山西夏縣臺(tái)多項(xiàng)前兆異常與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系探討

楊 靜，李冬梅，常 姣，荊紅亮

(1.山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾 041000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，山西 夏縣 044400；4.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震在孕育過程中，地下應(yīng)力狀態(tài)會(huì)持續(xù)增長，是一個(gè)應(yīng)力積累、應(yīng)力場(chǎng)不斷變化的過程，從而引起地殼介質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)的變化。在這個(gè)過程中引起的地震形變觀測(cè)資料異常分為三個(gè)階段：長期、中期、短臨。長期異常階段的趨勢(shì)異常特征有別于繼承性構(gòu)造的反常變化，觀測(cè)值偏離長期構(gòu)造活動(dòng)背景狀態(tài)，這一階段是一個(gè)較長的演變過程，持續(xù)幾年時(shí)間[1]。在應(yīng)力持續(xù)集中過程中，必然會(huì)引起區(qū)域內(nèi)一些地球物理場(chǎng)觀測(cè)資料集中相繼出現(xiàn)同步性異常變化。因此，一旦在一定的監(jiān)測(cè)區(qū)域、一定的時(shí)間內(nèi)地球物理場(chǎng)觀測(cè)資料相對(duì)集中地出現(xiàn)群體異常變化時(shí)，一般可認(rèn)定其是震兆信息[2-5]。

2014年以來，夏縣中心地震臺(tái)(以下簡稱夏縣臺(tái))多項(xiàng)前兆手段出現(xiàn)趨勢(shì)異常變化，如水平擺和氣氡測(cè)項(xiàng)年變幅度明顯減小、水準(zhǔn)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、水位數(shù)據(jù)反年變等，有研究表明，同步變化相對(duì)集中的地點(diǎn)可以作為未來強(qiáng)震發(fā)生的可能地區(qū)，但是這一結(jié)論的前提是必須每個(gè)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折真實(shí)可靠、具有較高信度[6-7]。夏縣臺(tái)異常測(cè)項(xiàng)的同步變化是由于臺(tái)站周邊觀測(cè)環(huán)境的變化所致，還是反映構(gòu)造活動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)改變的震兆現(xiàn)象，直接影響著對(duì)山西南部及晉陜?cè)ソ唤鐓^(qū)地震形勢(shì)的認(rèn)識(shí)與判定[8]。針對(duì)這些異常變化，該文從兩個(gè)不同的角度開展研究，一是傳統(tǒng)地球物理場(chǎng)觀測(cè)異常分析方法，如周邊環(huán)境調(diào)查、區(qū)域內(nèi)相鄰臺(tái)站資料對(duì)比分析；二是從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)角度進(jìn)行分析，由震源機(jī)制解、GPS基線等資料構(gòu)建區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行綜合分析。

1 夏縣臺(tái)前兆異常資料分析

夏縣臺(tái)位于山西省南部運(yùn)城市夏縣南山底村，構(gòu)造上處在祁、呂、賀蘭山字型構(gòu)造體系的東翼，新華夏系運(yùn)城凹陷北東邊緣與中條山隆起帶中段之交接部位。中條山北西側(cè)山前大斷裂控制整個(gè)運(yùn)城盆地，為本區(qū)的主要斷裂。該斷裂自永濟(jì)朝陽鎮(zhèn)起，沿中條山北緣，由NEE轉(zhuǎn)NE向延伸至聞喜后宮一帶，長120 m，為一高度正斷層，破碎帶寬90～120 m，推測(cè)斷距在4 000 m以上，其力學(xué)性質(zhì)為壓扭性[9]。臺(tái)站現(xiàn)有觀測(cè)點(diǎn)4處，測(cè)項(xiàng)手段19項(xiàng)，涵蓋流體、形變、磁電三大學(xué)科。

2014年,夏縣臺(tái)有4個(gè)地球物理場(chǎng)測(cè)項(xiàng)先后出現(xiàn)明顯異常變化，分別為：(1) 南山底短水準(zhǔn)跨斷層測(cè)段自2014年6月起數(shù)據(jù)曲線下降速率明顯減小，表現(xiàn)出一定時(shí)間段的平穩(wěn)變化，表明該時(shí)間段內(nèi)區(qū)域拉張應(yīng)力減弱，斷層出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)及一定的擠壓狀態(tài)(見第22頁圖1)；(2) 水平擺測(cè)項(xiàng)年變幅度明顯減小，南北分量2014年年變幅為3 592×10-3角秒，2015至2017年年變幅約1 500×10-3角秒，不到前兩年年變幅的1/2(見第22頁圖2、圖3)；(3) 東郭井水位在2015年9月大幅驟降10 m后改變多年下降動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)(見第22頁圖4)；(4) 氣氡測(cè)項(xiàng)年變幅度明顯減小，為正常背景的2/3，且與氣溫月均值曲線偏離較大(見圖5)。

圖1 夏縣南山底跨斷層水準(zhǔn)測(cè)段數(shù)據(jù)曲線Fig.1 The data curve of the leveling section of the bottom section of Nanshan in Xiaxian County

