王凱英 馬 瑾 刁桂苓 Yu.Rebetsky王曉山 閆小兵

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)河北省地震局，石家莊 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 定量化應(yīng)力參數(shù)研究方法

山西是中國(guó)歷史上的強(qiáng)震活躍區(qū)。1303—1695年在400a的時(shí)段內(nèi)，相距不足45km的范圍內(nèi)相繼發(fā)生8級(jí)和7 1/2級(jí)的強(qiáng)震。為此，1993年馬宗晉先生領(lǐng)導(dǎo)完成了重大研究項(xiàng)目，并主編了《山西臨汾地震研究與系統(tǒng)減災(zāi)》專著，旨在預(yù)測(cè)和預(yù)防。作為城市地震預(yù)測(cè)預(yù)防的典范作品，此項(xiàng)研究成果一直是我們研究山西地震規(guī)律的借鑒。十幾年過(guò)去了，山西發(fā)生強(qiáng)震的危險(xiǎn)性依然存在。值此馬宗晉先生80華誕之際，我們謹(jǐn)以“2001年昆侖山口西地震前后山西構(gòu)造帶的應(yīng)力狀態(tài)變化”為題的短文表示祝賀。近年來(lái)俄羅斯科學(xué)院大地物理研究所基于震源機(jī)制資料、巖石破裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果、強(qiáng)震區(qū)的地形和應(yīng)力降等資料，開(kāi)發(fā)了評(píng)價(jià)地震危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)的碎裂分析方法(Cataclastic Analysis Method，簡(jiǎn)稱 CAM)(Rebetsky，1997a，b，2003)，該方法主要包括以下幾個(gè)步驟:

(1)首先獲取應(yīng)力“同源”分區(qū)及各區(qū)的應(yīng)力主軸方向和應(yīng)力張量形狀系數(shù)，其基本原理是:在每個(gè)應(yīng)力“同源”區(qū)中所發(fā)生的地震節(jié)面方向在一特定范圍內(nèi)并通過(guò)使用塑性理論的能量準(zhǔn)則加以限定;基于以下基本假定:在應(yīng)力“同源”區(qū)中每個(gè)地震造成的應(yīng)變?cè)隽坑砂l(fā)震斷層的面積和沿?cái)鄬拥钠骄灰屏克鶝Q定，地震發(fā)生時(shí)應(yīng)力“同源”區(qū)內(nèi)部彈性能減少及彈性能最大釋放，可應(yīng)用各應(yīng)力分區(qū)內(nèi)的每組震源機(jī)制數(shù)據(jù)獲得各分區(qū)的應(yīng)力主軸方位及用來(lái)描述應(yīng)力主軸相對(duì)大小的Lode-nadai系數(shù)。

(2)在獲得3個(gè)主應(yīng)力軸的方位以及Lode-nadai系數(shù)后，CAM方法基于巖石脆性行為的摩爾庫(kù)侖定律，將第1步獲得的結(jié)果結(jié)合摩爾圓圖解的幾何關(guān)系，可計(jì)算出有效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力相對(duì)巖石內(nèi)聚力τf的歸一化值

其中，ks為靜摩擦系數(shù);μσ為應(yīng)力橢球系數(shù);pfl為孔隙流體壓力;τ= ( σ1－σ3)/2，p=－ (σ1+σ2+σ3)/3;ni和ti(i=1，2，3)是任意方向斷層面法向和這個(gè)面上的剪應(yīng)力在所求主應(yīng)力軸坐標(biāo)系下的方向余弦，P和τ是未知的平均應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。

(3)通過(guò)區(qū)域強(qiáng)震矩張量信息，可估算出巖石內(nèi)聚力τf并進(jìn)而獲得最大剪應(yīng)力和有效應(yīng)力的絕對(duì)值;在獲取區(qū)域地形和巖石密度的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步得到區(qū)域孔隙流體壓力的分布。

