郯廬斷裂帶南段及其周邊地區(qū)應力場分區(qū)與反演

宋尚武 王慶良 張佩 李煜航 周琳

摘要：基于震源機制解和地應力測量資料，研究分析郯廬斷裂帶南段及其周邊地區(qū)的應力場分布特征，并結合大地構造特征將該區(qū)域應力場分為3個子區(qū)域：郯廬斷裂帶西側應力區(qū)、蘇北斷陷應力區(qū)和蘇南隆起應力區(qū)。分區(qū)反演構造應力場結果顯示：（1）郯廬斷裂帶以西區(qū)域和蘇北斷陷區(qū)水平方向受到NEE向的擠壓作用，蘇南隆起區(qū)水平方向受到近EW向的擠壓作用；（2）郯廬斷裂帶以西區(qū)域水平方向受到的擠壓作用方向介于蘇北斷陷區(qū)NEE向與蘇南隆起區(qū)近EW向之間；（3）郯廬斷裂帶以東區(qū)域構造應力場為正斷兼走滑機制，以西區(qū)域為走滑機制；（4）整個研究區(qū)域水平方向擠壓應力自西向東呈放射狀分布。

關鍵詞：震源機制解；構造應力場；分區(qū)反演；郯廬斷裂帶

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0457-07

0 引言

郯廬斷裂帶是中國東部地區(qū)最大構造帶，其南段及其周邊地區(qū)跨越華北地塊、下揚子地塊和大別造山帶，構造演化歷史復雜，歷史上曾多次發(fā)生中強震（1668年郯城8級地震），是中國東部重要的地震活動區(qū)域。根據應力場特征劃分準則（謝富仁等，2004），該區(qū)屬于中國東部應力區(qū)（一級應力區(qū)）的東北—華北應力區(qū)（二級應力區(qū)）。區(qū)域動力學研究結果認為該區(qū)動力來源一方面為印度洋板塊向歐亞板塊碰撞形成喜馬拉雅山的側向推擠力，另一方面則是太平洋板塊和菲律賓板塊俯沖日本海的側向阻擋力。

孕震過程是一個地應力長期積累集中的過程，應力強度最終超過地殼巖體極限強度，應力會突然釋放導致斷裂錯動而發(fā)生地震。早期，我國學者為研究構造應力場與地殼運動及地震的關系，通過原地應力測量（李方全，王連捷，1979；高龍生，1973；任希飛，王連捷，1980）的方式獲得區(qū)域構造應力場結果。1996年數字地震臺網大規(guī)模建設以來記錄的大量地震數據，為開展構造應力場的研究提供了寶貴的資料。目前，地震學者利用震源機制解結果反演（徐紀人等，2008；崔效鋒等，2005；倪紅玉等，2013；孫業(yè)君等，2015；劉澤民等，2011）以及數值模擬（陳連旺，詹自敏，2011；劉峽等，2006）等手段對郯廬斷裂帶南段及其周邊局部地區(qū)構造應力場特征進行了大量研究，并得到了較為一致的結果：郯廬斷裂帶南段及其周邊地區(qū)主壓應力方向為近水平的NEE—EW向（劉澤民等，2011；倪紅玉等，2013；盛書中等，2013）。

郯廬斷裂帶南段及其周邊地區(qū)構造應力場已有大量的研究成果，但是構造應力場分區(qū)研究尚局限于小區(qū)域（孫業(yè)君等，2015；鄭先進等，2010），本文選用2008—2015年基于HASH方法解算的可靠震源機制解、該區(qū)域相關文獻中搜集到的震源機制解以及中國大陸地殼應力環(huán)境基礎庫的應力資料，對郯廬斷裂帶南段及周邊地區(qū)（29°～36°N，112°～124°E范圍內的大陸地區(qū)）的應力場進行分區(qū)研究，探討分析該區(qū)域應力場的分區(qū)分布形態(tài)特征。

1 數據收集

本研究所利用的數據有3種來源：

（1）選取2008—2015年研究區(qū)域（圖1）小震HASH震源機制解（M2～4.8）作為應力場反演與統(tǒng)計的資料；（2）搜集區(qū)域相關應力場 研究文獻中已有震源機制解結果作為應力場反演與統(tǒng)計的資料；（3）選取中國大陸地殼應力環(huán)境基礎數據庫可靠的應力測量資料用于統(tǒng)計。其中包含6大類地應力基礎資料：地震震源機制解數據、斷層滑動反演資料、水壓致裂原地應力測量數據、應力解除數據、鉆孔崩落數據和應力應變連續(xù)觀測資料，但該數據庫給出的震源機制解只包含水平最大主應力方位，沒有反演所需要的節(jié)面數據。