圖2 夏縣臺(tái)水平擺月均值曲線圖Fig.2 Curve of monthly mean value of horizontal pendulum at Xiaxian station

圖3 夏縣臺(tái)水平擺旬均值矢量圖Fig.3 Vector diagram of ten day mean value of horizontal pendulum at Xiaxian station

2 夏縣臺(tái)周邊環(huán)境調(diào)查

(1) 環(huán)境改造調(diào)查。

對(duì)夏縣臺(tái)周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)自2011年夏縣臺(tái)家屬樓竣工以來，周邊無明顯環(huán)境改造工程。

圖4 東郭井水位整點(diǎn)值曲線Fig.4 Curve of whole point value of Water Level in Dongguo well

圖5夏縣氣氡旬均值曲線Fig.5 Ten day average curve of gas radon in Xiaxian County

(2) 降雨干擾。

分析近十年夏縣地區(qū)降雨量值，2011-2017年降雨量相對(duì)穩(wěn)定，每年暴雨季節(jié)集中在6-8月，最高日降雨量明顯高于2010年之前的，高達(dá)2倍左右(見圖6a)。2009-2017年累積降雨量基本在420～680 mm范圍內(nèi)波動(dòng)(見圖6b)，2014-2015年夏縣臺(tái)多項(xiàng)地球物理場(chǎng)測(cè)項(xiàng)發(fā)生異常變化時(shí)，未出現(xiàn)明顯同步變化，判斷降雨量不是引起多項(xiàng)異常變化的主要干擾因素。

圖6中，由于儀器故障，造成2013年上半年降雨量數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致全年降雨量偏低。

圖6 夏縣臺(tái)降雨量曲線Fig.6 Rainfall curve of Xiaxian station

(3) 抽水干擾。

調(diào)查臺(tái)站周邊2 km范圍內(nèi)抽水井情況，發(fā)現(xiàn)共有6處較大流量的規(guī)律性抽水井(見第23頁圖7)。其中1處為2016年5月游泳館新建，新建井僅對(duì)水平擺東西分量造成日常干擾，對(duì)其他測(cè)項(xiàng)無明顯干擾；其余抽水井自2008年起均正常工作，日抽水情況穩(wěn)定，不會(huì)造成本次臺(tái)站前兆測(cè)項(xiàng)的同步異常變化[10]。

圖7 夏縣臺(tái)周邊抽水井分布示意圖Fig.7 Distribution of water pumping wells around Xiaxian station

3 相鄰臺(tái)站資料分析

收集山西南部區(qū)域相鄰的臨汾臺(tái)、侯馬臺(tái)、韓城臺(tái)以及華陰臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)臺(tái)站形變測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)也先后同步出現(xiàn)明顯異常變化。2014年起，臨汾臺(tái)垂直擺東西、南北分量年度幅度明顯減小，且分別向北、向東漂移(見圖8)；水平擺與垂直擺同步變化，年度幅度變小，向東、北漂移(見圖9)；短水準(zhǔn)自2014年9月起由多年下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化，由拉張狀態(tài)轉(zhuǎn)為閉鎖狀態(tài)[11](見圖10)。侯馬臺(tái)水管儀2014年4月與臨汾臺(tái)垂直擺、水平擺同步出現(xiàn)西傾變化，2015年出現(xiàn)北傾變化[12](見圖11)。韓城臺(tái)金屬擺南北分向2014年開始北傾速率加快，東西分向2012年以來整體向西傾斜(見圖12)。華陰臺(tái)垂直擺南北分向2014年轉(zhuǎn)折為北傾，東西分向2015年9月起加速東傾(見第24頁圖13)；水管儀2012年轉(zhuǎn)為東傾，2014年轉(zhuǎn)折為北傾(見第24頁圖14)。

圖8 臨汾臺(tái)垂直擺月均值曲線Fig.8 Monthly mean curve of vertical pendulum at Linfen station

對(duì)山西南部及相鄰區(qū)域臺(tái)站前兆測(cè)項(xiàng)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)多個(gè)測(cè)項(xiàng)均表現(xiàn)出同步異?，F(xiàn)象。如第24頁表1所示，水準(zhǔn)測(cè)項(xiàng)由下降狀態(tài)轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化，表明區(qū)域拉張作用處于減弱狀態(tài)，擠壓作用增強(qiáng)，水位反年變上升變化也印證了這一現(xiàn)象；水平擺、垂直擺等多個(gè)形變測(cè)項(xiàng)表現(xiàn)出明顯加速北傾，以及多數(shù)的東傾變化，表明區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在不斷調(diào)整。該結(jié)果與李宏偉等分析結(jié)果一致[13]。

圖9 臨汾臺(tái)水平擺月均值曲線Fig.9 Monthly mean curve of horizontal pendulum at Linfen station

圖10 臨汾臺(tái)短水準(zhǔn)日值曲線Fig.10 Short level daily value curve of Linfen station

圖11 侯馬臺(tái)水管儀月均值曲線Fig.11 Monthly mean curve of water pipe instrument at Houma station

