李 斌, 李自红

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.山西省地震局,太原 030021；3.太原理工大学 地震与地质灾害防治研究所，太原 030024)

构造应力场是地球动力学研究中十分重要的内容之一,然而目前直接测量地壳内的区域构造应力仍然非常困难[1-2]。常用的方法是利用其他一些地球物理观测资料,反演或联合反演构造应力的某些特征,地震的震源机制解就是其中有效且可靠的选择之一。单个地震的震源机制解可以揭示地震发生时发震断层破裂或活动的方式、反映地震前后震源区应力状态的变化,是震源区构造应力场自身的一种体现,但不足以反映整个区域应力场的概况[3]。大量中小地震的震源机制解的总体特征以及基于它们的应力张量反演结果被越来越多的研究证明能够更好地反映该区域的构造应力场特征。

太原盆地是山西断陷带中部的大型新生代断陷盆地,也是断陷带内地震活动最频繁的地区之一[4]。该盆地沿北东向展布,整体呈矩形状,两条大型的边界断裂(太谷断裂和交城断裂)控制着盆地的构造与地貌格局。有历史记录以来(自公元231年)太原盆地未发生过7.0级以上地震,据此一些地质学家和地震学家认为太原盆地可能不具备发生7.0级以上地震的发震条件[5-6]。但近年越来越多的研究结果表明,太原盆地具有发生7.0级地震的潜在危险[7-15]。如沿交城断裂和太谷断裂带开挖的一系列探槽揭示了太原盆地至少发生过多次较大的古地震事件[9-12];谢新生等人研究认为,太原盆地东边界的太谷断裂带恰好位于1303年洪洞M8级地震破裂带北向延长线上,为区域构造应力易于积累的位置,其潜在的强震危险性应得到足够重视与进一步的研究[13-15];最近张井飞等利用太原盆地内发现的古地震数据并结合活动断层探测资料对太原盆地进行了系统的地震危险性潜势分析,研究结果显示未来50年内太原盆地具有发生M7.0级以上地震的潜在危险性,其中太谷地区未来50和100年的Ms≥7.0级地震的发生概率较高,最高达到了15%和27.8%[11]。地震的孕育过程实质上就是地壳中应力不断积累的过程,当地壳中积累的应力超过震源区脆性介质所能承受的极限时就会发生破裂或沿原来的破裂面滑动,从而引发地震。本文在收集整理1970年至2016年6月发生在太原盆地中小地震震源机制解基础上,分析太原盆地震源机制解的总体特征并进行区域构造应力反演,为深入研究该地区的地震危险性提供依据。

1 区域地质构造

太原盆地被交城断裂、太谷断裂、以及南部的灵石隆起和北部的石岭关隆起所围限,总体走向北东,平面展布呈矩形,长约150 km,最宽处约40 km。该区域内的北北东向、北东向和北西向展布的三组断裂,尤其是北东向的交城断裂和太谷断裂,断裂规模较大,控制着太原盆地的地貌格局。交城断裂是太原盆地西界的控制断裂。前人对交城断裂的研究始于上世纪70年代[5-6],初期的研究大多集中在论证断裂带的性质及展布特点等问题上。对交城断裂带晚第四纪活动的认识自上世纪90年代逐渐得以深化,特别是谢新生等人于2007年、2008年,郭慧等人于2012年沿交城断裂带开挖的多个探槽,清晰地揭示了该断裂带为全新世活动断层,且在历史时期至少发生过3次较大的古地震事件[9-10,12]。

太谷断裂带位于太原盆地东界,总体走向NE50°,长约110 km。相比于交城断裂,太谷断裂研究程度较低。在祁县下阎灿村开挖的探槽研究结果显示,发生在太谷断裂带上最新的断错事件距今(3 350±150)年[13,15];在太谷县东山底开挖的探槽研究结果,共揭示了三次古地震事件:其中断裂带上发生的最新一次断错事件距今大约有3 880年;第二次古地震事件发生在距今约4 450年前;最早一次可能的古地震事件则发生在距今约7 750年前。谢新生等人研究认为,1303年洪洞8级地震活动时,有证据显示发震断层霍山断裂带可能贯穿了北部的绵山西侧断裂,从而引起太谷断裂活动的最新一次活动[13,15]。太谷断裂为全新世活动断裂,沿断裂带记录到的历史地震强度和频次都相对较低,仅记录到1次4级地震,但1970年以来太原盆地中小震群活动频繁。盆地的地震活动不仅受西、东两侧交城与太谷大断裂带的控制,同时也受大型断裂带内外缘周围伴生的纵横交错的较小断裂的影响[4]。

2 地震活动特征

太原盆地为地震多发盆地,盆地及邻区地震活动分布如图1所示。从有记载的公元231年至今,在太原盆地未记录到7级以上强震,共记录到盆地内发生的ML6.5级地震3次,ML 6.0～6.5级地震12次。相比于山西地震带内的临汾盆地、忻定盆地和大同盆地,太原盆地的地震活动水平不高。尤其是临汾盆地和忻定盆地,历史上曾发生多次M7.0级以上地震,如发生在临汾盆地的1695年的临汾M7.8级地震。发生在山西地震带的最近一次6级地震则是1989年的大同-阳高M6.1级震群,主震为大同盆地内大王村断裂和团堡断裂两条共轭断裂作用的结果。

尽管近年来太原盆地内没有强震发生,盆地内小震却异常活跃,多次发生震群活动。如图1所示,大多数地震集中分布在盆地内部,这与两条边界断裂都倾向盆地内部有关。地震震中在盆地内的分布亦呈现出非均匀性,总体上看盆地西北角的太原凹陷附近与东南角的介休附近中小地震震中分布相对比较密集,而东北角的晋中附近与西南角的汾阳附近的中小地震分布却相对稀疏,这一特征与盆地构造上的中心对称相一致[11]。

