关中地区断层形变异常与地震活动的关系
时间：2023-02-16 22:10:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
曾 致 任攀虹 刘 恒 栗国华
(1. 西安市勘察测绘院, 陕西 西安 710054; 2. 中煤航测遥感集团有限公司, 陕西 西安 710054)
近40年的跨断层形变数据监测预报和地震结果证明,地震发生前后一定范围内的断层活动会呈现出不同程度的变化[1]。通过跨断层进行水准测量可以获取断层的运动方式、活动速率及受力状态等,这成为进一步分析地震前兆异常和预测预报中不可替代的监测手段[2-4]。
关中地区受到青藏块体东北向走滑挤压和鄂尔多斯块体逆时针旋转抵抗,成为新地质时期垂直差异运动和历史地震十分强烈的地区[5-8](见图1)。目前,对于关中地区与相邻的大地构造单元,尤其是作为复杂造山带的秦岭褶皱系的孕震环境及与中强地震的关系等研究的程度不高[9],比如2008年汶川Ms8.0地震与2009年高陵Ms4.4地震的相关研究很少,但汶川地震发生前,关中地区南大同、大塬和清河口等场地出现了明显的趋势转折、加速变化[10]。对于1997年玛尼Ms7.9地震,2001年昆仑山口西Ms8.1地震及2008年汶川Ms8.0地震与关中地区1998年泾阳Ms4.8地震,2002年宝鸡Ms3.5地震及2009年高陵Ms4.4地震(见表1),在时间和空间上是否密切相关,相关研究资料较少。
图1 跨断层水准测站分布和地质构造
表1 地震基本概况
基于此,本文以GPS、水准及重力异常等研究成果为背景,“点-线”结合的研究思路,对关中地区20多年的跨断层短水准观测资料进行处理,研究关中地区三次小震与邻近构造带强震活动的关系。
1.1 资料
由于篇幅所限,本文只对关中地区异常显著的岐山-马召断裂、秦岭北麓断裂及沣峪口、麻街测站进行分析,水准场地每年3、7和l1月各观测一期,其中除沣峪口、麻街测站复测时间为1988—2012年之外,其他复测时间到2016年截止,在1988—2010年地震发生后3期加测。历年来各观测站数据资料严格按照《规范》检查验收,观测结果精确可靠。
1.2 数据处理
跨断层形变的多年研究表明,近地表的跨断层观测数据资料不仅包括断层活动的构造信息,也包含气象、季节和地下水位等非构造活动信息[11-13]。为了更加客观地获取跨断层资料所反映的关中地区断裂形变异常信息,对观测资料进行卡尔曼滤波处理,剔除粗差,然后采用线性插值法填补,获得统一的形变数据;为了消除季节和年变的干扰,用每年的观测值减去上一年的同期观测值,在除以1年时间尺度,获得断层的年变速率;异常强度模型计算断层形变异常强度。同时,取2倍标准差作为异常的判断依据。
1.3 异常强度模型[14]
以平均速率为基值, 用每期的断层垂直形变速率绝对值与平均速率值之比, 解算断层形变异常强度。其数学模型为式(1)。
(1)
式中:ri为断层形变异常强度,是ti时刻的速率除以整个时间序列的速率均值得到的结果,为无量纲值；
Vi为断层形变速率值。本文将r值进一步“e”化处理,使异常强度值在0～1区间内变化。
2.1 “点”— 测站速率分析
麻街测站(见图1)位于渭河断裂、临潼-长安断裂、骊山北麓断裂和渭南塬前断裂的交接处,泾阳Ms4.8地震和高陵Ms4.4地震发生在其周围,因此,两测站分别讨论与地震活动的关系。
沣峪口测站(见图2)垂直形变以1997和2010年为界分时段运动。在1986—1997年断层活动幅度较小;1997—2010年,活动频率增大,异常幅度显著,1997—1999年速率从-3.04 mm/a变为3.54 mm/a,2001—2003年速率从-1.48 mm/a变为3.15 mm/a,均在断层压应力变为张应力的过程中,发生玛尼Ms7.9、泾阳Ms4.8及昆仑山口Ms8.1、宝鸡Ms3.5地震,2008—2010年,速率突破临界值,波峰与汶川Ms8.0和高陵Ms4.4地震对应,可能是地震的前兆异常;2010年至今,断层活动趋于稳定。
图2 测站速率曲线图
麻街测站(见图2)变化幅度显著,以1997和2009年为转折。1984—1997年,断层活动趋于正常;1997—1999年期间速率打破临界值,达到4.33 mm/a,在玛尼Ms7.9和泾阳Ms4.8地震发生时拉张幅度增大,对同震变形有很好地反映,2002—2003年速率增大,持续打破临界值,昆仑山口Ms8.1和宝鸡Ms3.5地震后持续拉张,对同震变形也有很好地反映,2004—2005年速率显著异常,有待分析,2008—2009年速率最低为-4.46 mm/a,反映出汶川Ms8.0地震前加速挤压的前兆异常;在2010年至今,断层波动幅度较小。
2.2 “线”— 断层活动速率分析
岐山-马召断裂位于青藏块体东北缘和鄂尔多斯块体西南边缘接壤处,在断裂构造上,属于陇西旋卷构造主旋带-乌鞘岭-六盘山旋褶带南端的一条分支断裂[15]。从图3可看出断层在1997和2010年为界分时段异常活动,在1990—1997年,速率波动幅度3 mm/a,断层活动变化不很明显;在1997—2010年,断层速率大幅度波动,1998—1999年出现低值,速率可达-6.3 mm/a,反映出玛尼Ms7.9和泾阳Ms4.8地震后加速挤压的活动,2000—2002年又出现显著拉张活动,速率可达5.09 mm/a,可能是青海昆仑山口Ms8.1和宝鸡Ms3.5地震前加速拉张的前兆异常,2006—2009年波谷到波峰速率落差达7.98 mm/a,这与汶川Ms8.0地震前板块加速拉张有关;在2010年至今,断层活动相对平静。
