關(guān)中地區(qū)斷層形變異常與地震活動(dòng)的關(guān)系

曾 致 任攀虹 劉 恒 栗國(guó)華

(1. 西安市勘察測(cè)繪院, 陜西 西安 710054; 2. 中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710054)

0 引言

近40年的跨斷層形變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和地震結(jié)果證明,地震發(fā)生前后一定范圍內(nèi)的斷層活動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出不同程度的變化[1]。通過(guò)跨斷層進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量可以獲取斷層的運(yùn)動(dòng)方式、活動(dòng)速率及受力狀態(tài)等,這成為進(jìn)一步分析地震前兆異常和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中不可替代的監(jiān)測(cè)手段[2-4]。

關(guān)中地區(qū)受到青藏塊體東北向走滑擠壓和鄂爾多斯塊體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)抵抗,成為新地質(zhì)時(shí)期垂直差異運(yùn)動(dòng)和歷史地震十分強(qiáng)烈的地區(qū)[5-8](見(jiàn)圖1)。目前,對(duì)于關(guān)中地區(qū)與相鄰的大地構(gòu)造單元,尤其是作為復(fù)雜造山帶的秦嶺褶皺系的孕震環(huán)境及與中強(qiáng)地震的關(guān)系等研究的程度不高[9],比如2008年汶川Ms8.0地震與2009年高陵Ms4.4地震的相關(guān)研究很少,但汶川地震發(fā)生前,關(guān)中地區(qū)南大同、大塬和清河口等場(chǎng)地出現(xiàn)了明顯的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折、加速變化[10]。對(duì)于1997年瑪尼Ms7.9地震,2001年昆侖山口西Ms8.1地震及2008年汶川Ms8.0地震與關(guān)中地區(qū)1998年涇陽(yáng)Ms4.8地震,2002年寶雞Ms3.5地震及2009年高陵Ms4.4地震(見(jiàn)表1),在時(shí)間和空間上是否密切相關(guān),相關(guān)研究資料較少。

圖1 跨斷層水準(zhǔn)測(cè)站分布和地質(zhì)構(gòu)造

表1 地震基本概況

基于此,本文以GPS、水準(zhǔn)及重力異常等研究成果為背景,“點(diǎn)-線”結(jié)合的研究思路,對(duì)關(guān)中地區(qū)20多年的跨斷層短水準(zhǔn)觀測(cè)資料進(jìn)行處理,研究關(guān)中地區(qū)三次小震與鄰近構(gòu)造帶強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)系。

1 研究區(qū)域資料及方法

1.1 資料

由于篇幅所限,本文只對(duì)關(guān)中地區(qū)異常顯著的岐山-馬召斷裂、秦嶺北麓斷裂及灃峪口、麻街測(cè)站進(jìn)行分析,水準(zhǔn)場(chǎng)地每年3、7和l1月各觀測(cè)一期,其中除灃峪口、麻街測(cè)站復(fù)測(cè)時(shí)間為1988—2012年之外,其他復(fù)測(cè)時(shí)間到2016年截止,在1988—2010年地震發(fā)生后3期加測(cè)。歷年來(lái)各觀測(cè)站數(shù)據(jù)資料嚴(yán)格按照《規(guī)范》檢查驗(yàn)收,觀測(cè)結(jié)果精確可靠。

1.2 數(shù)據(jù)處理

跨斷層形變的多年研究表明,近地表的跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)資料不僅包括斷層活動(dòng)的構(gòu)造信息,也包含氣象、季節(jié)和地下水位等非構(gòu)造活動(dòng)信息[11-13]。為了更加客觀地獲取跨斷層資料所反映的關(guān)中地區(qū)斷裂形變異常信息,對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行卡爾曼濾波處理,剔除粗差,然后采用線性插值法填補(bǔ),獲得統(tǒng)一的形變數(shù)據(jù);為了消除季節(jié)和年變的干擾,用每年的觀測(cè)值減去上一年的同期觀測(cè)值,在除以1年時(shí)間尺度,獲得斷層的年變速率;異常強(qiáng)度模型計(jì)算斷層形變異常強(qiáng)度。同時(shí),取2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常的判斷依據(jù)。

