晋陕豫交界地壳应力场特征分析

闫 睿,万永革,崔华伟,王明亮,高家乙,付 靖

(1.河南省地震局,河南 郑州 450000;2.防灾科技学院,河北 三河 065201;3.河北省地震动力学重点实验室,河北 三河 065201;4.山东省地震局,山东 济南 250000;5.河南卫生健康干部学院,河南 郑州 450008)

0 引言

晋陕豫交界(34°～37°N,110°～113°E)南邻秦岭褶皱山系北麓,北接鄂尔多斯地块东南缘,区内地质构造复杂,地形多变,包括多个断陷盆地和隆起,1303年山西洪洞赵城和1556年陕西华县分别发生了8.0级大震,1695年山西临汾发生了7级大震,交界区是历史上强震的多发部位。而该区域因其特殊构造背景备受学者关注(图1)。许多学者基于地震资料[1-5]、地质资料[6-9]等对研究区做了大量工作,取得了一系列成果。这些资料也为该区域复杂的构造形态及地球动力学特征研究提供了重要依据。

F1:什林断裂;F2:上下团柏断裂;F3:万安断裂;F4:罗云山山前断裂;F5:苏堡断裂;F6:霍山山前断裂;F7:浮山断裂;F8:峨眉台地北缘断裂;F9:临猗断裂;F10:中条山北麓断裂;F11:华山山前断裂;F12:晋城—长治断裂;F13:封门口—五指岭断裂;F14:新安—郏县断裂;F15:盘古寺—新乡断裂;F16:洛河断裂图1 断层分布图Fig.1 The distribution of active faults

应力场作为震源错动和构造运动的直接来源,是地球动力学研究中的一个主要问题。了解块体交界区现今地壳应力场的分布形态对该地区浅部块体之间的动力学成因、地震危险性分析具有十分重要的科学意义。不少学者对有关该地区的应力场研究做了大量工作[4-5,10-17]。其中大多数学者利用地震资料求解该区域的现今构造应力场[4-5,11-13];少数学者利用实测应力值的方式求解应力场信息[18-20];还有些学者收集区域断层滑动资料反演应力场[21-22]。有关晋陕豫交界地壳应力场的研究,结果均显示该区域应力场的复杂性:总体上为NE-NEE向的主压应力和NW-NNW向的主张应力,这种应力场格局与研究区同时受印度板块和太平洋板块挤压并以前者为主有关[7,13,17],同时交界的局部区域也含有独特的应力场信息[3,5,22]。这些研究因其区域较大,反演工作较为繁琐,使给出的应力场结果不够精细,缺少相关解释。本文收集研究区大量中小震的P波初动资料,求解晋陕豫交界精细应力场信息,以分析研究区现今上地壳应力状态。

1 综合震源机制解法

近年来大多数学者主要基于震源机制解数据反演应力场,而求取单个地震的震源机制解需要足够好的台站包裹性和足够多的地震数据。在实际观测中,大量较小地震因数据限制不能反演出震源机制解。为避免丢失丰富的小震资料,Aki[23]提出用P波初动符号推断应力场的方向,其后国内学者[24-26]对其方法进行完善和改进。万永革等[26]改进的方法对网格点内的P波初动增加了权重,使结果更加准确。该方法在国内也得到了广泛应用[3-4,27-28]。

综合震源机制解法求解应力场主要分以下几步:(1)根据地震位置计算到观测台站P波射线的方位角和离源角;(2)通过计算得到的方位角和离源角,将P波初动符号投影到震源球上;(3)寻找合适震源机制的两个节面,使观测P波初动符号与震源机制模型所预测的P波初动符号相差最小,即矛盾比(考虑权重后不符合综合震源机制解模型的P波初动数与总P波初动数之比,见下节)最小[26]。

