首都圈区域应变场变化特征分析

首都圈区域应变场变化特征分析

1地震地质条件强震前大单元动态变化可能会导致高值区位的切分和主畸变。数字化定点形变观测与大尺度的形变观测提供不同频域的地壳形变信息,可互为印证和补充。根据不同方向线应变组合观测可计算出平面应变参数,因此利用3方向应变观测可确定局部地区的平面应变状态,2006年7月4日文安5.1级地震是首都圈近些年来最显著的地震事件,引起了国内研究者的重视,并取得了一些研究成果。在孕震过程中,小震活动可能反映出局部应力场的变化信息。已有研究结果表明,中强震前震源区附近地震活动可能产生主压应力轴(P轴)转向或仰角增大现象,P轴偏转方向最大可达到90°。周翠英等对中强震前小震应力场演化特征综合分析认为,异常空间范围大于震源区范围,中强震的异常范围大约在半径100～150km(2°×2°或3°×3°)区域内或稍大,因此在文安地震前,虽然震源区附近无小震活动,按照上述总结的特征,可将小震选取范围基于地震构造扩展至3°×3°左右。本文结合局部应变参数变化与小震震源机制解所反应的应力场变化信息,研究文安地震前局部应力场的变化特征。2数据处理和分析2.1文安地震前应变组合观测数据处理1)计算方法在应力场作用下,剪应变的变化更能体现岩石破裂过程中的作用,虽然剪应变不可直接观测到,但可通过伸缩仪3方向观测结果,计算出平面应变参数:剪应变、主应变、最大剪应变以及主应变方向等,从而分析区域应变场的变化。对于具有3方向观测的伸缩仪观测,除了2个正交方向的观测外,还有一条斜边观测。如图1所示,按照地平坐标转换为观测方向的直角坐标应变张量转换公式,在旋转α方向后的直角坐标应变可表示为exx=eθθcos2α+eλλsin2α−2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ−eθθ)sin2α−2eθλcos2α⎫⎭⎬⎪⎪(1)exx=eθθcos2α+eλλsin2α-2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ-eθθ)sin2α-2eθλcos2α}(1)当α=135°时,由式(1)中的第一式可得出2eθλ=2e135-(eθθ+eλλ)(2)当α=45°时,由式(1)中的第一式得出2eθλ=(eθθ+eλλ)-2e45(3)式(2)、(3)中的eθθ、eλλ分别对应NS、EW向观测值,e135、e45相应为NW向、NE向斜边观测值。由式(2)或式(3)计算剪应变,从而可进一步计算出主应变、剪应变、面应变、主应变方向等平面应变参数。2)计算结果利用首都圈地区有应变组合观测的易县台、延庆台、张家口台、怀来台伸缩仪2002年—2006年10月观测数据计算主应变、剪应变、主应变方向,测站位置见图2。计算结果显示,易县台在文安地震前1～2天主应变、最大剪应变、主应变方位时序变化曲线都出现了转折。图3为其中主应变方位、主应变、剪应变的变化曲线,除了2004年8月由于外界干扰导致计算结果出现不稳定的扰动外,主应变方位基本处于N45°E上下变化,2006年4月开始偏离原方向呈逆时针加速偏转,2006年7月2日14时即文安地震前2天开始转折,并快速恢复(图3(a));主应变于2005年9月底至2006年7月1日开始大幅度压缩变化,并于7月2日10时达到最低值,也于文安地震前2天转折(图3(b))。剪应变变化速率在6、7月份达到最大(图3(c))。图4显示其他3个台的计算结果,其中延庆台主应变、剪应变自2004年开始均出现偏离原趋势的变化,在2005年7、8月达到最大速率(图4(a)),与8月31日在附近发生的蔚县4.0级地震有关,并于2006年6月即文安地震前1个月转平。张家口台的应变参数2005年7、8月出现较快速的变化(图4(b)),怀来台的剪应变2005年7月出现加速变化(图4(c)),2个台的应变加速都发生在蔚县4.0级地震前,而文安地震前应变参数均无显著变化。根据该地区主要活动断裂延矾盆地北缘断裂与孙庄子-乌龙沟断裂分布情况,易县台、延庆台与文安地震均位于断裂东侧,而张家口台、怀来台与蔚县地震位于断裂的西侧,因此延庆台、易县台在文安地震前的应变转折变化与该地震的发生在构造上有一定的联系(图2)。2.2文安地震条带2006年7月4日文安5.1级地震发生在沧东、晋获以及磁县-大名这3条断裂所围限的块体内(图5)。虽然文安地震前震源区无小震活动,但是在所围限块体的西南有一组北东向的小震活动条带,与该地区NE向新河断裂和邯郸-磁县断裂的展布位置重叠,文安地震发生在新河断裂向北延伸方向上(图5)。2006年1月至文安地震发生前,该条带及其附近在北纬36.40～40.42°,东经114.57～116.28°范围内共发生13次Ms2.0级以上微震和小震。震源机制解采用刁桂苓研究员提供的计算结果列于表1。3小震序列p轴方位变化及应变方向变化图6(a)为2006年1月至文安地震前易县台主应变方位。根据北东向小震活动条带的震源机制解,把P轴方位归算至0～180°,得到小震震源机制解P轴方位的变化曲线如图6(b)所示。可见主应变方位自4月份开始出现趋势性偏离,在6月份速率达到最大;小震序列P轴方位1月至3月底呈现上升趋势,即P轴方位角在增大,4月下降,即P轴反向偏转,5月初又大幅度上升,5月中旬后逐渐恢复平稳。小震序列P轴方位与易县台主应变方位开始变化的时间基本一致。张国民等应用非线性动力学模型来模拟计算了活动构造块体内基本元件的应力变化过程,结果显示,在定常应变速率下,当构造块体中某个元件发生破裂时,其它元件受破裂元件的影响而相应产生应力调整,重新进行应力积累,并偏离原来的状态,当某个元件应力积累加速并超过了破裂强度后则发生破裂。易县台主应变方位在偏离原趋势后6月中旬开始加速变化,快速转折后发生地震。易县台距文安地震震中约87km,是距震中最近的形变观测台,其应变变化反映了震源区附近应力场的变化,较清晰的显示了震源区地震孕育过程中局部区域应力场的变化形态。由此认为,对文安地震的研究应与一定时空尺度的地震活动相联系,特别是相关区域的构造分析,并且结合连续形变观测结果,综合研究应力场的时空变化过程。3文安地震区域局部应变场特征杨国华等应用GPS观测结果分析了2001年昆仑山8.1级地震对华北地区水平运动场可能产生的影响,认为昆仑山地震前后2个时段华北地区非均匀性应变比较明显,昆仑山8.1级地震对华北地区地壳形变可能起主要控制作用,使华北地区在东西向出现明显的拉伸。而延庆台伸缩南北向、易县台伸缩北东向观测值自2005年下半年先后出现加速压缩的变化,是在此大尺度应变场变化背景上出现的显著变化。易县台主应变方位2006年4月偏离正常背景N45°E呈逆时针旋转至南北向,在接近0°后于震前2天又快速向原背景方向偏转,小震序列P轴由原来的近NE向逐渐转为SE向,二者开始出现偏转的时间基本同步。根据以上的分析,文安5.1级地震前局部应变场的变化大概从2006年4月开始,根据定点异常的分布判定文安地震前首都圈西部应力场变化的空间尺度为200km。由于参照定