1.3 異常強(qiáng)度模型[14]

以平均速率為基值, 用每期的斷層垂直形變速率絕對(duì)值與平均速率值之比, 解算斷層形變異常強(qiáng)度。其數(shù)學(xué)模型為式(1)。

(1)

式中:ri為斷層形變異常強(qiáng)度,是ti時(shí)刻的速率除以整個(gè)時(shí)間序列的速率均值得到的結(jié)果,為無(wú)量綱值；Vi為斷層形變速率值。本文將r值進(jìn)一步“e”化處理,使異常強(qiáng)度值在0～1區(qū)間內(nèi)變化。

2 斷層活動(dòng)與地震關(guān)系

2.1 “點(diǎn)”— 測(cè)站速率分析

麻街測(cè)站(見(jiàn)圖1)位于渭河斷裂、臨潼-長(zhǎng)安斷裂、驪山北麓斷裂和渭南塬前斷裂的交接處,涇陽(yáng)Ms4.8地震和高陵Ms4.4地震發(fā)生在其周圍,因此,兩測(cè)站分別討論與地震活動(dòng)的關(guān)系。

灃峪口測(cè)站(見(jiàn)圖2)垂直形變以1997和2010年為界分時(shí)段運(yùn)動(dòng)。在1986—1997年斷層活動(dòng)幅度較小;1997—2010年,活動(dòng)頻率增大,異常幅度顯著,1997—1999年速率從-3.04 mm/a變?yōu)?.54 mm/a,2001—2003年速率從-1.48 mm/a變?yōu)?.15 mm/a,均在斷層壓應(yīng)力變?yōu)閺垜?yīng)力的過(guò)程中,發(fā)生瑪尼Ms7.9、涇陽(yáng)Ms4.8及昆侖山口Ms8.1、寶雞Ms3.5地震,2008—2010年,速率突破臨界值,波峰與汶川Ms8.0和高陵Ms4.4地震對(duì)應(yīng),可能是地震的前兆異常;2010年至今,斷層活動(dòng)趨于穩(wěn)定。

圖2 測(cè)站速率曲線圖

麻街測(cè)站(見(jiàn)圖2)變化幅度顯著,以1997和2009年為轉(zhuǎn)折。1984—1997年,斷層活動(dòng)趨于正常;1997—1999年期間速率打破臨界值,達(dá)到4.33 mm/a,在瑪尼Ms7.9和涇陽(yáng)Ms4.8地震發(fā)生時(shí)拉張幅度增大,對(duì)同震變形有很好地反映,2002—2003年速率增大,持續(xù)打破臨界值,昆侖山口Ms8.1和寶雞Ms3.5地震后持續(xù)拉張,對(duì)同震變形也有很好地反映,2004—2005年速率顯著異常,有待分析,2008—2009年速率最低為-4.46 mm/a,反映出汶川Ms8.0地震前加速擠壓的前兆異常;在2010年至今,斷層波動(dòng)幅度較小。

2.2 “線”— 斷層活動(dòng)速率分析

岐山-馬召斷裂位于青藏塊體東北緣和鄂爾多斯塊體西南邊緣接壤處,在斷裂構(gòu)造上,屬于隴西旋卷構(gòu)造主旋帶-烏鞘嶺-六盤山旋褶帶南端的一條分支斷裂[15]。從圖3可看出斷層在1997和2010年為界分時(shí)段異常活動(dòng),在1990—1997年,速率波動(dòng)幅度3 mm/a,斷層活動(dòng)變化不很明顯;在1997—2010年,斷層速率大幅度波動(dòng),1998—1999年出現(xiàn)低值,速率可達(dá)-6.3 mm/a,反映出瑪尼Ms7.9和涇陽(yáng)Ms4.8地震后加速擠壓的活動(dòng),2000—2002年又出現(xiàn)顯著拉張活動(dòng),速率可達(dá)5.09 mm/a,可能是青海昆侖山口Ms8.1和寶雞Ms3.5地震前加速拉張的前兆異常,2006—2009年波谷到波峰速率落差達(dá)7.98 mm/a,這與汶川Ms8.0地震前板塊加速拉張有關(guān);在2010年至今,斷層活動(dòng)相對(duì)平靜。