图1 太原盆地和邻区地质构造及有记录以来地震活动分布Fig.1 Tectonics and earthquake activity distribution of Taiyuan Basin and its adjacent area

3 震源机制解及特征分析

地震的震源机制解,也叫断层面解,是指震源区地震发生时的力学过程。通过震源机制解的解析可以揭示断层破裂时具体的运动类型(如正断层、逆断层或走滑断层)。震源机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台站记录到的波形资料进行求解,参数包括地震波形的P波初动、振幅比,或进行全波形反演等。分析求解后得到的两组力学参数,分别为断层破裂面走向、倾向和倾角,以及断层破裂时的最大主应力轴、最小主应力轴和中等主应力轴的方位和产状,这些参数是进行断层错动和应力分析的基础。

3.1 震源机制解数据

本文搜集整理了前人利用不同方法得到的1970年至2016年6月发生在太原盆地的地震震源机制解共84个。考虑到震源机制解的准确性在很大程度上受到地震震级大小、台网密度及记录波形质量等因素的影响,较大的震源机制解误差会进一步放大后续基于这些数据的应力张量反演结果,本文对收集整理到的84个结果进行了较为严格的筛选,最后得到25个ML≥3.0级地震的震源机制解资料(图2)。筛选的标准包括:1)基于P波初动得到的震源机制解应满足在计算过程中选用震中距小于150 km的台站，记录的P波初动清晰、避免出现Pn和Pg混淆情况,记录满足要求的P波的台站数目5个以上,以保证震源机制解的稳定性[3];2)基于P波初动和振幅比得到的震源机制解还需要满足记录振幅要求大于1 mm且不能限幅；3)基于波形反演得到的震源机制解(如矩张量或CAP方法)应满足理论波形与实际波形匹配较好且ML≥3.7[1-3,13]。

筛选后的25个震源机制解结果及其空间分布如图2所示,不同的颜色代表不同的数据来源,其详细的参数如断层滑动面、P-轴与T-轴方位、资料来源等参见文献[7](红色),文献[2](黑色)以及Harvard CMT(蓝色)。

3.2 震源机制解总体特征

根据震源机制解3个应力轴倾角值的大小,可将反映断层破裂前后应力状态的震源机制解分为以下6种类型:正断型(NF)、正走滑型(NS)、走滑型(SS)、逆走滑型(TS)、逆断型(TF)和无法确定型(U)[1]。太原盆地的震源机制解结果显示,绝大多数为正走滑(NS)或走滑型(SS),与山西断陷系构造活动特征及野外地质证据吻合[11]。

4 应力张量反演方法及结果分析

4.1 应力张量反演方法

基于震源机制解数据的应力张量反演,常基于以下两个假定:一是研究区域内的地壳应力场处处均匀,二是断层的滑动方向与应力张量投影在断层面上的剪切应力方向一致[2]。应力张量反演的基本思想是在上述两个假设的前提下,采用网格搜索法[16]或基于采样优化的蒙特卡罗方法[17]得到与震源机制达到最优拟合的一组应力张量[2,16-17],即在此应力作用下最可能发生对应的断层破裂方式。本研究采用的是Delvaux和Sperner 2003年提出的TENSOR算法,属于网格搜索法,在TENSOR算法中,同时选择断层2个节面进行独立反演。相比于其他方法如SLICK,该算法既可对于具有相似误差的节面进行人机交互选择正确的解,也可利用改进后的Gephart与Forsyth的网格搜索算法确定最优解[2,14, 16-18]。

4.2 应力张量反演结果

基于太原盆地及附近区域25个ML≥3.0级地震震源机制解的应力张量反演结果如图3所示。

图3 基于太原盆地及周缘25个ML≥3.0级地震震源机制解的应力张量TENSOR 方法反演结果Fig.3 Stress tensor inversion based on 25 focal mechanism solutions of earthquakes (ML≥3.0) of Taiyuan Basin with TENSOR method

最大平均主压应力轴(σ1)的走向为NE59°、倾角为57°;最大平均主张应力轴(σ3)的走向为NW331°,近乎垂直;中间平均主压应力轴(σ2)的走向为SW241°,倾角为33°。该区域的构造应力状态为造成断层面的破裂以正断类型(NF)为主且兼有一定的走滑分量,与震源机制解的整体特征相符。虽然在反演结果中σ1与σ2的走向(倾角)出现了一些变化(红色椭圆区域的面积反映误差的大小),但σ3的方位(倾角)始终相对比较稳定。所有这些结果表明,太原盆地及其附近区域的区域平均构造应力受控于NNW-SSE向的主张应力作用,NE-SW向水平挤压应力作用相对较弱,这与山西裂谷带整体区域应力环境基本一致[2,13-14,19]。

5 结论

本文基于筛选后的太原盆地1970年至2016年25个ML≥3.0级地震的震源机制解结果,反演得到该区域现今的平均构造应力场。研究结果表明,太原盆地主要受到NWN-SES向拉张应力的控制,NE-SW向水平挤压应力作用相对较弱,该区域构造应力场特征与山西地震带总体的构造应力场基本一致。

太原盆地的震源机制解的总体特征反映了该区域的断层活动以正走滑(NS)或走滑型(SS)为主,与山西裂谷带构造特征以及野外地质证据吻合。

对太原盆地区域构造应力场的研究结果可为今后进一步评价该区域的地震活动性及危险性研究提供依据。

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