夏县地震台南山底短水准形变与震源机制解对应关系探讨

杨 静，张文男，王向阳，王洪峰

(1.山西省地震局夏县中心地震台，山西 夏县 044400；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震是断层的快速错动或岩体突然破裂的一种自然现象。断层形变是地震发生时最直接的伴随现象，是地壳应力场改变最直观、最显著的表现方式，跨断层短水准测量是监测断层形变最有效的方法之一。

1 夏县台短水准观测概述

文章通过对夏县中心地震台(以下简称夏县台)跨断层短水准观测资料的分析，结合其他数据，研究局部构造应力场的变化。

夏县台有两条跨断层短水准测线—夏县南山底和永济风伯峪短水准，分别跨越中条山北麓断裂北东段和东西段，监测断裂两侧的活动情况[1-2](见图1)。南山底短水准测线(NSD)位于夏县南山底村，近邻夏县台，测线总长0.59 km，分2个测段施测。NSD1-2测段为跨断层测段，起始点NSD1基岩点埋设在下盘基岩中，NSD2土层点埋设在上盘第四纪黄土层中(见第17页图2)；永济风伯峪测线位于永济市风伯峪村，距离夏县台约61 km，分2个测段施测，FBY2-3为跨断层测段。自1999年起，两条短水准测线由日观测改为流动观测，每逢双月下旬观测。

2011年夏县南山底短水准数据曲线打破稳速下降的年变趋势，出现反向上升变化，持续8个月后恢复正常年变形态。同期的风伯峪(FBY)测线水准数据未发生明显变化，观测结果显示南山底区域内由张性转变为压性环境。

2 夏县台南山底水准资料分析

自观测以来，南山底短水准数据曲线保持一定速率的下降变化趋势。期间，跨断层测段出现数次反向上升变化，断层活动增强，与地震有一定的对应关系(见第17页图3a)。 1998年与2003年测线出现明显反向上升变化，在此期间山西南部发生5.0级以上地震；1996年与2008年测线也出现明显上升变化，虽未对应区域内地震，但此时间段由于发生包头6.4级、汶川M8.0大震，使整个华北区域的构造应力场都受到影响而发生改变；此外，测线数据有多次小幅度上升现象，且上升时期无明显构造活动，可能与测线的特殊位置有关。南山底测线地处温泉开发中心地带，受地下水位干扰严重，观测数据复杂多变。

图2 夏县南山底流动短水准测线布设示意图Fig.2 Layout of mobile short leveling lines in Nanshandi in Xiaxian

2011年8月至2012年2月南山底测线下降趋势明显减缓，出现反向上升变化(见图3b)，对数据进行一阶差分处理，显示断层上盘累计上升幅度达14.55 mm。

短水准观测数据的异常变化不仅与区域构造应力场变化相关，与周围观测环境也息息相关[3-5]。对周围环境进行调查，未发现明显变化及干扰因素，但随着温泉开发的日益增加，南山底水准测线受地下水位的影响越来越大[6-7]。2011年夏县台水位出现明显回升变化，推测南山底水准数据的变化可能是由地下水位的变化引起，因此分析水准变化与水位的对应关系。南山底短水准测量为双月观测，为保证数据对比的一致性，分析时取测量当天的台站水位观测日值。选取2001年以来的资料，绘制水位与NSD1-2测段差分曲线对比图。由图4看出，两者具有很好的一致性，计算得到两者的相关系数为0.654 9。将水位与水准差分结果绘制于同一坐标系下，发现两者呈现较好的线性关系(见第18页图5)，得到拟合直线方程为：

图3 南山底短水准原始数据曲线及差分结果Fig.3 Original data and difference result of Nanshandi short leveling

y= 0.960x+74.39，

式中：x为水准差分值；y为水位日值。

通过上述计算分析，认为夏县台南山底水准观测数据变化与地下水位的变化有较高的一致性。南山底短水准测线土层点埋深较浅，位于地下水位面之上，当地下水位下降时，上部覆盖层随之下降；反之，上部覆盖层则随之上升。2011年台站水位明显回升，南山底短水准受影响也出现回升变化。

3 震源机制解分析

水准测量反映的是断层的活动状态，断层活动由区域构造应力作用而引起，通过震源机制解可求解得到区域构造应力场。南山底短水准数据回升变化反映局部构造应力场由张性受力转变为压性受力，而实际的构造应力场是否如此，下面通过求解震源机制解进行验证。

图4 台站水位与NSD1-2测段水准差分结果对比曲线Fig.4 Comparison of water level and the results of leveling difference in NSD1-2 section

