運(yùn)用地震P波初動(dòng)資料求解浙江地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場

陳 鑫，于學(xué)慶，黃驥超，張付勝

（1.廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022；2.甘肅省地震局，蘭州 730000；3.防災(zāi)科技學(xué)院 地震科學(xué)系，河北 三河 065201）

0 引言

構(gòu)造應(yīng)力場研究是地球科學(xué)的一個(gè)重要分支，在解釋板塊運(yùn)動(dòng)、山脈的隆升、斷裂構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)方式、地震的孕育和發(fā)生等方面起著最重要的作用［1］。在加卸載響應(yīng)比預(yù)測地震的方法中，也需要給出地殼應(yīng)力場的方向［2－5］。在開展地震應(yīng)力觸發(fā)的研究中，也要給出構(gòu)造應(yīng)力的方向和大?。?－7］才能計(jì)算后續(xù)斷層面的優(yōu)勢方向。分時(shí)段精確求解區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的方向還可以用來預(yù)示地震危險(xiǎn)的程度［8－11］，在防震減災(zāi)中有一定的實(shí)用意義。自20世紀(jì)80年代開始的國際巖石圈計(jì)劃開展了世界應(yīng)力圖編制計(jì)劃。該計(jì)劃由Zoback，M.L.領(lǐng)導(dǎo)，多國科學(xué)家參加，該項(xiàng)目搜集分析了全球范圍內(nèi)有關(guān)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力的測量和研究成果，在此基礎(chǔ)上建立了全球應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，編制了“世界應(yīng)力圖”。該圖反映了全球巖石圈應(yīng)力場的總體和分區(qū)特征，并對巖石圈中構(gòu)造應(yīng)力的作用情形進(jìn)行了解釋［12］，此成果成為研究地球動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)資料。中國學(xué)者近年來在構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)研究等方面取得了重要的進(jìn)展［13－16］，特別是“東亞地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力圖”的編制完成［14］和“中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫”的建立［16］，標(biāo)志中國在構(gòu)造應(yīng)力場方面的研究達(dá)到一個(gè)新的水平。該方面的成果為中國及其鄰區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)等地球動(dòng)力學(xué)研究提供了基礎(chǔ)約束。

在大地構(gòu)造上，浙江省分屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺和華南褶皺系兩個(gè)一級構(gòu)造單元。以江山－紹興斷裂為界，西北部為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺錢塘臺褶皺［17］，東南褶皺帶二級構(gòu)造單元。浙江省主要大斷裂帶有北東向，北西向和東西向3 組。其中以北東向斷裂帶占優(yōu)勢。這3組斷裂帶控制了浙江省的地震活動(dòng)。浙江省歷史上較大的地震幾乎都分布在這幾條斷裂帶上，也有部分分布在這幾組斷裂帶的交匯部位。其中鎮(zhèn)海－溫州斷裂帶上發(fā)生4級以上地震10余次，最大為1813年溫州4.7級地震，余姚－麗水?dāng)嗔褞Ъ跋噜彽柠愃罨瘮嗔褞习l(fā)生4級以上的地震6次，最大的是1574年慶元5.5 級地震，其次為1866年景寧4.7級，蕭山－球川斷裂帶上4級以上地震發(fā)生了10 余次，其中最大的是929 杭州5級［17］。浙江省的幾條北東向大斷裂幾乎多延伸到長江口地區(qū)，在長江口地區(qū)歷史上發(fā)生過多次強(qiáng)震，由于活動(dòng)構(gòu)造上的聯(lián)系，長江口的中強(qiáng)地震與浙江陸地上的中強(qiáng)震有一定的呼應(yīng)關(guān)系。因此研究該地區(qū)的應(yīng)力場對地震構(gòu)造環(huán)境和地震孕育背景有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

雖然前人對中國大陸應(yīng)力場有了一定的研究，但相對于地震資料較少的浙江地區(qū)，目前只在文獻(xiàn)上查到汪素云和許忠淮［18］和Wan［15］。汪素云和許忠淮［18］只是給出了該地區(qū)的平均P、T 軸的圖形，以此來解釋中國東部大陸地殼應(yīng)力背景及其動(dòng)力學(xué)，沒有給出具體數(shù)值。其他兩篇所采用的資料較為有限。而欲研究地震孕育過程，需知道具體的應(yīng)力方向數(shù)值［2－5］。1998年以來，新布設(shè)的密集數(shù)字地震臺網(wǎng)的運(yùn)行和地震資料的增加為該地區(qū)的應(yīng)力場的精確求解提供了難得機(jī)會(huì)。我們擬采用該地區(qū)新布設(shè)的數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的1998—2002年的地震資料精確求解該地區(qū)的應(yīng)力場。

1 方法

采用大量小震P 波初動(dòng)資料推測應(yīng)力場方向的研究是Aki首先提出的［19］。由于該方法可以利用大量的不能單獨(dú)確定震源機(jī)制的P 波初動(dòng)數(shù)據(jù)推斷應(yīng)力方向，因此，得到了較為廣泛的應(yīng)用。李欽祖等［20］根據(jù)該方法求得了紅山臺和沙城臺兩個(gè)區(qū)域的應(yīng)力場。許忠淮等［21－22］對其進(jìn)一步發(fā)展，采用研究區(qū)域的多個(gè)地震和多個(gè)臺站求解區(qū)域應(yīng)力場的格點(diǎn)嘗試法。刁桂苓等［23］也用求解綜合斷層面解來推測京津唐張地區(qū)的應(yīng)力方向。許忠淮等總結(jié)了該方法得到的結(jié)果，綜合得到了中國大陸的應(yīng)力場方向和動(dòng)力學(xué)模型［24－25］。本文我們采用許忠淮等［22］的格點(diǎn)嘗試法求解浙江地區(qū)的應(yīng)力場，其原理如下：

