2001年昆侖山口西地震前后山西構造帶的應力狀態變化

王凱英 馬 瑾 刁桂苓 Yu.Rebetsky王曉山 閆小兵

1)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，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 定量化應力參數研究方法

山西是中國歷史上的強震活躍區。1303—1695年在400a的時段內，相距不足45km的范圍內相繼發生8級和7 1/2級的強震。為此，1993年馬宗晉先生領導完成了重大研究項目，并主編了《山西臨汾地震研究與系統減災》專著，旨在預測和預防。作為城市地震預測預防的典范作品，此項研究成果一直是我們研究山西地震規律的借鑒。十幾年過去了，山西發生強震的危險性依然存在。值此馬宗晉先生80華誕之際，我們謹以“2001年昆侖山口西地震前后山西構造帶的應力狀態變化”為題的短文表示祝賀。近年來俄羅斯科學院大地物理研究所基于震源機制資料、巖石破裂實驗結果、強震區的地形和應力降等資料，開發了評價地震危險區應力狀態參數的碎裂分析方法(Cataclastic Analysis Method，簡稱 CAM)(Rebetsky，1997a，b，2003)，該方法主要包括以下幾個步驟:

(1)首先獲取應力“同源”分區及各區的應力主軸方向和應力張量形狀系數，其基本原理是:在每個應力“同源”區中所發生的地震節面方向在一特定范圍內并通過使用塑性理論的能量準則加以限定;基于以下基本假定:在應力“同源”區中每個地震造成的應變增量由發震斷層的面積和沿斷層的平均位移量所決定，地震發生時應力“同源”區內部彈性能減少及彈性能最大釋放，可應用各應力分區內的每組震源機制數據獲得各分區的應力主軸方位及用來描述應力主軸相對大小的Lode-nadai系數。

(2)在獲得3個主應力軸的方位以及Lode-nadai系數后，CAM方法基于巖石脆性行為的摩爾庫侖定律，將第1步獲得的結果結合摩爾圓圖解的幾何關系，可計算出有效應力和最大剪應力相對巖石內聚力τf的歸一化值

其中，ks為靜摩擦系數;μσ為應力橢球系數;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面上的剪應力在所求主應力軸坐標系下的方向余弦，P和τ是未知的平均應力和最大剪應力。

(3)通過區域強震矩張量信息，可估算出巖石內聚力τf并進而獲得最大剪應力和有效應力的絕對值;在獲取區域地形和巖石密度的基礎上，可進一步得到區域孔隙流體壓力的分布。

相比現有的一些運用小震震源機制數據推斷區域應力主軸的方法，該方法對于構造應力“同源”區域的判斷和選擇避免了應力分區的主觀性，而且該方法不僅能夠獲得主應力軸的方向、應力張量的形狀系數等，還可以在此基礎上進一步確定區域巖石內聚力、有效應力、最大剪應力等應力參數的定量化分布。此方法被用于完成過大量地震活動區如地中海東部、阿拉伯地區、太平洋的西北側、森他弧西側、加利福尼亞北部的應力狀態重建(Rebetsky，2006a，b;2009a，b)。該方法所獲得的應力定量數據不僅能夠對地球動力學相關問題的研究給予可能的約束，而且對強震前地殼應力分布的研究有助于探索強震的孕育過程。

1 山西構造帶的歷史強震及現今活動特點

山西構造帶是歷史強震多發地區，有記載以來本地震帶內共發生7級以上強震7次，由北向南依次是:1626年發生在太白維山山前斷裂帶的7級地震;512年發生在五臺山北麓斷裂帶的7 1/2級地震;1683年發生在云中山山前斷裂帶的7級地震;1038年發生在系舟山山前斷裂帶的7 1/4級地震;1303年發生在大陽-霍山山前斷裂帶的8級地震;1695年發生在臨汾-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級地震外，其余幾次強震均發生在山西構造帶內的近SN向段落或由NE向構造向SN向構造轉折的部位，顯示了山西構造帶內的SN向段落對強震發生的控制作用，這一重要現象及其所對應的動力學含義值得進一步研究。

長期以來，對于山西構造帶所處的鄂爾多斯塊體現今運動狀態的研究存在諸多爭議，如認為鄂爾多斯塊體現今運動狀態主要體現為逆時針轉動(蘇剛，1984;邵輝成等，1999)、上升運動(鄧起東等，1985，1999;胡惠民，1988)、順時針旋轉(車自成等，2002;張希等，2002)或順時針運動背景疊加了逆時針運動(徐錫偉等，1994;陳小斌等，2005)及順時針與逆時針的交替活動(范俊喜等，2003)。鄂爾多斯塊體的現今運動狀態之所以存在諸多爭議，與鄂爾多斯塊體的現今復雜應力狀態是密切相關的。現今地殼應力狀態分布圖(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力方向為NE向和NW向共存的復雜狀態，而山西構造帶數據很少，北部的數據表明主壓應力方向近EW向，南部則比較復雜。表明鄂爾多斯塊體本身所受到的應力狀態很復雜，山西構造帶的應力狀態值得分析。

圖1 山西構造帶7級以上歷史強震震中分布圖Fig.1 Distribution of epicenters of historical strong earthquakes above M7.0 in Shanxi tectonic belt.