相比現(xiàn)有的一些運(yùn)用小震震源機(jī)制數(shù)據(jù)推斷區(qū)域應(yīng)力主軸的方法，該方法對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力“同源”區(qū)域的判斷和選擇避免了應(yīng)力分區(qū)的主觀性，而且該方法不僅能夠獲得主應(yīng)力軸的方向、應(yīng)力張量的形狀系數(shù)等，還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定區(qū)域巖石內(nèi)聚力、有效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力等應(yīng)力參數(shù)的定量化分布。此方法被用于完成過(guò)大量地震活動(dòng)區(qū)如地中海東部、阿拉伯地區(qū)、太平洋的西北側(cè)、森他弧西側(cè)、加利福尼亞北部的應(yīng)力狀態(tài)重建(Rebetsky，2006a，b;2009a，b)。該方法所獲得的應(yīng)力定量數(shù)據(jù)不僅能夠?qū)Φ厍騽?dòng)力學(xué)相關(guān)問(wèn)題的研究給予可能的約束，而且對(duì)強(qiáng)震前地殼應(yīng)力分布的研究有助于探索強(qiáng)震的孕育過(guò)程。

1 山西構(gòu)造帶的歷史強(qiáng)震及現(xiàn)今活動(dòng)特點(diǎn)

山西構(gòu)造帶是歷史強(qiáng)震多發(fā)地區(qū)，有記載以來(lái)本地震帶內(nèi)共發(fā)生7級(jí)以上強(qiáng)震7次，由北向南依次是:1626年發(fā)生在太白維山山前斷裂帶的7級(jí)地震;512年發(fā)生在五臺(tái)山北麓斷裂帶的7 1/2級(jí)地震;1683年發(fā)生在云中山山前斷裂帶的7級(jí)地震;1038年發(fā)生在系舟山山前斷裂帶的7 1/4級(jí)地震;1303年發(fā)生在大陽(yáng)-霍山山前斷裂帶的8級(jí)地震;1695年發(fā)生在臨汾-浮山斷裂的7 1/2地震等。歷史地震震中分布(圖1)顯示，除了1626年太白維山山前斷裂帶的7級(jí)地震外，其余幾次強(qiáng)震均發(fā)生在山西構(gòu)造帶內(nèi)的近SN向段落或由NE向構(gòu)造向SN向構(gòu)造轉(zhuǎn)折的部位，顯示了山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落對(duì)強(qiáng)震發(fā)生的控制作用，這一重要現(xiàn)象及其所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)含義值得進(jìn)一步研究。

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于山西構(gòu)造帶所處的鄂爾多斯塊體現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究存在諸多爭(zhēng)議，如認(rèn)為鄂爾多斯塊體現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要體現(xiàn)為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(蘇剛，1984;邵輝成等，1999)、上升運(yùn)動(dòng)(鄧起東等，1985，1999;胡惠民，1988)、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(車自成等，2002;張希等，2002)或順時(shí)針運(yùn)動(dòng)背景疊加了逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)(徐錫偉等，1994;陳小斌等，2005)及順時(shí)針與逆時(shí)針的交替活動(dòng)(范俊喜等，2003)。鄂爾多斯塊體的現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之所以存在諸多爭(zhēng)議，與鄂爾多斯塊體的現(xiàn)今復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)是密切相關(guān)的。現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)分布圖(馬杏垣等，1989)顯示:由多種手段所獲得的鄂爾多斯塊體的西邊界顯示出主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E向和NW向共存的復(fù)雜狀態(tài)，而山西構(gòu)造帶數(shù)據(jù)很少，北部的數(shù)據(jù)表明主壓應(yīng)力方向近EW向，南部則比較復(fù)雜。表明鄂爾多斯塊體本身所受到的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，山西構(gòu)造帶的應(yīng)力狀態(tài)值得分析。

圖1 山西構(gòu)造帶7級(jí)以上歷史強(qiáng)震震中分布圖Fig.1 Distribution of epicenters of historical strong earthquakes above M7.0 in Shanxi tectonic belt.

2 山西構(gòu)造帶現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)反演

通過(guò)搜集測(cè)定山西構(gòu)造帶內(nèi)波形可靠的震源機(jī)制，獲得了1967—1999年間震源機(jī)制數(shù)據(jù)1650個(gè)及2001—2010年9月期間數(shù)字化記錄的震源機(jī)制數(shù)據(jù)416個(gè)，這些震源機(jī)制的震中分布如圖2所示。運(yùn)用應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)定量化分析方法對(duì)這些震源機(jī)制數(shù)據(jù)分時(shí)間段進(jìn)行應(yīng)力參數(shù)計(jì)算。1989年10月、1991年3月以及1998年1月晉東北先后發(fā)生3次6級(jí)以上地震(圖3)。近年來(lái)在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)生了3次強(qiáng)震，它們是1996年麗江7.0級(jí)地震、2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震以及2008年汶川8.0級(jí)地震等，按這些強(qiáng)震發(fā)生時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分時(shí)段研究，研究過(guò)程中對(duì)強(qiáng)震時(shí)間點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了細(xì)分。如果這些強(qiáng)震的發(fā)生是應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整的信號(hào)，則按時(shí)段的分析結(jié)果就有可能得到體現(xiàn)。

圖2 震源機(jī)制解的震中分布Fig.2 Distribution of active faults of the Shanxi ectonic belt and the used focal mechanism data.

