臨汾水準(zhǔn)巨幅形變的位錯(cuò)理論模擬與異常性質(zhì)判定1

劉瑞春荊紅亮

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臨汾水準(zhǔn)巨幅形變的位錯(cuò)理論模擬與異常性質(zhì)判定1

劉瑞春1，2）荊紅亮3）

1）山西省地震局預(yù)報(bào)中心，太原030021?2）太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原030021?3）臨汾中心地震臺(tái)，臨汾041000

在假設(shè)臨汾臺(tái)水準(zhǔn)出現(xiàn)2次巨幅形變異常為斷裂錯(cuò)動(dòng)的情況下，筆者基于矩形斷層位錯(cuò)模型模擬了羅云山斷裂（土門-峪里段）錯(cuò)動(dòng)所引起的垂直形變場(chǎng)分布，并通過D-InSAR技術(shù)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的地面形變場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。分析結(jié)果表明：①?gòu)睦碚撋现v，羅云山斷裂（土門-峪里段）錯(cuò)動(dòng)是可以產(chǎn)生長(zhǎng)軸與斷裂走向平行的橢圓狀變形區(qū)域，其中，位于斷裂上盤的區(qū)域中心變形量最大，變形量向外圍逐漸衰減為零；2次錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的變形波及范圍分別約為長(zhǎng)軸18km和26km，短軸12km和17km；顯著變形幅度分別約為1—3mm和4—14mm。②而同期D-InSAR實(shí)測(cè)形變場(chǎng)顯示，臨汾臺(tái)水準(zhǔn)出現(xiàn)2次巨幅異常期間，研究區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)與斷裂走向一致的連續(xù)變形區(qū)域，僅在盆地內(nèi)部存在可能由于過量開采地下水所導(dǎo)致的地面沉降，其變形范圍約為10—12mm和1—5mm。③實(shí)測(cè)形變場(chǎng)與理論形變場(chǎng)在變形區(qū)域和變形幅度上均不一致，說明斷裂活動(dòng)不是臨汾臺(tái)水準(zhǔn)出現(xiàn)2次巨幅形變的主要原因，可能為斷裂上盤的土層點(diǎn)局部變形所致。④通過斷層位錯(cuò)模型的理論模擬與D-InSAR技術(shù)的實(shí)際監(jiān)測(cè)相結(jié)合，可以有效地確定臨汾臺(tái)跨斷層水準(zhǔn)出現(xiàn)的2次巨幅形變異常的性質(zhì)，可為重大水準(zhǔn)異常的核實(shí)提供科學(xué)依據(jù)。

臨汾水準(zhǔn) 巨幅形變 斷層位錯(cuò)模型 D-InSAR 異常性質(zhì)判定

引言

臨汾地震臺(tái)水準(zhǔn)自觀測(cè)以來，跨羅云山斷裂的2—3測(cè)線在近15年年均變化約5mm的背景下，于2009年7月至2010年2月接連出現(xiàn)2次巨幅變化，其變化幅度分別達(dá)到18.5mm和114.1mm。巨幅形變異常在我國(guó)的地震預(yù)報(bào)實(shí)踐中并不少見，對(duì)于巨幅形變異常與地震關(guān)系的研究，很多研究者都做過不同方面的探索。例如：楊志榮（1987）和李忠華等（1998）通過研究發(fā)現(xiàn)，巨幅形變與強(qiáng)震關(guān)系密切，并通過對(duì)異常的判定給出了較為準(zhǔn)確的地震預(yù)測(cè)意見；而蘇琴等（2009）和朱航等（2010）則通過多種觀測(cè)方法的對(duì)比及數(shù)值模擬后認(rèn)為，巨幅形變異常的原因?yàn)榫植扛蓴_，其與隨后發(fā)生的強(qiáng)震無關(guān)。特別備受關(guān)注的是，薄萬舉等（2001）通過總結(jié)以往多次巨幅形變異常與強(qiáng)震之間的關(guān)系后認(rèn)為，即便巨幅形變事件在存在干擾的情況下，在其之后仍有強(qiáng)震發(fā)生的可能，因此，巨幅形變事件具有預(yù)測(cè)強(qiáng)震發(fā)生的特殊價(jià)值，不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為一般的干擾所引起。

