川滇菱形塊體中部現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場精確求解

王金澤 萬永革 侯江飛 崔華偉

1）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河燕郊開發(fā)區(qū) 065201

2）山東省地震局，濟(jì)南 250014

0 引言

地震是由地殼巖層發(fā)生破裂和錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的，與區(qū)域應(yīng)力場密切相關(guān)，通過分析震源機(jī)制解能夠得到地震發(fā)生時(shí)斷層的力學(xué)機(jī)制和錯(cuò)動(dòng)斷層的運(yùn)動(dòng)類型，同時(shí)能夠獲得大量震源應(yīng)力場和震源破裂錯(cuò)動(dòng)信息。研究地震震源機(jī)制解是人們認(rèn)識(shí)和了解地震破裂力學(xué)機(jī)制、構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)的有效途徑（錢曉東等，2011），而構(gòu)造應(yīng)力場是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地震學(xué)等學(xué)科的重要研究內(nèi)容，一直以來是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。國內(nèi)對構(gòu)造應(yīng)力場也作了大量的研究，許忠淮等（1989）根據(jù)大量地震資料計(jì)算出中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場；謝富仁等（2007）通過收集中國大陸地區(qū)豐富應(yīng)力數(shù)據(jù)，總結(jié)得出了中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；高原等（2010）對華北地區(qū)首次運(yùn)用上地殼體波各向異性推測主壓應(yīng)力方向以及在考慮扣除斷裂影響后提出“背景”主壓應(yīng)力方向；Wan（2010）采用中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，將中國大陸劃分為若干構(gòu)造應(yīng)力場子區(qū)，并反演出每個(gè)子區(qū)的應(yīng)力場主應(yīng)力方向和相對應(yīng)力大小。這些結(jié)果為本文研究川滇菱形塊體中部及斷裂帶區(qū)域的地殼構(gòu)造應(yīng)力場提供了很好的參考。

川滇菱形塊體是亞歐板塊與印度板塊相互碰撞和作用的邊緣地區(qū)，位于我國南北地震帶南段、青藏高原東南部。其北鄰巴顏喀拉塊體，南鄰滇南塊體，為西部強(qiáng)烈隆升的青藏高原與東部相對穩(wěn)定的華南地塊的過渡地帶。該地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)強(qiáng)烈，是中國大陸內(nèi)部地震最為活躍的地區(qū)之一（駱佳驥等，2012），也是我國許多學(xué)者研究構(gòu)造應(yīng)力場的重點(diǎn)區(qū)域（王曉山等，2015）。青藏高原受到SN向擠壓和地球重力等作用，在抬升過程中高原物質(zhì)被側(cè)向壓出，使得在川滇地區(qū)多個(gè)不同塊體的相互作用中形成了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的構(gòu)造變形（吳建平等，2004）。大量的震源機(jī)制資料為該地區(qū)地殼應(yīng)力場的反演提供了依據(jù)，到目前為止，我國科研工作者在西南地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場研究方面已開展了大量工作。闞榮舉等（1977）利用P波初動(dòng)資料確定的震源機(jī)制解研究了西南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)的特征；吳建平等（2004）利用中小地震震源機(jī)制反演結(jié)果研究認(rèn)為，在川滇菱形塊體內(nèi)部及邊界附近的地震以走滑為主，主壓應(yīng)力方向從北到南由NNW-SSE向轉(zhuǎn)向近SN向，張應(yīng)力軸方向則主要表現(xiàn)為NEE-SWW向或NE-SW向；崔效鋒等（2006）應(yīng)用逐次收斂法研究震源機(jī)制解，對川滇應(yīng)力分區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究；鐘繼茂等（2006）提出力軸張量計(jì)算法，運(yùn)用多個(gè)地震震源機(jī)制解反演了川滇地區(qū)平均應(yīng)力場方向，趙博等（2013）采用此方法得到2013年蘆山MS7.0地震區(qū)域平均應(yīng)力場方向；錢曉東等（2011）利用云南及周邊地區(qū)中強(qiáng)地震的震源機(jī)制資料詳細(xì)地分析了云南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的特征和地震斷層類型的分類，總結(jié)出走滑型地震約占80%，正斷型和正走滑型與逆斷型和逆走滑型所占比例較小，分別約為8%；王曉山等（2015）在分析南北地震帶應(yīng)力場時(shí)，得到川滇菱形塊體西邊界正斷層類型的地震應(yīng)力狀態(tài)范圍與高分辨率地震學(xué)觀測得到的中下地殼低速帶范圍基本一致的結(jié)論，說明青藏高原塑性物質(zhì)流向東擴(kuò)張與橫向邊界的麗江-小金河斷裂帶弱化釋放應(yīng)變能的結(jié)果，在局部地區(qū)使得NS向拉張的正斷層向EW向拉張正斷層的轉(zhuǎn)變。