圖12 韓城臺(tái)金屬擺月均值曲線Fig.12 Monthly mean curve of metal pendulum at Hancheng station

圖14 華陰臺(tái)水管儀月均值曲線Fig.14 Monthly average curve of water pipe instrument of Huayin station

表1 各臺(tái)站前兆測(cè)項(xiàng)異?，F(xiàn)象與應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系
Table 1 Corresponding relationship between abnormal phenomena of precursory measurement items and stress field of each station

臺(tái)站測(cè)項(xiàng)異?，F(xiàn)象與應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系夏縣臺(tái)南山底水準(zhǔn)下降-平穩(wěn)-上升拉張轉(zhuǎn)為擠壓風(fēng)伯峪水準(zhǔn)下降-平穩(wěn)-上升拉張轉(zhuǎn)為擠壓東郭水位下降-上升拉張轉(zhuǎn)為擠壓氣氡年變幅變化-水平擺年變幅減小-臨汾臺(tái)短水準(zhǔn)下降-平穩(wěn)拉張轉(zhuǎn)為閉鎖水平擺北傾、東傾-垂直擺北傾、東傾-侯馬臺(tái)水管儀北傾、西傾-韓城臺(tái)金屬擺北傾南北向應(yīng)力改變?nèi)A陰臺(tái)垂直擺北傾、東傾-水管儀北傾、東傾-

4 震源機(jī)制結(jié)果分析

異?，F(xiàn)象是地下應(yīng)力場(chǎng)變化在地表的真實(shí)體現(xiàn)，為提高對(duì)異?，F(xiàn)象分析的可靠性，從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)角度進(jìn)行分析。GPS和震源機(jī)制解等資料可以提供有效的區(qū)域背景應(yīng)力場(chǎng)及局部應(yīng)力場(chǎng)[14-15]。因此，結(jié)合異?，F(xiàn)象，從應(yīng)力場(chǎng)的角度對(duì)上述異常的可靠性進(jìn)行分析。

求取2013年以來山西南部ML3.0以上中小地震震源機(jī)制解，結(jié)果顯示山西南部中小地震主要以正斷為主，兼有少量走滑性質(zhì)，與山西斷陷帶南端剪切拉張的構(gòu)造環(huán)境基本一致。從圖15中不同年份的震源球分布看出，2015年以來中小地震震源機(jī)制帶有明顯的逆沖成分，一定程度上反映這一時(shí)段以來山西南部區(qū)域拉張作用處于減弱狀態(tài)，擠壓作用增強(qiáng)，此結(jié)果與前兆異常所表現(xiàn)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)一致。

圖15 2013-2016年山西南部ML3.0以上地震震源機(jī)制解結(jié)果Fig.15 Focal mechanism solution results of earthquakes with ML≥3.0 in southern Shanxi from 2013 to 2016

5 GPS資料分析

GPS反映的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變積累的動(dòng)態(tài)變化能夠在一定程度上客觀反映構(gòu)造活動(dòng)情況。由臨汾-夏縣GPS基線圖分析，此測(cè)線2010年至2013年變化穩(wěn)定，無顯著異常出現(xiàn)；2014年下半年起數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)負(fù)值變化，即GPS基線呈現(xiàn)縮短變化，表明南北方向的拉張應(yīng)力減弱，擠壓應(yīng)力增強(qiáng)，此結(jié)果與前兆異常所體現(xiàn)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)一致；2016年年中GPS基線的大幅臺(tái)階變化是由于觀測(cè)點(diǎn)天線位置偏移所致，與構(gòu)造活動(dòng)無關(guān)(見第25頁圖16)。

6 結(jié)論與討論

通過上述綜合分析，對(duì)夏縣前兆異常變化總結(jié)出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1) 夏縣臺(tái)多測(cè)項(xiàng)前兆異常變化受周邊環(huán)境干擾較小，異常變化較可靠。

(2) 從山西南部及晉陜交界區(qū)來看，多個(gè)臺(tái)站形變資料同步發(fā)生異常變化，為區(qū)域范圍內(nèi)異?，F(xiàn)象。水準(zhǔn)、水位測(cè)項(xiàng)由張性轉(zhuǎn)為壓性變化，表明區(qū)域內(nèi)拉張作用減弱，擠壓作用增強(qiáng)；傾斜類測(cè)項(xiàng)南北向均表現(xiàn)為北傾，東西向部分表現(xiàn)為東傾，表明區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生明顯調(diào)整。

(3) 震源機(jī)制解結(jié)果及GPS資料顯示2014年后區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)拉張作用減弱，擠壓作用增強(qiáng)，與山西南部區(qū)域多項(xiàng)形變異常變化及夏縣前兆異常變化基本一致。由上述分析認(rèn)為，夏縣臺(tái)多項(xiàng)前兆異常同步變化與構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。

圖16 山西臨汾-夏縣GPS基線資料Fig.16 GPS baseline data of Linfen-Xiaxian County, Shanxi Province

山西省地震局李宏偉工程師為本文提供了GPS基線資料圖件，在此深表感謝！