曾 致 任攀虹 劉 恒 栗國華

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

0 引言

近40年的跨斷層形變數(shù)據(jù)監(jiān)測預報和地震結果證明,地震發(fā)生前后一定范圍內的斷層活動會呈現(xiàn)出不同程度的變化[1]。通過跨斷層進行水準測量可以獲取斷層的運動方式、活動速率及受力狀態(tài)等,這成為進一步分析地震前兆異常和預測預報中不可替代的監(jiān)測手段[2-4]。

關中地區(qū)受到青藏塊體東北向走滑擠壓和鄂爾多斯塊體逆時針旋轉抵抗,成為新地質時期垂直差異運動和歷史地震十分強烈的地區(qū)[5-8](見圖1)。目前,對于關中地區(qū)與相鄰的大地構造單元,尤其是作為復雜造山帶的秦嶺褶皺系的孕震環(huán)境及與中強地震的關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地震的相關研究很少,但汶川地震發(fā)生前,關中地區(qū)南大同、大塬和清河口等場地出現(xiàn)了明顯的趨勢轉折、加速變化[10]。對于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地震與關中地區(qū)1998年涇陽Ms4.8地震,2002年寶雞Ms3.5地震及2009年高陵Ms4.4地震(見表1),在時間和空間上是否密切相關,相關研究資料較少。

圖1 跨斷層水準測站分布和地質構造

表1 地震基本概況

基于此,本文以GPS、水準及重力異常等研究成果為背景,“點-線”結合的研究思路,對關中地區(qū)20多年的跨斷層短水準觀測資料進行處理,研究關中地區(qū)三次小震與鄰近構造帶強震活動的關系。

1 研究區(qū)域資料及方法

1.1 資料

由于篇幅所限,本文只對關中地區(qū)異常顯著的岐山-馬召斷裂、秦嶺北麓斷裂及灃峪口、麻街測站進行分析,水準場地每年3、7和l1月各觀測一期,其中除灃峪口、麻街測站復測時間為1988—2012年之外,其他復測時間到2016年截止,在1988—2010年地震發(fā)生后3期加測。歷年來各觀測站數(shù)據(jù)資料嚴格按照《規(guī)范》檢查驗收,觀測結果精確可靠。

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數(shù)據(jù)資料不僅包括斷層活動的構造信息,也包含氣象、季節(jié)和地下水位等非構造活動信息[11-13]。為了更加客觀地獲取跨斷層資料所反映的關中地區(qū)斷裂形變異常信息,對觀測資料進行卡爾曼濾波處理,剔除粗差,然后采用線性插值法填補,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,用每年的觀測值減去上一年的同期觀測值,在除以1年時間尺度,獲得斷層的年變速率;異常強度模型計算斷層形變異常強度。同時,取2倍標準差作為異常的判斷依據(jù)。

1.3 異常強度模型[14]

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

(1)

式中:ri為斷層形變異常強度,是ti時刻的速率除以整個時間序列的速率均值得到的結果,為無量綱值；Vi為斷層形變速率值。本文將r值進一步“e”化處理,使異常強度值在0～1區(qū)間內變化。

2 斷層活動與地震關系

2.1 “點”— 測站速率分析

麻街測站(見圖1)位于渭河斷裂、臨潼-長安斷裂、驪山北麓斷裂和渭南塬前斷裂的交接處,涇陽Ms4.8地震和高陵Ms4.4地震發(fā)生在其周圍,因此,兩測站分別討論與地震活動的關系。

灃峪口測站(見圖2)垂直形變以1997和2010年為界分時段運動。在1986—1997年斷層活動幅度較小;1997—2010年,活動頻率增大,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,均在斷層壓應力變?yōu)閺垜Φ倪^程中,發(fā)生瑪尼Ms7.9、涇陽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地震對應,可能是地震的前兆異常;2010年至今,斷層活動趨于穩(wěn)定。

圖2 測站速率曲線圖

麻街測站(見圖2)變化幅度顯著,以1997和2009年為轉折。1984—1997年,斷層活動趨于正常;1997—1999年期間速率打破臨界值,達到4.33 mm/a,在瑪尼Ms7.9和涇陽Ms4.8地震發(fā)生時拉張幅度增大,對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,斷層波動幅度較小。

2.2 “線”— 斷層活動速率分析

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,在斷裂構造上,屬于隴西旋卷構造主旋帶-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年為界分時段異常活動,在1990—1997年,速率波動幅度3 mm/a,斷層活動變化不很明顯;在1997—2010年,斷層速率大幅度波動,1998—1999年出現(xiàn)低值,速率可達-6.3 mm/a,反映出瑪尼Ms7.9和涇陽Ms4.8地震后加速擠壓的活動,2000—2002年又出現(xiàn)顯著拉張活動,速率可達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7.98 mm/a,這與汶川Ms8.0地震前板塊加速拉張有關;在2010年至今,斷層活動相對平靜。

