由2010 年河津MS4.8 级地震探讨临汾台形变异常机理

杨 静 荆红亮 靳宝萍 韩 磊

（1、山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾041000 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）

地震的发生是地下应力持续增长的结果，在地震孕育过程中，当地下应力累积到一定程度会引起地壳介质发生改变，尤其是在地震孕育的短临阶段, 高应力集中区的地壳介质已接近失稳状态，必然会引起区域内一些前兆观测资料在短时间内集中出现准同步性短期异常变化[1]。临汾中心地震台的形变观测项目在2010 年河津MS4.8 级地震前相继出现多项异常测项，本文结合GPS研究成果从构造应力场的变化状态对临汾台异常测项的变化机理进行了探讨，并分析了其它测项未出现异常现象的原因。

1 临汾台背景

1.1 台站介绍。临汾中心地震台（以下简称临汾台）建设于1953年，是山西省首批建立的地震台站之一，目前临汾台包括郭家庄监测中心、龙祠观测台和侯马观测台三个部分，担负着山西省中南部地震震情监测的重要任务。郭家庄监测中心位于市中心，是台站业务及观测数据处理中心；龙祠观测台位于临汾市龙祠村北约1km的山谷中，观测项目主要有水平摆、垂直摆、体应变、水准、地电阻率、大地电场、FHD、测震等三大学科的7 个测项；侯马观测台位于侯马市复兴村南约1km的山沟中，主要观测项目有2 项定点形变测项水管倾斜仪和伸缩仪。

1.2 地质构造背景。临汾台地处临汾盆地，临汾盆地位于山西断陷带的轴部，北面以灵石横向隆起与太原盆地相隔，南缘以峨嵋台地与运城盆地为邻，东为霍山山前断裂以及浮山断裂，西为罗云山山前断裂，受主干断裂的影响, 盆地内小断层较为发育，是山西五大盆地内次级构造最为复杂的盆地。龙祠观测台地处临汾盆地西缘，位于临汾凹陷内的龙祠沉降中心，主控断裂为罗云山山前断裂。该断裂是全新世活动断裂，全长100 多公里，走向北北东，倾向南东，倾角70°左右，是东盘下降、西盘上升的正断层，断距约150 m。罗云山山前断裂从龙祠地震台通过，龙祠观测山洞建于较为稳定的断层下盘，基岩为中奥陶系马家沟组灰岩，上盘为第四系洪积物。观测山洞总长130.7 米，山体大部分植被为草和灌木，覆盖层厚度约30 m[2]。侯马观测台地处临汾盆地南缘与峨嵋台地的交界地带，属侯马凹陷范围内，主控断裂为峨嵋台地北缘断裂带的紫金山山前断裂，该断裂走向东西，断面北倾，倾角60°左右，垂直断距约150 m。观测山洞位于的断裂南侧的下盘，山洞基岩为太古界石英角闪片麻岩，岩体完整，洞体覆盖厚度大于80 米，植被茂盛。

2 2010 年河津MS4.8 级地震

2010 年1 月24 日10 时36 分，山西省运城市河津－万荣交界地区发生Ms4.8 级地震，震源区位于运城盆地和临汾盆地之间的峨嵋台地隆起区，距离龙祠观测台站89km，距离侯马观测台站63km（图1）。由于地震强度较低，未在地表形成破裂带，经地震现场工作队现场勘察以及其它学者对该地震进行重新定位后推测震中区的北北西向的西辛封隐伏断裂可能为本次地震的发震构造[3-4]。震源机制结果显示本次地震错动类型为正断兼斜滑活动，其主压应力轴为ENE 向，主张应力轴为近NS，以水平拉张作用为主、挤压作用为辅[5]。

图1 2010 年河津MS4.8 级地震震中分布图

3 临汾台形变异常测项

临汾台形变测项共有龙祠台水平摆、垂直摆、体应变、短水准和侯马台水管仪、伸缩仪6 项，在河津地震前龙祠台有3 项形变测项出现地震前兆短期异常变化，而侯马台2 个测项均未表现出异常现象，各异常测项特征如下所述。

3.1 短水准异常。临汾台短水准测线建立在龙祠台站周边，主要监测罗云山断裂两侧的垂直方向的变化。临汾台短水准测线共有3测段，4 个水准点，其中两测段斜交跨越断层分别为BM2-BM3和BM4-BM1，另一测段与断层近似平行布设，全线布设呈“U”字形导线。BM3土层点受周边环境干扰较大，因此WN测段即BM4-BM1测段更能真实地反映所监测断层的变化。如图2 所示，WN测段多年变化趋势为相对匀速的上升变化，表明断裂两侧的高差持续增加，断裂表现为稳定的继承性张性变化，与华北区域张性应力场一致。2010 年1 月2 日高差曲线突然转折，表现为快速下降变化，至河津地震发震累积下降幅度为1.19mm，显示出断裂两侧的高差快速减小，这说明BM4 土层点所在区域受到挤压，区域应力场由拉张状态转为挤压状态，短临异常明显。该异常与2003 年洪洞4.9 级地震前兆异常相似，均在趋势转折后发震，震后逐渐恢复正常背景趋势。