圖3 斷裂速率曲線圖

秦嶺北麓斷裂是秦嶺與渭河平原的分界線,西起寶雞益門,于華陰附近隱伏于新生代地層之下[16]。從圖3可看出,秦嶺北麓斷裂速率曲線具有以1997和2009年為轉(zhuǎn)折的特點(diǎn)：1986—1997年斷層活動(dòng)趨緩;1997—2009年斷層活動(dòng)顯著增強(qiáng),1998年期間速率最大為5.63mm/a,在瑪尼Ms7.9和涇陽(yáng)Ms4.8地震發(fā)生時(shí)斷層明顯加速拉張,2001—2002年速率最大為4.71mm/a,昆侖山口Ms8.1和寶雞Ms3.5地震也出現(xiàn)加速拉張;2009年至今,斷層張性活動(dòng)持續(xù)加速,打破臨界值,速率最大為5.17mm/a,受到汶川Ms8.0和高陵Ms4.4地震影響,活動(dòng)有明顯增強(qiáng)的勢(shì)態(tài)。秦嶺北麓斷裂發(fā)生地震時(shí)都呈加速拉張,對(duì)同震變形有很好地反映,表明秦嶺與關(guān)中地區(qū)垂直活動(dòng)差異遞增的勢(shì)態(tài),作用力逐漸增強(qiáng)。

2.3 斷層活動(dòng)性與地震的分析

關(guān)中地區(qū)垂直形變受到大范圍區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用,造成斷裂活動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)方式的差異,趨勢(shì)異常主要出現(xiàn)在1997—2010年,并在趨勢(shì)異常轉(zhuǎn)折、加速變化的過(guò)程中發(fā)生地震,其中瑪尼Ms7.9,昆侖山口Ms8.1和汶川Ms8.0地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體邊界,與關(guān)中地區(qū)三次小震存在相似異常變化,這與高好林得出的結(jié)論相符合[17]。根據(jù)活動(dòng)速率和映震能力,秦嶺北麓斷裂和麻街測(cè)站曲線波動(dòng)幅度劇烈,并在張應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)發(fā)生地震,對(duì)三次強(qiáng)震及同震變形反映很好,應(yīng)對(duì)這兩個(gè)區(qū)域地震危險(xiǎn)性予以重視。

3 異常強(qiáng)度與地震的相關(guān)性

由圖4可知,臨潼-長(zhǎng)安斷裂兩測(cè)站形變異常強(qiáng)度趨勢(shì)一致,從時(shí)間上看,1997—2006年和2007—2010年斷層異常強(qiáng)度持續(xù)顯著,從發(fā)震時(shí)刻來(lái)看,均是在異常強(qiáng)度持續(xù)增大或減弱時(shí)發(fā)震,其中,麻街測(cè)站對(duì)同震變形也有一定反映。岐山-馬召斷裂活動(dòng)異常顯著,1998—2002年和2007—2009年形變異常強(qiáng)度打破臨界值,且趨向于1,反映出地震前兆異常及震后的活動(dòng)。秦嶺北麓斷裂整體持續(xù)拉張,在三次波峰時(shí)刻異常強(qiáng)度打破臨界值,并持續(xù)接近于1,對(duì)同震變形異常反映較好。

(a)灃峪口(斷裂南面)

(b)麻街(斷裂北面)

(c)岐山-馬召斷裂

(d)秦嶺北麓斷裂圖4 異常強(qiáng)度圖

由表2可知,關(guān)中地區(qū)斷裂在不同時(shí)間、不同空間出現(xiàn)異常變化。從地震方面來(lái)說(shuō),斷層形變異常強(qiáng)度顯著超過(guò)異常臨界值0.55時(shí),能很好地反映出三次小震與強(qiáng)震的前兆異常及震后斷層活動(dòng)情況,可作為關(guān)中地區(qū)預(yù)測(cè)地震的指標(biāo)之一;從異常持續(xù)時(shí)間來(lái)說(shuō),在地震發(fā)生期間關(guān)中地區(qū)常表現(xiàn)出中短期異常,其中,異常強(qiáng)度在打破臨界值持續(xù)上升或者下降的1～2年內(nèi)發(fā)生地震,即地震前的異常活動(dòng)、斷層的曠動(dòng)及地震后的調(diào)整等。

