陳永前 張淑亮 李宏偉

1 山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號，030021

山西北部斷裂發(fā)育，構(gòu)造背景復(fù)雜，歷史上曾多次發(fā)生中等以上地震，因此受到地震學(xué)者們的高度關(guān)注[1-4]。利用重力場和GPS資料對山西斷陷帶應(yīng)變場進(jìn)行研究的成果較多[5-7]，而利用其他資料研究山西地區(qū)應(yīng)變場特征的成果相對較少。四分量鉆孔應(yīng)變儀是我國研制的一種新型高精度地球動力學(xué)觀測儀器，在地殼變形和應(yīng)力場觀測中扮演著重要角色[8]。2015年以來，山西省地震局在山西忻州地區(qū)先后布設(shè)了5套YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變儀，初步形成了區(qū)域觀測網(wǎng)。與全國鉆孔應(yīng)變儀平均觀測密度相比，該觀測網(wǎng)具有測點(diǎn)密度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、儀器運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，是研究區(qū)域應(yīng)變場特征的天然實驗場地。本文基于忻州地區(qū)四分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)計算應(yīng)變參數(shù)，并結(jié)合潮汐因子玫瑰圖綜合分析該區(qū)域應(yīng)力場特征，對研究該區(qū)域的地球動力學(xué)特征和孕震機(jī)制、地震活動性、地震危險性等具有參考意義。

1 臺站基本情況及四分量鉆孔應(yīng)變儀觀測原理

1.1 臺站基本情況

忻定盆地是山西地塹系北部一個馬蹄形的張性斷陷盆地[9]，其邊界主要由五臺山北麓斷裂、系舟山北麓斷裂、云中山東麓斷裂和恒山南麓斷裂等構(gòu)成[10]。山西省地震局布設(shè)的5套四分量鉆孔應(yīng)變儀均位于盆地邊界斷裂的基巖上(圖1)，可有效捕捉邊界斷裂的活動信息，臺站基本情況見表1。

圖1 YRY-4型鉆孔應(yīng)變臺站分布

表1 YRY-4型分量應(yīng)變儀基本情況

1.2 四分量鉆孔應(yīng)變儀工作原理

四分量鉆孔應(yīng)變儀的工作原理是將安裝有測量元件的圓柱形鋼筒安置于鉆孔中進(jìn)行觀測，假定鉆孔所處介質(zhì)近似為各向同性彈性體，井口與井底對傳感器的影響忽略不計。設(shè)θ為正北方向與任一孔徑相對變化測量元件之間的夾角，φ為正北方向與最大主應(yīng)變ε1之間的夾角。由正北方向起算，順時針旋轉(zhuǎn)角度為正，逆時針為負(fù)，沿θ方向的理論孔徑相對變化量Sθ為：

Sθ=A(ε1+ε2)+B(ε1-ε2)cos2(θ-φ)

(1)

式中，A、B為耦合系數(shù)，ε1、ε2分別為最大、最小主應(yīng)變。

2 鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)計算方法

2.1 自洽分析

所謂自洽是指當(dāng)探頭與圍巖的耦合處于理想狀態(tài)時，儀器測量數(shù)據(jù)即滿足自洽條件[11]。解算平面應(yīng)變參數(shù)只需相互獨(dú)立的3路觀測值即可，而YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變儀比三分量應(yīng)變儀多1路觀測值，更具優(yōu)勢，利用自洽分析可進(jìn)一步檢驗觀測資料的可靠性。

2.2 實地相對標(biāo)定

四分量鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)的自洽程度與實際安裝環(huán)境有直接關(guān)系，安裝環(huán)境越好自洽程度越高，數(shù)據(jù)越可靠。但在實際觀測中這4組觀測值往往并不完全符合這個關(guān)系，而是有一定的誤差，因此可根據(jù)一定的假設(shè)來對元件測值進(jìn)行實地相對標(biāo)定，具體方法見文獻(xiàn)[12]。

2.3 應(yīng)變換算分析方法

參照地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB/T 54-2013《地震地殼形變觀測方法：鉆孔應(yīng)變觀測》進(jìn)行應(yīng)變換算，令

(2)

將4個觀測值變成3個替代觀測值，可唯一地求解3個未知量(ε1,ε2,φ)[13]：

(3)

式中，εa為面應(yīng)變，εs為剪切應(yīng)變，A、B為耦合系數(shù)，θ1為元件1的方位角，ε1、ε2分別為最大、最小主應(yīng)變，φ為主方向。

2.4 潮汐因子玫瑰圖

M2波潮汐因子受到的干擾較小，資料精度最高，可靠性最好，因此將其作為描述地殼彈性的參數(shù)[14]。為了得到儀器安裝點(diǎn)位地層對潮汐響應(yīng)各向異性的方位分布，需要通過四分量鉆孔應(yīng)變計算任意方向的地面應(yīng)變，再通過潮汐分析求得該方向的M2波潮汐因子值(響應(yīng)系數(shù))，即可繪制出四分量鉆孔應(yīng)變儀安裝點(diǎn)位的潮汐玫瑰圖，以此來分析測點(diǎn)附近斷裂的走向和構(gòu)造活動狀態(tài)[15]。