雖然前人進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但少有考慮應(yīng)力形因子在解釋反演得到構(gòu)造應(yīng)力場時(shí)的獨(dú)特意義，更重要的是，地震震源機(jī)制資料豐富程度和精度往往有很大差別，小地震觀測資料較少，且不確定性較大，其震源機(jī)制解精度較低；反之，大地震的觀測資料較多而準(zhǔn)確，精度較高。因此對不同震級(jí)的震源機(jī)制解給予不同權(quán)重進(jìn)行反演，就可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果（盛書中等，2013；黃驥超等，2015）。本文充分考慮到不同震級(jí)地震的震源機(jī)制對應(yīng)力場反演的差異影響，對川滇菱形塊體中部及斷裂帶區(qū)域1973～2015年間的34個(gè)中小地震數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了加權(quán)處理，采用網(wǎng)格搜索法來反演該地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場，給出最大、最小主壓應(yīng)力軸的相對大小與方向，并估算出應(yīng)力形因子。根據(jù)估算得到的應(yīng)力形因子并結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地球物理背景，對川滇菱形塊體中部及主要斷裂帶處現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了更為深刻的分析。

1 理論方法

1.1 反演方法

由于巖石圈內(nèi)絕對應(yīng)力不易測量和估算（萬永革等，2006），因此利用一些地球物理觀測的震源機(jī)制資料來反演區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的特征應(yīng)十分有效（謝富仁等，2004；Zoback，1992）。近年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始使用震源機(jī)制解來反演某地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場，利用大量資料進(jìn)行小區(qū)域精細(xì)構(gòu)造應(yīng)力場的研究，并得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果（Hardebeck et al，2006）。

目前，用于應(yīng)力場反演的方法有很多種，Gephart等（1984）的網(wǎng)格搜索是假設(shè)斷層錯(cuò)動(dòng)方向與剪切應(yīng)力方向一致，通過一個(gè)地區(qū)若干震源機(jī)制解共同約束得到應(yīng)力張量；許忠淮等（1979）、華祥文（1980）在假定區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力一致的情況下，用更多分散的中小地震聯(lián)合計(jì)算區(qū)域小震的綜合節(jié)面解來求解地殼應(yīng)力場；Gao等（2012）通過地震各向異性推斷地殼應(yīng)力場。由于Wan等（2016）所提出的考慮震源機(jī)制資料精度的權(quán)重因子進(jìn)行地殼應(yīng)力場反演可以對資料精度進(jìn)行不同設(shè)定從而得到較為精確的應(yīng)力場，故為本研究所采用。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：①對不同震級(jí)地震的震源機(jī)制采用不同權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，從而得到準(zhǔn)確結(jié)果；②反演方法采用全局網(wǎng)格搜索求取應(yīng)力張量的最優(yōu)解，克服了非線性反演問題易陷入局部極值的缺點(diǎn)，提高了反演精度；③用F檢驗(yàn)給出反演結(jié)果的置信范圍，從而可以對結(jié)果作不確定性評(píng)估；④采用滑動(dòng)方向與剪應(yīng)力方向最為一致的準(zhǔn)則，對于地質(zhì)上已經(jīng)存在的薄弱面發(fā)生地震更有準(zhǔn)確性（黃驥超等，2015）。

1.2 應(yīng)力場計(jì)算

為了充分利用中小地震數(shù)據(jù)資料，此次反演共采用34個(gè)震源機(jī)制數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，對于不同震級(jí)權(quán)重參照Shen等（2005）利用大地測量數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)變的方式進(jìn)行加權(quán)。假設(shè)最小震級(jí)權(quán)重為1，最大震級(jí)權(quán)重為2，反演得到該區(qū)域的精確應(yīng)力場。

震源機(jī)制資料的權(quán)重設(shè)定公式為

其中，r為震級(jí)相對大小，r＝M－Mmin；W為權(quán)重；D為震級(jí)衰減系數(shù)，由最大、最小震級(jí)算出，本區(qū)域D計(jì)算結(jié)果為2.0。

應(yīng)力場描述中，除了應(yīng)力場3個(gè)主軸的走向和傾伏角外，還有表示主應(yīng)力相對大小的應(yīng)力形因子（R值），其值的不同對應(yīng)力場的影響也是致關(guān)重要的（萬永革等，2011），其表達(dá)式為

其中，σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主壓應(yīng)力。

2 數(shù)據(jù)資料及震源機(jī)制總體特征

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文收集了1976～2015年間Global CMT的川滇菱形塊體中部16個(gè)震源機(jī)制解數(shù)據(jù)。為了精確反演該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場，本文另外搜集了卓鈺如等（1982）得到的1973～1977年間18條小震震源機(jī)制數(shù)據(jù)（表1）。由于這些早期數(shù)據(jù)年代久遠(yuǎn)，并且沒有給出滑動(dòng)角，我們采用pt2_ds程序輸入P、T軸走向、傾伏角計(jì)算出其它震源參數(shù)（2個(gè)節(jié)面走向、傾角、滑動(dòng)角；P、T軸夾角；B軸走向、傾伏角）（萬永革，2016）和mech1程序（輸入2個(gè)節(jié)面走向、傾角計(jì)算其他震源參數(shù)，計(jì)算得到2個(gè)節(jié)面的滑動(dòng)角）（萬永革等，2000）與文中對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行比較，共得到18條能夠互相驗(yàn)證的震源機(jī)制參數(shù)（表1）。

