基于中小地震震源機(jī)制解的太原盆地現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演

李 斌, 李自紅

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

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是地球動(dòng)力學(xué)研究中十分重要的內(nèi)容之一,然而目前直接測(cè)量地殼內(nèi)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)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(cè)資料,反演或聯(lián)合反演構(gòu)造應(yīng)力的某些特征,地震的震源機(jī)制解就是其中有效且可靠的選擇之一。單個(gè)地震的震源機(jī)制解可以揭示地震發(fā)生時(shí)發(fā)震斷層破裂或活動(dòng)的方式、反映地震前后震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的變化,是震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)自身的一種體現(xiàn),但不足以反映整個(gè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的概況[3]。大量中小地震的震源機(jī)制解的總體特征以及基于它們的應(yīng)力張量反演結(jié)果被越來(lái)越多的研究證明能夠更好地反映該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)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(gòu)造與地貌格局。有歷史記錄以來(lái)(自公元231年)太原盆地未發(fā)生過(guò)7.0級(jí)以上地震,據(jù)此一些地質(zhì)學(xué)家和地震學(xué)家認(rèn)為太原盆地可能不具備發(fā)生7.0級(jí)以上地震的發(fā)震條件[5-6]。但近年越來(lái)越多的研究結(jié)果表明,太原盆地具有發(fā)生7.0級(jí)地震的潛在危險(xiǎn)[7-15]。如沿交城斷裂和太谷斷裂帶開(kāi)挖的一系列探槽揭示了太原盆地至少發(fā)生過(guò)多次較大的古地震事件[9-12];謝新生等人研究認(rèn)為,太原盆地東邊界的太谷斷裂帶恰好位于1303年洪洞M8級(jí)地震破裂帶北向延長(zhǎng)線上,為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力易于積累的位置,其潛在的強(qiáng)震危險(xiǎn)性應(yīng)得到足夠重視與進(jìn)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(dòng)斷層探測(cè)資料對(duì)太原盆地進(jìn)行了系統(tǒng)的地震危險(xiǎn)性潛勢(shì)分析,研究結(jié)果顯示未來(lái)50年內(nèi)太原盆地具有發(fā)生M7.0級(jí)以上地震的潛在危險(xiǎn)性,其中太谷地區(qū)未來(lái)50和100年的Ms≥7.0級(jí)地震的發(fā)生概率較高,最高達(dá)到了15%和27.8%[11]。地震的孕育過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是地殼中應(yīng)力不斷積累的過(guò)程,當(dāng)?shù)貧ぶ蟹e累的應(yīng)力超過(guò)震源區(qū)脆性介質(zhì)所能承受的極限時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂或沿原來(lái)的破裂面滑動(dòng),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(jī)制解基礎(chǔ)上,分析太原盆地震源機(jī)制解的總體特征并進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力反演,為深入研究該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)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(guān)隆起所圍限,總體走向北東,平面展布呈矩形,長(zhǎng)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(duì)交城斷裂的研究始于上世紀(jì)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(diǎn)等問(wèn)題上。對(duì)交城斷裂帶晚第四紀(jì)活動(dòng)的認(rèn)識(shí)自上世紀(jì)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(kāi)挖的多個(gè)探槽,清晰地揭示了該斷裂帶為全新世活動(dòng)斷層,且在歷史時(shí)期至少發(fā)生過(guò)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(zhǎng)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(kāi)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(cuò)事件距今(3 350±150)年[13,15];在太谷縣東山底開(kāi)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(cuò)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(rèn)為,1303年洪洞8級(jí)地震活動(dòng)時(shí),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(dòng)的最新一次活動(dòng)[13,15]。太谷斷裂為全新世活動(dòng)斷裂,沿?cái)嗔褞в涗浀降臍v史地震強(qiáng)度和頻次都相對(duì)較低,僅記錄到1次4級(jí)地震,但1970年以來(lái)太原盆地中小震群活動(dòng)頻繁。盆地的地震活動(dòng)不僅受西、東兩側(cè)交城與太谷大斷裂帶的控制,同時(shí)也受大型斷裂帶內(nèi)外緣周?chē)樯目v橫交錯(cuò)的較小斷裂的影響[4]。

2 地震活動(dòng)特征

太原盆地為地震多發(fā)盆地,盆地及鄰區(qū)地震活動(dòng)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(jí)以上強(qiáng)震,共記錄到盆地內(nèi)發(fā)生的ML6.5級(jí)地震3次,ML 6.0～6.5級(jí)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(dòng)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(jí)以上地震,如發(fā)生在臨汾盆地的1695年的臨汾M7.8級(jí)地震。發(fā)生在山西地震帶的最近一次6級(jí)地震則是1989年的大同-陽(yáng)高M(jìn)6.1級(jí)震群,主震為大同盆地內(nèi)大王村斷裂和團(tuán)堡斷裂兩條共軛斷裂作用的結(jié)果。

盡管近年來(lái)太原盆地內(nèi)沒(méi)有強(qiáng)震發(fā)生,盆地內(nèi)小震卻異常活躍,多次發(fā)生震群活動(dòng)。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(guān)。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(duì)比較密集,而東北角的晉中附近與西南角的汾陽(yáng)附近的中小地震分布卻相對(duì)稀疏,這一特征與盆地構(gòu)造上的中心對(duì)稱相一致[11]。