3.2 水平摆、垂直摆异常

图2 临汾台短水准WN 测段2000.00-2013.09 高差日均值图

水平摆和垂直摆均为地倾斜类测项，主要观测地平面与水平面之间的夹角及其随时间的变化。继水准异常出现后，2010 年1 月10 日临汾台水平摆、垂直摆出现了同步趋势性转折异常（见图3）。水平摆南北分量由平稳变化形态向北转折快速北倾，东西分量由平稳变化形态向西转折快速西倾，表明水平摆整体向北西方向倾斜；垂直摆南北分量变化形态与水平摆相反，在原缓慢南倾趋势下加速南倾，东西分量变化形态与水平摆相同，在原东倾趋势下转折加速西倾，表明垂直摆向南西方向倾斜，经排查后未发现明显的干扰因素，认为垂直摆与水平摆的转折变化为较可靠的短期异常。通常认为倾斜仪转折的方向指向或背向震中的方向，垂直摆发生转折所指向的南西向与1 月24 日河津地震震中方位一致。

图3 临汾台水平摆、垂直摆2010 年1 月份分钟值曲线图

4 构造应力场分析

临汾盆地位于山西断陷带的剪破裂段，是全带应力最为集中的地区，薛宏运等利用小震资料提出临汾盆地平均应力场为北西向的水平拉张状态，主压应力轴仰角变化很大[6]。刘瑞春等根据GPS观测结果[7]，发现1999-2007 年，临汾盆地及其周缘整体朝SSE 向运动，运动速率整体均匀。2007-2009 年，受汶川地震龙门山断裂带右旋剪切运动影响，测点运动的一致性遭到破坏，部分测点转为朝SW向运动，临汾盆地西南段从罗云山断裂南段至峨嵋台地北缘断裂之间的区域由多年的张性活动转为压性活动状态，形成了一个以罗云山断裂南段为中心的面应变压缩区，向南一直延伸至峨嵋台地北缘断裂。2009-2011 年，区域应力场再次进行调整，回到了汶川地震之前的拉张背景。宁亚灵等利用InSAR 干涉图时间序列法[8]，计算得到2009 年2 月之前罗云山断裂与韩城断裂的交汇处断裂上盘表现为背景性下降状态，与区域应力场一致，而2009 年2 月后该区域转折上升，显示断层张性活动受到一定的阻滞，逐步转向压性活动，与GPS计算结果一致。

5 异常机理分析

形变异常是地下构造应力场改变最直接的体现方式，通过构造应力场变化来分析形变异常现象能够更为准确的验证形变地震前兆异常的可靠性[9]。2010 年河津4.8 级地震前20 天左右，位于震源区北东方向的龙祠观测台短水准、水平摆、垂直摆先后出现异常现象。由GPS构建的构造应力场随时间的变化状态可以看出，在汶川地震后，从罗云山断裂南段一直到峨嵋台地北缘断裂区域应力场发生转折性变化，由长期拉张背景状态转为挤压状态，当挤压作用积累到一定程度时，区域内的前兆测项开始显示出异常现象。龙祠台短水准直接观测罗云山断裂两侧的垂直变化，当区域应力场转为压缩状态后，短水准曲线率先出现转折，体现了断裂运动状态的改变。水平摆和垂直摆观测曲线在东西分量上呈现出同步的西倾变化，这与GPS结果2009 年后临汾盆地内测点由原来的SSE 向运动方向转为SW向一致，体现了盆内的测点转向西运动的一个状态；而水平摆和垂直摆观测曲线在南北分量上呈现出相反的北倾和南倾变化，可能是与两套仪器在山洞内所处的位置有关。河津地震前，距离震源区更近的东部的侯马观测台无明显异常出现，分析是因为在汶川地震后临汾盆地出现的压缩区范围从罗云山断裂南段向南一直延伸至峨嵋台地北缘断裂，区域挤压应力受到峨嵋台地的阻挡在此聚集，当挤压力积累到一定程度后发生河津地震，区域应变能量得到释放。侯马观测山洞位于峨嵋台地北缘断裂的下盘，挤压应力受断裂阻挡，对下盘影响较小，因此侯马台测项未出现明显异常现象。

6 结论

河津地震前，龙祠观测台的多个观测项目相继出现异常现象，其中短水准测项由多年的趋势拉张状态转为压缩状态，是临汾盆地区域应力场转变的直接体现；水平摆、垂直摆的同步西倾变化与临汾盆地整体转为西南向运动有关。侯马观测台的测项未出现明显异常变化，应该是由于侯马台正好处于挤压区域的外围，受挤压应力的影响较小，因此在河津地震前无明显异常现象出现。通过分析认为，临汾台的观测项目有较好的地震监测能力，能够真实有效的反映区域内的构造活动情况。