李 斌, 李自紅

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院,太原 030024;2.山西省地震局,太原 030021；3.太原理工大學 地震與地質(zhì)災害防治研究所，太原 030024)

構造應力場是地球動力學研究中十分重要的內(nèi)容之一,然而目前直接測量地殼內(nèi)的區(qū)域構造應力仍然非常困難[1-2]。常用的方法是利用其他一些地球物理觀測資料,反演或聯(lián)合反演構造應力的某些特征,地震的震源機制解就是其中有效且可靠的選擇之一。單個地震的震源機制解可以揭示地震發(fā)生時發(fā)震斷層破裂或活動的方式、反映地震前后震源區(qū)應力狀態(tài)的變化,是震源區(qū)構造應力場自身的一種體現(xiàn),但不足以反映整個區(qū)域應力場的概況[3]。大量中小地震的震源機制解的總體特征以及基于它們的應力張量反演結(jié)果被越來越多的研究證明能夠更好地反映該區(qū)域的構造應力場特征。

太原盆地是山西斷陷帶中部的大型新生代斷陷盆地,也是斷陷帶內(nèi)地震活動最頻繁的地區(qū)之一[4]。該盆地沿北東向展布,整體呈矩形狀,兩條大型的邊界斷裂(太谷斷裂和交城斷裂)控制著盆地的構造與地貌格局。有歷史記錄以來(自公元231年)太原盆地未發(fā)生過7.0級以上地震,據(jù)此一些地質(zhì)學家和地震學家認為太原盆地可能不具備發(fā)生7.0級以上地震的發(fā)震條件[5-6]。但近年越來越多的研究結(jié)果表明,太原盆地具有發(fā)生7.0級地震的潛在危險[7-15]。如沿交城斷裂和太谷斷裂帶開挖的一系列探槽揭示了太原盆地至少發(fā)生過多次較大的古地震事件[9-12];謝新生等人研究認為,太原盆地東邊界的太谷斷裂帶恰好位于1303年洪洞M8級地震破裂帶北向延長線上,為區(qū)域構造應力易于積累的位置,其潛在的強震危險性應得到足夠重視與進一步的研究[13-15];最近張井飛等利用太原盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)的古地震數(shù)據(jù)并結(jié)合活動斷層探測資料對太原盆地進行了系統(tǒng)的地震危險性潛勢分析,研究結(jié)果顯示未來50年內(nèi)太原盆地具有發(fā)生M7.0級以上地震的潛在危險性,其中太谷地區(qū)未來50和100年的Ms≥7.0級地震的發(fā)生概率較高,最高達到了15%和27.8%[11]。地震的孕育過程實質(zhì)上就是地殼中應力不斷積累的過程,當?shù)貧ぶ蟹e累的應力超過震源區(qū)脆性介質(zhì)所能承受的極限時就會發(fā)生破裂或沿原來的破裂面滑動,從而引發(fā)地震。本文在收集整理1970年至2016年6月發(fā)生在太原盆地中小地震震源機制解基礎上,分析太原盆地震源機制解的總體特征并進行區(qū)域構造應力反演,為深入研究該地區(qū)的地震危險性提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)構造

太原盆地被交城斷裂、太谷斷裂、以及南部的靈石隆起和北部的石嶺關隆起所圍限,總體走向北東,平面展布呈矩形,長約150 km,最寬處約40 km。該區(qū)域內(nèi)的北北東向、北東向和北西向展布的三組斷裂,尤其是北東向的交城斷裂和太谷斷裂,斷裂規(guī)模較大,控制著太原盆地的地貌格局。交城斷裂是太原盆地西界的控制斷裂。前人對交城斷裂的研究始于上世紀70年代[5-6],初期的研究大多集中在論證斷裂帶的性質(zhì)及展布特點等問題上。對交城斷裂帶晚第四紀活動的認識自上世紀90年代逐漸得以深化,特別是謝新生等人于2007年、2008年,郭慧等人于2012年沿交城斷裂帶開挖的多個探槽,清晰地揭示了該斷裂帶為全新世活動斷層,且在歷史時期至少發(fā)生過3次較大的古地震事件[9-10,12]。