由于沿海地區(qū)單側臺站接收地震波初動信號，解算的部分震源機制解可信度偏低，為提高可信度，剔除大陸以外地區(qū)震源機制解。同時參照世界應力圖的劃分原則（Zoback，1992）劃分反演得到的斷層體系，根據震源機制解3個應力主軸傾角的大小，將應力狀態(tài)分為：正斷型、正走滑型（Normal Strike-Slip，正斷層兼有走滑分量）、走滑型（Strike Slip）、逆走滑型（Thrust Strike-Slip，逆斷層兼有走滑分量）、逆斷型（Thrust Faulting）以及除上述之外的不確定型（Unknown），并將其中的不確定型震源機制解剔除。最后得到815個地震資料，其中包括HASH震源機制解與搜集相關文獻（王琤琤等，2001；謝智等，2002；劉紅桂等，2004；周春喜，1990；鄭月軍等，2006；王洪濤，曾建民，2007；李傳友等，2008）獲得的438個震源機制解資料，以及中國大陸地殼應力環(huán)境數據庫148個震源機制解和229個地應力測量數據。由于數據較多，本文不一一列出每個震源機制解的詳細參數，只給出了剔除后的數據使用情況，見表1。

2 分區(qū)與應力場反演

2.1 震源機制解分布特征

利用Zoback全球應力場的分類標準將本文收集到的震源機制解劃分為正斷型、逆斷型和走滑型3種，其中將兼有走滑分量的正斷層和逆斷層分別劃分到正斷型和逆斷型震源機制解中?；谏鲜龇诸惤o出3種類型震源機制解分布圖（圖2），剔除圖2中虛線右側黃海區(qū)域震源機制解，并給出各震源機制解類型所占的比例（表2）。

根據給出的震源機制解分布圖（圖2）及各類型所占的比例（表2），發(fā)現研究區(qū)域內震源機制解主要以走滑型（43%）為主，正斷型與兼有走滑分量的正斷型（35%）次之，逆斷型與兼有走滑分量的逆斷層（22%）所占比例最小，區(qū)域內3種類型的震源機制解在空間上整體分布較為均勻，局部震源機制解類型差異小。

2.2 分區(qū)依據及壓應力P軸分布結果

中國大陸東部的現今構造應力場主要是由于大陸板塊邊界受到外部擠壓而引起，在相同的內外部受壓環(huán)境下，同一構造區(qū)域的各構造塊體產生相同的構造體系和構造形式。一般情況下，內部應力形態(tài)具有較好的統(tǒng)一性，因此根據塊體構造，結合構造應力場劃分應力分區(qū)具有一定可靠性。根據大地構造特征，研究區(qū)域內西側，即郯廬斷裂帶南段以西包括秦嶺—大別山造山帶和華北地塊2個構造區(qū)，郯廬斷裂帶以東為蘇北斷陷帶和蘇南隆起區(qū)2個構造區(qū)，結合構造應力場平均方向，對研究區(qū)域進行應力分區(qū)。

震源機制解分布不等于構造應力場，但受控于構造應力場（六省震源機制小組，United Group of Focal Mechanism，1981）。Aki提出只要數據足夠多，并且地震散布于所研究的區(qū)域，就可以從平均P，B，T軸推斷一個地區(qū)的平均構造應力場的方向，基于本研究收集到的資料，用震源機制解的P軸與地應力測量結果的水平最大主應力對應構造應力最大主應力軸σ1軸，統(tǒng)計近似表示平均構造應力場方向，得到了壓應力P軸分布結果（圖3）。

由圖3可見，郯廬斷裂帶西側近EW方向P軸較廣泛；蘇北斷陷帶區(qū)域P軸的優(yōu)勢方向為NEE向；蘇南隆起區(qū)位于華北構造應力場與華南構造應力場交界處，P軸的分散性較大，優(yōu)勢方向不明顯。P軸統(tǒng)計結果也存在局部異常的情況，六安南側的霍山震群區(qū)域表現為各個方向具有擠壓，推測主要因為霍山震群區(qū)域位于右旋的NWW向信陽舒城斷裂和左旋的NEE向霍山斷裂2個方向的斷裂交匯區(qū)，2組斷裂構成共軛剪切，應力易集中，地震活動頻發(fā)且破裂來自于多個方向；大別造山帶南麓的震群區(qū)域也出現了各個方向擠壓的現象，這可能是由于該區(qū)域位于華北地塊和華南地塊交界區(qū)，在反映華南整體應力場特征的同時，又受到華北地塊應力場的干擾和影響。