2 数据处理与结果分析

本文研究的区域范围为34°～37°N,110°～113°E。观测数据来自“十五”建成的河南数字地震台网及邻省接入的共享台站,且台站较均匀地分布于研究区内。共收集区域内2008年1月到2018年12月晋陕豫交界3 036个地震的20 395个P波初动资料,其中ML2.0以下地震记录2 423次,2.0≤ML≤2.9地震记录550次,3.0≤ML≤3.9地震记录56次,ML4.0以上地震记录7次。经统计ML3.0以下地震占到地震总数的98%以上,而这些地震多分布于上中地壳。为了充分利用这些观测资料,本文将晋陕豫交界划分为0.15°×0.15°的网格(图2)。

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

使用P波初动求解网格处的应力场时,需要注意每个地震距网格点的距离不同,对网格点上的贡献也不相同,因此根据距网格点的距离本文给予不同地震P波初动不同的权重。每个地震的P波初动权重为w,按式(1)计算。

w=e-r2/D2

(1)

式中:D为距离衰减常数;r为折合距离,按式(2)计算。

(2)

式中:Φ、θ、z分别为地震的经度、纬度和深度;Φ0、θ0、z0为网格处的经度、纬度和深度。距离衰减常数D的选取直接影响P波初动符号的权重,因此计算应力场时对网格点进行适当的平滑,并且借助附近网格点的数据对资料较少的网格点施加约束。参考前人研究成果[3-4,26-28],本文将D取为30 km,为保证反演质量选取65 km范围内的P波初动数据[3]。

反演结果中每个网格点得到最小矛盾比所对应的综合震源机制解是求得的最优解[26]。为讨论网格点内P波初动数对矛盾比稳定性的影响,本文分别采取P波初动数为60、80、100、120、140作为输入数据的下限(图3),对每个网格点的应力场进行反演,发现当网格点内P波数≥100时,网格点的矛盾比基本处于稳定状态(即P波数≥100时各网格点的结果基本一致),能够保证应力场的反演质量。因此设置每个网格点至少有100个P波初动数参与反演。

图3 网格点内不同P波初动数对矛盾比的影响Fig.3 The influence of different number of P-wave initial motion on contradiction ratio in grid

本研究中选取王晓山[4]反演运城地区最优一维速度模型作为计算P波射线离源角的速度模型。基于上述资料和方法,获得每个网格点内的最优综合震源机制解,将综合震源机制解的P、T轴方位角和权重、P波初动数展示在图4中,将P、T轴方位角及倾伏角大小展示在图5中。

图4 P轴方位与矛盾比及T轴方位与P波初动数分布图Fig.4 P-axis azimuth and contradiction ratio,and T-axis azimuth and P-wave initial motion distribution

从图4可以看出P轴的方位角整体由南向北、由西向东以近EW向转为NE再转至NEE向的应力状态,而T轴的方位角大多呈现出NNW和近NS向的应力信息。图4中方位角箭头的长短表示其倾伏角的大小,箭头越长表示应力主轴的倾伏角越缓,反之则表明其倾伏角越陡。为了更直观地表示出方位角和倾伏角的关系,本文给出了P、T轴随倾伏角的分布状态(图5)。可以清楚地发现T轴的高倾伏角状态主要集中在渭河盆地的华山山前断裂以南、三门峡及长治以北地区。而P轴大面积出现高倾伏角状态,且倾伏角变化较为强烈的地区主要有罗云山山前断裂以西、灵宝至运城及晋城。参照世界应力图[29]的划分表(表1),给出了综合震源机制解的分布情况(图6),按照结果类型将晋陕豫交界分为A、B、C、D四个区域并分析其应力场特征。

图 5 P、T轴方位及倾伏角分布图Fig.5 Azimuth of P-axis and T-axis and the inclination angle distribution

