2015年1月山西介休ML 3.3震群發震原因初步研究

李麗 劉劍 吳昊昱 宋美琴 呂芳

1）山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號 030021

2）太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原市晉源區太原基準地震臺 030025

3）太原理工大學礦業工程學院，太原 030024

0 引言

2015年1月15～27日山西介休發生了一次ML3.3震群活動。在此之前，位于介休震群西部15km左右的介休井水位從2013年底開始出現3次下降，累計降幅為2.92m。2014年12月12日介休井水位開始轉折上升，2015年1月15日ML3.3震群即開始活動。震群序列中ML≥1.0地震震源參數結果顯示，拐角頻率和視應力明顯低于山西其它地區同震級地震的結果。震群重新定位結果顯示震源體較小，震源較淺。上述參數有別于其它地震是否說明本次地震成因的特殊性？介休井水位下降和介休震群的發生僅是巧合，還是存在某種聯系？本文從小震精確定位、應力場、拐角頻率和視應力等方面對介休ML3.3震群特征進行了綜合研究，并結合構造環境和已有研究成果對本次震群的成因進行了解釋。

1 區域地震構造背景及歷史震群活動概況

介休ML3.3震群發生在太原盆地南端（圖1）。太原盆地是山西斷陷帶上的一個重要斷陷盆地，太谷斷裂、交城斷裂控制著東西兩側邊界，南端以靈石橫向隆起與臨汾盆地相隔。太原盆地西深東淺，沿西界的交城斷裂多分布有深凹陷，汾陽凹陷是最深的凹陷之一，介休地區位于汾陽凹陷的東南邊緣。此外，介休地區地質構造環境復雜，其不僅是太原盆地剪切拉張段與靈石隆起擠壓段復合部位，又是太原盆地東界的NW向太谷斷裂與臨汾盆地東界的NNE向霍山斷裂交會部位。據物探測深資料可知（武烈等，1997），太原盆地內的隱伏斷裂在介休地區尤為發育，其中一組與NE向的太谷斷裂平行，一組與NW向的孝義斷裂平行。

圖1 介休及鄰區地質構造

有地震臺網記錄以來，太原盆地的震群活動是山西境內最為活躍的，其中介休地區尤為突出。1970年以來該區的震群活動資料顯示，在本次ML3.3震群震中附近相繼發生6次震群活動（1975～1988年）（表1），其中1985～1988年就有5次小震群，其序列參數均具有明顯的前兆震群特征，之后不久發生了1989年10月大同-陽高6.1級地震。王振聲等（1984）在研究了太原盆地的震群活動后認為，太原盆地小震群多發的力學原因與其內部的裂隙分布有關，小震群活動反映了太原盆地內部裂隙分布較密，裂隙間隔距離較小，在區域應力增強的條件下極易產生連鎖反應式的弱震活動，最終形成間歇的小震群。李麗等（2013）分析山西及鄰區震群特征后發現，山西震群活動與周邊地區中強地震有一定的對應關系。此外，有學者提出太原盆地的震群活動一定程度上對應了華北地區中強地震活動，該區域的地震活動不僅反映了其自身的破裂特點，而且在一定程度上也反映了區域應力場的變化過程與外圍強震的發生有某種內在聯系（武烈等，1997）。

表1 1970年以來介休7次震群事件

2 震群活動特點

2015年1月15～27日介休震群活動共被記錄到52次ML≥0.0地震，其中0.0～0.9級地震37次，1.0～1.9級 12次，2.0～2.9級 2次，3.0～3.9級 1次。1.0級以下地震占總數的71.2%，故該震群是一次以微震為主的震群活動。M-t圖顯示震群分為2個活動時段，第1時段為15～16日，其中15日地震的強度、頻度最高；第2時段為18～21日，除18、19日地震活動較集中以外，其余時間僅有零星活動（圖2）。

圖2 2015年 1月 15～27日介休 M L 3.3震群 M-t圖

本次震群事件中有9次是可定位地震，其余均為介休臺單臺記錄。為了獲取高精度的地震震源間相對位置，本文利用雙差定位法（Waldhauser et al，2000）對可定位事件進行了重新定位。在定位過程中采用的速度模型取自趙金仁等（2006）的研究成果（表2）。重定位結果（圖3、表3）顯示震群活動具有NE向的優勢分布，震源體基本限定在方圓2km左右，震源深度優勢分布為5～6km，其中ML3.3地震的震源深度為6.285km。震源深度重新定位結果比太原盆地平均5～25km的震源深度稍淺（宋美琴等，2012；梁向軍等，2014）。一些學者認為水庫蓄水誘發地震的震源相對較淺，發震時間密集，空間叢集（楊志高等，2010）。據調查，介休及其鄰區無大型水庫，因此可以判定介休ML3.3震群活動不是水庫蓄水誘發地震，但介休震群活動特征類似水庫誘發地震，這說明在震群孕震過程中水的參與可能起了重要作用。

