張淑亮 劉瑞春 王霞

1）山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號 030021

2）太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原市太原基準(zhǔn)地震臺 030025

0 引言

2008年5月12日汶川8.0地震后，山西斷陷帶長達(dá)3年7個月的4級地震平靜被2009年山西原平4.2級地震打破，2010年山西地區(qū)又相繼發(fā)生了河津4.8級、大同4.7級和太原4.6級等一系列地震。除此之外，山西部分前兆測項數(shù)據(jù)在汶川地震后也出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，特別是位于山西中部太原盆地的太原地震臺監(jiān)測到的一些前兆異常，其變化幅度之大是自觀測以來罕見的。因此，研究汶川地震前后太原盆地應(yīng)力場變化特征對于異常性質(zhì)的判定以及山西地區(qū)未來地震活動性的預(yù)測尤為重要。

地應(yīng)力是導(dǎo)致各種構(gòu)造變形的力學(xué)因素，如何測定其方向和強(qiáng)度、研究其空間分布及隨時間的變化，對于探索地震的孕育及發(fā)生是非常必要的（王凱英等，2012）。一些學(xué)者在研究強(qiáng)震前震源應(yīng)力場的變化時發(fā)現(xiàn)，7級以上強(qiáng)震前震源應(yīng)力場中2個主應(yīng)力軸的空間取向有時會發(fā)生逆轉(zhuǎn)（成爾林等，1985）；1991年大同-陽高5.9級地震前震源應(yīng)力場中2個主應(yīng)力軸的方向曾發(fā)生逆轉(zhuǎn)，主壓應(yīng)力軸逆轉(zhuǎn)時間約為10個月，主張應(yīng)力軸逆轉(zhuǎn)時間為2個月，震前2個月2個主應(yīng)力軸的方向、仰角都恢復(fù)到正常狀態(tài)（劉巍等，1999）。2008年汶川地震前，山西斷陷帶呈相對均一的NW向拉張，震后以構(gòu)造擠壓為主，南端為強(qiáng)烈拉張，主壓應(yīng)力最高值為前期的5～6倍，主張應(yīng)力最高值為前期的2倍，主壓應(yīng)力方向自北向南由NW向轉(zhuǎn)為NEE向。這表明汶川地震后鄂爾多斯塊體與華北平原塊體之間相對擠壓、扭錯作用增強(qiáng)，并導(dǎo)致山西斷陷帶地殼形變與構(gòu)造應(yīng)力場變化明顯（劉峽等，2013）。目前，由震源機(jī)制信息尚不能直接提供發(fā)震構(gòu)造的應(yīng)力大小，而通過一些現(xiàn)場應(yīng)力測量手段雖能獲得主應(yīng)力的大小和方向，但因測量深度有限，使得直接探測震源深度上的應(yīng)力狀態(tài)非常困難。而地震視應(yīng)力可用來研究震源區(qū)的應(yīng)力水平，GPS能觀測到大區(qū)域的地球表面位移場隨時間的變化，兩者結(jié)合則能得到地球內(nèi)部應(yīng)力場變化在地面的形變響應(yīng)的分布（張正濤等，2005）。因此，本文利用小震震源機(jī)制解、地震視應(yīng)力、GPS測量結(jié)果等資料，對汶川地震前后太原盆地應(yīng)力場變化特征進(jìn)行研究，以期為探討該地區(qū)未來地震活動趨勢提供構(gòu)造應(yīng)力場變化的背景依據(jù)。

1 太原盆地應(yīng)力場特征

太原盆地是山西斷陷帶內(nèi)一系列新生代斷陷盆地之一，也是山西斷陷帶地震活動最頻繁的地區(qū)之一。它位于斷陷帶中部，是一個呈NE向的規(guī)則的矩形盆地，東、西邊界分別為太谷斷裂、交城斷裂，且分別與太行山、呂梁山相隔。盆地的地震活動不僅受西、東2大斷裂帶的控制，也受斷裂帶內(nèi)外緣周圍伴生的縱橫交錯的較小斷裂的影響（圖1）。