壓應力P軸分布結果區(qū)域差異明顯，總體與上述構造區(qū)的范圍大體相吻合，因此將研究區(qū)域構造應力場劃分為3個分區(qū)：郯廬斷裂帶以西應力區(qū)、蘇北斷陷應力區(qū)和蘇南隆起應力區(qū)（以下簡稱郯廬帶以西區(qū)、蘇北區(qū)和蘇南區(qū)）。吳晶等（2010）在對江蘇及鄰區(qū)地殼介質各向異性分析研究過程中發(fā)現長江可能是2個具有不同應力特征活動構造的邊界，結合本文統(tǒng)計結果，大致以長江流域作為蘇北區(qū)和蘇南區(qū)的界線。

利用極坐標圖統(tǒng)計3個分區(qū)的壓應力P軸（圖3中右側，角度表示壓應力P軸方位，極軸長度表示該方向壓應力P軸的數量歸一化結果，其中黑色、藍色、紅色、紫色玫瑰統(tǒng)計圖分別為研究區(qū)域整體、郯廬帶以西區(qū)、蘇北區(qū)、蘇南區(qū)的P軸的統(tǒng)計結果）。郯廬帶以西區(qū)P軸統(tǒng)計結果顯示區(qū)域有NEE和EW向2個優(yōu)勢方向，與整個研究區(qū)域P軸統(tǒng)計結果較為吻合，蘇北區(qū)P軸優(yōu)勢方位為NEE向，蘇南區(qū)P軸優(yōu)勢方向不明顯。

對于中國大陸構造應力環(huán)境，目前已經達成了較為一致的觀點，中國大陸華北地區(qū)主要受到青藏高原隆起產生的近EW側向擠壓力和太平洋向西俯沖產生的NE向擠壓力的聯合作用，而華南地區(qū)主要受到菲律賓板塊北西向推擠的作用。郯廬斷裂帶作為我國東部地區(qū)的最大的斷裂帶，是中生代發(fā)生巨大左行平移形成深切至上地幔的深斷裂（牛漫蘭等，2000），在一定程度上起到了東西2側應力阻擋減弱的作用，造成華北地區(qū)主要受到西側近EW向擠壓作用，蘇北區(qū)受到NE向推擠作用較大，蘇南區(qū)位于華南NW向應力場與華北東向應力場交匯處，呈現EW向擠壓作用的狀態(tài)。

2.3 分區(qū)應力場反演

雙力偶點源模型下，單次地震的震源機制P，B，T軸方向不能當作地殼實際作用的構造應力場方向，需多個地震的P，T，B軸方向才能反映區(qū)域構造應力場的最大、最小和中間主壓應力方向（許忠淮，1985）。本文選取HASH方法解算得到的區(qū)域中小地震震源機制解和收集到的震源機制解數據，基于劃分的應力分區(qū)，利用MSATSI（MartínezGarzón，2014）程序對3個分區(qū)分別進行阻尼法向應力反演計算，不確定性的評估是由2 000次輸入數據的重新采樣完成，不確定度假定為95%置信水平的置信區(qū)間，經過反演得到圖4應力場反演結果。

Anderson（1951）提出因為地面與空間無剪切力作用，所以形成斷層的三軸應力狀態(tài)中的一個主應力軸趨于垂直地面，以此為依據提出形成正斷層、逆斷層和走滑斷層的3種應力狀態(tài)的分析方法。據此可以判斷該區(qū)域反演的斷層機制：郯廬帶以西區(qū)中間主應力軸近乎垂直地表，最大和最小主應力軸平行于地表，為典型的走滑斷層機制，且反演結果得到的主應力軸較為集中，可信度較高，區(qū)域水平方向最大主應力軸的方向為NEE向；蘇北區(qū)和蘇南區(qū)反演得到的結果都為帶有一定走滑分量的正斷層機制，蘇北區(qū)及蘇南區(qū)水平方向最大主壓應力軸方向分別為NEE向和EW向；郯廬帶以西區(qū)水平方向最大主應力軸方向介于蘇北 區(qū)與蘇南區(qū)之間，區(qū)域整體的應力場分布呈現一個自西向東的發(fā)散狀態(tài)。

圖5和表4給出了3個應力分區(qū)的反演結果，郯廬帶以西區(qū)、蘇北區(qū)及蘇南區(qū)水平方向最大主應力方向分別為263°、238°和89°。

倪紅玉等（2013）反演安徽地區(qū)的震源機制解發(fā)現，郯廬斷裂帶安徽區(qū)域受到近EW向的水平擠壓作用；劉澤民等（2011）利用東大別地區(qū)219次地震的震源機制解資料計算得到，東大別地區(qū)最大主壓應力軸的方位角為267°，傾角為5°，水平最大主應力方向為近EW向；吳少武等（1990）早期對蘇北斷坳帶的鉆孔崩落測量中所測得的水平最大主應力方向為N76°E；盛書中等（2013）采用綜合震源機制解法對南通及周邊地區(qū)的1 391個P波初動資料計算得到南通市地殼主壓應力方位介于華北地區(qū)NEE—EW向主壓應力和華南NWW向主壓應力之間，而我們得到的結果為接近EW向；孫業(yè)君等（2015）在對郯廬斷裂帶魯蘇皖段平均應力場的分區(qū)研究中發(fā)現，從西向東最大主壓應力軸有逆時針偏轉的趨勢，郯廬斷裂帶西側最大主壓應力軸方向為近EW向。本文計算結果與前人對該區(qū)域構造應力場研究結果較為一致。

