山西活動斷陷帶主要斷層垂直形變分段特征

李惠玲 李冬梅 李穎 陳永前

陳慧1,2) 高云峰1,2) 魏凱艷1,2)

1)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,太原 030025

2)山西省地震局,太原 030021

0 引言

山西斷陷帶以剪切拉張變形為特征,受NNE向右旋走滑正斷裂控制,正斷層分量占主導地位(安美建等,1998; 張培震等,2013)。正斷性質斷裂帶是在重力和拉伸構造力作用下產生的變形組合(馬曉靜,2013),山西斷陷帶作為發育有眾多大型正斷拉張活動斷層的裂谷,其內部構造復雜,控盆主邊界斷裂活動顯著(Liu et al,2021、2023; 張娜等,2021; 石婧,2023)。由于垂直差異運動強烈使構造變形非連續性較強,利于應力積累和強震孕育,存在發生強震的構造背景和活動機制(鄧起東等,2003; 王同慶等,2017; 張培震等,2003)。山西歷史上曾發生過多次7級、8級強震,如1303年山西洪洞8級地震,其發震構造霍山山前斷裂為控盆斷裂,是一近直立斷層,地表破裂具有明顯的正斷層活動性質(徐錫偉等,1990),此次8級地震距今已有700多年歷史,按華北地區強震平均300年周期來考慮,該區應至少發生一次6級左右地震(王健等,2004)。近年來,山西裂谷帶為地震重點監視防御區之一,山西裂谷帶北段也是中國大陸7級以上地震潛在的危險地段(M7專項工作組,2012),其未來震情形勢嚴峻而復雜。因此,加強對該區域斷層現今運動狀態的監視與研究,對分析其構造運動規律和地震危險性具有參考價值。

地震孕育發生過程中會伴隨較顯著的斷層形變異常(車兆宏等,1999; 李杰等,2011; 王雙緒,2011; 劉瑞春等,2021a),而跨斷層水準測量因其測線跨越一些重要斷層,是定量研究斷層近場活動的有效手段,獲得的斷層形變成果物理意義明確,在地球動力學、活動構造和獲取地震異常前兆信息中得到廣泛應用(曹建玲等,2016、2020; 李惠玲等,2021; 馬伶俐等,2015、2020)。本文從斷層活動方式及活動強度的角度對山西斷陷帶觀測以來跨斷層水準獲得的垂直形變時間序列進行重構,嘗試提取信號中的異常信息,結合山西及鄰區歷史中強地震可能對山西斷陷帶斷層活動產生的影響,探索研究區內主要斷層的活動特征。

1 跨斷層形變數據選取

自20世紀70年代開始,山西地區就已開展跨斷層形變觀測,至今已有40年以上歷史,目前有11處跨斷層流動水準監測場地,4處跨斷層定點短水準觀測場地(圖1)。流動水準監測場地20世紀70年代起測6處,20世紀80年代起測4處,21世紀初起測1處,觀測最早始于1973年8月,最晚為2014年2月,監測場地全部跨出露斷裂,其中跨全新世活動斷裂10處,占總場地數的90.91%,跨早第四紀活動斷裂1處,較好地滿足了監測規范對監測場地跨斷層年代的要求。定點水準監測場地20世紀70年代起測1處,20世紀80年代起測3處,觀測最早始于1979年1月,最晚為1986年1月,觀測周期2018年10月前為1日,2018年10月后為5日。

圖1 山西跨斷層形變監測場地分布

考慮到資料的完整性以及長期積累和研究的主要目標,在測段選取時將觀測時間尚短、對歷史地震不具統計意義的部分跨斷層測段進行了剔除,最終選取觀測時間較早且資料完整的10處跨斷層流動水準及4處跨斷層定點水準場地觀測資料,并系統梳理了跨斷層形變場地監測斷層概況(表1)。所選場地均為基巖端點,所用資料時間跨度最長達49年。

表1 山西跨斷層形變監測場地概況及觀測反映的斷層活動性質

2 斷層垂直形變活動性參量計算方法

斷層垂直升降累積量是基于累積變化的研究思路,選用起始年的觀測數據作為參考基準,利用每年某個月份的測值減去基準年對應月份的測值,計算每年在基準年基礎上的水準累積變化量,這樣既可以消除季節變化等因素引起的年周變影響,又可以了解斷層背景活動方式,得到的斷層垂直升降累積量能更客觀地描述斷層在觀測期內的活動狀態?？筛鶕?1)得到相對于參考年的累計年變化量,即

(1)