圖1 太原盆地構(gòu)造背景

太原盆地地殼應(yīng)力場具有顯著的局部小區(qū)域應(yīng)力場特征，即以NW-NNW向水平拉張、NE-NEE向擠壓作用為主；一條地震節(jié)面走向為NNE-NE，與主要構(gòu)造線一致，另一條地震節(jié)面為NWW，與盆地走向斜交；走向NNE的地震斷裂多為走滑、近走滑，走向NWW的地震斷裂則以近走滑兼有斜滑分量為主，震源類型多為走滑-近走滑，兼有一定的斜滑分量，該應(yīng)力場控制著太原盆地的中小地震活動；平均應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向N70°E，主張應(yīng)力方向N340°W，仰角小于10°，中間應(yīng)力軸直立；2條地震節(jié)面一條取向16°，另一條取向106°，且相互垂直，均為大角度的正斷層，震源錯動為走滑類型。該結(jié)果與華北區(qū)域應(yīng)力場的研究結(jié)果極為相似，說明太原盆地的現(xiàn)代地殼應(yīng)力場仍嚴(yán)格受華北區(qū)域應(yīng)力場的控制，其地震活動也是在華北區(qū)域應(yīng)力場的作用之下發(fā)生的（劉巍等，1994）。小震綜合斷面解結(jié)果顯示，主壓應(yīng)力軸方位 45°～52°，仰角 23°～86°；主張應(yīng)力軸方位 132°～154°，仰角 4°～15°，應(yīng)力場表現(xiàn)為NW-SE向至NNW-SSE向的水平伸展應(yīng)力場（徐志斌等，1998）。太原盆地的地塊具有右旋的性質(zhì)，并經(jīng)受著NE-SW向擠壓與NW-SE向拉伸，與山西地區(qū)以NE-SW向為主壓應(yīng)力的現(xiàn)代應(yīng)力場一致（楊承先，1996）。上述研究結(jié)果均表明，NW-NNW向水平拉張與NE-NEE向擠壓為太原盆地應(yīng)力場的主要特征。

2 汶川地震前后太原盆地應(yīng)力場特征

2.1 應(yīng)力場變化特征

對汶川地震前后太原盆地2.5級以上中小地震的震源機(jī)制解分別進(jìn)行了計算，并以斷層滑動方向與最大剪應(yīng)力方向的殘差最小為依據(jù)獲得最優(yōu)應(yīng)力模型，進(jìn)而得到主應(yīng)力方向（Gephart，1990）。該方法假定：①在一定時空范圍內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場是均勻的；②斷層滑動方向與斷層面上最大剪應(yīng)力方向一致。應(yīng)力是相對稱的二維張量，有6個獨(dú)立的參數(shù)，由于只有偏應(yīng)力張量才能產(chǎn)生剪應(yīng)力，因此，在只考慮構(gòu)造應(yīng)力張量的偏應(yīng)力張量（含義是對角線之和為零）以及人為規(guī)定六面體剪應(yīng)力大小的情況下，斷層面上的剪應(yīng)力方向只依賴于4個參量，即3個主應(yīng)力方向和1個應(yīng)力大小量值R（指中間主應(yīng)力相對于最大、最小主應(yīng)力的大小，R＝（S1-S2）／（S1-S3）。其中，S1、S2、S3分別為最大、中間和最小主應(yīng)力，取壓應(yīng)力為正）。R的大小反映出中等主應(yīng)力的相對大小。上述4個應(yīng)力參數(shù)的任何一種組合都可作為一個應(yīng)力模型，與觀測數(shù)據(jù)擬合最好的模型則為最優(yōu)模型。在應(yīng)力張量結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步求取β角度（單個震源機(jī)制的滑動矢量與在應(yīng)力張量作用下產(chǎn)生的滑動矢量之間的夾角）來表征震源機(jī)制一致性（圖2），并采用不同的顏色繪制研究區(qū)域各個節(jié)點(diǎn)應(yīng)力場非均勻性的空間分布；同時采用多個震源機(jī)制解的平均β角度在不同時段的變化跟蹤分析太原盆地應(yīng)力場隨時間的變化，計算結(jié)果見圖3、4。由圖3、4可見：①汶川地震前太原盆地小震震源球所顯示的震源錯動是以正斷地震活動為主兼有少量的走滑分量，最大壓應(yīng)力主軸為NNW-SSE向，仰角 69°；最大張應(yīng)力軸為 NNE-SSW向，仰角6°，構(gòu)造應(yīng)力場以 NNE-SSW向拉張應(yīng)力為主。②汶川地震后太原盆地小震震源球所顯示的震源錯動是以走滑為主，最大壓應(yīng)力主軸為 NEE-SWW向，仰角0°；最大張應(yīng)力軸為 NNW-SSE向，仰角54°，構(gòu)造應(yīng)力場以NEE-SWW向擠壓應(yīng)力為主。