2 山西構造帶現今應力狀態反演

通過搜集測定山西構造帶內波形可靠的震源機制，獲得了1967—1999年間震源機制數據1650個及2001—2010年9月期間數字化記錄的震源機制數據416個，這些震源機制的震中分布如圖2所示。運用應力狀態參數定量化分析方法對這些震源機制數據分時間段進行應力參數計算。1989年10月、1991年3月以及1998年1月晉東北先后發生3次6級以上地震(圖3)。近年來在全國范圍內發生了3次強震，它們是1996年麗江7.0級地震、2001年昆侖山口西8.1級地震以及2008年汶川8.0級地震等，按這些強震發生時間對數據進行了分時段研究，研究過程中對強震時間點之間的數據也進行了細分。如果這些強震的發生是應力場調整的信號，則按時段的分析結果就有可能得到體現。

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

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

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

按上述強震發生時間分段獲得了山西構造帶應力反演結果。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月等時間段的最大主壓應力軸分布的水平投影，應力軸所顯示的方向為最大主壓應力軸方向，其長短反映了最大主壓應力軸的傾角(傾角為零時長度最大)。結果顯示，1967—2001年昆侖山口西地震發生前的各時段結果均顯示最大主壓應力軸分布以NW向為主;而2001年昆侖山口西地震發生后山西構造帶的最大主壓應力軸方位發生了顯著變化，由NW向分布轉變為NE向分布。其中，2001年昆侖山口西強震前晉北地震主要發生在西部，而這次強震后的地震主要發生在東部，難以確認應力主軸方向變化的原因。但是，晉中和晉南有不同時段震源機制數據共同覆蓋，由不同時段應力主軸方位的分布能夠確切說明2001年昆侖山口西地震發生后山西構造帶的應力主軸方向有顯著轉變，且這種轉變并非是由震源機制數據的地點不同所造成的。2008年5月汶川地震后山西構造帶地震活動有所增強，但獲得的震源機制數據較少，且主要分布在晉北地區。由2009年山西構造帶發生了2次4級以上及2010年發生的3次近5級中等強度地震的震源機制來看(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間段的最大主壓應力軸方向保持一致，表明2008年汶川地震后山西構造帶的應力主軸方向未發生明顯變化，仍保持昆侖地震后的應力方向。

為了落實山西構造帶應力主軸變化是區域應力場調整所引起還是受局部構造的差異活動所影響，分析了各點應力主軸的傾角隨緯度的分布。從圖5可以看出，應力主軸方向變化前的時段最大主應力軸的傾角絕大多數低于45°，表明最大主應力軸以水平分布為主;而在應力方向變化后即2001年昆侖山口西地震后的時段，大量的數據點(122個)仍顯示最大主應力軸為低傾角，少數(47個)數據顯示為高傾角，而最大主壓應力軸為高傾角的點位基本分布在山西構造帶內的NE向盆地內或由SN向構造向NE向構造轉折的部位，反映了此時段在NE向構造應力作用下山西構造帶內SN向構造的右旋水平剪切運動及NE向盆地的拉張。因此推斷山西構造帶的應力方向變化是由區域構造應力的變化所引起，并非是發震構造的不同所導致，并值得進一步關注。

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

圖6 山西構造帶不同時段應力狀態的分布Fig.6 Distributions of stress state of the Shanxi tectonic belt in different time periods.

圖6顯示的是3個應力主軸σ1(最大主應力軸)、σ2(中等主應力軸)及σ3(最小主應力軸)空間方位狀態的直觀描述，其中σ1和σ2水平、σ3豎直時表示應力狀態為水平擠壓;σ2和σ3水平、σ1豎直時表示應力狀態為水平拉張;σ1和σ3水平、σ2豎直時表示應力狀態為水平剪切，之間為過渡狀態。從圖6可以看出，2001年昆侖山口西地震前各時段山西構造帶應力狀態以水平剪切為主，而2001年昆侖山口西地震發生后，山西構造帶的應力狀態主要表現為水平剪切和水平拉張的交替分布特點，其中水平剪切的部位對應著山西構造帶內的SN向段落，而水平拉張的部位對應著山西構造帶內的NE向段落。

3 結論

(1)山西構造帶中南部地區應力主軸方向在2001年昆侖山口西地震前后存在明顯變動。山西構造帶的應力狀態研究顯示，在不同時間段均有數據覆蓋的中南部地區應力主軸隨時間變化，在數據分布的時間范圍內最大主壓應力軸的方向由2001年昆侖山口西地震前的NW向分布為主轉變為地震后的NE向分布為主。

(2)山西構造帶不同方向構造段的應力狀態受應力主軸方向控制。山西構造帶的歷史強震大多數發生在山西構造帶內的近SN向段落或由NE向構造向SN向構造轉折的部位，顯示了山西構造帶內的SN向段落對強震發生的控制作用。本文對區域應力的分時段研究結果顯示，當最大主壓應力軸分布以NE向為主時，山西構造帶的應力狀態主要表現為水平剪切和水平拉張的交替分布特點，其中水平剪切應力狀態的部位對應著山西構造帶內的SN向段落，而水平拉張的應力狀態部位對應著山西構造帶內的NE向段落。通過簡要的構造物理模型可解釋這一特點:山西構造帶受NE向推擠時，內部SN向段落容易積累應力產生右旋剪切變形，處于地震活動的優勢方位;而NE向的構造段在NE向應力作用下拉張變形，不利于積累應力產生較強的地震。推斷山西構造帶的歷史強震活動與NE向的構造應力相關。

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