其中,計算得到的斷層垂直累積升降量ΔH>0,表示正斷層活動; ΔH<0,表示逆斷層活動。

斷層垂直形變活動速率是衡量斷層活動強度的一個重要指標,其在一定程度上反映了斷層活動隨時間變化的動態特征。為消除觀測粗差、地表季節性變化引起的年周期變化對斷層繼承性構造活動的影響,利用每月測值減去上年同期測值,得到每年12個月相對滑動量,再除以一年時間尺度,由此得到斷層活動年速率,即

(2)

其中,ai表示某月測值,bi表示上年同期測值。

3 計算結果

對選取的14處跨斷層形變水準場地觀測數據進行預處理,剔除數據中因干擾引起的明顯突變等,由于取用的資料時間間隔有所不同,對所選用的不等間隔觀測資料進行連續性檢驗,剔除重復數據,并對觀測數據采用線性插值進行逐月內插計算,獲得等間隔單月觀測數據。

3.1 斷層垂直活動性質

通過計算各測段在基準年基礎上的年累積變化量,求出新的觀測值時間序列,得到斷層在觀測期內的活動狀態(表1),并從北到南按構造分區,分別給出各盆地內水準測段垂直活動累積量時序曲線(圖2)。因太原盆地僅有一處監測場地,故與臨汾盆地合并繪制。

圖2 山西斷陷帶斷層垂直活動累積量曲線

從圖2可以看出,山西斷陷帶各斷層在觀測期內以張性正斷活動為主要特征。從盆地內各測段垂直活動累積量可以看出,南、北兩段的活動量明顯大于中段。其中,忻定盆地表現出小區域活動特征,其累積變化量值較小; 而南山底測段解算出的活動量值較大,表現為快速拉張,可能與測區常年受地熱溫泉開采影響有關。

3.2 斷層垂直活動強度

由于收集到的資料觀測時長大部分在30年以上,為能較好地消除季節變化及各種系統性、周期性誤差影響,利用線性回歸方法計算各測段斷層的垂直形變速率,其中速率為正值表示張性,速率為負值表示壓性?？鐢鄬訙y段由北向南監測的斷層活動結果見表2。

表2 斷層垂直形變速率統計結果

山西地區跨斷層形變觀測資料計算給出的各斷層垂直形變速率結果表明,山西斷陷帶斷層活動以繼承性正斷運動為主,以忻定盆地為界,南、北兩段的斷層垂直形變速率與中段差異較大,表現出顯著構造活動差異特征,這與萬年尺度的野外地質調查結果一致性較好(表2)。五臺山斷裂、系舟山斷裂、唐河斷裂和霍山斷裂的垂直形變速率明顯低于全區平均垂直形變速率,區域特點顯著。通過定量分析得到的斷層運動特征與車兆宏(1993)、郭良遷等(2003)、賈曉東等(2012)的研究結果基本一致。而南山底場地跨斷層垂直形變速率量值較大,根據進一步調查研究,其主要受到測區周邊地熱溫泉大量開采的影響。

根據上述分析可知,研究區斷層在觀測期內整體呈張性活動,這與山西地區所處的背景應力場有關。已有大量研究和觀測事實表明山西所在的華北地區主要受張性構造應力場作用,主張應力方向為NNW-SSE,主壓應力方向為NEE-SWW(武敏捷等,2011)。顯然,本文所分析的NE、NNE及NEE向斷層呈張性活動與此是吻合的。

4 分析與討論

4.1 斷層垂直升降累積量變化與區域地震關系

根據前人研究給出的以累積活動量時序曲線系統偏離正常線性趨勢,即斷層偏離背景活動趨勢作為異常判斷依據(李臘月等,2023; 張希等,2020),結合山西及鄰區典型地震,探討斷層現今活動與區域中強地震的關系。

圖2中多數測段曲線反映出一致的整體趨勢運動,在本區及鄰區中強地震前,部分測段表現出較顯著的趨勢轉折或速率變化異常。其中,1989年大同6.1級地震前后,大同、下達枝、茶房口、亭旨頭、眉音口測段出現加速拉張或張壓交替的大幅變化,多處跨斷層水準觀測曲線均具有1987—1988年開始加速后轉折的特點。這種準同步、范圍較廣的加速、轉折變化,反映了區域應力場發生改變。

1998年張北6.2級地震前觀測到的異常較多,區域異常同步特征明顯,如:大同盆地小磨、應縣測段、忻定盆地下達枝、亭旨頭、茶房口與眉音口測段在震前2～3年同步出現顯著的趨勢轉折異常變化,反映出斷層在趨勢運動背景下的速率加速及轉折運動。

