茅山斷裂帶及鄰區(qū)地震震源機制解計算及應(yīng)力場反演

孫業(yè)君 黃耘 江昊琳 詹小艷 葉碧文 丁燁

江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號 210014

0 引言

地震的孕育和發(fā)生除與深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)（范小平等，2009a、2009b、2011）外，與區(qū)域作用力的方式、震源區(qū)內(nèi)斷面的幾何學(xué)和力學(xué)性質(zhì)等亦密切相關(guān)（徐錫偉等，2002）。研究小震震源機制解有助于了解斷層的構(gòu)造特性及震源區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，是理解中強震孕育過程的重要途徑。

20世紀 80年代以來，一些學(xué)者（Kisslinger et al，1981；Snoke et al，1984；梁尚鴻等，1984）提出了利用P波、S波振幅比資料反演中小地震震源機制解的方法，進一步發(fā)展了震源機制解的求解技術(shù)。Snoke在2002年國際地震學(xué)和地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會（International Association of Seismology and Physics of the Earth）百年紀念時推出的利用P波、SV波、SH波的初動和振幅比聯(lián)合計算震源機制解的程序，由于其廣泛的實用性而受到了諸多學(xué)者的關(guān)注（于海英等，2003；劉杰等，2004；胡新亮等，2004；劉麗芳等，2009；屠泓為等，2012；孫長虹等，2012）。Snoke方法在 P波初動方向數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上加入 SH波、SV波初動方向和 SV/P、SH/P或SV/SH振幅比數(shù)據(jù)后，能使震源機制解得到更有效的約束，提高了解的可信度（孫長虹等，2012）。該方法也成為目前較為常用的中小地震震源機制求解方法。

單次地震震源機制解中的P、T、B軸方向只與該地震的釋放應(yīng)力有關(guān)系，而不能表征實際的構(gòu)造應(yīng)力方向（許忠淮，1985），而多個地震的 P、T、B軸方向卻可反映某區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的平均最大、中等和最小主壓應(yīng)力方向。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種經(jīng)典的利用震源機制解資料反演應(yīng)力場方法（Angelier，1979；Ellsworth et al，1980；Michael，1984、1987a、1987b；Gephart et al，1984；Gephart，1990；許忠淮，1985；杜興信等，1999；崔效鋒等，2006；鐘繼茂等，2006），這些方法的共同之處是以多個斷層面作為反演資料，因而能剔除局部介質(zhì)的不均勻性，突出區(qū)域應(yīng)力場信息，較單個地震更能代表應(yīng)力分析結(jié)果。

本文利用2001年1月～2014年4月江蘇及鄰近省市數(shù)字地震臺網(wǎng)的地震波形資料，采用P波、S波初動和振幅比聯(lián)合求解的方法（Snoke et al，1984；Snoke，1989）計算了茅山斷裂帶及附近地區(qū)中小地震的震源機制解，并利用震源機制解資料，采用自助線性應(yīng)力反演（Linear Stress Inversion with Bootstrapping）方法（Michael，1984、1987a、1987b、1991；Michael et al，1990）反演了研究區(qū)應(yīng)力張量。

1 構(gòu)造背景

圖1 研究區(qū)及外圍歷史地震及斷裂分布

研究區(qū)位于中國東部地區(qū)，主要受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖而形成的方位為70°的擠壓應(yīng)力以及從貝加爾經(jīng)大華北直到琉球海溝的大范圍的方位為170°的引張應(yīng)力場的共同控制，地震發(fā)生類型多為右旋走滑型或右旋走滑正斷層型地震（徐紀人等，2006a、2006b、2007）。