按震源的雙力偶點(diǎn)源模式，為確定震源機(jī)制解，只要確定震源處“震源坐標(biāo)架”的空間方位就行了。震源坐標(biāo)架可由斷層滑動(dòng)方向（X 軸）、斷層面的法線方向（Y 軸）和二節(jié)面的交線（Z軸，即B軸）組成。本程序是先求平均的P、B、T 三軸，再計(jì)算X、Y 軸。

用三個(gè)獨(dú)立變化的角度可以規(guī)定震源坐標(biāo)架的空間方位。本程序確定震源坐標(biāo)架的步驟是：

取定地平坐標(biāo)架（向東）（向北）（向上）；用方位角Az（從正北順時(shí)針量，0°～360°）和傾斜角ih（從垂直向上軸量至Z軸）確定Z軸的空間方位；再用角度R確定另兩軸的位置。R是Z軸的垂直面與水平面的交線到X軸（或Y軸）的夾角。

于是，一組（Az，ih，R）數(shù)值就可確定一個(gè)震源坐標(biāo)架相對于地平坐標(biāo)架的空間位置。格點(diǎn)嘗試法是以一定步長，例如10°×10°×10°或5°×5°×5°，改變Az、ih和R的數(shù)值，對這三個(gè)角度所有可能的取值逐一進(jìn)行嘗試，看哪一組（Az，ih，R）對應(yīng)的兩個(gè)理論正交節(jié)面（即XY 面和YZ面）可將觀測的P波初動(dòng)方向分為正負(fù)相間的四象限，使得與此象限劃分矛盾的觀測數(shù)據(jù)最少。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)擬合最佳的一組（Az，ih，R）可計(jì)算出震源機(jī)制解的各有關(guān)參數(shù)。

圖1 震源坐標(biāo)與東北上坐標(biāo)示意圖

2 資料

我們讀取了浙江地區(qū)1998—2002年間記錄的44個(gè)地震的168條P 波初動(dòng)資料。地震和臺站的分布見圖2。由圖可見，大部分地震分布在研究區(qū)域北部，因此嚴(yán)格來講，該處求解的應(yīng)力場為浙江地區(qū)北部的應(yīng)力場。按照這些地震位置計(jì)算各個(gè)臺站震相（Pg和Pn）的方位角和離源角，投影到烏爾夫網(wǎng)上，得到其分布圖為圖3。

3 結(jié)果

圖2 浙江地區(qū)的臺站和地震分布圖

圖3 P波初動(dòng)符號在烏爾夫面上的投影。實(shí)心圓表示初動(dòng)符號向上，空心圓表示初動(dòng)方向?yàn)橄蛳隆?/p>

按照上面的資料和方法，我們得到該地區(qū)的綜合震源機(jī)制的節(jié)面分布和平均P、T 軸分布（圖4）。其中結(jié)果的符號矛盾比為31%；A 節(jié)面走向、傾角和滑動(dòng)角為113°，88°和6°；B節(jié)面走向、傾角和滑動(dòng)角為23°，84°和178°。平均P軸的走向和傾俯角分別為248°和3°，平均T 軸的走向和傾俯角分別為338°和6°。P軸和T 軸的傾俯角較小，接近水平，說明該地區(qū)的應(yīng)力場以走滑為主。其P、T 軸也相對比較集中，說明了反演結(jié)果具有相對穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與討論

我們根據(jù)浙江地區(qū)1998—2002年的地震波形資料反演了該地區(qū)的地殼應(yīng)力場。我們的結(jié)果表明浙江地區(qū)的應(yīng)力場的P、T 軸均接近水平，表明該地區(qū)的地震以走滑為主。平均P 軸的走向和傾俯角分別為248°和3°，平均T 軸的走向和傾俯角分別為338°和6°。這些參數(shù)對地球動(dòng)力學(xué)研究和地震地質(zhì)研究，乃至地震預(yù)測研究［2－4］均具有重要的參考意義。

圖4 浙江地區(qū)的應(yīng)力場狀態(tài)

與汪素云和許忠淮［18］的結(jié)果比較，我們采用了更多的資料，并且我們計(jì)算的矛盾比小于他們的矛盾比，表明我們的方法更為準(zhǔn)確。與Wan［15］的結(jié)果相比，Wan采用了震源機(jī)制求解應(yīng)力場的方法［26］，只能采用已得出震源機(jī)制的地震資料，因此所選用的資料非常有限，而我們采用了44個(gè)地震的168條P波初動(dòng)資料，遠(yuǎn)比他們的資料多，因此更為符合實(shí)際。我們得到的應(yīng)力場方向跟他們得到的結(jié)果相差無幾，表明我們的結(jié)果的可信性。

表1 本研究與前人研究得到結(jié)果的比較

本研究采用許忠淮等［21－22］求解綜合震源機(jī)制的格點(diǎn)嘗試法，在計(jì)算過程中采用均勻地殼模型，沒有考慮速度成層介質(zhì)［27］對離源角計(jì)算的影響，也沒有采用P／S的振幅比信息［28］我們的下一步工作需要考慮這些因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

致謝：中國地震局地球物理研究所許忠淮研究員提供了格點(diǎn)嘗試法的程序，鐘雨云研究員提供了浙江地區(qū)的地震波形數(shù)據(jù)資料，在此表示感謝。

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