Okada（1985；1992）在總結(jié)位錯(cuò)理論的基礎(chǔ)上，給出了在各向同性的半空間均勻介質(zhì)中，任意傾角的矩形位錯(cuò)面以任意方向的常位錯(cuò)分布而產(chǎn)生的地表以及地球內(nèi)部位移場(chǎng)的通用表達(dá)式，使矩形斷層均勻位錯(cuò)模型達(dá)到了比較完善的程度。此后，Okada模型得到了廣泛的應(yīng)用，無論是對(duì)地震的同震變形正反演研究，還是對(duì)非震變形研究，Okada模型均可對(duì)傳統(tǒng)地球物理學(xué)測(cè)量所獲得的近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)給出較為滿意的解釋。上世紀(jì)90年代前，由于缺乏監(jiān)測(cè)大區(qū)域地殼形變的手段，Okada 模型的應(yīng)用主要集中在對(duì)同震變形的模擬（陳運(yùn)泰等，1975；1979）。但隨著GPS、InSAR等空間大地測(cè)量技術(shù)的成功應(yīng)用，對(duì)大尺度、高精度的區(qū)域地殼形變場(chǎng)的監(jiān)測(cè)已成為可能，斷層活動(dòng)與地面形變場(chǎng)的關(guān)系有了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的依據(jù)，位錯(cuò)理論在模擬斷層活動(dòng)與地面形變場(chǎng)的關(guān)系中也得到了很大的發(fā)展（Heki等，1997；申重陽等，2002；張永志等，2006）。尤其是基于斷層位錯(cuò)模型可以模擬并研究斷層錯(cuò)動(dòng)的重力和形變效應(yīng)的特殊圖象特征，有助于從觀測(cè)資料中提取斷層活動(dòng)引起的重力變化和形變信息（白志明等，1999；張永志等，2004），這為地震前兆異常性質(zhì)的判定提供了重要的依據(jù)。

本文在假設(shè)臨汾水準(zhǔn)巨幅形變異常由斷裂錯(cuò)動(dòng)引起的假設(shè)下，結(jié)合異常觀測(cè)數(shù)據(jù)以及相關(guān)斷裂要素，采用斷層位錯(cuò)模型對(duì)斷裂錯(cuò)動(dòng)所導(dǎo)致的區(qū)域地面形變分布進(jìn)行了正演計(jì)算，并將所得結(jié)果與區(qū)域同期D-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，判定了臨汾水準(zhǔn)巨幅形變異常的性質(zhì)。

1 有限矩形位錯(cuò)模型的表達(dá)式

該模型假設(shè)斷層活動(dòng)段為在彈性介質(zhì)半空間（≤0）的一個(gè)矩形位錯(cuò)源，其活動(dòng)的幾何參數(shù)1、2、3分別表示斷層上盤相對(duì)下盤的走滑、傾滑和拉張分量；、、分別表示斷層的長(zhǎng)、寬和下底面深度；、分別為斷層的走向和傾角，具體如圖1所示。圖中斷層的下盤用以下方式表示：即以地面斷層走向?yàn)檩S，地面的垂線方向?yàn)檩S，在不考慮地球曲率的前提下，以地球表面為彈性半空間的邊界面，≤O為彈性體，方向平行于斷層走向，軸垂直于地表，軸與、軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

根據(jù)上述斷層位錯(cuò)模型，矩形斷層的走滑、傾滑以及拉張運(yùn)動(dòng)引起的地面位移場(chǎng)在垂直軸方向的分量，可通過斷層面上的位移分量表示為（Okada，1985）：

（2）

（3）

式中符號(hào)“| |”為函數(shù)替代符號(hào)，其定義為：

(,) ||(,)-f(,-)-(-,)+(-,-)

（4）

（5）

其中：

=cos+sin

=sin-sin

=sin-cos

2=22+2=2+2+2

2=2+2

這樣，斷層的三維運(yùn)動(dòng)在地面局部斷層坐標(biāo)系中的垂直位移場(chǎng)可表示為：

（6）

2 羅云山斷裂（土門-峪里段）錯(cuò)動(dòng)引起的地表形變

臨汾臺(tái)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地位于臨汾盆地西緣，其監(jiān)測(cè)的斷裂為羅云山斷裂的土門-峪里段。土門-峪里段延伸長(zhǎng)度約18km，斷面傾角約70°，走向N30°E，傾向SE；該段斷裂的東盤下降，西盤上升，表現(xiàn)為正斷層。區(qū)內(nèi)出露的基巖為奧陶系中統(tǒng)馬家河組灰?guī)r，覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)松散洪積堆積物。該段在中更新世末至晚更新世初，以及晚更新世末至全新世初均發(fā)生過強(qiáng)烈活動(dòng)，全新世晚期以來斷裂仍在活動(dòng)，以蠕滑運(yùn)動(dòng)為主，它是羅云山斷裂中最活動(dòng)的一段（王挺梅等，1993）。