3 數(shù)據(jù)處理與計算結(jié)果分析

3.1 各分量應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)自洽分析

根據(jù)自洽原理，對忻州地區(qū)5套鉆孔應(yīng)變儀自觀測以來的小時值進(jìn)行自洽分析，結(jié)果見表2。寧武臺的2條面應(yīng)變曲線變化形態(tài)不一致，面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)僅為0.666 4，說明其觀測數(shù)據(jù)自洽較差，可靠性較低；其他臺站面應(yīng)變曲線變化形態(tài)較為一致，面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明自洽較好，數(shù)據(jù)可靠性較高。劉琦等[11]研究發(fā)現(xiàn)，實際的應(yīng)變觀測主要是由固體潮汐、氣壓、水位影響及漂移項構(gòu)成，因此影響應(yīng)變觀測的因素較多，寧武臺應(yīng)變觀測具體受何種因素的影響有待進(jìn)一步研究。

表2 各臺站面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)

3.2 實地相對標(biāo)定

由于寧武臺四分量鉆孔應(yīng)變儀面應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)較低，因此需對其進(jìn)行實地相對標(biāo)定。本文按照概率統(tǒng)計公式采用置信度95%來描述觀測數(shù)據(jù)的自洽程度，然后利用差分值數(shù)據(jù)對寧武臺四分量鉆孔應(yīng)變儀進(jìn)行實地相對標(biāo)定和數(shù)據(jù)校正，以獲得四元件校正系數(shù)K和校正結(jié)果的時間序列曲線，標(biāo)定后的結(jié)果見圖2和表3?？梢钥闯?，經(jīng)實地相對標(biāo)定后的四元件K值比較穩(wěn)定，接近1，儀器校正后2條面應(yīng)變曲線基本重合，校正前后置信度95%從0.732 8提高到0.847 6。

表3 差分值數(shù)據(jù)進(jìn)行實地相對標(biāo)定和數(shù)據(jù)校正的結(jié)果

圖2 寧武臺四分量鉆孔應(yīng)變儀標(biāo)定和數(shù)據(jù)校正時序

3.3 應(yīng)變換算分析

根據(jù)式(3)定量計算測區(qū)附近的主應(yīng)變變化和主方向，得到測區(qū)附近應(yīng)變變化速率結(jié)果(表4)。從小時值、1 d、5 d和30 d均值分別計算得到的應(yīng)變參數(shù)(最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變、面應(yīng)變和剪切應(yīng)變)變化速率較為穩(wěn)定，這些觀測點(diǎn)的長期觀測曲線基本都保持穩(wěn)定上升或下降的變化趨勢，應(yīng)變變化主方向φ也大體不變，這個穩(wěn)定的變化速率應(yīng)該就是構(gòu)造運(yùn)動的應(yīng)變變化率，計算結(jié)果可能表明該區(qū)域處于穩(wěn)定的應(yīng)變狀態(tài)和較弱的構(gòu)造運(yùn)動狀態(tài)。由表4可知，除代縣臺的面應(yīng)變速率為232×10-9·a-1左右外，其他臺站的面應(yīng)變速率(kεa)均較大，多數(shù)臺站的剪切應(yīng)變速率(kεs)量級為每年變化幾百個納應(yīng)變。由此可見，代縣臺附近的構(gòu)造運(yùn)動狀態(tài)較為穩(wěn)定，且面應(yīng)變速率一般都顯著大于剪切應(yīng)變速率。

表4 用變化值數(shù)據(jù)擬合計算的應(yīng)變參數(shù)結(jié)果

3.4 潮汐因子玫瑰圖

應(yīng)變固體潮從地幔傳遞到地表會穿越地殼中密布的斷裂系統(tǒng)，構(gòu)造運(yùn)動使斷裂接觸狀態(tài)出現(xiàn)松緊變化，導(dǎo)致某些方向的潮汐因子大小不同，由此也帶來了深部地殼斷裂結(jié)構(gòu)狀態(tài)松緊變化的信息。當(dāng)?shù)貙邮軓垜?yīng)力作用時，潮汐應(yīng)變傳遞衰減使潮汐因子縮??；當(dāng)?shù)貙邮軌簯?yīng)力作用時，潮汐應(yīng)變傳遞效率提高使潮汐因子增大。位于不同構(gòu)造地塊臺站的玫瑰圖及時間變化各有特點(diǎn)，池順良等[15]研究發(fā)現(xiàn)，地塊間的斷層隔離是造成各臺站潮汐因子偏離理論值及方位各向異性的主要原因，且有限元斷層地塊模型應(yīng)變方位響應(yīng)與臺站實測方位響應(yīng)是一致的。因此，可利用潮汐因子玫瑰圖判斷測點(diǎn)附近斷裂的大致走向。