茅山斷裂帶及附近地區(qū)位于蘇南隆起的北部（圖1），區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育數(shù)條切割深度達下地殼的大斷裂，且沿斷裂發(fā)育了多個古近紀盆地。其中茅山斷裂帶是該區(qū)域最為大型的斷裂，對該地區(qū)構(gòu)造活動有控制作用。該斷裂帶北起金壇市石門塘，向SSW經(jīng)金壇致和、陶家洼，溧陽竹簀煤礦、曹山林場、芳山林場、溧水陸家、高淳種桃山、茨山頭，繼而進入安徽鄭村和宣城的敬亭山東麓。該斷裂是由一系列相互平行且呈階梯狀錯落的斷層組成，其長度約134km，總體走向NNE，傾向 SE，傾角35°～85°，局部向 NW陡傾。地震地質(zhì)、測量及物探資料均顯示茅山東緣斷裂屬第四紀晚更新世活動斷裂。斷裂對中、新生代地層和構(gòu)造的形成和發(fā)展具明顯的控制作用，在地貌上構(gòu)成了不同地貌單元的分界線，為丘陵山區(qū)與平原區(qū)的分界斷裂。斷裂帶東西兩側(cè)為句容盆地和直溪橋盆地，且被NW走向的板橋-南渡斷裂所切割（胡連英等，1997）。另外，研究區(qū)還包括NW走向的無錫-蘇州斷裂、NE走向的陳家堡-小海斷裂等。

江蘇陸地有記載以來共發(fā)生MS≥5.0地震19次，其中茅山斷裂帶及附近地區(qū)（圖1中的虛線框內(nèi)）共12次，包括2次6級地震，分別是1624年2月10日揚州6.0級、1979年7月9日溧陽6.0級地震，這2次6.0級地震是有記載以來江蘇陸地所發(fā)生的最大地震，可見，茅山斷裂帶及其附近地區(qū)是江蘇陸地中強地震最為活躍的區(qū)域。1970年以來該區(qū)域共記錄到ML≥3.0的中小地震124次，中小地震的發(fā)生與局部構(gòu)造關(guān)系明顯。

2 方法及資料處理

2.1 震源機制計算方法

本文采用 focmec程序（Snoke et al，1984；Snoke，1989），使用 P波、S波的初動方向以及振幅比聯(lián)合搜索震源機制解。在震源球極坐標系中，雙力偶震源輻射的遠場地震波位移在觀測點P（γ，θ，φ）處的分量為（笠原慶一，1984）

式中，ρ為巖石密度；vP和vS分別為P波、S波傳播速度；γ為表達位移的點至震源的距離；t為時間，t=0為力矩開始作用的時間（即斷層開始錯動的時間）；為雙力偶中一個力偶強度隨時間變化的微商；uγ為P波的表達式；uθ、uφ分別為SV、SH波的表達式。

根據(jù)P、S波輻射花樣的固有特征：愈靠近節(jié)面，P波的振幅越接近零，初動方向愈難以辨認，斷層面和輔助面45°夾角處最大；S波在節(jié)面附近能量最大，振幅最大，在斷層面和輔助面45°夾角處最?。ㄍ楞鼮榈龋?006）。由此可看出，震源球面上分布的初動方向數(shù)據(jù)只能顯示該點應(yīng)處在P波的正象限或負象限，但不能提供節(jié)面與此觀測點間的角距離的信息。震源球面上某點觀測到的波的振幅大小含有節(jié)面距該點遠近的信息，因而振幅數(shù)據(jù)比初動方向數(shù)據(jù)對2個節(jié)面的約束作用更顯著；所以，如果在計算震源機制解時附加SV、SH波的初動資料以及振幅比資料，則更能精確地確定節(jié)面的空間位置。

2.2 資料及處理

江蘇數(shù)字地震臺網(wǎng)經(jīng)歷了“九五”、“十五”期間的改造和建設(shè)，目前共有41個觀測臺站，遍布全省，平均臺距為40～50km，蘇南地區(qū)平均臺距為20～30km，同時共享山東、安徽、浙江及上海數(shù)字地震臺網(wǎng)30個臺站的記錄數(shù)據(jù)。圖2給出了研究區(qū)地震及研究區(qū)外圍臺站分布，研究區(qū)及外圍共有臺站57個，臺站密度較大且分布較為均勻。相對于江蘇中、北部地區(qū)而言，研究區(qū)地震監(jiān)測能力相對較強，一般而言，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生ML≥2.0地震均會有15個以上的臺站記錄到。為了增大方位角范圍，除了使用共享的鄰省臺站資料外，還進一步收集了安徽、浙江和上海的一些波形資料，良好的臺站分布及波形記錄狀況為準確地計算震源機制解奠定了基礎(chǔ)。