图3 断裂速率曲线图
秦岭北麓断裂是秦岭与渭河平原的分界线,西起宝鸡益门,于华阴附近隐伏于新生代地层之下[16]。从图3可看出,秦岭北麓断裂速率曲线具有以1997和2009年为转折的特点：1986—1997年断层活动趋缓;1997—2009年断层活动显著增强,1998年期间速率最大为5.63mm/a,在玛尼Ms7.9和泾阳Ms4.8地震发生时断层明显加速拉张,2001—2002年速率最大为4.71mm/a,昆仑山口Ms8.1和宝鸡Ms3.5地震也出现加速拉张;2009年至今,断层张性活动持续加速,打破临界值,速率最大为5.17mm/a,受到汶川Ms8.0和高陵Ms4.4地震影响,活动有明显增强的势态。秦岭北麓断裂发生地震时都呈加速拉张,对同震变形有很好地反映,表明秦岭与关中地区垂直活动差异递增的势态,作用力逐渐增强。
2.3 断层活动性与地震的分析
关中地区垂直形变受到大范围区域应力场的作用,造成断裂活动速率和运动方式的差异,趋势异常主要出现在1997—2010年,并在趋势异常转折、加速变化的过程中发生地震,其中玛尼Ms7.9,昆仑山口Ms8.1和汶川Ms8.0地震发生在巴颜喀拉块体边界,与关中地区三次小震存在相似异常变化,这与高好林得出的结论相符合[17]。根据活动速率和映震能力,秦岭北麓断裂和麻街测站曲线波动幅度剧烈,并在张应力达到最大时发生地震,对三次强震及同震变形反映很好,应对这两个区域地震危险性予以重视。
由图4可知,临潼-长安断裂两测站形变异常强度趋势一致,从时间上看,1997—2006年和2007—2010年断层异常强度持续显著,从发震时刻来看,均是在异常强度持续增大或减弱时发震,其中,麻街测站对同震变形也有一定反映。岐山-马召断裂活动异常显著,1998—2002年和2007—2009年形变异常强度打破临界值,且趋向于1,反映出地震前兆异常及震后的活动。秦岭北麓断裂整体持续拉张,在三次波峰时刻异常强度打破临界值,并持续接近于1,对同震变形异常反映较好。
(a)沣峪口(断裂南面)
(b)麻街(断裂北面)
(c)岐山-马召断裂
(d)秦岭北麓断裂图4 异常强度图
由表2可知,关中地区断裂在不同时间、不同空间出现异常变化。从地震方面来说,断层形变异常强度显著超过异常临界值0.55时,能很好地反映出三次小震与强震的前兆异常及震后断层活动情况,可作为关中地区预测地震的指标之一;从异常持续时间来说,在地震发生期间关中地区常表现出中短期异常,其中,异常强度在打破临界值持续上升或者下降的1～2年内发生地震,即地震前的异常活动、断层的旷动及地震后的调整等。
表2 断层形变异常强度统计表
综合以上分析,关中地区形变异常与断层周边发生的地震有一定关系,地震在较长时间尺度内产生大范围应力应变调整的过程中,发生中、小地震。例如，从西藏玛尼Ms7.9地震、昆仑山西口Ms8.1地震和汶川Ms8.0地震,与泾阳Ms4.8地震、宝鸡Ms3.5地震及高陵Ms4.4地震,时差为2个月、3个月和1年零3个月,这与强震的远震效应有很好的关联。同时,关中地区多处跨断层曲线以1997年和2010年为转折点,这种较大范围内出现的同步活动方式,与这一时期青藏高原第三次地震活动丛集高潮期符合[18],可能是西部地区地震活动的标志之一。
基于关中地区跨断层水准资料,利用多种方法,对关中地区与邻近构造带强震的关系进行“点”“线”等多方面的综合研究。结果显示,三次强震和小震都在异常趋势转折、加速变化的过程中发生地震,特别是1997—2010年断层都呈剧烈活动的同步活动方式,异常活动分段性十分明显。
西北地区在1988年处于地震活跃时期,印度板块北向推挤以及欧亚板块西南向的抵抗,导致青藏块体加剧隆起,在青藏高原第三次地震活动背景下,巴颜喀拉块体东南向运动,地壳垂直运动加剧,在巴颜喀拉块体边界处发生多次强震[19],其中西藏玛尼Ms7.9地震发生在南侧,昆仑Ms8.1地震发生在北侧,汶川Ms8.0地震发生在东南侧,区域应力瞬间释放,在较长时间尺度内产生大范围地壳应力应变的调整,板块在调整恢复的过程中发生泾阳Ms4.8,宝鸡Ms3.5及高陵Ms4.4地震,三次强震与小震都有相似的异常变化,由积累起来的应变能得到释放,异常强度值逐渐降低,恢复正常情况,并在一定程度上反映出同震形变。可以说,关中地区的形变异常无论从时间历程或者空间分布来说,都与邻近地区地震发生有很好的关联性,表明了关中是反映地壳运动的敏感区域。
本文只是通过跨断层水准资料在前人研究的基础上讨论关中地区地震与邻近构造带地震的关系,但缺少水平运动资料进行更深入的研究。下一步将利用关中地区水平运动和垂直运动相关的资料以及地壳运动方式、形变特征及断裂活动特性,综合分析关中地区地壳活动。
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