3 討論與結論

根據區(qū)域構造特征和壓應力軸統(tǒng)計分布特征將郯廬斷裂帶南段及周邊地區(qū)分為3個區(qū)域：郯廬帶以西區(qū)、蘇北區(qū)和蘇南區(qū)，在此基礎上利用震源機制解對3個分區(qū)進行構造應力場反演，并對計算結果進行探討與分析。

（1）從壓應力軸統(tǒng)計結果來看，郯廬帶以西區(qū)主要有近EW向和NEE向2個壓應力作用，蘇北區(qū)壓應力軸優(yōu)勢方向為NEE向，蘇南區(qū)壓應力統(tǒng)計結果分布優(yōu)勢方向不明顯，汪素云與許忠淮（1985）利用小震的P波初動方向數據對中國東部大陸地區(qū)（105°E以東）構造應力場的方向特征做了歸納和分析，得到中國東部大陸地區(qū)的P軸水平方向軌跡線，結合該軌跡線來看蘇南區(qū)正處于近東西向應力向東部擴散的弧形中心，即該區(qū)域位于華南與華北應力場的過渡區(qū)，可能同時受到2個應力區(qū)的影響。

（2）分區(qū)反演結果表明郯廬帶以西區(qū)、蘇北區(qū)及蘇南區(qū)水平最大主壓應力分別為NEE向、NEE向及EW向，但郯廬帶以西區(qū)水平最大主應力方向介于蘇北區(qū)與蘇南區(qū)之間，研究區(qū)域整體構造應力場呈現自西向東發(fā)散的形態(tài)。目前研究結果認為印度洋板塊向北碰撞歐亞大陸板塊促使地殼隆升并產生了環(huán)形放射狀的側向擠壓力，該區(qū)域受到近EW向的側向擠壓作用，還受到太平洋板塊SW向和菲律賓板塊的NW向阻擋，整體表現為一個由西向東發(fā)散的應力場結構（張東寧，高龍生，1989；王曉山等，2015；汪素云，許忠淮，1985），本文的P軸統(tǒng)計結果和構造應力場反演都得到了自西向東發(fā)散的應力場分布形態(tài)，證明本研究中分區(qū)的科學性和可行性。

（3）構造應力場反演結果顯示，郯廬以西區(qū)為走滑的斷層機制，而蘇北區(qū)和蘇南區(qū)為正斷兼有走滑分量的斷層機制，認為郯廬斷裂帶南段東西兩側是2個具有不同應力特征的構造塊體。郯廬以西區(qū)域主要受到青藏高原側向擠壓力作用，但是隨著距離增大以及區(qū)域構造條件的變化，擠壓應力的強度會有所變化（徐紀人，趙志新，2006），同時郯廬斷裂帶切割地殼深達巖石圈，在一定程度上對其西部的側向擠壓力有一定的阻擋作用，因此其東側可能受到菲律賓板塊和太平洋板塊的影響更大一些。

本文中的HASH震源機制解由蔣長勝研究員提供，在此表示衷心感謝。

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Abstract Based on collection of focal mechanisms and in-situ stress measurements，we analyze the distribution feature of the stress field of the southern Tanlu fault and surrounding areas. Combined with the tectonic characters，we divided the study regions into three stress areas，i. e. the Tanlu fault west zone，the Subei rift zone and the Sunan uplift zone. Inverting the tectonic stress tensor of the three areas and analyzing the characters of each stress division，the results are as follows：（1）The west of Tanlu fault area and northern Jiangsu faulted area are extruded by the NEE stress in horizontal. The uplift area in the southern Jiangsu in horizontal is squeezing with the ～ EW stress. （2）The Tanlu west area is extruded in horizontal by the stress whose direction is between the NEE direction of the stress field in the northern Jiangsu and the ～ EW direction of the stress field in uplift area of southern Jiangsu. （3）The stress field in the east area of the Tanlu fault is controlled by the mechanism of normal fault with strike-slip component，and the stress field in the west area is controlled by the mechanism of normal strike-slip fault. （4）The direction of horizontal compressive stress in the entire study area distributes radially from west to east.

Keywords：the focal mechanisms；the stress field；the divisional inversion；the southern Tanlu fault