圖2 研究區(qū)地震及臺站分布

一些研究者（劉麗芳等，2009；屠泓為等，2006）在使用 Snoke方法時均采用了國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會于1991年推薦的IASPEI91地殼速度結(jié)構(gòu)模型。但倪紅玉等（2011）在對比了分別采用IASPEI91與研究區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)模型計算所得的震源機制解結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，地殼速度結(jié)構(gòu)模型對結(jié)果影響較大，使用區(qū)域地殼速度模型可以得到更為準確的震源機制解。因此，本文計算過程中使用的分層速度模型為黃耘等（2011）給出的區(qū)域模型。該模型分為 7層，每層的頂界面深度分別為 0、2、5、10、15、20、25km，對應(yīng)的層速度分別為 3.70、5.10、5.44、6.03、6.34、6.52、7.02km/s。

4）對2股滲瀝液進行中試試驗，結(jié)果表明，當進水氨氮為1 700 mg/L時，塔釜液最終出水氨氮濃度低于75 mg/L，滿足設(shè)計值；塔頂出料濃度最高為67 875 mg/L，未達到設(shè)計值。當進水氨氮濃度為3 500 mg/L時，最終出水氨氮濃度低于45 mg/L，滿足設(shè)計值，塔頂出料濃度最高為138 830 mg/L，未達到設(shè)計值。分析原因，主要為原水濃度未滿足要求，2股滲瀝液均為項目現(xiàn)場新鮮滲瀝液，未額外添加氮源調(diào)配至5 500 mg/L的設(shè)計濃度。然而塔釜液濃度隨著原水氨氮濃度的升高反而降低，說明該中試裝置設(shè)計實際運行中可達到設(shè)計值。

震源機制反演過程中，我們首先計算臺站的方位角、離源角和出射角；其次根據(jù)地震與臺站間的方位角，對水平記錄的2個方向進行旋轉(zhuǎn)，得到徑向和切向分量；最后分別在垂直向、徑向和切向上，讀取P波、SV波與SH波振幅，主要讀取初動及初動后1～2s內(nèi)的最大振幅。為了保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性，盡量選取初動清晰的所有臺站的P、S波初動資料，同時量取近臺直達P、S波初動的振幅，盡可能從地震波形資料中獲取更多的震源信息，以對震源機制解加以限制。實際計算過程中，ML2.0地震一般會用到10個P波初動、5個SH初動和振幅、3個SV波的初動和振幅數(shù)據(jù)。

Snoke方法雖然已經(jīng)得到了眾多研究者的認可（劉杰等，2004；屠泓為等，2006；孫長虹等，2012），但在實用中也存在一些困難，主要是直達S波的識別和結(jié)構(gòu)影響的校正。這是因為對于近震而言，確定初至S波振幅常常比較困難，特別是當使用垂直向的SV波初動振幅時，測量更困難些。從實際操作來看，P波、SH波受自由表面反射影響較小，SV波受影響較大（特別是在出射角大于全反射角時）。因此，在實際計算過程中設(shè)定矛盾數(shù)時，P波、SH波矛盾符號應(yīng)盡可能小，而SV波的則應(yīng)相對寬泛一些。另外，振幅比受介質(zhì)影響程度比較大，因此從約束機制解上看，初動比振幅比的矛盾數(shù)要少。

3 震源機制結(jié)果及分析

通過以上計算方法，共得到研究區(qū) 2001～2014年 149次地震的震源機制解，其中ML2.0～2.9地震129次，ML3.0～3.9地震17次，ML≥4.0地震3次。震級最大的為 2012年7月20日高郵-寶應(yīng)4.9級地震。不同的地震破裂方式顯示了不同的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)破裂方式的不同，地震可以分為NF型（正斷層型）、TF型（逆沖斷層型）和SS型（走滑斷層型）等3個主要類型以及NS型（正斷層為主兼走滑型）、TS型（逆沖斷層為主兼走滑型）等復(fù)合類型。本文根據(jù)Zoback（1992）研究全球應(yīng)力場的分類標準進行了震源機制解的分類，統(tǒng)計結(jié)果顯示（表1），149次地震的震源機制中，NF或NS型為 30次，TF或 TS型為 18次，SS型為 101次?？梢姡芯繀^(qū)域內(nèi)主要以走滑型地震為主，正斷層型也占一定比例，逆斷層型相對較少。將分類結(jié)果繪于圖3中，可以看出各類型的分布較為離散，未見集中分布。

