首都圈區(qū)域應(yīng)變場變化特征分析

首都圈區(qū)域應(yīng)變場變化特征分析

1地震地質(zhì)條件強(qiáng)震前大單元動態(tài)變化可能會導(dǎo)致高值區(qū)位的切分和主畸變。數(shù)字化定點(diǎn)形變觀測與大尺度的形變觀測提供不同頻域的地殼形變信息,可互為印證和補(bǔ)充。根據(jù)不同方向線應(yīng)變組合觀測可計(jì)算出平面應(yīng)變參數(shù),因此利用3方向應(yīng)變觀測可確定局部地區(qū)的平面應(yīng)變狀態(tài),2006年7月4日文安5.1級地震是首都圈近些年來最顯著的地震事件,引起了國內(nèi)研究者的重視,并取得了一些研究成果。在孕震過程中,小震活動可能反映出局部應(yīng)力場的變化信息。已有研究結(jié)果表明,中強(qiáng)震前震源區(qū)附近地震活動可能產(chǎn)生主壓應(yīng)力軸(P軸)轉(zhuǎn)向或仰角增大現(xiàn)象,P軸偏轉(zhuǎn)方向最大可達(dá)到90°。周翠英等對中強(qiáng)震前小震應(yīng)力場演化特征綜合分析認(rèn)為,異?？臻g范圍大于震源區(qū)范圍,中強(qiáng)震的異常范圍大約在半徑100～150km(2°×2°或3°×3°)區(qū)域內(nèi)或稍大,因此在文安地震前,雖然震源區(qū)附近無小震活動,按照上述總結(jié)的特征,可將小震選取范圍基于地震構(gòu)造擴(kuò)展至3°×3°左右。本文結(jié)合局部應(yīng)變參數(shù)變化與小震震源機(jī)制解所反應(yīng)的應(yīng)力場變化信息,研究文安地震前局部應(yīng)力場的變化特征。2數(shù)據(jù)處理和分析2.1文安地震前應(yīng)變組合觀測數(shù)據(jù)處理1)計(jì)算方法在應(yīng)力場作用下,剪應(yīng)變的變化更能體現(xiàn)巖石破裂過程中的作用,雖然剪應(yīng)變不可直接觀測到,但可通過伸縮儀3方向觀測結(jié)果,計(jì)算出平面應(yīng)變參數(shù):剪應(yīng)變、主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變以及主應(yīng)變方向等,從而分析區(qū)域應(yīng)變場的變化。對于具有3方向觀測的伸縮儀觀測,除了2個(gè)正交方向的觀測外,還有一條斜邊觀測。如圖1所示,按照地平坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為觀測方向的直角坐標(biāo)應(yīng)變張量轉(zhuǎn)換公式,在旋轉(zhuǎn)α方向后的直角坐標(biāo)應(yīng)變可表示為exx=eθθcos2α+eλλsin2α?2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ?eθθ)sin2α?2eθλcos2α?????(1)exx=eθθcos2α+eλλsin2α-2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ-eθθ)sin2α-2eθλcos2α}(1)當(dāng)α=135°時(shí),由式(1)中的第一式可得出2eθλ=2e135-(eθθ+eλλ)(2)當(dāng)α=45°時(shí),由式(1)中的第一式得出2eθλ=(eθθ+eλλ)-2e45(3)式(2)、(3)中的eθθ、eλλ分別對應(yīng)NS、EW向觀測值,e135、e45相應(yīng)為NW向、NE向斜邊觀測值。由式(2)或式(3)計(jì)算剪應(yīng)變,從而可進(jìn)一步計(jì)算出主應(yīng)變、剪應(yīng)變、面應(yīng)變、主應(yīng)變方向等平面應(yīng)變參數(shù)。2)計(jì)算結(jié)果利用首都圈地區(qū)有應(yīng)變組合觀測的易縣臺、延慶臺、張家口臺、懷來臺伸縮儀2002年—2006年10月觀測數(shù)據(jù)計(jì)算主應(yīng)變、剪應(yīng)變、主應(yīng)變方向,測站位置見圖2。計(jì)算結(jié)果顯示,易縣臺在文安地震前1～2天主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變、主應(yīng)變方位時(shí)序變化曲線都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。圖3為其中主應(yīng)變方位、主應(yīng)變、剪應(yīng)變的變化曲線,除了2004年8月由于外界干擾導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)不穩(wěn)定的擾動外,主應(yīng)變方位基本處于N45°E上下變化,2006年4月開始偏離原方向呈逆時(shí)針加速偏轉(zhuǎn),2006年7月2日14時(shí)即文安地震前2天開始轉(zhuǎn)折,并快速恢復(fù)(圖3(a));主應(yīng)變于2005年9月底至2006年7月1日開始大幅度壓縮變化,并于7月2日10時(shí)達(dá)到最低值,也于文安地震前2天轉(zhuǎn)折(圖3(b))。剪應(yīng)變變化速率在6、7月份達(dá)到最大(圖3(c))。