2006年文安5.1級地震前,大同和太原測段、茶房口和亭旨頭測段水準垂直累積活動量在一定程度上表現出相似的異常形態,均為在震前的2004—2006年出現累積活動量值增大的異常變化。

此外,除忻定盆地外,山西斷陷帶內其余4個盆地內部分測段受2008年汶川8.0級地震影響,垂直活動累積量改變,表現為張性活動變緩,或部分測段表現出閉鎖、擠壓狀態。劉峽等(2013)對汶川8.0級地震前后山西斷陷帶的地殼運動模擬研究結果顯示,1999—2007年、2007—2009年兩個時段的GPS模擬結果差異較大,前一時段斷層活動以拉張變形為主,后一時段部分斷層受擠壓作用為主,顯示山西斷陷帶的動力學環境發生了改變,所受構造擠壓增強?？傮w上,2008年以后山西斷陷帶內的斷層形變以正斷減速為主要特征。通過定量分析得到的山西斷陷帶跨斷層水準各測段垂直活動累積量時序曲線解算結果與劉峽等(2013)的研究結果基本一致。

4.2 斷層垂直形變速率時空分段特征

結合前人的研究成果,同時考慮山西及鄰區幾次中強地震(1989年大同6.1級、1998年張北6.2級、2006年文安5.1級地震)以及2008年汶川8.0級、2011年日本9.0級地震對山西斷陷帶斷層活動可能造成的影響,將各測段觀測結果分為1989年前、1990—1999年、2000—2008年、2008—2011年和2011—2022年5個時間段,計算了斷層垂直形變速率(表3)。

表3 山西斷陷帶斷層垂直形變速率統計結果

斷層垂直形變速率時空分段結果(圖3)顯示,忻定盆地可能為地殼運動強度轉化過渡帶,斷層活動速率與南北段存在較大差異; 另外,唐河斷裂下達枝測段、五臺山山前西麓斷裂亭旨頭測段、交城斷裂中段太原測段、霍山山前斷裂南段(蘇堡—廣勝寺段)廣勝寺測段的斷層垂直形變速率表現出正負交替的活動狀態,反映斷層在觀測期內存在非繼承性的張壓交替變化。

圖3 山西斷陷帶斷層垂直形變速率統計

(1)第一時段(1989年之前),除下達枝測段外,其余斷層反映出具有一致性較好的繼承性正斷拉張運動,斷層整體活動速率較小; 南段速率稍大于北段,可能與該時段鄰區河北及山東地區一系列中強地震(1981年隆堯MS5.8、1983年菏澤MS5.9、1985年任縣MS5.3 地震)較活躍有關; 而在1989年大同—陽高MS6.1 地震前,大同盆地斷層活動跡象不明顯,各測段垂直形變速率未表現出顯著的加速運動,可能表明斷層存在一定靜止或運動速率減小的狀態。

(2)第二時段(1990—1999年),山西斷陷帶中北段及其鄰近地區出現空間集中的中強地震活躍,而該時段山西斷陷帶大同盆地和太原盆地內的跨斷層監測測段表現出顯著的斷層垂直形變加速運動,1991年忻州MS5.1、陽高MS5.8、張北MS6.2 地震可能與此有關; 亭旨頭、廣勝寺測段出現斷層逆繼承性轉折變化,忻定盆地和臨汾盆地的斷層垂直形變速率明顯減小,反映該時期存在區域構造應力場增強現象。

(3)第三時段(2000—2008年),山西斷陷帶及鄰區整體中強地震活動相對平靜,該時段內發生了幾次中等地震; 亭旨頭測段跨斷層監測結果仍反映斷層逆繼承性運動; 從斷層活動定量結果來看,除忻定盆地的下達枝和茶房口兩個測段跨斷層垂直形變速率稍有減緩外,研究區其他各測段斷層垂直形變速率均顯示加強,表明山西斷陷帶整體拉張增強的正斷性質。其中,下達枝和茶房口測段的繼承性速率減緩,亭旨頭測段的持續逆繼承運動以及太原和臨汾盆地內斷層垂直形變速率顯著增強,可能與2002年太原MS4.7、2003年洪洞MS4.9 以及2006年文安MS5.1 地震等幾次中等地震孕育有關。