3.1 资料选取

南山底水准数据的异常变化在2011年，考虑2008年汶川地震以后整个山西地区的构造应力场都有转变[8]，选取2007—2012年山西省南部(36.7°以南)ML≥3.0地震，采用snoke方法[9]求解震源机制解。统计ML≥3.0地震共33次，由于边缘地震波形资料较少，求解得到29次地震的震源机制解(见图6)。由图6看出，2007—2012年，运城盆地内能够得到震源机制解的地震极少，南山底测线东、北向有少量地震，因此，通过求解震源机制解可得到山西南部的区域构造应力场，南山底局部小区域构造应力场可利用台站近区内单个地震的活动情况来分析。

图5 台站水位与NSD1-2测段水准差分结果散点图Fig.5 Scatter plot of water level and the results of leveling difference in NSD1-2 section

3.2 山西南部区域计算结果及分析

统计震源机制解结果，节面走向优势方位为北北东或北东向，滑动角集中在180°多为走滑断层，倾角集中在60°～90°，与山西南部盆地内多为北东向高角度断裂一致。结果显示，山西南部主压应力轴为NEE—SWW向，主张应力轴为NNW—SSE向，与华北区域及山西区域的平均构造应力场[10-15]一致，但南部区域内两个主应力轴的仰角变化较大，表现出一定的局部小构造应力场特征。

图6 震源机制解平面分布图Fig.6 Distribution of source mechanism solutions

绘制山西南部构造应力场时序演化图(见图7)，进一步分析山西南部构造应力场的变化特征，分析结果如第19页表1所示。

图7 山西南部构造应力场时序演化图Fig.7 Temporal series evolution of tectonic stress field in southern Shanxi

由表1看出，山西南部应力场在2008年之后经过两年的调整，已基本趋于稳定状态，主张应力轴为北北西向，主压应力轴为北东东向，区域内地震主要为正断走滑型，表现出以拉张作用为主, 伴有挤压作用的局部区域应力场特征，与夏县台短水准测线长期以来按一定速率下降的趋势是一致的。

表1 山西南部构造应力场时序变化特征Table 1 Temporal series variation characteristics oftectonic stress field in southern Shanxi

3.3 夏县区域内地震分析

2011年南山底短水准数据存在异常变化，同年却未发生地震，但2010年和2012年在测线附近均发生一次地震，震源机制解结果如表2所示。

2010年8月2日夏县发生ML3.2地震，震中位于南山底测区东侧中条山上，距台站39 km，地震类型为走滑逆冲型，表明中条山夏县段断裂张性受力减弱，压性受力增强，断层上盘向上移动，局部构造应力场特征明显转变为挤压环境，从而造成南山底短水准与水位同步回升现象。

2012年9月2日闻喜发生ML3.0地震，震中位于南山底测区东北侧中条山前，距台站27.5 km，地震类型为走滑型，表现出少许正断性质，表明到2012年中条山夏县段局部构造应力场特征消失，又转回张性环境，趋向于山西南部区域平均构造应力场，南山底短水准与水位又恢复正常变化趋势。

4 GPS资料分析

为进一步证实夏县局部构造应力场的变化特征，引入相关GPS资料，给出2007—2011年山西南部应变率场演化图[16](见图8)。

表2 夏县地震和闻喜地震震源机制解Table 2 Source mechanism solutions of earthquakes in Xiaxian and Wenxi

图8 山西南部应变率场演化特征[14]Fig.8 Evolution characteristics of strain rate field in southern Shanxi

图8显示，2007—2009年，运城盆地东、南边界中条山北麓断裂呈现明显的张性活动状态；2009—2011年，运城盆地边缘由之前的张性活动转为压性活动，尤其以夏县区域表现最为明显，应变率最大。这一结果进一步证实夏县区域2011年存在局部小构造活动，呈现压性环境，与南山底短水准和水位变化一致。

5 结论

(1) 南山底短水准测量环境受地下水位干扰较为严重，经分析计算，水准数据的变化与地下水位的变化具有较好的相关性，两者呈线性关系。

(2) 2011年南山底短水准数据出现反向上升变化，显示局部构造应力场由拉张状态转为挤压状态。震源机制解整体结果分析表明，2011年山西南部区域应力场状态较为稳定，表现出以拉张作用为主, 伴有挤压作用的区域应力场特征。夏县区域内单个地震震源机制解结果表明，2011年夏县有局部小构造活动，表现为挤压环境，南山底短水准与水位出现同步回升现象；2012年局部应力场特征消失，水准与水位恢复正常变化趋势。

(3) 根据GPS资料分析结果，2009—2011年运城盆地东、南边缘由之前的张性活动转变为压性活动，尤其在夏县区域压性应变率最大，与南山底水准数据回升显示局部区域内由张性变为压性是一致的。

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