計算5個臺站的潮汐因子玫瑰圖(圖3～7)，可以看出，5套鉆孔應(yīng)變儀的潮汐因子玫瑰圖每期的曲線重復(fù)度較高，可能反映了測點(diǎn)所在區(qū)域地下巖體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，構(gòu)造活動性較弱，忻定盆地及其周緣地區(qū)處于高應(yīng)力的閉鎖狀態(tài)[16]；玫瑰圖呈“8”字型分布，反映了站點(diǎn)附近斷裂的走向。

圖3 代縣臺玫瑰圖

圖4 神池臺玫瑰圖

圖5 寧武臺玫瑰圖

圖6 原平臺玫瑰圖

圖7 繁峙臺玫瑰圖

4 區(qū)域應(yīng)變場特征分析

從表4可以看出，主應(yīng)變和面應(yīng)變的變化速率均為負(fù)值，可能表明5個臺站所在區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)變呈穩(wěn)定擠壓狀態(tài)。應(yīng)變主方向如圖8所示，其中代縣臺、神池臺、繁峙臺、原平臺、寧武臺應(yīng)變主方向分別為9°、24°、73°、134°、158°，代縣、神池、繁峙3個臺站的主壓應(yīng)變場方向接近NNE-NEE，可推算出其主張應(yīng)變場方向為NNW-NWW，這一結(jié)果與山西斷陷帶區(qū)域內(nèi)主要活動斷裂方向(整體呈NW-SE向拉張的應(yīng)力性質(zhì))基本一致[17-18]。原平臺的SE向主壓應(yīng)變方向與吳昊昱等[19]利用Snoke方法反演的2016年原平M4.2地震震源機(jī)制解結(jié)果(SEE向為壓應(yīng)力，SSW向為張應(yīng)力)基本一致。寧武臺靠近摩天嶺斷裂，由山西省活動構(gòu)造(圖9)可以看出，摩天嶺斷裂走向為NE向，且為逆斷層，呈NW向推擠，這與寧武臺的應(yīng)變主方向158°是一致的。由此可見，由忻州地區(qū)5套四分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)計算得到的應(yīng)力場主方向基本是可靠的。

圖8 5套鉆孔應(yīng)變資料的主方向

圖9 山西省活動構(gòu)造簡圖

為驗證潮汐因子結(jié)果的可靠性，將其與四分量鉆孔測點(diǎn)附近的斷層走向進(jìn)行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于神池臺和寧武臺位于隆起區(qū)，測點(diǎn)周圍斷裂分布較少，其玫瑰圖長軸方向與斷裂走向是否對應(yīng)尚不確定，還需進(jìn)一步研究；原平、代縣和繁峙3個臺站的玫瑰圖長軸方向與周圍斷裂走向較為一致(圖1)，表明鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)能較好地反映構(gòu)造信息。

1998年張北6.2級地震發(fā)生后，晉冀蒙交界地區(qū)近22 a未發(fā)生6.0級以上地震，1999年大同5.6級地震后山西地區(qū)近21 a未發(fā)生5.0級以上地震，且2015年以來，山西地區(qū)3級地震處于弱活動水平。本文統(tǒng)計了2015年以來山西地區(qū)五大盆地ML2.0以上地震次數(shù)發(fā)現(xiàn)，忻定盆地地震次數(shù)是最少的(表5)。綜上所述，忻州地區(qū)目前的地震活動水平較弱，這與前文解算得到的潮汐因子玫瑰圖所反映的測點(diǎn)所在區(qū)域地下巖體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、構(gòu)造活動性較弱且處于高應(yīng)力閉鎖狀態(tài)的結(jié)論基本吻合。

表5 各盆地ML2.0以上地震數(shù)統(tǒng)計

5 結(jié) 語

1)自洽分析結(jié)果表明，寧武臺的2條面應(yīng)變曲線變化形態(tài)不一致，面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)小(0.666 4)，說明其觀測數(shù)據(jù)的自洽較差、可靠性較低。其余臺站應(yīng)變資料的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明自洽較好，數(shù)據(jù)可靠性較高。

2)最大主應(yīng)變和面應(yīng)變變化速率均為負(fù)值，且主方向φ大體不變，表明忻州地區(qū)可能處于相對穩(wěn)定的擠壓狀態(tài)，構(gòu)造活動較弱。

3)由四分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)計算得到的應(yīng)力場主方向基本是可靠的。

4)潮汐因子玫瑰圖能夠較好地反映測點(diǎn)附近的斷裂走向及活動性，該方法有望在地質(zhì)構(gòu)造研究、城市活斷層探測、地塊活動微動態(tài)觀測等領(lǐng)域發(fā)揮作用。