表2 水平層狀地殼速度模型（據趙金仁等（2006））

3 介休井概況及井水位變化

圖3 介休井及重定位后介休震群的震中分布

表3 介休ML 3.3震群雙差定位結果

介休井位于太谷斷裂與霍山斷裂交會處（圖3），井區內基巖斷裂較為發育。主要是NE走向的一組隱伏斷裂，多為正斷層，長幾千米至十幾千米，傾角60°～80°，斷距幾十至幾百米；其次為一組NNW向斷裂。地下水為多層混合水，總的流向為由東南向西北，井區第四系與第三系孔隙水主要受大氣降水的滲入補給，在東部的奧陶系凸起部位還受巖溶水垂向頂托補給及其側向徑流補給。

介休井與介休震群相距僅15km，均位于太谷斷裂與霍山斷裂交會處，研究區域構造復雜，巖石裂隙發育。介休井水位自1981年觀測以來曾多次出現下降異常，且下降幅度最大達3m多，其下降變化與山西地震帶的中強地震活動有很好的對應關系（張淑亮等，2002）。從2013年底開始，介休井水位出現3次下降（圖4），累計降幅為2.92m，2014年12月12日開始轉折上升，2015年1月15日發生介休ML3.3震群，震前井水位下降表明介休井附近應力場可能為拉張狀態。在區域應力的持續作用下，巖體體積和含水層巖體孔隙度增大，孔隙壓力減小，進而引起井水位下降。

圖4 2011年以來介休井水位分鐘值變化曲線

4 區域應力狀態

介休井水位下降表明井孔附近應力場為拉張狀態，而區域應力場和介休井反映的應力場狀態是否具有一致性？本文根據小震震源機制來研究震群附近的應力場變化。首先利用山西數字地震臺網記錄的地震直達 P、S波振幅資料求解中小地震震源機制解（Kisslinger，1980；Kisslinger et al，1981；李幼銘等，1982；梁尚鴻等，1984），計算得到 2011年以來介休震群附近50多次ML≥2.0地震的震源機制解，并分別繪制了2011年1月～2013年11月及2014年1～12月2個時間段的震源球分布及P軸空間分布（圖5）。從圖中可以看出，這2個時間段的震源機制解類型和P軸分布特征存在顯著差異。第1個時段的震源機制顯示地震為走滑型，P軸多呈水平分布，傾角較低，主壓應力方向與山西構造應力場一致；第2階段明顯看出地震類型多為正斷型，P軸較直立，傾角較高，表明這一時段區域應力場以拉張狀態為主，這與介休井水位反映的應力狀態一致。

介休震群中3次ML≥2.0地震的震源機制解顯示：ML3.3、ML2.5地震震源機制解一致性較好，主壓應力軸方位為NE方向，與山西整體構造應力場一致（表4）。ML3.3地震的破裂方式為正斷兼走滑型，另外2次地震破裂方式為逆斷或逆沖兼走滑，反映出震群序列受控于局部應力場。介休ML3.3震群位置距離太谷斷裂和霍山斷裂交會處不足10km，但震源機制解結果顯示的界面解與這2條斷層產狀并不相符，因此推測本次震群可能為隱伏次級斷裂活動的結果。

5 拐角頻率與視應力

地震波拐角頻率可以反映區域應力場變化特征。同等震級的地震，如果發生在高應力背景條件下，地震震源脈沖高而窄，相應的高頻成分多，拐角頻率大；如果發生在低應力背景條件下，地震震源脈沖則低而寬，相應的高頻成分少，拐角頻率?。惻嗌频?，1993）。影響拐角頻率大小的主要因素為地震波傳播速度及巖體破裂速度、尺度等，而巖體裂隙、孔隙的變化以及巖體的擴容、飽和、浸水弱化等是影響地震波的主要因素，其中裂隙中的流體飽和度對地震波速影響顯著。巖體裂隙浸水等流體后軟化，軟介質對地震波的高頻成分有較強的吸收作用，震級小的地震拐角頻率將會變小。姚立珣等（2004）基于二相介質的地震波理論，解釋了巖體裂隙充水后對拐角頻率的影響，指出拐角頻率偏小可以作為地殼淺部巖體裂隙發育及充水的判斷依據。楊志高等（2010）通過對紫坪鋪水庫170個ML≥1.0地震震源參數的計算和分析后認為，地震波穿過巖體裂隙充水后介質會有較明顯的衰減過程，且拐角頻率低于中國大陸其它地區的結果。陳濤等（2012）研究認為地殼流體的孔隙壓力作用是觸發地震以及影響震群、余震活動的重要因素之一。