圖2 單個震源機(jī)制的滑動矢量與在應(yīng)力張量作用下產(chǎn)生的滑動矢量之間的夾角（據(jù)Lu等（1996））

由于單個震源機(jī)制的滑動矢量與在應(yīng)力張量作用下產(chǎn)生的滑動矢量之間的夾角β可表征震源機(jī)制一致性參數(shù)，因此，可利用β值隨時間的變化來分析應(yīng)力場的變化特征。圖5給出了2002年以來太原盆地小震震源β值隨時間變化曲線。由5圖可見，汶川地震前震源機(jī)制解3個主應(yīng)力方向較為凌亂，汶川地震后趨于穩(wěn)定，且接近背景構(gòu)造應(yīng)力場（李麗等，2015）。

圖3 太原盆地2002～2008年2.5級以上地震（a）、震源球分布（b）及應(yīng)力場方向（c）

圖4 太原盆地2009～2012年2.5級以上地震（a）、震源球分布（b）及應(yīng)力場方向（c）

圖5 應(yīng)力場隨時間的變化

2.2 形變速率場和應(yīng)變率場特征

利用汶川地震前后山西地震帶GPS水平形變速率場計算了應(yīng)變率場，應(yīng)變率場計算是將計算區(qū)域分為0.4°×0.4°的網(wǎng)格，對于每個待計算的網(wǎng)格點(diǎn)，聯(lián)合周邊一定距離范圍內(nèi)的GPS站點(diǎn)的速率場，基于最小二乘法估算平均應(yīng)變率場，所使用的速率場數(shù)據(jù)是根據(jù)GPS站點(diǎn)至待計算格網(wǎng)點(diǎn)的距離取不同的權(quán)重（劉瑞春等，2014）。結(jié)果表明：①汶川地震前太原盆地水平形變速率場運(yùn)動方向以近SN向為主，兼有少量的SE向，平均速率約為2mm／a；汶川地震后水平形變速率場運(yùn)動方向向西偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)為SSW向或SW向，SE向的運(yùn)動也轉(zhuǎn)為SSE向，平均形變速率有所增加，約為4mm／a（圖6）。②汶川地震前太原盆地應(yīng)變率場以近EW向的壓應(yīng)力作用為主，兼有NW向的壓應(yīng)力，最大主應(yīng)變約為－2.6×10－8／a；汶川地震后應(yīng)變率場仍以擠壓變形為主，但應(yīng)變有所減?。▓D7）。

圖6 太原盆地GPS形變速率場

從應(yīng)變率場的大小來看，汶川地震前，張應(yīng)變分布在交城斷裂下盤的西南方向，壓應(yīng)變分布在交城斷裂北段的兩側(cè)；汶川地震后，最大張應(yīng)變向交城斷裂靠近，且距離斷裂愈近，張應(yīng)變愈大。從應(yīng)變率場的方向來看，汶川地震前，張應(yīng)變方向基本與交城斷裂平行，為近NE向，壓應(yīng)變與交城斷裂垂直，為近EW向，與華北地區(qū)NW-NNW向的水平拉張應(yīng)力場特征明顯不同；汶川地震后，張應(yīng)變幾乎逆時針旋轉(zhuǎn)了90°，由平行于交城斷裂方向轉(zhuǎn)為垂直于交城斷裂的方向，即NW向，接近華北地區(qū)NW-NNW向的水平拉張區(qū)域應(yīng)力場的特征（圖7）。該現(xiàn)象與由太原盆地小震震源機(jī)制解反演的結(jié)果類似，表明汶川地震后太原盆地應(yīng)變率場不僅在大小上出現(xiàn)顯著的改變，而且其方向也發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。

