夏縣地震臺南山底短水準形變與震源機制解對應關系探討

楊 靜，張文男，王向陽，王洪峰

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震是斷層的快速錯動或巖體突然破裂的一種自然現象。斷層形變是地震發生時最直接的伴隨現象，是地殼應力場改變最直觀、最顯著的表現方式，跨斷層短水準測量是監測斷層形變最有效的方法之一。

1 夏縣臺短水準觀測概述

文章通過對夏縣中心地震臺(以下簡稱夏縣臺)跨斷層短水準觀測資料的分析，結合其他數據，研究局部構造應力場的變化。

夏縣臺有兩條跨斷層短水準測線—夏縣南山底和永濟風伯峪短水準，分別跨越中條山北麓斷裂北東段和東西段，監測斷裂兩側的活動情況[1-2](見圖1)。南山底短水準測線(NSD)位于夏縣南山底村，近鄰夏縣臺，測線總長0.59 km，分2個測段施測。NSD1-2測段為跨斷層測段，起始點NSD1基巖點埋設在下盤基巖中，NSD2土層點埋設在上盤第四紀黃土層中(見第17頁圖2)；永濟風伯峪測線位于永濟市風伯峪村，距離夏縣臺約61 km，分2個測段施測，FBY2-3為跨斷層測段。自1999年起，兩條短水準測線由日觀測改為流動觀測，每逢雙月下旬觀測。

2011年夏縣南山底短水準數據曲線打破穩速下降的年變趨勢，出現反向上升變化，持續8個月后恢復正常年變形態。同期的風伯峪(FBY)測線水準數據未發生明顯變化，觀測結果顯示南山底區域內由張性轉變為壓性環境。

2 夏縣臺南山底水準資料分析

自觀測以來，南山底短水準數據曲線保持一定速率的下降變化趨勢。期間，跨斷層測段出現數次反向上升變化，斷層活動增強，與地震有一定的對應關系(見第17頁圖3a)。 1998年與2003年測線出現明顯反向上升變化，在此期間山西南部發生5.0級以上地震；1996年與2008年測線也出現明顯上升變化，雖未對應區域內地震，但此時間段由于發生包頭6.4級、汶川M8.0大震，使整個華北區域的構造應力場都受到影響而發生改變；此外，測線數據有多次小幅度上升現象，且上升時期無明顯構造活動，可能與測線的特殊位置有關。南山底測線地處溫泉開發中心地帶，受地下水位干擾嚴重，觀測數據復雜多變。

圖2 夏縣南山底流動短水準測線布設示意圖Fig.2 Layout of mobile short leveling lines in Nanshandi in Xiaxian

2011年8月至2012年2月南山底測線下降趨勢明顯減緩，出現反向上升變化(見圖3b)，對數據進行一階差分處理，顯示斷層上盤累計上升幅度達14.55 mm。

短水準觀測數據的異常變化不僅與區域構造應力場變化相關，與周圍觀測環境也息息相關[3-5]。對周圍環境進行調查，未發現明顯變化及干擾因素，但隨著溫泉開發的日益增加，南山底水準測線受地下水位的影響越來越大[6-7]。2011年夏縣臺水位出現明顯回升變化，推測南山底水準數據的變化可能是由地下水位的變化引起，因此分析水準變化與水位的對應關系。南山底短水準測量為雙月觀測，為保證數據對比的一致性，分析時取測量當天的臺站水位觀測日值。選取2001年以來的資料，繪制水位與NSD1-2測段差分曲線對比圖。由圖4看出，兩者具有很好的一致性，計算得到兩者的相關系數為0.654 9。將水位與水準差分結果繪制于同一坐標系下，發現兩者呈現較好的線性關系(見第18頁圖5)，得到擬合直線方程為：

圖3 南山底短水準原始數據曲線及差分結果Fig.3 Original data and difference result of Nanshandi short leveling

y= 0.960x+74.39，

式中：x為水準差分值；y為水位日值。

通過上述計算分析，認為夏縣臺南山底水準觀測數據變化與地下水位的變化有較高的一致性。南山底短水準測線土層點埋深較淺，位于地下水位面之上，當地下水位下降時，上部覆蓋層隨之下降；反之，上部覆蓋層則隨之上升。2011年臺站水位明顯回升，南山底短水準受影響也出現回升變化。