太谷斷裂帶位于太原盆地東界,總體走向NE50°,長約110 km。相比于交城斷裂,太谷斷裂研究程度較低。在祁縣下閻燦村開挖的探槽研究結(jié)果顯示,發(fā)生在太谷斷裂帶上最新的斷錯事件距今(3 350±150)年[13,15];在太谷縣東山底開挖的探槽研究結(jié)果,共揭示了三次古地震事件:其中斷裂帶上發(fā)生的最新一次斷錯事件距今大約有3 880年;第二次古地震事件發(fā)生在距今約4 450年前;最早一次可能的古地震事件則發(fā)生在距今約7 750年前。謝新生等人研究認為,1303年洪洞8級地震活動時,有證據(jù)顯示發(fā)震斷層霍山斷裂帶可能貫穿了北部的綿山西側(cè)斷裂,從而引起太谷斷裂活動的最新一次活動[13,15]。太谷斷裂為全新世活動斷裂,沿斷裂帶記錄到的歷史地震強度和頻次都相對較低,僅記錄到1次4級地震,但1970年以來太原盆地中小震群活動頻繁。盆地的地震活動不僅受西、東兩側(cè)交城與太谷大斷裂帶的控制,同時也受大型斷裂帶內(nèi)外緣周圍伴生的縱橫交錯的較小斷裂的影響[4]。

2 地震活動特征

太原盆地為地震多發(fā)盆地,盆地及鄰區(qū)地震活動分布如圖1所示。從有記載的公元231年至今,在太原盆地未記錄到7級以上強震,共記錄到盆地內(nèi)發(fā)生的ML6.5級地震3次,ML 6.0～6.5級地震12次。相比于山西地震帶內(nèi)的臨汾盆地、忻定盆地和大同盆地,太原盆地的地震活動水平不高。尤其是臨汾盆地和忻定盆地,歷史上曾發(fā)生多次M7.0級以上地震,如發(fā)生在臨汾盆地的1695年的臨汾M7.8級地震。發(fā)生在山西地震帶的最近一次6級地震則是1989年的大同-陽高M6.1級震群,主震為大同盆地內(nèi)大王村斷裂和團堡斷裂兩條共軛斷裂作用的結(jié)果。

盡管近年來太原盆地內(nèi)沒有強震發(fā)生,盆地內(nèi)小震卻異?；钴S,多次發(fā)生震群活動。如圖1所示,大多數(shù)地震集中分布在盆地內(nèi)部,這與兩條邊界斷裂都傾向盆地內(nèi)部有關。地震震中在盆地內(nèi)的分布亦呈現(xiàn)出非均勻性,總體上看盆地西北角的太原凹陷附近與東南角的介休附近中小地震震中分布相對比較密集,而東北角的晉中附近與西南角的汾陽附近的中小地震分布卻相對稀疏,這一特征與盆地構造上的中心對稱相一致[11]。

圖1 太原盆地和鄰區(qū)地質(zhì)構造及有記錄以來地震活動分布Fig.1 Tectonics and earthquake activity distribution of Taiyuan Basin and its adjacent area

3 震源機制解及特征分析

地震的震源機制解,也叫斷層面解,是指震源區(qū)地震發(fā)生時的力學過程。通過震源機制解的解析可以揭示斷層破裂時具體的運動類型(如正斷層、逆斷層或走滑斷層)。震源機制解的求解方法很多,最常用的方法是利用位于震源不同方位的地震臺站記錄到的波形資料進行求解,參數(shù)包括地震波形的P波初動、振幅比,或進行全波形反演等。分析求解后得到的兩組力學參數(shù),分別為斷層破裂面走向、傾向和傾角,以及斷層破裂時的最大主應力軸、最小主應力軸和中等主應力軸的方位和產(chǎn)狀,這些參數(shù)是進行斷層錯動和應力分析的基礎。