臨汾臺(tái)水準(zhǔn)測(cè)線共有3個(gè)測(cè)段，4個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。埋設(shè)于斷層下盤的水準(zhǔn)點(diǎn)BM1、BM2為普通基巖標(biāo)石；埋設(shè)于斷層上盤的水準(zhǔn)點(diǎn)BM3和BM4為土層標(biāo)石。2009—2010年，跨斷裂的2—3測(cè)線接連出現(xiàn)2次巨幅異常變化，如圖2所示。第1次巨幅異常變化的幅度約18.5mm，持續(xù)了28天；第2次巨幅異常變化的幅度約114.1mm，持續(xù)時(shí)間45天。

筆者采用斷層位錯(cuò)模型對(duì)羅云山斷裂（土門-峪里段）活動(dòng)所產(chǎn)生的地面形變場(chǎng)進(jìn)行模擬，選取這2次巨幅變化量作為斷裂活動(dòng)的傾滑分量，并假設(shè)走滑和拉張分量固定為零。利用李自紅等（2014）給出的地質(zhì)與地球物理研究結(jié)果，筆者得出了斷層位錯(cuò)模型的參數(shù)，具體如表1所示；圖3為利用斷層位錯(cuò)模型模擬的垂直形變場(chǎng)結(jié)果。

表1 羅云山斷裂（土門-峪里段）模型參數(shù)選取表

從圖3可以看出，從理論上講羅云山斷裂（土門-峪里段）錯(cuò)動(dòng)是可以產(chǎn)生長(zhǎng)軸與斷裂走向平行的橢圓狀變形區(qū)域，其中，位于斷裂上盤的區(qū)域中心變形量最大，且變形量向外圍逐漸衰減為零。斷裂的第1次錯(cuò)動(dòng)可導(dǎo)致長(zhǎng)軸約18km、短軸約12km的變形區(qū)域，其顯著變形范圍約1—3mm；斷裂的第2次錯(cuò)動(dòng)可導(dǎo)致長(zhǎng)軸約26km、短軸約17km的變形區(qū)域，其顯著變形范圍約4—14mm。

3 臨汾盆地同期D-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的匹配程度，筆者采用D-InSAR技術(shù)獲取了臨汾臺(tái)水準(zhǔn)2次出現(xiàn)巨幅異常期間區(qū)域地面的形變場(chǎng)。

數(shù)據(jù)處理采用瑞士研發(fā)的GAMMA軟件，以覆蓋研究區(qū)域的獲取時(shí)間分別為2009.02.20、2009.10.23、2010.01.01、2010.03.12的04景ENVISAT ASAR影像作為輸入數(shù)據(jù)，分別將2009.02.20和2009.10.23以及2010.01.01和2010.03.12的影像組成干涉對(duì)進(jìn)行兩軌法D-InSAR處理，兩個(gè)干涉對(duì)的垂直基線分別為76m和77m，滿足形變提取的要求，其主要研究區(qū)域的相干系數(shù)均在0.8以上，因此可獲得較為靠的形變結(jié)果。同時(shí)在處理過程中，外部DEM使用美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)布的SRTM v4.1免費(fèi)DEM，多視因子為2:10。

圖4是2009.02.20—2009.10.23干涉對(duì)的結(jié)果，圖中給出了臨汾水準(zhǔn)第1次巨幅變化期間的區(qū)域形變場(chǎng)；圖5是2010.01.01—2010.03.12干涉對(duì)的結(jié)果，圖中給出了臨汾水準(zhǔn)第2次巨幅變化期間的區(qū)域形變場(chǎng)。

從圖4可以看出，在臨汾臺(tái)水準(zhǔn)第1次出現(xiàn)巨幅形變異常期間，沿羅云山斷裂（土門-峪里段）無明顯形變，在臨汾市區(qū)的南部有一個(gè)10—12mm的變形區(qū)域，其展布方向?yàn)榻鼥|西向。據(jù)筆者調(diào)查，該形變區(qū)域位于臨汾盆地內(nèi)部第四系覆蓋層上，該區(qū)域內(nèi)無活動(dòng)斷裂分布，但分布有眾多的廠礦，可能是由于兩幅影像間隔時(shí)間近8個(gè)月，觀測(cè)到了地下水過量開采所導(dǎo)致的大范圍地面沉降。

從圖5可以看出，在臨汾臺(tái)水準(zhǔn)出現(xiàn)第2次巨幅形變異常期間，在盆地內(nèi)部分布有眾多幅度約1—5mm的變形區(qū)域，這些變形區(qū)域范圍較小、空間分布不連續(xù)，可能是由于兩幅影像間隔時(shí)間僅有兩個(gè)月，觀測(cè)到了地下水開采所導(dǎo)致的小范圍的沉降漏斗。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