圖3 1985年以來(lái)山西地震M-t圖Fig.3 M-t diagram of earthquakes in Shanxi area since 1985.

圖4 山西構(gòu)造帶不同時(shí)段最大主壓應(yīng)力軸的分布Fig.4 Distribution of the maximum principal compressive stress axes of the Shanxi tectonic belt in different periods of time.

按上述強(qiáng)震發(fā)生時(shí)間分段獲得了山西構(gòu)造帶應(yīng)力反演結(jié)果。圖4顯示的是1967—1989年9月、1989年10月至1996年2月麗江地震前、1996年麗江地震后至2001年11月昆侖山口西地震前、2001年昆侖山口西地震后至2008年5月汶川地震前及2008年汶川地震后至2010年9月等時(shí)間段的最大主壓應(yīng)力軸分布的水平投影，應(yīng)力軸所顯示的方向?yàn)樽畲笾鲏簯?yīng)力軸方向，其長(zhǎng)短反映了最大主壓應(yīng)力軸的傾角(傾角為零時(shí)長(zhǎng)度最大)。結(jié)果顯示，1967—2001年昆侖山口西地震發(fā)生前的各時(shí)段結(jié)果均顯示最大主壓應(yīng)力軸分布以NW向?yàn)橹?而2001年昆侖山口西地震發(fā)生后山西構(gòu)造帶的最大主壓應(yīng)力軸方位發(fā)生了顯著變化，由NW向分布轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向分布。其中，2001年昆侖山口西強(qiáng)震前晉北地震主要發(fā)生在西部，而這次強(qiáng)震后的地震主要發(fā)生在東部，難以確認(rèn)應(yīng)力主軸方向變化的原因。但是，晉中和晉南有不同時(shí)段震源機(jī)制數(shù)據(jù)共同覆蓋，由不同時(shí)段應(yīng)力主軸方位的分布能夠確切說(shuō)明2001年昆侖山口西地震發(fā)生后山西構(gòu)造帶的應(yīng)力主軸方向有顯著轉(zhuǎn)變，且這種轉(zhuǎn)變并非是由震源機(jī)制數(shù)據(jù)的地點(diǎn)不同所造成的。2008年5月汶川地震后山西構(gòu)造帶地震活動(dòng)有所增強(qiáng)，但獲得的震源機(jī)制數(shù)據(jù)較少，且主要分布在晉北地區(qū)。由2009年山西構(gòu)造帶發(fā)生了2次4級(jí)以上及2010年發(fā)生的3次近5級(jí)中等強(qiáng)度地震的震源機(jī)制來(lái)看(圖4)，其P軸均為NE或NEE向分布。它們與2001年昆侖山口西地震后2008年汶川地震前這一時(shí)間段的最大主壓應(yīng)力軸方向保持一致，表明2008年汶川地震后山西構(gòu)造帶的應(yīng)力主軸方向未發(fā)生明顯變化，仍保持昆侖地震后的應(yīng)力方向。

為了落實(shí)山西構(gòu)造帶應(yīng)力主軸變化是區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整所引起還是受局部構(gòu)造的差異活動(dòng)所影響，分析了各點(diǎn)應(yīng)力主軸的傾角隨緯度的分布。從圖5可以看出，應(yīng)力主軸方向變化前的時(shí)段最大主應(yīng)力軸的傾角絕大多數(shù)低于45°，表明最大主應(yīng)力軸以水平分布為主;而在應(yīng)力方向變化后即2001年昆侖山口西地震后的時(shí)段，大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)(122個(gè))仍顯示最大主應(yīng)力軸為低傾角，少數(shù)(47個(gè))數(shù)據(jù)顯示為高傾角，而最大主壓應(yīng)力軸為高傾角的點(diǎn)位基本分布在山西構(gòu)造帶內(nèi)的NE向盆地內(nèi)或由SN向構(gòu)造向NE向構(gòu)造轉(zhuǎn)折的部位，反映了此時(shí)段在NE向構(gòu)造應(yīng)力作用下山西構(gòu)造帶內(nèi)SN向構(gòu)造的右旋水平剪切運(yùn)動(dòng)及NE向盆地的拉張。因此推斷山西構(gòu)造帶的應(yīng)力方向變化是由區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的變化所引起，并非是發(fā)震構(gòu)造的不同所導(dǎo)致，并值得進(jìn)一步關(guān)注。