(4)第四時段(2008—2011年),區域應力場呈現出與第三時段完全相反的狀態,這一時期應力場呈現明顯的分區特征。以忻定盆地南端為界,其以北的斷層顯示正斷活動加速,垂直形變速率以增強為主,可能與2010年大同MS4.5 和2010年陽曲MS4.6 地震有關; 局部區域亭旨頭測段仍呈斷層逆繼承運動,且壓性速率顯著高于上一時段; 忻定盆地以南的太原盆地、臨汾盆地和運城盆地內的斷層垂直形變速率呈正斷活動減速特征,表現為由正斷活動逐漸轉為斷層上、下盤相對運動減弱,顯示區域構造擠壓增強,這可能與2008年汶川MS8.0 地震后中國大陸東、西部相對運動增強、鄂爾多斯塊體與華北平原塊體相對擠壓和扭錯顯著增強,導致山西斷陷帶的動力學環境發生改變,區域形變場與應力場由構造拉張轉為擠壓及局部應變能積累有關(劉峽等,2013; 劉瑞春等,2021b)。另外,2010年河津MS4.8 地震也發生在該時段內,而運城盆地南山底測段在長期受地熱溫泉開發影響下,其斷層垂直形變速率呈現由上一期的正斷拉張加速到拉張減緩趨勢,也進一步揭示區域應力場的積累。

(5)第五時段(2011—2022年),全區斷層以正斷拉張為主,但張性活動整體較上一時段顯著減弱,研究認為其可能是受到2011年日本9.0級強震影響造成應力擾動,進而發生震后應力松弛,并對中國大陸板塊產生卸載作用(王麗鳳等,2013)。此外,在該時段內,大同盆地、忻定盆地、太原盆地及臨汾盆地的部分測段斷層呈相對閉鎖狀態,斷層活動低于歷史水平(表3)。其中,下達枝、太原、廣勝寺測段出現斷層逆繼承性變化可能是2016年一系列中小地震(2016年原平MS4.2、清徐MS4.2、鹽湖MS4.5 地震等)活躍的觸發因素。因此,斷層活動變化差異較大的地區有利于局部應變能積累及區域中強地震的孕育、發生。

綜上所述,山西斷陷帶跨斷層水準觀測結果反映出的斷層加速、逆繼承運動、斷層相對閉鎖等顯著變化與中強地震活動之間存在一定關系。利用跨斷層垂直形變速率分時段分析山西斷陷帶各斷層活動特征,能在一定程度上反映出區域的應力變化情況。因此,從較長時間尺度來看,需進一步跟蹤區域應力場的發展變化。

5 結論

采用斷層垂直活動累積量及活動速率方法將山西斷陷帶自觀測以來的跨斷層水準時間序列進行重構,獲得的斷層活動方式及滑動速率能在一定程度上直接反映區域的應力變化情況,結合區域構造分區、分時段垂直形變速率結果和區域中強地震活動可能對山西斷陷帶斷層活動產生的影響進行分析,得出以下結論:

(1)利用跨斷層水準時間序列重構的垂直活動累積量分析盆地內各測段斷層的活動特征,顯示出山西斷陷帶斷層以繼承性正斷活動為主,各盆地斷層運動分區特征明顯。

(2)構造分區的斷層垂直形變速率結果顯示,忻定盆地可能為地殼運動強度轉化過渡帶,其斷層垂直活動速率較小,與南北兩側存在較大差異; 時間分段特征顯示,受區域中強地震及汶川8.0級等地震影響,各時段斷層運動存在差異變化。此外在空間上,下達枝測段、亭旨頭測段、太原測段及廣勝寺測段在觀測期內的斷層垂直形變速率存在非繼承性張壓交替的顯著變化; 在時間上,逆繼承性變化主要集中在第二時段,與區域及周邊中強地震頻發存在一定關系; 而在第五時段,斷層活動減速及逆繼承性變化更趨于集中,這一現象值得引起關注。利用跨斷層資料分析山西斷陷帶各盆地斷層活動特征,可進一步加強對區域構造應力變化與中強地震關系的認識。

(3)區域背景應力水平是區域地震危險性的決定因素。斷層活動累積量結果表明,受大規模區域構造應力場影響,區域地殼形變場變化顯著,2008年以后山西斷陷帶內斷層運動整體以拉張伸展減緩、擠壓縮短增強為主要特征。特別是山西中南部,包括太原、臨汾及運城盆地具有較高的局部應變能積累,應進一步關注該區域的地震危險性。

致謝：感謝曹建玲博士及李臘月高級工程師在整個研究過程中給予的悉心指導,感謝審稿專家提出的寶貴修改意見。