综合解算,获得网平差结果。将区域站单日松弛解和全球多个IGS站单日松弛解捆绑在一起,并选取全球均匀分布的90多个稳定站(GAMIT/GLOBK软件提供)为基准点,将区域站速度场固定到ITRF2008框架下[20]。在获得的数据中,剔除由于点位不稳或其它不明原因造成的速度奇异值、运动方向与周边观测点整体运动方向不协调或是运动量相比周边点位偏大若干倍的值[21]。最后,扣除了区域自身的平移与旋转分量,获取区域无整体旋转运动的水平运动速率场[22]。

图1为基于1999—2007年4期观测值得出的山西断陷带GPS测点位移年变化率,箭头长度表示速率大小,箭头指向为运动方向。从山西断陷带近十年(1999—2007)的GPS站点速率变化看,在扣除整体旋转运动后,山西断陷带整体朝南运动,平均运动速率约为2 mm/a。不同构造区域地壳运动差异显著,一是以太原盆地为界,断陷带南段和北段地壳运动方向不相同,表现为大同、忻定盆地及其以北区域地壳整体向SSW方向运动,从太原盆地开始运动方向逐渐向东偏转,到临汾、运城盆地及其以南地区地壳运动已转为SSE方向。太原盆地为地壳运动方向转换的过渡地带,站点运动方向一致性较差;二是以断陷带为界,东部太行山和西部吕梁山的地壳运动速率大小存在差异,东部太行山区大部分测点运动速率大于或等于2 mm/a,而西部吕梁山区的测点运动速率均小于2 mm/a。

图1 山西断陷带GPS位移速率及主要断裂 分布(1999—2007年)Fig.1 Distribution of GPS velocity rates and main faults along the Shanxi rift zone (1999—2007)

从万年尺度的地质研究结果来,山西断陷带是一个右旋剪切拉张带,表现为NNE—SSW向挤压、NNW—SSE向拉张。太原盆地位于忻定、临汾南北两个剪切单元相邻部位,介质较为破碎,易于释放能量,中小地震活动频繁[23]。从十年尺度的GPS大地测量结果来看,仍符合这种特征,断陷带两侧地壳运动速率表现为东大西小,表明断陷带仍在右旋剪切。断陷带南部地壳SEE向运动而北部地壳SSW向运动,表明断陷带仍维持NNE-SSW向挤压、NNW-SSE向拉张的构造格局。太原盆地为地壳运动方向变化的过渡地带,站点运动方向一致性较差,与区域地壳介质整体性差相符。地质研究结果和大地测量观测结果的互洽也说明高精度GPS观测可以用于山西断陷带地壳运动的监测和进一步深入研究。

2 计算过程及结果

将图1中所示研究区域的113个GPS观测点为节点划分成208个三角形单元(图2),然后将公式(1)的积分方程变成数值积分形式,计算出地壳深处点位在坐标轴方向上的应力变化,再由坐标轴方向的应力变化计算最大主应力和最大剪应力变化。在应力计算的过程中,考虑到不同介质对应力的传递作用不同,参考已有研究成果,取弹性模量E=7.5×104MPa、泊松比v=0.3[24]。

图2 计算单元划分Fig.2 Mesh of computed elements

山西断陷带已有地震精定位研究结果表明,多震层震源深度接近于正态分布,96%的地震分布在20 km以上,优势分布为10 km[25]。本研究参照地震精定位研究结果,反演地壳10 km深处的应力场用于后续分析。图3和图4分别为反演获得的1999—2007年山西断陷带地壳10 km深处最大主应力和最大剪应力分布图像。为了进一步分析区域构造应力场与地震活动的关系,我们将近年来的中强地震和研究时段内所发生地震的震源机制解同时标注在图上。

图3 山西地区深部最大主应力分布Fig.3 Distribution of the maximum principal stress in deep Shanxi area

图4 山西地区深部最大剪应力分布Fig.4 Distribution of the maximum shear stress in deep Shanxi area

3 构造应力场变化分析与讨论

3.1 构造应力场变化与区域地震地质构造

区域构造应力场的变化受长期构造应力加载和强震两方面因素的影响[26-27]。在强震活动相对平静的时段内,长期构造应力加载在区域构造应力场变化中起决定作用。地质研究结果表明,山西断陷带是由一条NNE向的大型剪切带发生顺时针水平错动而形成,从力学机制来看,大同、太原和运城盆地是地堑系的拉张扩展部位,忻定盆地和临汾盆地是地堑内的剪切段,山西断陷带有历史记录以来的5次7级以上地震和1次8级地震均发生在这两个区域,是易于积累应变能的区域[23,28]。从本次研究给出的构造应力变化空间分布图来看,变化较为显著的区域分布在忻定盆地、临汾盆地及其临近的横向隆起区,与易于积累应变能的剪切地质构造单元基本重合,这表明通过现今高精度GPS观测能够获得山西断陷带较为可靠的现今构造应力场变化,同时也说明,在长期构造应力加载作用下,山西断陷带应力场变化空间分布与区域地震地质构造特征密切相关。

3.2 构造应力场变化与区域地震活动

构造应力场变化控制地震的孕育和发生,应力的不断聚集,使已有断裂突然失稳,从而发生地震。1970年有现代地震台网记录以来,山西断陷带共发生M≥4.0地震45次,年均0.9次(图5)。在本文研究所涉及的8年观测时段内,山西断陷带发生了6次M≥4.0地震,频次与背景平均活动水平接近,但空间分布很不均匀,有3次发生在大同盆地、2次发生在临汾盆地、1次发生在太原盆地北段,这三个区域均为研究时段内GPS应力场变化相对较大的区域,主要表现为压性或右旋剪切应力的增强,说明现今应力场变化强烈且与构造背景应力场一致的区域,地震活动水平也相对较高。