圖7 太原盆地GPS應(yīng)變率場

2.3 地震視應(yīng)力變化特征

利用2001～2013年太原盆地及鄰區(qū)ML≥2.0地震波形數(shù)據(jù)計算得到單個地震的視應(yīng)力值?？紤]到視應(yīng)力計算條件，在近震源條件下，選用震中距≤200km、信噪比較高、記錄清晰的臺站波形數(shù)據(jù)。在去傾斜、儀器響應(yīng)校正處理后，選取S波段1.0～20.0Hz范圍內(nèi)的波形進(jìn)行震源譜計算，最終取得300余次地震的震源參數(shù)。

圖8、9為太原盆地2.0～2.9級、3.0～3.9級地震的視應(yīng)力隨時間變化曲線以及空間演化圖像。由圖8、9可見：①太原盆地2.0～2.9級地震視應(yīng)力多年平均值為1.2bar，汶川地震后視應(yīng)力值明顯增大，最大為2010年3月20日2.8級地震，其視應(yīng)力值達(dá)到6.6bar，是多年平均值的5.6倍。從同時段的等值線圖可以看出，在交城斷裂的南、北段均存在高值區(qū)。②太原盆地3.0～3.9級地震視應(yīng)力多年平均值為4.7bar，汶川地震后視應(yīng)力值明顯增大，最大為2010年6月24日3.4級地震，其視應(yīng)力值達(dá)到12.5bar，是多年平均值的2.9倍。從同時段的等值線圖可以看出，在交城斷裂的北部邊界存在高視應(yīng)力區(qū)。

圖8 太原盆地2.0～2.9級地震視應(yīng)力隨時間的變化（a）及相應(yīng)的等值線（b）

圖9 太原盆地3.0～3.9級地震視應(yīng)力隨時間的變化（a）及相應(yīng)的等值線（b）

由于地震視應(yīng)力常被用來研究震源區(qū)的應(yīng)力水平，即地震視應(yīng)力越高，震源區(qū)的應(yīng)力水平就越高；反之，震源區(qū)的應(yīng)力水平則低（陳學(xué)忠等，2003）。地震視應(yīng)力還可作為該地區(qū)背景應(yīng)力水平的一個間接估計（吳晶等，2004）。王瓊等（2005）認(rèn)為，視應(yīng)力確實能反映應(yīng)力場的演化過程，故實時追蹤視應(yīng)力的變化可作為地震危險性判定的依據(jù)。太原盆地2.0～2.9級、3.0～3.9級地震視應(yīng)力在汶川地震后出現(xiàn)大于背景值的高值異常，高視應(yīng)力異常出現(xiàn)的時間與太原盆地區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生轉(zhuǎn)折的時間具有準(zhǔn)同步性的特點(diǎn)。因此，這種異?，F(xiàn)象可能也反映出該地區(qū)應(yīng)力水平由低向高增強(qiáng)的過程。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過對汶川地震前、后太原盆地小震震源機(jī)制解、GPS速率場和應(yīng)變率場以及地震視應(yīng)力等特征進(jìn)行分析，可得到如下認(rèn)識：

（1）汶川地震前小震震源機(jī)制解反演的太原盆地構(gòu)造應(yīng)力場以NNE-SSW向拉張應(yīng)力為主，與華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場所表現(xiàn)的特征不同，顯示以局部應(yīng)力場活動為主的特點(diǎn)；汶川地震后構(gòu)造應(yīng)力場以NEE-SWW向擠壓應(yīng)力為主，與華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場基本相同；由單個震源機(jī)制一致性參數(shù)β所反映的3個主應(yīng)力方向在汶川地震后也由較為凌亂的局部應(yīng)力場轉(zhuǎn)為且接近背景構(gòu)造應(yīng)力場。這些特征表明汶川地震后太原盆地區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生了改變。