3.1 震源機制解數(shù)據(jù)

本文搜集整理了前人利用不同方法得到的1970年至2016年6月發(fā)生在太原盆地的地震震源機制解共84個。考慮到震源機制解的準確性在很大程度上受到地震震級大小、臺網(wǎng)密度及記錄波形質(zhì)量等因素的影響,較大的震源機制解誤差會進一步放大后續(xù)基于這些數(shù)據(jù)的應力張量反演結(jié)果,本文對收集整理到的84個結(jié)果進行了較為嚴格的篩選,最后得到25個ML≥3.0級地震的震源機制解資料(圖2)。篩選的標準包括:1)基于P波初動得到的震源機制解應滿足在計算過程中選用震中距小于150 km的臺站，記錄的P波初動清晰、避免出現(xiàn)Pn和Pg混淆情況,記錄滿足要求的P波的臺站數(shù)目5個以上,以保證震源機制解的穩(wěn)定性[3];2)基于P波初動和振幅比得到的震源機制解還需要滿足記錄振幅要求大于1 mm且不能限幅；3)基于波形反演得到的震源機制解(如矩張量或CAP方法)應滿足理論波形與實際波形匹配較好且ML≥3.7[1-3,13]。

篩選后的25個震源機制解結(jié)果及其空間分布如圖2所示,不同的顏色代表不同的數(shù)據(jù)來源,其詳細的參數(shù)如斷層滑動面、P-軸與T-軸方位、資料來源等參見文獻[7](紅色),文獻[2](黑色)以及Harvard CMT(藍色)。

3.2 震源機制解總體特征

根據(jù)震源機制解3個應力軸傾角值的大小,可將反映斷層破裂前后應力狀態(tài)的震源機制解分為以下6種類型:正斷型(NF)、正走滑型(NS)、走滑型(SS)、逆走滑型(TS)、逆斷型(TF)和無法確定型(U)[1]。太原盆地的震源機制解結(jié)果顯示,絕大多數(shù)為正走滑(NS)或走滑型(SS),與山西斷陷系構造活動特征及野外地質(zhì)證據(jù)吻合[11]。

4 應力張量反演方法及結(jié)果分析

4.1 應力張量反演方法

基于震源機制解數(shù)據(jù)的應力張量反演,常基于以下兩個假定:一是研究區(qū)域內(nèi)的地殼應力場處處均勻,二是斷層的滑動方向與應力張量投影在斷層面上的剪切應力方向一致[2]。應力張量反演的基本思想是在上述兩個假設的前提下,采用網(wǎng)格搜索法[16]或基于采樣優(yōu)化的蒙特卡羅方法[17]得到與震源機制達到最優(yōu)擬合的一組應力張量[2,16-17],即在此應力作用下最可能發(fā)生對應的斷層破裂方式。本研究采用的是Delvaux和Sperner 2003年提出的TENSOR算法,屬于網(wǎng)格搜索法,在TENSOR算法中,同時選擇斷層2個節(jié)面進行獨立反演。相比于其他方法如SLICK,該算法既可對于具有相似誤差的節(jié)面進行人機交互選擇正確的解,也可利用改進后的Gephart與Forsyth的網(wǎng)格搜索算法確定最優(yōu)解[2,14, 16-18]。

4.2 應力張量反演結(jié)果

基于太原盆地及附近區(qū)域25個ML≥3.0級地震震源機制解的應力張量反演結(jié)果如圖3所示。

圖3 基于太原盆地及周緣25個ML≥3.0級地震震源機制解的應力張量TENSOR 方法反演結(jié)果Fig.3 Stress tensor inversion based on 25 focal mechanism solutions of earthquakes (ML≥3.0) of Taiyuan Basin with TENSOR method