本文以臨汾臺(tái)水準(zhǔn)出現(xiàn)2次巨幅形變異常期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)為約束，通過斷層位錯(cuò)模型模擬了羅云山斷裂（土門-峪里段）錯(cuò)動(dòng)所導(dǎo)致的地面垂直形變場(chǎng)，并利用D-InSAR技術(shù)獲得了實(shí)際的干涉對(duì)結(jié)果。通過地面垂直形變場(chǎng)與實(shí)際干涉對(duì)結(jié)果的對(duì)比分析，筆者獲得了以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

（1）從理論上講，羅云山斷裂（土門-峪里段）錯(cuò)動(dòng)是可以產(chǎn)生長(zhǎng)軸與斷裂走向平行的橢圓狀變形區(qū)域，其中，位于斷裂上盤的區(qū)域中心變形量最大，變形量向外圍逐漸衰減為零；2次錯(cuò)動(dòng)所導(dǎo)致的變形波及范圍分別約為長(zhǎng)軸18km和26km，短軸12km和17km；顯著變形范圍分別約為1—3mm和4—14mm。而同期D-InSAR實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)與斷裂走向一致的連續(xù)變形區(qū)域，僅在盆地內(nèi)部存在過量開采地下水所導(dǎo)致的地面沉降，變形幅度約為10—12mm和1—5mm。

（2）實(shí)測(cè)形變場(chǎng)與理論形變場(chǎng)在變形范圍和變形幅度上均不一致，說明斷裂活動(dòng)不是臨汾臺(tái)水準(zhǔn)2次出現(xiàn)巨幅形變的主要原因，可能為斷裂上盤的土層點(diǎn)局部變形所致。

（3）由于臨汾臺(tái)跨斷層水準(zhǔn)覆蓋范圍小、且空間分辨率低，所以臨汾臺(tái)水準(zhǔn)出現(xiàn)2次巨幅形變異常時(shí)還難以確定其是否與斷裂活動(dòng)有關(guān)。而通過斷層位錯(cuò)模型的理論模擬和D-InSAR技術(shù)的實(shí)測(cè)相結(jié)合，可以有效地確定臨汾臺(tái)跨斷層水準(zhǔn)出現(xiàn)的2次巨幅形變異常的性質(zhì)，可為重大水準(zhǔn)異常核實(shí)提供科學(xué)依據(jù)。

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Simulation by Dislocation Model and Anomaly Property Determination of Huge Leveling Deformation at Linfen Seismostation

Liu Ruichun1, 2)and Jin Hongliang3)

1) Forecasting Center of Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China?2) Continental Rift Valley Dynamics State Observatory of Taiyuan, Taiyuan 030021, China?3) Linfen Central Seismic Station, Linfen 041000, China

In this paper, supposing the two times of huge leveling deformation anomaly at Linfen seismostation were caused by Luoyunshan fault (Tumen-Yuli section) movement, we computed the vertical deformation field distribution based on rectangular fault dislocation model, meanwhile we monitored the ground deformation field of study area by D-InSAR technology. The results are as follows: (1) Theoretically, the ground vertical deformation field caused by fault movement could be within the elliptical deformation area with the long axis parallel to the fault strike. The largest deformation region locates in the center of the area in the hanging wall of the fault, and the deformation gradually decreases to zero toward the periphery, the two times of movement lead to the different area of effect. The long axises are about 18km and 26km, the short axises are about 12km and 17km, the obvious deformation range is about 1-3mm and 4-14mm. (2) The measured deformation field by D-InSAR shows that there is no continuous deformation area consistent with the fault strike, and only exists land subsidence possibly caused by groundwater excessive exploitation, with the deformation range about 10-12mm and 1-5mm. (3) The measured deformation field is not consistent with the theoretical result in deformation area and amplitude, which indicates that the fault movement is not the main cause of Linfen huge leveling deformation, it may be because of local deformation of the soil mark stone in hanging wall of the fault. (4) By combining the fault dislocation model simulation with the D-InSAR technology measurement, we can determine the anomaly property effectively when the cross fault leveling huge deformation occurs, which can provide scientific basis for the great leveling anomaly verification.

The leveling at Linfen seismostation; Huge deformation; Fault dislocation model; D-InSAR; Anomaly property determination

山西省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（20140313023-1）；地震行業(yè)科研專項(xiàng)“中國(guó)綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)——鄂爾多斯地塊周緣地區(qū)”（201208009-14）；山西省青年科技研究基金（2011021024-1）

2014-05-26

劉瑞春，男，生于1982年。2007年獲碩士學(xué)位，工程師。現(xiàn)主要從事地震地殼形變方面的研究。 E-mail：24547716@qq.com