由2010 年河津MS4.8 級地震探討臨汾臺形變異常機理

楊 靜 荊紅亮 靳寶萍 韓 磊

（1、山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾041000 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）

地震的發生是地下應力持續增長的結果，在地震孕育過程中，當地下應力累積到一定程度會引起地殼介質發生改變，尤其是在地震孕育的短臨階段, 高應力集中區的地殼介質已接近失穩狀態，必然會引起區域內一些前兆觀測資料在短時間內集中出現準同步性短期異常變化[1]。臨汾中心地震臺的形變觀測項目在2010 年河津MS4.8 級地震前相繼出現多項異常測項，本文結合GPS研究成果從構造應力場的變化狀態對臨汾臺異常測項的變化機理進行了探討，并分析了其它測項未出現異常現象的原因。

1 臨汾臺背景

1.1 臺站介紹。臨汾中心地震臺（以下簡稱臨汾臺）建設于1953年，是山西省首批建立的地震臺站之一，目前臨汾臺包括郭家莊監測中心、龍祠觀測臺和侯馬觀測臺三個部分，擔負著山西省中南部地震震情監測的重要任務。郭家莊監測中心位于市中心，是臺站業務及觀測數據處理中心；龍祠觀測臺位于臨汾市龍祠村北約1km的山谷中，觀測項目主要有水平擺、垂直擺、體應變、水準、地電阻率、大地電場、FHD、測震等三大學科的7 個測項；侯馬觀測臺位于侯馬市復興村南約1km的山溝中，主要觀測項目有2 項定點形變測項水管傾斜儀和伸縮儀。

1.2 地質構造背景。臨汾臺地處臨汾盆地，臨汾盆地位于山西斷陷帶的軸部，北面以靈石橫向隆起與太原盆地相隔，南緣以峨嵋臺地與運城盆地為鄰，東為霍山山前斷裂以及浮山斷裂，西為羅云山山前斷裂，受主干斷裂的影響, 盆地內小斷層較為發育，是山西五大盆地內次級構造最為復雜的盆地。龍祠觀測臺地處臨汾盆地西緣，位于臨汾凹陷內的龍祠沉降中心，主控斷裂為羅云山山前斷裂。該斷裂是全新世活動斷裂，全長100 多公里，走向北北東，傾向南東，傾角70°左右，是東盤下降、西盤上升的正斷層，斷距約150 m。羅云山山前斷裂從龍祠地震臺通過，龍祠觀測山洞建于較為穩定的斷層下盤，基巖為中奧陶系馬家溝組灰巖，上盤為第四系洪積物。觀測山洞總長130.7 米，山體大部分植被為草和灌木，覆蓋層厚度約30 m[2]。侯馬觀測臺地處臨汾盆地南緣與峨嵋臺地的交界地帶，屬侯馬凹陷范圍內，主控斷裂為峨嵋臺地北緣斷裂帶的紫金山山前斷裂，該斷裂走向東西，斷面北傾，傾角60°左右，垂直斷距約150 m。觀測山洞位于的斷裂南側的下盤，山洞基巖為太古界石英角閃片麻巖，巖體完整，洞體覆蓋厚度大于80 米，植被茂盛。

2 2010 年河津MS4.8 級地震

2010 年1 月24 日10 時36 分，山西省運城市河津－萬榮交界地區發生Ms4.8 級地震，震源區位于運城盆地和臨汾盆地之間的峨嵋臺地隆起區，距離龍祠觀測臺站89km，距離侯馬觀測臺站63km（圖1）。由于地震強度較低，未在地表形成破裂帶，經地震現場工作隊現場勘察以及其它學者對該地震進行重新定位后推測震中區的北北西向的西辛封隱伏斷裂可能為本次地震的發震構造[3-4]。震源機制結果顯示本次地震錯動類型為正斷兼斜滑活動，其主壓應力軸為ENE 向，主張應力軸為近NS，以水平拉張作用為主、擠壓作用為輔[5]。

圖1 2010 年河津MS4.8 級地震震中分布圖

3 臨汾臺形變異常測項

臨汾臺形變測項共有龍祠臺水平擺、垂直擺、體應變、短水準和侯馬臺水管儀、伸縮儀6 項，在河津地震前龍祠臺有3 項形變測項出現地震前兆短期異常變化，而侯馬臺2 個測項均未表現出異常現象，各異常測項特征如下所述。

3.1 短水準異常。臨汾臺短水準測線建立在龍祠臺站周邊，主要監測羅云山斷裂兩側的垂直方向的變化。臨汾臺短水準測線共有3測段，4 個水準點，其中兩測段斜交跨越斷層分別為BM2-BM3和BM4-BM1，另一測段與斷層近似平行布設，全線布設呈“U”字形導線。BM3土層點受周邊環境干擾較大，因此WN測段即BM4-BM1測段更能真實地反映所監測斷層的變化。如圖2 所示，WN測段多年變化趨勢為相對勻速的上升變化，表明斷裂兩側的高差持續增加，斷裂表現為穩定的繼承性張性變化，與華北區域張性應力場一致。2010 年1 月2 日高差曲線突然轉折，表現為快速下降變化，至河津地震發震累積下降幅度為1.19mm，顯示出斷裂兩側的高差快速減小，這說明BM4 土層點所在區域受到擠壓，區域應力場由拉張狀態轉為擠壓狀態，短臨異常明顯。該異常與2003 年洪洞4.9 級地震前兆異常相似，均在趨勢轉折后發震，震后逐漸恢復正常背景趨勢。