表1 震源机制解分类依据表Table 1 Classification basis of focal mechanism solutions

2.1 A区:华山山前断裂周边应力场结果分析

华山山前断裂处于渭河断陷盆地南界的东段。研究区内在华县以东呈EW走向,经潼关向东可继续延至灵宝附近,与NE向的三门峡—灵宝断裂相交。该断裂倾向NW,倾角60°～70°,为正断层。从综合震源机制解分布图(图6)可以看出,该地区以逆冲型节面解为主,T轴倾伏角较大,P轴倾伏角较小。A区整体受到近EW向挤压和垂直向拉张的平均应力场作用。胡亚轩等[31]在讨论渭河盆地现今三维地壳运动及断裂活动性中发现关中地区曾短暂表现为强烈的逆继承性垂直差异运动,证明华山山前断裂周边存在挤压应力场作用。其研究结果与本文结果一致。

2.2 B区:罗云山山前断裂周边应力场结果分析

罗云山山前断裂带沿临汾盆地西缘延伸,为临汾盆地西边界的主控断层,是一条以正断为主兼具右旋走滑分量的复杂且具有多期活动特性的断裂带,全长约145 km。断裂带整体走向NNE,倾向SEE,南部发生弧形转折为NWW向,北段发散为数条,走向逐渐转为NE[32]。上新世以来两侧垂直差异升降运动总幅度可达3 000 m以上。从图6可以看到B区应力场主要以拉张型应力体系为主,与前人结果一致[3,13,25,30]。其中P轴倾伏角普遍较高,从西向东再至临汾断陷盆地内侧具有陡-缓-陡的趋势,B区中南段部分高倾伏角状态会有微小的方向转变,这种高倾伏角方向的改变会使正断层的上下盘发生改变。李自红[33]在讨论临汾盆地地壳精细结构和孕震构造时解释,罗云山山前断裂南段自范家庄起走向发生很大偏转,而这种高倾伏角走向的偏转也是极易产生不同倾向的正断层。在这种情况下正应力在走向接近270°的高倾角断层也逐渐增大,呈现拉张[34]。上述结果表明B区域上地壳现今应力场主要呈现拉张作用。

图6 综合震源机制解分布图Fig.6 The distribution of composite focal mechanism

2.3 C区:苏堡断裂以北周边应力场结果分析

C区域属于临汾断陷盆地北部,主要分布着什林、上下团柏、万安、苏堡等活动断裂。其中什林断裂是临汾盆地边界断裂,走向近EW,东段倾向N,西段倾向S。该断裂走向运动大于垂直错动量,且可能作右旋走滑运动。从图4～图6中看到C区主要为NE向的主压应力轴和NW向的主张应力轴控制,且倾伏角较缓,其中临汾北部断陷盆地内相对周围一圈矛盾比较小,表明反演的局部区域现今上地壳应力方向与P波初动资料较吻合。地震和电法勘探结果也表明[33],苏堡断裂由3条北盘下降的正断层组成,中间的一条为主断层。

2.4 D区:山西断陷盆地东界至豫西差异隆起区应力场结果分析

D区域属于研究区内应力形态最复杂的地区,由西北向东南依次包括临汾、运城盆地东界、太行山隆起东南缘、豫西差异隆起等地区。从图4和图5中可以看出,压应力轴向东整体由NE向转至NEE向,且倾伏角较大,局部地区出现近垂直倾伏角;而张应力轴由西北向东南整体为NW向转至NS向展布,倾伏角较缓。其中临汾盆地东界至太行山隆起东南缘,即霍山山前断裂带附近地区和封门口—五指岭断裂带的西南部地区出现了由走滑应力体系向拉张应力体系的过渡。其中霍山山前断裂为临汾盆地的主控断裂,是一条右旋走滑兼具一定倾滑分量的新生代以来长期活动的断裂,其右旋走滑活动量远较倾滑量大[35-36]。李爽[37]发现沿着太行山的南缘发育了一组正断裂构造,断裂的走向从西面开始,向东延续,并且方向逐渐转化为NE、NNE向,大部分的断裂向南倾斜。莘海亮等[5]利用太行山断裂带东南缘地区的地震数据获得了68个中小地震的震源机制解,结果显示走滑类型占总数的57%,还分别有正断和逆断的存在,文献[5,37]认为该区除了受整体的构造应力场控制之外,还可能受到局部构造的影响,上述现象与本研究得到的应力场结果基本一致。