圖4顯示其他3個(gè)臺的計(jì)算結(jié)果,其中延慶臺主應(yīng)變、剪應(yīng)變自2004年開始均出現(xiàn)偏離原趨勢的變化,在2005年7、8月達(dá)到最大速率(圖4(a)),與8月31日在附近發(fā)生的蔚縣4.0級地震有關(guān),并于2006年6月即文安地震前1個(gè)月轉(zhuǎn)平。張家口臺的應(yīng)變參數(shù)2005年7、8月出現(xiàn)較快速的變化(圖4(b)),懷來臺的剪應(yīng)變2005年7月出現(xiàn)加速變化(圖4(c)),2個(gè)臺的應(yīng)變加速都發(fā)生在蔚縣4.0級地震前,而文安地震前應(yīng)變參數(shù)均無顯著變化。根據(jù)該地區(qū)主要活動斷裂延礬盆地北緣斷裂與孫莊子-烏龍溝斷裂分布情況,易縣臺、延慶臺與文安地震均位于斷裂東側(cè),而張家口臺、懷來臺與蔚縣地震位于斷裂的西側(cè),因此延慶臺、易縣臺在文安地震前的應(yīng)變轉(zhuǎn)折變化與該地震的發(fā)生在構(gòu)造上有一定的聯(lián)系(圖2)。2.2文安地震條帶2006年7月4日文安5.1級地震發(fā)生在滄東、晉獲以及磁縣-大名這3條斷裂所圍限的塊體內(nèi)(圖5)。雖然文安地震前震源區(qū)無小震活動,但是在所圍限塊體的西南有一組北東向的小震活動條帶,與該地區(qū)NE向新河斷裂和邯鄲-磁縣斷裂的展布位置重疊,文安地震發(fā)生在新河斷裂向北延伸方向上(圖5)。2006年1月至文安地震發(fā)生前,該條帶及其附近在北緯36.40～40.42°,東經(jīng)114.57～116.28°范圍內(nèi)共發(fā)生13次Ms2.0級以上微震和小震。震源機(jī)制解采用刁桂苓研究員提供的計(jì)算結(jié)果列于表1。3小震序列p軸方位變化及應(yīng)變方向變化圖6(a)為2006年1月至文安地震前易縣臺主應(yīng)變方位。根據(jù)北東向小震活動條帶的震源機(jī)制解,把P軸方位歸算至0～180°,得到小震震源機(jī)制解P軸方位的變化曲線如圖6(b)所示?？梢娭鲬?yīng)變方位自4月份開始出現(xiàn)趨勢性偏離,在6月份速率達(dá)到最大;小震序列P軸方位1月至3月底呈現(xiàn)上升趨勢,即P軸方位角在增大,4月下降,即P軸反向偏轉(zhuǎn),5月初又大幅度上升,5月中旬后逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。小震序列P軸方位與易縣臺主應(yīng)變方位開始變化的時(shí)間基本一致。張國民等應(yīng)用非線性動力學(xué)模型來模擬計(jì)算了活動構(gòu)造塊體內(nèi)基本元件的應(yīng)力變化過程,結(jié)果顯示,在定常應(yīng)變速率下,當(dāng)構(gòu)造塊體中某個(gè)元件發(fā)生破裂時(shí),其它元件受破裂元件的影響而相應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力調(diào)整,重新進(jìn)行應(yīng)力積累,并偏離原來的狀態(tài),當(dāng)某個(gè)元件應(yīng)力積累加速并超過了破裂強(qiáng)度后則發(fā)生破裂。易縣臺主應(yīng)變方位在偏離原趨勢后6月中旬開始加速變化,快速轉(zhuǎn)折后發(fā)生地震。易縣臺距文安地震震中約87km,是距震中最近的形變觀測臺,其應(yīng)變變化反映了震源區(qū)附近應(yīng)力場的變化,較清晰的顯示了震源區(qū)地震孕育過程中局部區(qū)域應(yīng)力場的變化形態(tài)。由此認(rèn)為,對文安地震的研究應(yīng)與一定時(shí)空尺度的地震活動相聯(lián)系,特別是相關(guān)區(qū)域的構(gòu)造分析,并且結(jié)合連續(xù)形變觀測結(jié)果,綜合研究應(yīng)力場的時(shí)空變化過程。3文安地震區(qū)域局部應(yīng)變場特征楊國華等應(yīng)用GPS觀測結(jié)果分析了2001年昆侖山8.1級地震對華北地區(qū)水平運(yùn)動場可能產(chǎn)生的影響,認(rèn)為昆侖山地震前后2個(gè)時(shí)段華北地區(qū)非均勻性應(yīng)變比較明顯,昆侖山8.1級地震對華北地區(qū)地殼形變可能起主要控制作用,使華北地區(qū)在東西向出現(xiàn)明顯的拉伸。而延慶臺伸縮南北向、易縣臺伸縮北東向觀測值自2005年下半年先后出現(xiàn)加速壓縮的變化,是在此大尺度應(yīng)變場變化背景上出現(xiàn)的顯著變化。易縣臺主應(yīng)變方位2006年4月偏離正常背景N45°E呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至南北向,在接近0°后于震前2天又快速向原背景方向偏轉(zhuǎn),小震序列P軸由原來的近NE向逐漸轉(zhuǎn)為SE向,二者開始出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的時(shí)間基本同步。根據(jù)以上的分析,文安5.1級地震前局部應(yīng)變場的變化大概從2006年4月開始,根據(jù)定點(diǎn)異常的分布判定文安地震前首都圈西部應(yīng)力場變化的空間尺度為200km。由于參照定