基于所得震源機制解，給出了P、T軸參數(shù)玫瑰圖（圖4）。由圖4可見，震源機制P軸方位一致性較好，以NEE-SWW為優(yōu)勢方向，T軸的優(yōu)勢方向則主要集中在NNW-SSE向。研究區(qū)呈現(xiàn)出NEE-SWW向主壓、NNW-SSE向主張的應(yīng)力格局。

表1 震源機制解類型統(tǒng)計表

4 應(yīng)力場特征分析

為了進一步分析研究區(qū)應(yīng)力場特征，我們利用149次地震的震源機制解作為輸入數(shù)據(jù)，采用自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法（Michael，1984、1987a、1987b、1991；Michael et al，1990）反演了應(yīng)力張量。自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法不僅可以確定最佳應(yīng)力張量，而且采用自助（bootstrap）方法通過重復(fù)采樣模擬原始數(shù)據(jù)來估計最佳解的置信度，反演過程是在2000次重復(fù)采樣迭代條件下進行，置信度為95%，結(jié)果如圖5（a）所示。結(jié)果顯示，研究區(qū)最大主應(yīng)力S1方位角為254.2°，俯角為 2.6°；最小主應(yīng)力S3方位角為 163.9°，俯角為 9.5°；中間主應(yīng)力S2方位角為347.7°，俯角為80.4°。

圖3 茅山斷裂帶及附近地區(qū)地震震源機制解空間分布

圖4 震源機制解應(yīng)力軸參數(shù)玫瑰圖

圖5 茅山斷裂帶及附近地區(qū)應(yīng)力張量

圖6 茅山斷裂帶及附近地區(qū)M L≥3.5地震震源機制解空間分布

區(qū)域內(nèi)較大地震更為明顯地受控于區(qū)域應(yīng)力場，較大地震震源機制從一定程度上反映了區(qū)域應(yīng)力場特征。本文進一步收集整理了研究區(qū)1970年以來22次ML≥3.5地震震源機制解（圖6），這22次地震的時間跨度為1972～2013年，最大地震為1979年7月 9日溧陽6.0級地震，其中還包括了1974年4月22日溧陽5.5級地震和2012年7月20日高郵-寶應(yīng)4.9級等地震。統(tǒng)計結(jié)果表明，22次地震的震源機制解中，SS型18次，TF或TS型2次，NF或NS型2次。利用22次ML≥3.5地震震源機制解，采用自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法再次反演了研究區(qū)應(yīng)力張量（圖5（b））。結(jié)果顯示，最大主應(yīng)力S1方位角為252.4°，俯角為8.4°；最小主應(yīng)力S3方位角為 160.4°，俯角為 12°；中間主應(yīng)力S2方位角為 16.4°，俯角為75.3°。

表2 應(yīng)力張量結(jié)果

比較2組不同震源機制解資料的反演結(jié)果可以看出（表2），最大和最小主應(yīng)力方位角分別相差1.8°、3.5°，最大和最小主應(yīng)力俯角分別相差 5.8°、2.5°，中等主應(yīng)力方位角相差28.7°，而俯角相差5.1°?？梢?，2組不同震源機制解資料得到的應(yīng)力張量結(jié)果十分接近，這也在一定程度上印證了所得應(yīng)力張量結(jié)果的可靠性。

由應(yīng)力方向看，研究區(qū)最大主應(yīng)力呈NEE-SWW向，而最小主應(yīng)力呈SSE-NNW向。從應(yīng)力結(jié)構(gòu)看，研究區(qū)中間主應(yīng)力俯角大，近直立，而最大、最小主應(yīng)力俯角小，近水平。應(yīng)力張量反演結(jié)果表明，茅山斷裂帶及附近地區(qū)處于NEE-SWW向水平壓應(yīng)力和SSE-NNW向水平張應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中。