3 震源機制解分析

水準測量反映的是斷層的活動狀態，斷層活動由區域構造應力作用而引起，通過震源機制解可求解得到區域構造應力場。南山底短水準數據回升變化反映局部構造應力場由張性受力轉變為壓性受力，而實際的構造應力場是否如此，下面通過求解震源機制解進行驗證。

圖4 臺站水位與NSD1-2測段水準差分結果對比曲線Fig.4 Comparison of water level and the results of leveling difference in NSD1-2 section

3.1 資料選取

南山底水準數據的異常變化在2011年，考慮2008年汶川地震以后整個山西地區的構造應力場都有轉變[8]，選取2007—2012年山西省南部(36.7°以南)ML≥3.0地震，采用snoke方法[9]求解震源機制解。統計ML≥3.0地震共33次，由于邊緣地震波形資料較少，求解得到29次地震的震源機制解(見圖6)。由圖6看出，2007—2012年，運城盆地內能夠得到震源機制解的地震極少，南山底測線東、北向有少量地震，因此，通過求解震源機制解可得到山西南部的區域構造應力場，南山底局部小區域構造應力場可利用臺站近區內單個地震的活動情況來分析。

圖5 臺站水位與NSD1-2測段水準差分結果散點圖Fig.5 Scatter plot of water level and the results of leveling difference in NSD1-2 section

3.2 山西南部區域計算結果及分析

統計震源機制解結果，節面走向優勢方位為北北東或北東向，滑動角集中在180°多為走滑斷層，傾角集中在60°～90°，與山西南部盆地內多為北東向高角度斷裂一致。結果顯示，山西南部主壓應力軸為NEE—SWW向，主張應力軸為NNW—SSE向，與華北區域及山西區域的平均構造應力場[10-15]一致，但南部區域內兩個主應力軸的仰角變化較大，表現出一定的局部小構造應力場特征。

圖6 震源機制解平面分布圖Fig.6 Distribution of source mechanism solutions

繪制山西南部構造應力場時序演化圖(見圖7)，進一步分析山西南部構造應力場的變化特征，分析結果如第19頁表1所示。

圖7 山西南部構造應力場時序演化圖Fig.7 Temporal series evolution of tectonic stress field in southern Shanxi

由表1看出，山西南部應力場在2008年之后經過兩年的調整，已基本趨于穩定狀態，主張應力軸為北北西向，主壓應力軸為北東東向，區域內地震主要為正斷走滑型，表現出以拉張作用為主, 伴有擠壓作用的局部區域應力場特征，與夏縣臺短水準測線長期以來按一定速率下降的趨勢是一致的。

表1 山西南部構造應力場時序變化特征Table 1 Temporal series variation characteristics oftectonic stress field in southern Shanxi

3.3 夏縣區域內地震分析

2011年南山底短水準數據存在異常變化，同年卻未發生地震，但2010年和2012年在測線附近均發生一次地震，震源機制解結果如表2所示。

2010年8月2日夏縣發生ML3.2地震，震中位于南山底測區東側中條山上，距臺站39 km，地震類型為走滑逆沖型，表明中條山夏縣段斷裂張性受力減弱，壓性受力增強，斷層上盤向上移動，局部構造應力場特征明顯轉變為擠壓環境，從而造成南山底短水準與水位同步回升現象。

2012年9月2日聞喜發生ML3.0地震，震中位于南山底測區東北側中條山前，距臺站27.5 km，地震類型為走滑型，表現出少許正斷性質，表明到2012年中條山夏縣段局部構造應力場特征消失，又轉回張性環境，趨向于山西南部區域平均構造應力場，南山底短水準與水位又恢復正常變化趨勢。