本文发现在D区夹于封门口—五指岭断裂带和新安—郏县断裂带的部位拉张型和走滑型应力体系相互交错。封门口—五指岭断裂带为总体走向NW的深部断裂,以黄河为界分为北西段和南东段,该断裂第四纪活动明显。据前人地质调查显示[38],断裂北西段发育着多条NEE向的左旋走滑断裂,并被NW向陡倾正断层所切割。这也印证了该区域走滑和拉张应力体系相互交错的现象。该区域内夹于封门口—五指岭断裂带和新安—郏县断裂带的地区出现了矛盾比最高值,表明其局部地壳应力场控制的复杂性。上述两个地区表明山西断陷带为典型的剪切拉张性盆地[39-40]。

运城至三门峡再到洛阳地区的应力体系分别为走滑-拉张-挤压的模式。压应力轴在该区域由NE向逐渐转至NEE向,倾伏角先增大后减小,在崤山地区倾伏角达到最大,到洛阳凹陷倾伏角又减至最小。崤山地区属于豫西差异隆起最强烈的地区,海拔500～2 000 m。从图4～图5中发现该区出现了压应力轴高倾伏角方位的突变,这种高倾伏角方位的突变极易使断层的上下盘发生改变。运城盆地主要由侯马凹陷、运城凹陷和峨嵋台地组成,盆地内主要活动断裂呈NEE向,这些断裂主要以走滑和正断为主,也间接说明应力场由走滑向拉张应力体系的过渡。再往东南方向为三门峡—鲁山—舞阳断裂带的西北段。三门峡—鲁山—舞阳断裂带是一条倾向S或SW、上陡下缓、间歇活动并切入地壳深部的大断裂,不同时期以不同的方式活动决定了断裂两侧地质发展历史的差异。宜阳地区的石门冲逆冲断裂古生界冲断于上三叠统之上,鲁山青草岭韩梁煤田汝阳群逆冲推覆在下震旦统之上,而石炭—二叠系又推覆在二叠统山西组煤系之上,该断裂下部存在逆冲现象而上部则表现为正断层,这种断裂负反转现象说明了前后构造应力场的转变[38,41]。因此推测洛阳凹陷早期挤压应力体系的活化造成现今应力场逆冲型综合震源机制解的存在。

3 结论与讨论

本文应用综合震源机制解法在晋陕豫交界地区展开精细应力场的工作研究。在反演应力场的网格划分上精度更细,应力场的非均匀特征也更加明显。研究区域地震多数在上中地壳,因此我们只分析了区域内应力场的横向变化特征,并得到如下认识:

(1) 晋陕豫交界大部分地区主要受走滑和拉张应力体系的作用,整体压应力轴方位表现为NE-NEE向,张应力轴方位表现为近NS向,表明山西断陷盆地为典型走滑拉张的产物。

(2) 华山山前断裂周边及洛阳盆地出现挤压型应力场作用的特征,反映了逆冲作用机制在这两个地区占主要成分。

(3) 夹于封门口—五指岭断裂带和新安—郏县断裂带的地区出现了矛盾比最大值,表明应力场在该区域的复杂性,该地区受拉张和走滑双重作用控制较大。

(4) 晋陕豫交界应力场存在明显的非均匀性特征,而隆起和坳陷的过渡区往往是应力场非均匀性特征的主要体现。

应力场的调整和变化可以直接影响不同机制地震的发生。而应力场每次调整和地震发生有怎样的先后关系,调整前后P波初动矛盾比又将会发生增大还是减小的趋势,这些矛盾比的变化能不能作为一次地震发生的判别指标,这些问题都是我们接下来需要研究和探讨的。

致谢:感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见和建议。本文部分图件采用GMT和Matlab软件包绘图,作者在此表示感谢。