（2）汶川地震后太原盆地水平形變速率場不僅在方向上發(fā)生了改變，而且平均速率也有所增加，約為原來的2倍；應(yīng)變率場也是由以局部應(yīng)力場作用為主的特點(diǎn)轉(zhuǎn)為接近華北地區(qū)應(yīng)力場的特點(diǎn)，且與由太原盆地小震震源機(jī)制解反演得到的構(gòu)造應(yīng)力場有類似的特征。

（3）汶川地震后太原盆地2.0～2.9級、3.0～3.9級地震視應(yīng)力分別出現(xiàn)大于背景值5.6、2.9倍的高值異常，且高視應(yīng)力異常出現(xiàn)的時間與太原盆地區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生轉(zhuǎn)折的時間具有準(zhǔn)同步性，這種異?，F(xiàn)象可能也反映該地區(qū)應(yīng)力水平由低向高增強(qiáng)的過程。

（4）汶川地震對太原盆地構(gòu)造應(yīng)力場的影響較為顯著，不僅改變了應(yīng)力場作用的方向，而且也改變了應(yīng)力值的大小。即由震前的NNE-SSW向拉張應(yīng)力的局部小區(qū)域應(yīng)力場為主的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)為震后NEE-SWW向擠壓應(yīng)力為主且接近華北地區(qū)應(yīng)力場的特征。這一變化態(tài)勢有利于局部應(yīng)變能的積累，可能是太原盆地中小地震活躍的誘發(fā)因素。

3.2 討論

（1）如前所述，汶川地震后小震震源機(jī)制解、地震視應(yīng)力、GPS水平形變速率場和應(yīng)變率場等均發(fā)生了顯著改變，它們在時間上具有準(zhǔn)同步性的特點(diǎn)；由震源機(jī)制解和GPS求得的應(yīng)力場在汶川地震前、后也具有一致性，即由震前NNE-SSW向拉張應(yīng)力的局部小區(qū)域應(yīng)力場為主的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)為震后NEE-SWW向擠壓應(yīng)力為主且接近華北地區(qū)應(yīng)力場的特征。

（2）由于汶川地震的最根本動力來源為印度板塊向北推擠青藏高原，使青藏高原和華南地塊之間相對運(yùn)動在斷裂帶上產(chǎn)生的能量積累和釋放（張培震，2008；朱守彪等，2009）。由于構(gòu)造邊界帶位于不同塊體的銜接部位，構(gòu)造運(yùn)動在很大程度上取決于周邊塊體的相對運(yùn)動態(tài)勢。尤其是邊界帶地殼破碎程度高，斷層密集分布且活動性強(qiáng)，即使周邊塊體運(yùn)動發(fā)生微小變化，也會導(dǎo)致其運(yùn)動、形變和應(yīng)力格局顯著改變。而位于山西斷陷帶中部的太原盆地正是處于這樣的構(gòu)造部位，因此汶川地震破裂帶的北段逆沖、右旋破裂方式，將直接影響到太原盆地的構(gòu)造格局。

2008年汶川8.0級地震后，在華北地區(qū)的西南區(qū)域，尤其是太原以南的山西斷陷帶優(yōu)勢位移方向向北，這種位移方向幾乎與震前的方向相互正交的現(xiàn)象，是由于龍門山斷裂帶的右旋破裂導(dǎo)致其西北向物質(zhì)向東、北方向移動，到鄂爾多斯塊體的東南邊緣基本上是向北移動，而山西帶的南端與此位移方向完全一致（楊國華等，2009）；中國大陸東、西部相對運(yùn)動更為強(qiáng)化，鄂爾多斯塊體與華北平原塊體相對擠壓和扭錯顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致山西帶形變場與構(gòu)造應(yīng)力場由原來的構(gòu)造拉張轉(zhuǎn)為構(gòu)造擠壓。這一變化態(tài)勢有利于局部應(yīng)變能積累，很可能是近一時期山西斷陷帶中小地震活躍的誘發(fā)因素，并有利于區(qū)域強(qiáng)震的孕育、發(fā)生（劉峽等，2013）。