圖5 山西構(gòu)造帶應(yīng)力主軸傾角在不同時(shí)段隨緯度的分布Fig.5 Plunge distribution of stress axes versus latitude in Shanxi tectonic belt.

圖6 山西構(gòu)造帶不同時(shí)段應(yīng)力狀態(tài)的分布Fig.6 Distributions of stress state of the Shanxi tectonic belt in different time periods.

圖6顯示的是3個(gè)應(yīng)力主軸σ1(最大主應(yīng)力軸)、σ2(中等主應(yīng)力軸)及σ3(最小主應(yīng)力軸)空間方位狀態(tài)的直觀描述，其中σ1和σ2水平、σ3豎直時(shí)表示應(yīng)力狀態(tài)為水平擠壓;σ2和σ3水平、σ1豎直時(shí)表示應(yīng)力狀態(tài)為水平拉張;σ1和σ3水平、σ2豎直時(shí)表示應(yīng)力狀態(tài)為水平剪切，之間為過(guò)渡狀態(tài)。從圖6可以看出，2001年昆侖山口西地震前各時(shí)段山西構(gòu)造帶應(yīng)力狀態(tài)以水平剪切為主，而2001年昆侖山口西地震發(fā)生后，山西構(gòu)造帶的應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為水平剪切和水平拉張的交替分布特點(diǎn)，其中水平剪切的部位對(duì)應(yīng)著山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落，而水平拉張的部位對(duì)應(yīng)著山西構(gòu)造帶內(nèi)的NE向段落。

3 結(jié)論

(1)山西構(gòu)造帶中南部地區(qū)應(yīng)力主軸方向在2001年昆侖山口西地震前后存在明顯變動(dòng)。山西構(gòu)造帶的應(yīng)力狀態(tài)研究顯示，在不同時(shí)間段均有數(shù)據(jù)覆蓋的中南部地區(qū)應(yīng)力主軸隨時(shí)間變化，在數(shù)據(jù)分布的時(shí)間范圍內(nèi)最大主壓應(yīng)力軸的方向由2001年昆侖山口西地震前的NW向分布為主轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸷蟮腘E向分布為主。

(2)山西構(gòu)造帶不同方向構(gòu)造段的應(yīng)力狀態(tài)受應(yīng)力主軸方向控制。山西構(gòu)造帶的歷史強(qiáng)震大多數(shù)發(fā)生在山西構(gòu)造帶內(nèi)的近SN向段落或由NE向構(gòu)造向SN向構(gòu)造轉(zhuǎn)折的部位，顯示了山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落對(duì)強(qiáng)震發(fā)生的控制作用。本文對(duì)區(qū)域應(yīng)力的分時(shí)段研究結(jié)果顯示，當(dāng)最大主壓應(yīng)力軸分布以NE向?yàn)橹鲿r(shí)，山西構(gòu)造帶的應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為水平剪切和水平拉張的交替分布特點(diǎn)，其中水平剪切應(yīng)力狀態(tài)的部位對(duì)應(yīng)著山西構(gòu)造帶內(nèi)的SN向段落，而水平拉張的應(yīng)力狀態(tài)部位對(duì)應(yīng)著山西構(gòu)造帶內(nèi)的NE向段落。通過(guò)簡(jiǎn)要的構(gòu)造物理模型可解釋這一特點(diǎn):山西構(gòu)造帶受NE向推擠時(shí)，內(nèi)部SN向段落容易積累應(yīng)力產(chǎn)生右旋剪切變形，處于地震活動(dòng)的優(yōu)勢(shì)方位;而NE向的構(gòu)造段在NE向應(yīng)力作用下拉張變形，不利于積累應(yīng)力產(chǎn)生較強(qiáng)的地震。推斷山西構(gòu)造帶的歷史強(qiáng)震活動(dòng)與NE向的構(gòu)造應(yīng)力相關(guān)。

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