圖5 介休震群附近震源機制解分布及P軸空間分布

表4 介休ML 3.3震群中3次ML≥2.0地震的震源機制解參數

目前震源動力學參數的測定方法主要是通過震源譜在Brune模型下利用遺傳算法擬合出拐角頻率和零頻極限（陳學忠等，2011）。從地震事件震源譜來看，其高頻衰減不僅反映了震源本身的物理過程，也反映了傳播介質的非彈性和散射作用的強弱，拐角頻率是震源譜低頻和高頻的分界點。表5給出了介休ML3.3震群中ML≥1.0地震的拐角頻率。因有關山西地區拐角頻率的研究都是基于2001～2013年ML≥2.0地震的計算結果，所以表5提供了震群中ML≥2.0地震的拐角頻率及山西地區同震級地震的平均值。一般情況下，對于構造地震而言，震級越小，拐角頻率越大；反之，拐角頻率則越小。根據這一現象，雖然1.0≤ML≤2.0地震的拐角頻率沒有可參考的數據，但是理論上應該比山西其它地區的ML≥2.0地震的拐角頻率大。從表5可以看出，1.0≤ML≤2.0地震的拐角頻率明顯小于ML2.0地震的平均結果。震群中ML3.3、ML2.5地震相對于同等震級的拐角頻率減小24.6%，該結果與姚立珣等（2004）的研究結果一致；而ML2.0地震的拐角頻率則減小44.4%，這表明地震波高頻衰減程度較大，也進一步說明震源區水等流體的滲入在較大程度上影響了巖石介質的物理性質，使得巖體強度弱化。

表5 介休ML 3.3震群中ML≥1.0地震的拐角頻率及視應力

地震視應力是一個動力學參數，反映了震源物理過程，通常與滑動類型、破裂速度及介質強度等有關（McGarr et al，2001、2002）。本研究利用多臺聯合計算視應力方法，選取 S波段在1.0～20.0Hz范圍內的波形進行分析，所用臺站個數均大于15，最后計算了震群中ML≥1.0地震的視應力值（表5）。雖然1.0≤ML≤2.0地震視應力不能參考有關山西地區的已有研究結果，但是比較ML≥2.0地震與山西地區2001～2013年多年同震級視應力平均計算結果后發現，這3次地震的視應力值明顯小于平均視應力水平，降幅最大為89.6%，最小的也為69.1%，這一結果與楊志高等（2010）對紫坪鋪水庫地震視應力的研究結果基本一致。由于小震能量主要集中在震源譜高頻部分，如果震源區有流體的滲入，則會使高頻成分衰減，視應力計算結果將會明顯小于山西其它地區同震級地震的結果。

6 結論與討論

本文基于小震精確定位、應力場、拐角頻率和視應力等結果，研究了介休ML3.3震群特征和發震原因，得到了如下主要結論：

（1）震群所在區域構造位置特殊，環境復雜，巖石裂隙發育，在應力增強的條件下，極易產生弱震活動。根據區域應力場分析，在介休井水位上升階段，小震震源機制表現為主壓應力方向受山西構造應力場的控制，破裂方式主要為走滑型；介休井水位下降階段，小震震源機制表現為受拉張作用，破裂方式主要為正斷型；隨著區域應力不斷加強，介休井水位轉折上升，介休震群中ML≥2.0地震震源機制解表現的破裂方式有逆沖成分，反映了應力場的擠壓狀態，與井水位回升表現的應力場狀態一致。因此，介休井水位的升降應能夠反映震源區附近應力場狀態。

（2）介休震群小震精確定位結果顯示，震源體較小，則震源深度較淺。震群中ML≥1.0地震拐角頻率和視應力計算結果明顯低于山西地區同震級地震的水平，對比山西地區2001～2013年ML≥2.0地震的平均結果，拐角頻率最大降幅為 44.4%，視應力最大降幅89.6%，與二相介質的地震波理論解釋的水庫誘發地震拐角頻率和視應力變化特征相吻合。

（3）介休井水位異常變化和介休ML3.3震群，反映了區域應力場的調整和增強。通過小震精確定位以及對拐角頻率和視應力的研究，不排除水等流體在震群孕震過程中發揮主導作用。初步分析本次震群活動的成因為：第1階段，在區域應力場拉張作用下，裂隙在巖體中擴展，巖體體積有所增大，孔隙壓力下降，引起井水位下降；第2階段，當震源區出現擴容之后，迫使擴容區外圍的地下水向該區滲入，一定程度上改變了巖石的物理性質，弱化了巖石強度，巖石更容易破裂，同時流體孔隙壓力回升，有效應力降低，抗剪強度減弱，最終巖體錯動并觸發地震。整個過程與擴容模式描述的孕震不同演化階段特征基本相同（汪成民等，1988）。由于介休震群震源區裂隙發育和水的滲入作用等，巖體強度弱化，裂隙密度增加，地震波通過震源區時高頻成分衰減強烈，從而導致地震的拐角頻率和視應力有別于山西地區其它地震。

致謝：本文在成文過程中得到山西省地震局李自紅研究員、張淑亮研究員的指導，兩位匿名評審專家對本文提出了寶貴的修改意見，在此一并表示衷心的感謝！