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年為轉折的特點：1986—1997年斷層活動趨緩;1997—2009年斷層活動顯著增強,1998年期間速率最大為5.63mm/a,在瑪尼Ms7.9和涇陽Ms4.8地震發(fā)生時斷層明顯加速拉張,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,活動有明顯增強的勢態(tài)。秦嶺北麓斷裂發(fā)生地震時都呈加速拉張,對同震變形有很好地反映,表明秦嶺與關中地區(qū)垂直活動差異遞增的勢態(tài),作用力逐漸增強。

2.3 斷層活動性與地震的分析

關中地區(qū)垂直形變受到大范圍區(qū)域應力場的作用,造成斷裂活動速率和運動方式的差異,趨勢異常主要出現(xiàn)在1997—2010年,并在趨勢異常轉折、加速變化的過程中發(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論相符合[17]。根據(jù)活動速率和映震能力,秦嶺北麓斷裂和麻街測站曲線波動幅度劇烈,并在張應力達到最大時發(fā)生地震,對三次強震及同震變形反映很好,應對這兩個區(qū)域地震危險性予以重視。

3 異常強度與地震的相關性

由圖4可知,臨潼-長安斷裂兩測站形變異常強度趨勢一致,從時間上看,1997—2006年和2007—2010年斷層異常強度持續(xù)顯著,從發(fā)震時刻來看,均是在異常強度持續(xù)增大或減弱時發(fā)震,其中,麻街測站對同震變形也有一定反映。岐山-馬召斷裂活動異常顯著,1998—2002年和2007—2009年形變異常強度打破臨界值,且趨向于1,反映出地震前兆異常及震后的活動。秦嶺北麓斷裂整體持續(xù)拉張,在三次波峰時刻異常強度打破臨界值,并持續(xù)接近于1,對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 異常強度圖

由表2可知,關中地區(qū)斷裂在不同時間、不同空間出現(xiàn)異常變化。從地震方面來說,斷層形變異常強度顯著超過異常臨界值0.55時,能很好地反映出三次小震與強震的前兆異常及震后斷層活動情況,可作為關中地區(qū)預測地震的指標之一;從異常持續(xù)時間來說,在地震發(fā)生期間關中地區(qū)常表現(xiàn)出中短期異常,其中,異常強度在打破臨界值持續(xù)上升或者下降的1～2年內發(fā)生地震,即地震前的異?；顒?、斷層的曠動及地震后的調整等。

表2 斷層形變異常強度統(tǒng)計表

綜合以上分析,關中地區(qū)形變異常與斷層周邊發(fā)生的地震有一定關系,地震在較長時間尺度內產生大范圍應力應變調整的過程中,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Ms4.8地震、寶雞Ms3.5地震及高陵Ms4.4地震,時差為2個月、3個月和1年零3個月,這與強震的遠震效應有很好的關聯(lián)。同時,關中地區(qū)多處跨斷層曲線以1997年和2010年為轉折點,這種較大范圍內出現(xiàn)的同步活動方式,與這一時期青藏高原第三次地震活動叢集高潮期符合[18],可能是西部地區(qū)地震活動的標志之一。

4 結束語

基于關中地區(qū)跨斷層水準資料,利用多種方法,對關中地區(qū)與鄰近構造帶強震的關系進行“點”“線”等多方面的綜合研究。結果顯示,三次強震和小震都在異常趨勢轉折、加速變化的過程中發(fā)生地震,特別是1997—2010年斷層都呈劇烈活動的同步活動方式,異?；顒臃侄涡允置黠@。

西北地區(qū)在1988年處于地震活躍時期,印度板塊北向推擠以及歐亞板塊西南向的抵抗,導致青藏塊體加劇隆起,在青藏高原第三次地震活動背景下,巴顏喀拉塊體東南向運動,地殼垂直運動加劇,在巴顏喀拉塊體邊界處發(fā)生多次強震[19],其中西藏瑪尼Ms7.9地震發(fā)生在南側,昆侖Ms8.1地震發(fā)生在北側,汶川Ms8.0地震發(fā)生在東南側,區(qū)域應力瞬間釋放,在較長時間尺度內產生大范圍地殼應力應變的調整,板塊在調整恢復的過程中發(fā)生涇陽Ms4.8,寶雞Ms3.5及高陵Ms4.4地震,三次強震與小震都有相似的異常變化,由積累起來的應變能得到釋放,異常強度值逐漸降低,恢復正常情況,并在一定程度上反映出同震形變?？梢哉f,關中地區(qū)的形變異常無論從時間歷程或者空間分布來說,都與鄰近地區(qū)地震發(fā)生有很好的關聯(lián)性,表明了關中是反映地殼運動的敏感區(qū)域。

本文只是通過跨斷層水準資料在前人研究的基礎上討論關中地區(qū)地震與鄰近構造帶地震的關系,但缺少水平運動資料進行更深入的研究。下一步將利用關中地區(qū)水平運動和垂直運動相關的資料以及地殼運動方式、形變特征及斷裂活動特性,綜合分析關中地區(qū)地殼活動。