表2 斷層形變異常強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

綜合以上分析,關(guān)中地區(qū)形變異常與斷層周邊發(fā)生的地震有一定關(guān)系,地震在較長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)產(chǎn)生大范圍應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整的過(guò)程中,發(fā)生中、小地震。例如，從西藏瑪尼Ms7.9地震、昆侖山西口Ms8.1地震和汶川Ms8.0地震,與涇陽(yáng)Ms4.8地震、寶雞Ms3.5地震及高陵Ms4.4地震,時(shí)差為2個(gè)月、3個(gè)月和1年零3個(gè)月,這與強(qiáng)震的遠(yuǎn)震效應(yīng)有很好的關(guān)聯(lián)。同時(shí),關(guān)中地區(qū)多處跨斷層曲線以1997年和2010年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),這種較大范圍內(nèi)出現(xiàn)的同步活動(dòng)方式,與這一時(shí)期青藏高原第三次地震活動(dòng)叢集高潮期符合[18],可能是西部地區(qū)地震活動(dòng)的標(biāo)志之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于關(guān)中地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)資料,利用多種方法,對(duì)關(guān)中地區(qū)與鄰近構(gòu)造帶強(qiáng)震的關(guān)系進(jìn)行“點(diǎn)”“線”等多方面的綜合研究。結(jié)果顯示,三次強(qiáng)震和小震都在異常趨勢(shì)轉(zhuǎn)折、加速變化的過(guò)程中發(fā)生地震,特別是1997—2010年斷層都呈劇烈活動(dòng)的同步活動(dòng)方式,異常活動(dòng)分段性十分明顯。

西北地區(qū)在1988年處于地震活躍時(shí)期,印度板塊北向推擠以及歐亞板塊西南向的抵抗,導(dǎo)致青藏塊體加劇隆起,在青藏高原第三次地震活動(dòng)背景下,巴顏喀拉塊體東南向運(yùn)動(dòng),地殼垂直運(yùn)動(dòng)加劇,在巴顏喀拉塊體邊界處發(fā)生多次強(qiáng)震[19],其中西藏瑪尼Ms7.9地震發(fā)生在南側(cè),昆侖Ms8.1地震發(fā)生在北側(cè),汶川Ms8.0地震發(fā)生在東南側(cè),區(qū)域應(yīng)力瞬間釋放,在較長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)產(chǎn)生大范圍地殼應(yīng)力應(yīng)變的調(diào)整,板塊在調(diào)整恢復(fù)的過(guò)程中發(fā)生涇陽(yáng)Ms4.8,寶雞Ms3.5及高陵Ms4.4地震,三次強(qiáng)震與小震都有相似的異常變化,由積累起來(lái)的應(yīng)變能得到釋放,異常強(qiáng)度值逐漸降低,恢復(fù)正常情況,并在一定程度上反映出同震形變。可以說(shuō),關(guān)中地區(qū)的形變異常無(wú)論從時(shí)間歷程或者空間分布來(lái)說(shuō),都與鄰近地區(qū)地震發(fā)生有很好的關(guān)聯(lián)性,表明了關(guān)中是反映地殼運(yùn)動(dòng)的敏感區(qū)域。

本文只是通過(guò)跨斷層水準(zhǔn)資料在前人研究的基礎(chǔ)上討論關(guān)中地區(qū)地震與鄰近構(gòu)造帶地震的關(guān)系,但缺少水平運(yùn)動(dòng)資料進(jìn)行更深入的研究。下一步將利用關(guān)中地區(qū)水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的資料以及地殼運(yùn)動(dòng)方式、形變特征及斷裂活動(dòng)特性,綜合分析關(guān)中地區(qū)地殼活動(dòng)。