張紹治等（1989）分析了1973～1987年蘇、魯、皖地區(qū)43個中小地震的震源機制解特征后發(fā)現(xiàn)，蘇南地區(qū)最大主應(yīng)力的優(yōu)勢方位為NEE向，最大與最小主應(yīng)力軸的仰角一般小于30°，其中P軸平均值為27.3°，T軸平均值為 20.4°，中間主應(yīng)力軸一般大于 50°。徐鳴潔等（1996）利用1980～1991年江蘇及鄰區(qū)地震的P波初動計算了平均節(jié)面解，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向為NEE-SWW向，主張應(yīng)力為NNW-SSE向；周翠英等（2005）利用1970～2001年華東地區(qū)143次地震的震源機制解資料統(tǒng)計分析了現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特征后認為，華東地區(qū)現(xiàn)今處在NEE向（80°左右）主壓、NNW向（350°左右）主張應(yīng)力場的控制下，主應(yīng)力作用方式以水平和近水平為主。另外，汪素云等（1985）、許忠淮等（1989）、謝富仁等（2004、2011）、徐紀人等（2006a、2006b、2007）和 Wan（2010）等利用不同的資料對中國大陸應(yīng)力場進行研究，所得結(jié)果不同程度上對本文研究區(qū)有所涉及，給出的應(yīng)力場方向主要以 NE、NEE和近EW向為主。

比較以往及本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，前者使用的資料時間較早（多為數(shù)字化觀測之前的資料），資料數(shù)量較少（位于本文研究區(qū)內(nèi)地震的震源機制解數(shù)量不超過10個），研究范圍較大，應(yīng)力場特征也主要基于統(tǒng)計得出。而本文重點針對茅山斷裂帶及附近地區(qū)開展研究，在獲得研究區(qū)多次震源機制解的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地反演了應(yīng)力張量，給出了應(yīng)力軸的具體參數(shù)，這對我們進一步了解該區(qū)域作用力的方式，認識地震孕育和發(fā)生的過程提供了依據(jù)。

5 結(jié)論

本文利用江蘇及鄰區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的地震波形資料，采用P波、S波初動和振幅比聯(lián)合求解的方法計算了茅山斷裂帶及鄰區(qū)2001年1月～2014年4月149次中小地震的震源機制解，分析了震源機制特征，并采用自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法反演了研究區(qū)應(yīng)力張量，得到了如下結(jié)論：

（1）茅山斷裂帶及鄰區(qū)149次地震的震源機制中，NF或NS型30次，TF或TS型18次，SS型為101次。研究區(qū)域內(nèi)主要以走滑型錯動為主，傾滑型錯動比例較小。震源機制P、T軸方位一致性較好，分別呈NEE-SWW、NNW-SSE向。

（2）用149次地震的震源機制解反演所得的應(yīng)力張量結(jié)果顯示，研究區(qū)最大主應(yīng)力S1方位角為254.2°，俯角為2.6°；最小主應(yīng)力S3方位角為 163.9°，俯角為9.5°；中間主應(yīng)力S2方位角為347.7°，俯角為80.4°。為了進一步印證所得應(yīng)力張量的可靠性，又利用1970年以來ML≥3.5地震的震源機制解進行了反演，結(jié)果與利用149次中小地震的震源機制解所得結(jié)果十分接近。

（3）應(yīng)力張量結(jié)果顯示，茅山斷裂帶及附近地區(qū)處于以NEE-SWW向水平壓應(yīng)力和SSENNW向水平張應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中。

致謝：在本文成文過程中得到了劉紅桂研究員，劉澤民、屠泓為副研究員，阮祥、趙小艷助理研究員的指導(dǎo)和幫助；數(shù)字地震波形由江蘇及鄰近省市數(shù)字地震臺網(wǎng)提供，審稿人提出諸多建設(shè)性的修改意見，在此一并表示感謝！