(方框为忻定盆地原平段至石岭关隆起区)图5 山西断陷带1970年以来M≥4.0地震空间分布Fig.5 Spatial distribution of M≥4.0 earthquakes in Shanxi rift zone since 1970

构造应力场变化除了受区域地质构造活动的控制外,还受到构造相关区强震活动的影响。一次强震的发生往往会引起构造相关区应力场的变化,从而改变区域地震活动状态[29-30]。鄂尔多斯块体西南缘与青藏高原东北边缘相连,汶川地震发生时,龙门山断裂带的右旋剪切运动使鄂尔多斯块体逆时针旋转增强,鄂尔多斯块体周缘断裂系应力状态发生改变。2003年洪洞M4.6地震后,山西断陷带M≥4.0地震持续平静超过5年,为1970年有地震台网以来的最长平静时间,2008年汶川8.0级地震发生时山西地区震感强烈,根据强震台记录所得到的烈度为Ⅳ～Ⅴ度[31],在地震发生后的两年内,山西断陷带密集发生4次M≥4.0地震,远超有现代台网记录以来的背景活动水平,这种活动状态可能与汶川地震对区域应力场的影响有关[30]。

从山西断陷带1970年有现代地震台网记录以来的M≥4.0地震空间分布来看,忻定盆地原平段至石岭关隆起共发生4次M≥4.0地震(图5),其中汶川8.0级地震后的十年内发生3次,为有现代地震台网记录以来最为突出的现象(图6),大同、太原、临汾和运城盆地各发生1次4级以上地震,与区域背景地震活动水平相当。图3的GPS构造应力场计算结果显示,忻定盆地至太原盆地北段应力变化显著,张性(正值)和右旋剪切(负值)应力增强明显。张性应力增加使区域断层面之间的摩擦应力减小,使断层面在剪应力增加的情况下更易于发生剪切滑动,汶川地震作用于鄂尔多斯块体使该区域的右旋剪切进一步增强,这可能是近十年忻定盆地原平段至石岭关隆起中等地震活跃的原因。

图6 忻定盆地原平段至石岭关隆起区M≥4.0 地震M-t图Fig.6 M-t map of M≥4.0 earthquakes from Yuanping section in Xinding basin to Shilingguan uplift

地震孕育和发生受控于区域构造应力场,通过地震震源机制解也可以了解区域构造应力场特征。分析基于GPS获得的构造应力场变化与区域中强地震震源机制解的关系,可以进一步分析GPS构造应力场变化的可靠程度,深化中强地震与区域构造应力场变化关系的认识。在GPS观测时段内,山西断陷带共发生M≥4.0地震5次,最大为1999年11月1日大同—阳高M5.6地震。分析这几次地震的震源机制解可以发现,发生于不同构造位置的地震震源机制各不相同,断陷带北部的大同—阳高M5.6、应县M4.1和太原M4.7地震均为走滑型,而发生在临汾盆地北部的洪洞M4.9和临汾M4.1地震均具有较强的逆冲分量。这与研究时段内GPS构造应力场变化主要表现为断陷带北部右旋剪切应力和临汾盆地北部压性应力显著增强的特征非常一致。这说明基于山西断陷带十年尺度的高精度GPS地壳运动速率可以反演出较为可靠的构造应力场变化,同时也说明区域地震活动受构造应力场控制,其震源机制与区域构造应力场变化密切相关。

3.3 构造应力场变化与区域地震危险性

区域地震危险性受区域背景应力水平和各种因素引起的附加应力场变化影响。其中,区域背景应力水平是决定因素,附加应力场变化是诱发因素。当区域构造应力达到较高水平,此时断裂已经处于强闭锁状态,其附加应力场变化虽小,但中强以上地震发生的危险性可能更高。从计算结果也可以看到,中强地震并不都发生在构造应力场变化显著的区域,尤其是2010年河津4.8级地震,GPS计算得到的震中附近区域构造应力场变化接近于零,而与区域绝对应力水平相关的深钻孔应力测量和地震视应力研究结果表明,山西断陷带的运城盆地最大主应力已达到逆断层活动的临界值,山西南部的河津M4.8地震余震视应力水平、最大余震震级也明显高于山西北部的阳曲和大同M4.6地震[32-33]。从这个角度来看,我们更应该关注山西南部尤其是运城盆地的强震危险性。

4 结论

本文采用山西断陷带1999—2007年的GPS地壳运动速率数据反演了地壳深部10 km的应力场变化,结合区域地震地质构造、地震活动以及地震危险性进行分析,得出了如下结论:

(1) 山西断陷带GPS地壳运动速率、构造应力场变化与区域地震地质构造特征、中强地震震源机制解一致,表明高精度GPS监测及数据处理结果可靠,可以用于山西断陷带地壳动力学与地震活动的研究。

(2) 山西断陷带中强地震活动受区域构造应力场的控制,现今应力场变化强烈的区域,地震活动水平相对较高,地震震源机制与构造应力场变化特征一致性较强。

(3) 山西断陷带构造应力场变化和中强地震活动受区域地震地质构造和构造相关区强震活动的双重影响。区域地质构造活动和汶川8.0级地震的影响使忻定盆地原平段至石岭关隆起区张性剪切应力增强,断层面摩擦应力减小,更易于发生滑动,这可能是该区域在汶川地震后密集发生3次M≥4.0地震的原因。

(4) 区域背景应力水平是区域地震危险性的决定因素,深钻孔应力测量和地震视应力研究结果均表明山西南部尤其是运城盆地具有较高的背景应力水平,应进一步关注该区域的地震危险性。