3.2 水平擺、垂直擺異常

圖2 臨汾臺短水準WN 測段2000.00-2013.09 高差日均值圖

水平擺和垂直擺均為地傾斜類測項，主要觀測地平面與水平面之間的夾角及其隨時間的變化。繼水準異常出現后，2010 年1 月10 日臨汾臺水平擺、垂直擺出現了同步趨勢性轉折異常（見圖3）。水平擺南北分量由平穩變化形態向北轉折快速北傾，東西分量由平穩變化形態向西轉折快速西傾，表明水平擺整體向北西方向傾斜；垂直擺南北分量變化形態與水平擺相反，在原緩慢南傾趨勢下加速南傾，東西分量變化形態與水平擺相同，在原東傾趨勢下轉折加速西傾，表明垂直擺向南西方向傾斜，經排查后未發現明顯的干擾因素，認為垂直擺與水平擺的轉折變化為較可靠的短期異常。通常認為傾斜儀轉折的方向指向或背向震中的方向，垂直擺發生轉折所指向的南西向與1 月24 日河津地震震中方位一致。

圖3 臨汾臺水平擺、垂直擺2010 年1 月份分鐘值曲線圖

4 構造應力場分析

臨汾盆地位于山西斷陷帶的剪破裂段，是全帶應力最為集中的地區，薛宏運等利用小震資料提出臨汾盆地平均應力場為北西向的水平拉張狀態，主壓應力軸仰角變化很大[6]。劉瑞春等根據GPS觀測結果[7]，發現1999-2007 年，臨汾盆地及其周緣整體朝SSE 向運動，運動速率整體均勻。2007-2009 年，受汶川地震龍門山斷裂帶右旋剪切運動影響，測點運動的一致性遭到破壞，部分測點轉為朝SW向運動，臨汾盆地西南段從羅云山斷裂南段至峨嵋臺地北緣斷裂之間的區域由多年的張性活動轉為壓性活動狀態，形成了一個以羅云山斷裂南段為中心的面應變壓縮區，向南一直延伸至峨嵋臺地北緣斷裂。2009-2011 年，區域應力場再次進行調整，回到了汶川地震之前的拉張背景。寧亞靈等利用InSAR 干涉圖時間序列法[8]，計算得到2009 年2 月之前羅云山斷裂與韓城斷裂的交匯處斷裂上盤表現為背景性下降狀態，與區域應力場一致，而2009 年2 月后該區域轉折上升，顯示斷層張性活動受到一定的阻滯，逐步轉向壓性活動，與GPS計算結果一致。

5 異常機理分析

形變異常是地下構造應力場改變最直接的體現方式，通過構造應力場變化來分析形變異常現象能夠更為準確的驗證形變地震前兆異常的可靠性[9]。2010 年河津4.8 級地震前20 天左右，位于震源區北東方向的龍祠觀測臺短水準、水平擺、垂直擺先后出現異常現象。由GPS構建的構造應力場隨時間的變化狀態可以看出，在汶川地震后，從羅云山斷裂南段一直到峨嵋臺地北緣斷裂區域應力場發生轉折性變化，由長期拉張背景狀態轉為擠壓狀態，當擠壓作用積累到一定程度時，區域內的前兆測項開始顯示出異常現象。龍祠臺短水準直接觀測羅云山斷裂兩側的垂直變化，當區域應力場轉為壓縮狀態后，短水準曲線率先出現轉折，體現了斷裂運動狀態的改變。水平擺和垂直擺觀測曲線在東西分量上呈現出同步的西傾變化，這與GPS結果2009 年后臨汾盆地內測點由原來的SSE 向運動方向轉為SW向一致，體現了盆內的測點轉向西運動的一個狀態；而水平擺和垂直擺觀測曲線在南北分量上呈現出相反的北傾和南傾變化，可能是與兩套儀器在山洞內所處的位置有關。河津地震前，距離震源區更近的東部的侯馬觀測臺無明顯異常出現，分析是因為在汶川地震后臨汾盆地出現的壓縮區范圍從羅云山斷裂南段向南一直延伸至峨嵋臺地北緣斷裂，區域擠壓應力受到峨嵋臺地的阻擋在此聚集，當擠壓力積累到一定程度后發生河津地震，區域應變能量得到釋放。侯馬觀測山洞位于峨嵋臺地北緣斷裂的下盤，擠壓應力受斷裂阻擋，對下盤影響較小，因此侯馬臺測項未出現明顯異常現象。

6 結論

河津地震前，龍祠觀測臺的多個觀測項目相繼出現異常現象，其中短水準測項由多年的趨勢拉張狀態轉為壓縮狀態，是臨汾盆地區域應力場轉變的直接體現；水平擺、垂直擺的同步西傾變化與臨汾盆地整體轉為西南向運動有關。侯馬觀測臺的測項未出現明顯異常變化，應該是由于侯馬臺正好處于擠壓區域的外圍，受擠壓應力的影響較小，因此在河津地震前無明顯異常現象出現。通過分析認為，臨汾臺的觀測項目有較好的地震監測能力，能夠真實有效的反映區域內的構造活動情況。