最大平均主壓應力軸(σ1)的走向為NE59°、傾角為57°;最大平均主張應力軸(σ3)的走向為NW331°,近乎垂直;中間平均主壓應力軸(σ2)的走向為SW241°,傾角為33°。該區(qū)域的構造應力狀態(tài)為造成斷層面的破裂以正斷類型(NF)為主且兼有一定的走滑分量,與震源機制解的整體特征相符。雖然在反演結(jié)果中σ1與σ2的走向(傾角)出現(xiàn)了一些變化(紅色橢圓區(qū)域的面積反映誤差的大小),但σ3的方位(傾角)始終相對比較穩(wěn)定。所有這些結(jié)果表明,太原盆地及其附近區(qū)域的區(qū)域平均構造應力受控于NNW-SSE向的主張應力作用,NE-SW向水平擠壓應力作用相對較弱,這與山西裂谷帶整體區(qū)域應力環(huán)境基本一致[2,13-14,19]。

5 結(jié)論

本文基于篩選后的太原盆地1970年至2016年25個ML≥3.0級地震的震源機制解結(jié)果,反演得到該區(qū)域現(xiàn)今的平均構造應力場。研究結(jié)果表明,太原盆地主要受到NWN-SES向拉張應力的控制,NE-SW向水平擠壓應力作用相對較弱,該區(qū)域構造應力場特征與山西地震帶總體的構造應力場基本一致。

太原盆地的震源機制解的總體特征反映了該區(qū)域的斷層活動以正走滑(NS)或走滑型(SS)為主,與山西裂谷帶構造特征以及野外地質(zhì)證據(jù)吻合。

對太原盆地區(qū)域構造應力場的研究結(jié)果可為今后進一步評價該區(qū)域的地震活動性及危險性研究提供依據(jù)。

[1] 王曉山,呂堅,謝祖軍,等.南北地震帶震源機制解與構造應力場特征[J].地球物理學報,2015,58(11):4149-4162. WANG Xiaoshan,LV Jian,XIE Zujun,etal.Focal Mechanism and Tectonic Stress Field in the North-south Seismic Belt of China[J].Chinese Journal of Geophysics,2015,58(11):4149-4162.

[2] LI Bin, ATAKAN Kuvvet,S?RENSEN B?ttger Mathilde.Stress Pattern of the Shanxi Rift System,North China,Inferred from the Inversion of New Focal Mechanisms[J].Geophysical Journal International,2015,201(2):505-527.

[3] 李麗,宋美琴,劉素珍.等.山西地區(qū)震源機制一致性參數(shù)時空特征分析[J].地震,2015,35 (2):43-40. LI Li,SONG Meiqin,LIU Shuzhen,etal.Spatial-temporal Characteristics of the Consistency Parameter of Focal Mechanisms in Shanxi Area.Earthquake,2015,35(2):43-40.

[4] 張淑亮,劉瑞春,王霞.汶川地震前后太原盆地應力場變化特征研究[J].中國地震,2017,35(1):46-55. ZHANG Shuliang,LIU Ruichun,WANG Xia.The Variation Characteristics of Stress Field of the Taiyuan Basin before and after the Wenchuan Earthquake[J].Earthquake Research in China,2017,35(1):46-55.

[5] 鄧起東, 王克魯, 汪一鵬,等.山西隆起區(qū)斷陷地震帶地震地質(zhì)條件及地震發(fā)展趨勢概述[J].地質(zhì)學,1973,16(1):37-47. DENG Qidong,WANG Kelu,WANG Yipeng,etal.On the Tendency of Seismicity and Their Geological Setup of the Seismic Belt of Shanxi Graben[J].Scientia Geological Sinica,1973,16(1):37-47.

[6] 蘇宗正.山西斷陷帶地震活動的新構造背景[J].山西地震,1988(4):2-6.