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

3 震源機(jī)制解及特征分析

地震的震源機(jī)制解,也叫斷層面解,是指震源區(qū)地震發(fā)生時(shí)的力學(xué)過(guò)程。通過(guò)震源機(jī)制解的解析可以揭示斷層破裂時(shí)具體的運(yùn)動(dòng)類型(如正斷層、逆斷層或走滑斷層)。震源機(jī)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(tái)站記錄到的波形資料進(jìn)行求解,參數(shù)包括地震波形的P波初動(dòng)、振幅比,或進(jìn)行全波形反演等。分析求解后得到的兩組力學(xué)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(shí)的最大主應(yīng)力軸、最小主應(yīng)力軸和中等主應(yīng)力軸的方位和產(chǎn)狀,這些參數(shù)是進(jìn)行斷層錯(cuò)動(dòng)和應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。

3.1 震源機(jī)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(jī)制解共84個(gè)?？紤]到震源機(jī)制解的準(zhǔn)確性在很大程度上受到地震震級(jí)大小、臺(tái)網(wǎng)密度及記錄波形質(zhì)量等因素的影響,較大的震源機(jī)制解誤差會(huì)進(jìn)一步放大后續(xù)基于這些數(shù)據(jù)的應(yīng)力張量反演結(jié)果,本文對(duì)收集整理到的84個(gè)結(jié)果進(jìn)行了較為嚴(yán)格的篩選,最后得到25個(gè)ML≥3.0級(jí)地震的震源機(jī)制解資料(圖2)。篩選的標(biāo)準(zhǔn)包括:1)基于P波初動(dòng)得到的震源機(jī)制解應(yīng)滿足在計(jì)算過(guò)程中選用震中距小于150 km的臺(tái)站，記錄的P波初動(dòng)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(tái)站數(shù)目5個(gè)以上,以保證震源機(jī)制解的穩(wěn)定性[3];2)基于P波初動(dòng)和振幅比得到的震源機(jī)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(jī)制解(如矩張量或CAP方法)應(yīng)滿足理論波形與實(shí)際波形匹配較好且ML≥3.7[1-3,13]。

篩選后的25個(gè)震源機(jī)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(lái)源,其詳細(xì)的參數(shù)如斷層滑動(dòng)面、P-軸與T-軸方位、資料來(lái)源等參見(jiàn)文獻(xiàn)[7](紅色),文獻(xiàn)[2](黑色)以及Harvard CMT(藍(lán)色)。

3.2 震源機(jī)制解總體特征

根據(jù)震源機(jī)制解3個(gè)應(yīng)力軸傾角值的大小,可將反映斷層破裂前后應(yīng)力狀態(tài)的震源機(jī)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(wú)法確定型(U)[1]。太原盆地的震源機(jī)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(gòu)造活動(dòng)特征及野外地質(zhì)證據(jù)吻合[11]。

4 應(yīng)力張量反演方法及結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力張量反演方法

基于震源機(jī)制解數(shù)據(jù)的應(yīng)力張量反演,常基于以下兩個(gè)假定:一是研究區(qū)域內(nèi)的地殼應(yīng)力場(chǎng)處處均勻,二是斷層的滑動(dòng)方向與應(yīng)力張量投影在斷層面上的剪切應(yīng)力方向一致[2]。應(yīng)力張量反演的基本思想是在上述兩個(gè)假設(shè)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(jī)制達(dá)到最優(yōu)擬合的一組應(yīng)力張量[2,16-17],即在此應(yīng)力作用下最可能發(fā)生對(duì)應(yīng)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(shí)選擇斷層2個(gè)節(jié)面進(jìn)行獨(dú)立反演。相比于其他方法如SLICK,該算法既可對(duì)于具有相似誤差的節(jié)面進(jìn)行人機(jī)交互選擇正確的解,也可利用改進(jìn)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(yīng)力張量反演結(jié)果

基于太原盆地及附近區(qū)域25個(gè)ML≥3.0級(jí)地震震源機(jī)制解的應(yīng)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(gè)ML≥3.0級(jí)地震震源機(jī)制解的應(yīng)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(yīng)力軸(σ1)的走向?yàn)镹E59°、傾角為57°;最大平均主張應(yīng)力軸(σ3)的走向?yàn)镹W331°,近乎垂直;中間平均主壓應(yīng)力軸(σ2)的走向?yàn)镾W241°,傾角為33°。該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)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(jī)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(duì)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(gòu)造應(yīng)力受控于NNW-SSE向的主張應(yīng)力作用,NE-SW向水平擠壓應(yīng)力作用相對(duì)較弱,這與山西裂谷帶整體區(qū)域應(yīng)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(gè)ML≥3.0級(jí)地震的震源機(jī)制解結(jié)果,反演得到該區(qū)域現(xiàn)今的平均構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。研究結(jié)果表明,太原盆地主要受到NWN-SES向拉張應(yīng)力的控制,NE-SW向水平擠壓應(yīng)力作用相對(duì)較弱,該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征與山西地震帶總體的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)基本一致。

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

對(duì)太原盆地區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究結(jié)果可為今后進(jìn)一步評(píng)價(jià)該區(qū)域的地震活動(dòng)性及危險(xiǎn)性研究提供依據(jù)。

[1] 王曉山,呂堅(jiān),謝祖軍,等.南北地震帶震源機(jī)制解與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征[J].地球物理學(xué)報(bào),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(jī)制一致性參數(shù)時(shí)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(yīng)力場(chǎng)變化特征研究[J].中國(guó)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(shì)概述[J].地質(zhì)學(xué),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(dòng)的新構(gòu)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(yīng)力場(chǎng)[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(yīng)力場(chǎng)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(gè)大探槽全新世古地震活動(dòng)對(duì)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(shì)分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),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(dòng)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(gòu)響應(yīng)特征研究及應(yīng)用[D].太原:太原理工大學(xué),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(dòng)及其與1303年洪洞8級(jí)地震的關(guān)系[J].地震學(xué)報(bào),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(gòu)造應(yīng)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.