4 GPS資料分析

為進一步證實夏縣局部構造應力場的變化特征，引入相關GPS資料，給出2007—2011年山西南部應變率場演化圖[16](見圖8)。

表2 夏縣地震和聞喜地震震源機制解Table 2 Source mechanism solutions of earthquakes in Xiaxian and Wenxi

圖8 山西南部應變率場演化特征[14]Fig.8 Evolution characteristics of strain rate field in southern Shanxi

圖8顯示，2007—2009年，運城盆地東、南邊界中條山北麓斷裂呈現明顯的張性活動狀態；2009—2011年，運城盆地邊緣由之前的張性活動轉為壓性活動，尤其以夏縣區域表現最為明顯，應變率最大。這一結果進一步證實夏縣區域2011年存在局部小構造活動，呈現壓性環境，與南山底短水準和水位變化一致。

5 結論

(1) 南山底短水準測量環境受地下水位干擾較為嚴重，經分析計算，水準數據的變化與地下水位的變化具有較好的相關性，兩者呈線性關系。

(2) 2011年南山底短水準數據出現反向上升變化，顯示局部構造應力場由拉張狀態轉為擠壓狀態。震源機制解整體結果分析表明，2011年山西南部區域應力場狀態較為穩定，表現出以拉張作用為主, 伴有擠壓作用的區域應力場特征。夏縣區域內單個地震震源機制解結果表明，2011年夏縣有局部小構造活動，表現為擠壓環境，南山底短水準與水位出現同步回升現象；2012年局部應力場特征消失，水準與水位恢復正常變化趨勢。

(3) 根據GPS資料分析結果，2009—2011年運城盆地東、南邊緣由之前的張性活動轉變為壓性活動，尤其在夏縣區域壓性應變率最大，與南山底水準數據回升顯示局部區域內由張性變為壓性是一致的。

[1] 王向陽，張曉紅，黃春玲，等.中條山北麓斷裂形變異常的研究[J].山西地震，2004(1):25-28.

[2] 王向陽，楊海祥，劉國俊.山西永濟風伯峪流動水準觀測的監測能力判定[J].山西地震，2002(1):7-10.

[3] 王秀文，宋美琴.山西近期形變短期異常的調查和分析[J].山西地震，2004(2):1-4.

[4] 劉瑞春，季靈運，齊浪.臨汾龍祠地震臺水準測量巨幅形變異常綜合分析[J].大地測量與地球動力學，2012，32(4):20-24.

[5] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.寬頻帶傾斜儀及其觀測干擾因素分析[J].山西地震，2017(2)：16-21.

[6] 李淑玲，武守仁.太原夏縣短水準測量與地下水位的關系[J].山西地震，1990(1):24-26.

[7] 胡惠民.短水準干擾因素的識別[J].地殼形變與地震，1982(3):59-68.

[8] 劉 峽，馬 瑾，占 偉，等.汶川地震前后山西斷陷帶的地殼運動[J].大地測量與地球動力學，2013，33(3):5-10.

[9] 呂 睿，董春麗，劉素珍，等.山西地區ML≥3.0地震震源機制解研究[J].山西地震，2014(3):1-4.

[10] 劉 巍，趙新平，安衛平.山西地區的震源機制解結果[J].山西地震，1993(2):7-12.

[11] 劉 巍，趙新平，安衛平.山西地區的地殼應力場[J].山西地震，1993(3):3-11.

[12] 李欽祖.華北地殼應力場的基本特征[J].地球物理學報，1980，23(4):377-387.

[13] 劉 巍，趙新平，安衛平.運城盆地的現今構造活動及現代地殼應力場的基本特征[J].山西地震，1996(2):9-13.

[14] 王秀文，宋美琴，楊國華，等.山西地區應力場變化與地震的關系[J].地球物理學報，2010，53(5):1127-1133.

[15] 李 麗，宋美琴，劉素珍，等.山西地區震源機制一致性參數時空特征分析[J].地震，2015，35(2)：43-50.

[16] 劉瑞春，李自紅，趙文星，等.汶川M8.0級地震前后山西地震帶水平形變場變化特征研究[J].地震工程學報，2014，36(3):634-638.