[7] 劉巍,趙新平,安衛(wèi)平,等.山西地區(qū)的地殼應力場[J].山西地震,1993(3):3-11.

[8] 劉巍,趙新平,安衛(wèi)平. 太原盆地的應力場特征[J].山西地震,1994(1):18-24.

[9] 謝新生,趙晉泉,江娃利,等.山西交城斷裂帶西張?zhí)讲廴率拦诺卣鹧芯縖J].地震地質(zhì),2007,29(4):744-755. XIE Xinsheng,ZHAO Jinquan,JIANG Wali,etal.Study on Holocene Paleoearthquake in Xizhang Trench on the Jiaocheng Fault Zone,Shanxi Province[J].Seismology and Geology,2007,29(4):744-755.

[10] 謝新生,江娃利,孫昌斌,等.山西交城斷裂帶多個大探槽全新世古地震活動對比研究[J].地震地質(zhì),2008,30(2):412-430. XIE Xinsheng,JIANG Wali,SUN Changbin,etal.Comparison Study on Holocene Paleoseismic Activities among Multi-trenches along the Jiaocheng Fault Zone,Shanxi[J].Seismology and Geology,2008,30(2):412-430.

[11] 張井飛,謝富仁,荊振杰,等.太原盆地地震潛勢分析[J].大地測量與地球動力學,2011,31(5):47-51. ZHANG Jingfei,XIE Furen,JING Zhenjie,etal.Analysis of Seismic Potential in Taiyuan Basin[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2011,31(5):47-51.

[12] 江娃利,謝新生,王瑞,等.山西斷陷系交城斷裂全新世古地震活動初步研究[J].地震研究,2004,27(2):184-190. JIANG Wali,XIE Xinsheng,WANG Rui,etal.Preliminary Study on Activity of Holocene Paleoearthquakes along the Jiaochen Fault in the Shanxi Downfaulted System [J].Seismology and Geology,2004,27(2):184-190.

[13] 何耀宇.溫壓耦合作用下巖石磁組構響應特征研究及應用[D].太原:太原理工大學,2016.

[14] LI Bin,LI Zihong,S?RENSEN B?ttger Mathilde,etal.Regional Stress Field around the Taigu Fault Zone in Shanxi Province,China [J].Earthquake Science,2015,28(5-6):333-345.

[15] 謝新生,江娃利,王煥貞,等.山西太谷斷裂帶全新世活動及其與1303年洪洞8級地震的關系[J].地震學報,2004,26(3):281-293. XIE Xinsheng,JIANG Wali,WANG Huanzhen,etal.Holocene Activities of the Taigu Fault Zone,Shanxi Province,in Relation to the 1303 Hongdong M=8 Earthquake[J].Acta Seissmologica Sinica,2004,26(3):281-293.

[16] GEPHART JW,FORYTB DW.An Improved Method for Determining the Regional Stress Tensor Using Earthquake Focal Mechanism Data-application to the San-fernando Earthquake Sequence[J].Journal of Geophysical Research Solid Earth,1984,89(2):9305-9320.

[17] DELVAUX D,SPERNER B.New Aspects of Tectonic Stress Inversion with Reference to the TENSOR Program.In: NIEUWLAND DA (ed.) 2003.New Insights into Structural Interpretation and Modelling[M].Geological Society,London,Special Publications,212:75-100.

[18] LI Bin,HAVSKOV Jens,OTTEM?LLER Lars,etal.New Magnitude Scales MLand Spectrum-based Mwfor the Area around Shanxi Rift System, North China[J].Journal of Seismology 2015,19(1):141-158.

[19] 李自紅,李斌,劉鴻福,等.韓城斷裂帶NE段構造應力特征[J].地震地質(zhì),2015,37(2):464-473. LI Zhihong,LI Bin,LIU Hongfu,etal.Research on Tectonic Stress of the Northeast Segment of Hancheng Fault Zone[J].Seismology and Geology,2015,37(2):464-473.