汶川地震震源機(jī)制結(jié)果也表明，汶川地震為龍門山斷裂的逆沖兼走滑運(yùn)動引起的，其有利于華北地區(qū)NE向斷層的右旋走滑運(yùn)動。山西斷陷帶內(nèi)的斷層多屬于NE走向，受汶川地震的影響較為顯著。2009年3月山西斷陷帶長時間4級地震平靜被打破，2010年中強(qiáng)地震持續(xù)活躍現(xiàn)象，特別是太原盆地構(gòu)造應(yīng)力場的改變等現(xiàn)象即是汶川地震引起的區(qū)域殼-幔應(yīng)力場調(diào)整和擴(kuò)散傳播所致。

（3）汶川地震后太原基準(zhǔn)地震臺先后出現(xiàn)了井水位、體應(yīng)變、水準(zhǔn)等前兆異常，且異常形態(tài)均反映出臺站處在壓應(yīng)力環(huán)境中，與汶川地震前顯示的張性應(yīng)力環(huán)境截然不同。前兆異常所表現(xiàn)的特征與小震震源機(jī)制解類似，表明這些異常與構(gòu)造活動有關(guān)。

（4）山西地震帶一些中強(qiáng)地震前，太原盆地小震綜合斷面解存在以小區(qū)域應(yīng)力場作用為主的特點(diǎn)轉(zhuǎn)為受華北區(qū)域應(yīng)力場控制且接近華北構(gòu)造應(yīng)力場的特點(diǎn)（劉巍等，1994）。而在汶川地震前長達(dá)6～7年的時間里（2002～2008年），地震記錄顯示的太原盆地小區(qū)域應(yīng)力場以NNE-SSW向拉張為主，這一結(jié)果與現(xiàn)有的很多 GPS研究結(jié)果（汶川地震以前（1999～2007）山西帶以張性變形為主（主張方向為 NW-NWW向））、劉巍等（1994）的有關(guān) 1970～1992年地震震源機(jī)制解的結(jié)果（太原盆地主張方向為NW-NWW向）以及若干地震、地質(zhì)研究結(jié)果（太原盆地應(yīng)力場特征總體上與華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場一致）截然不同。這是由于劉巍等（1994）研究結(jié)果所使用的是1993年以前的地震，且將整個太原盆地作為1個構(gòu)造單元進(jìn)行研究。而太原盆地內(nèi)部構(gòu)造極其復(fù)雜，應(yīng)力場在不同區(qū)域表現(xiàn)的特征各不相同，特別是在太原盆地以北的交城斷裂晉祠段附近，應(yīng)力場與盆地的整體應(yīng)力場存在很大的差異。2001年中國大陸西部發(fā)生的昆侖山口西8.1級大震在一定程度上改變了山西構(gòu)造帶的應(yīng)力狀態(tài)。該地震震前最大主壓應(yīng)力軸以NW向分布為主，震后轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向分布為主。而在具有小區(qū)域應(yīng)力場特征的交城斷裂晉祠段附近地區(qū)，這次地震后主壓應(yīng)力軸也轉(zhuǎn)為NW向，與太原盆地NE向主壓應(yīng)力軸明顯不同（王凱英等，2012），但與本文的研究結(jié)果一致。2008年汶川8.0級地震后，太原盆地應(yīng)力場也由小區(qū)域應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏A北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場。這種差別可能是區(qū)域應(yīng)力場的作用增強(qiáng)、山西地震帶中強(qiáng)地震逐漸活躍的一種顯示。汶川地震后山西地區(qū)發(fā)生的一系列中強(qiáng)震也印證了這一觀點(diǎn)。

（5）汶川地震對太原盆地構(gòu)造應(yīng)力場影響顯著，因此系統(tǒng)研究兩者之間的關(guān)系，對準(zhǔn)確把握太原盆地乃至山西地震帶地震形勢具有一定的重要意義。