2.2 震源機(jī)制總體特征

一個(gè)地區(qū)的震源機(jī)制解可以很好地反映該地區(qū)震源動(dòng)力學(xué)特征，是研究震源序列和震區(qū)應(yīng)力場、震源破裂過程以及發(fā)震構(gòu)造的重要參考資料。每一個(gè)地震的震源機(jī)制解可以反映個(gè)體特征，又在一定程度上反映區(qū)域的整體特征。川滇菱形塊體中部及斷裂帶處構(gòu)造復(fù)雜，在青藏高原、巴顏喀拉塊體、華南塊體和滇南塊體的聯(lián)合作用下，塊體在相互碰撞中發(fā)生平移、旋轉(zhuǎn)和構(gòu)造變形，形成該地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力場。由于塊體中部存在多條斷裂且相互交匯，地殼巖層極度破壞，不利于大量應(yīng)變能的積累，因此常以中、小地震形式釋放應(yīng)變能。

表1 1973～2015年間川滇塊體中部及斷裂帶處中小地震震源機(jī)制解

圖1給出了34次地震相應(yīng)的震源機(jī)制分布。由圖1可見，該區(qū)域雖然存在少量正斷層和逆斷層性質(zhì)的地震，但大多數(shù)地震的震源機(jī)制以走滑為主，由馬文濤等（2004）的三角形地震類型圖解法分類可知，本文研究區(qū)域通過加權(quán)反演所得的地震類型中，走滑型地震占絕大多數(shù)，比例約為74.2%；正斷層地震較少，比例約為14.7%；走滑兼正斷型地震亦較少，約占8.8%；逆斷層地震最少，約占2.3%。川滇菱形塊體中部及主要斷裂帶區(qū)域地震大多以走滑類型為主，表現(xiàn)出該地區(qū)以水平運(yùn)動(dòng)為主的特征，與該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景、塊體運(yùn)動(dòng)特性和構(gòu)造變動(dòng)樣式等一致（Zhao et al，2013）。西部哈巴雪山和玉龍雪山周緣也分布少量兼具走滑型的正斷層地震與極少的逆斷層地震，表明此處發(fā)生地震的深度處有一定的拉張分量。

圖1 震源機(jī)制解分布

3 應(yīng)力場反演結(jié)果與分析

3.1 反演結(jié)果

本研究設(shè)置置信水平為90%，應(yīng)力場旋轉(zhuǎn)軸的3個(gè)旋轉(zhuǎn)角的搜索區(qū)間定為1°，應(yīng)力形因子R的搜索間隔為0.1。通過程序計(jì)算得到最優(yōu)應(yīng)力狀態(tài)下的參數(shù)值（表2），應(yīng)力形因子R為0.1。反演結(jié)果與崔效鋒等（2006）運(yùn)用逐次收斂法確定的川滇地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場（最大主應(yīng)力σ1的方位NNW，方位角為343°；最小主應(yīng)力σ3的方位角為252°）基本一致。反演結(jié)果示于圖2。

表2 應(yīng)力場反演結(jié)果

圖2 應(yīng)力場反演結(jié)果

3.2 應(yīng)力場分析

本研究利用34個(gè)震源機(jī)制反演得到最佳應(yīng)力模型3個(gè)主應(yīng)力軸的方位角和傾伏角，同時(shí)得到應(yīng)力形因子R值，其中，R值較小，為0.1，表明中等主應(yīng)力軸接近最大主應(yīng)力軸。整個(gè)區(qū)域主壓應(yīng)力軸近 NW向，傾伏角 2.4°～4.4°；主張應(yīng)力軸近 NE向，傾伏角 19.5°～19.8°（圖2），應(yīng)力場方向近水平（Xu et al，2016）。由該地區(qū)反演結(jié)果（圖2）并參照世界應(yīng)力圖劃分原則（Zoback，1992），根據(jù)震源機(jī)制解3個(gè)應(yīng)力軸傾伏角大小，本文認(rèn)為該區(qū)域走滑型為主導(dǎo)類型。

通常，應(yīng)力形因子R值在地殼應(yīng)力分析中起非常重要的作用（萬永革，2015），R值可以表示3個(gè)主應(yīng)力值間的相對大小，由式（2）可知，R值越大，說明中間應(yīng)力值越接近主張應(yīng)力值；R值越小，說明中間應(yīng)力值越接近主壓應(yīng)力值。本研究估計(jì)的R值為0.1，表明該區(qū)域主壓應(yīng)力軸與中間應(yīng)力軸的相對應(yīng)力差別較小，而主張應(yīng)力軸與其他二軸的應(yīng)力值相差較大。這可以從2個(gè)方面加以解釋：①該地區(qū)在青藏高原物質(zhì)東流和華南塊體阻擋作用下呈現(xiàn)NW-SE向擠壓和NE-SW向拉張的走滑應(yīng)力狀態(tài)，這是該地區(qū)多呈現(xiàn)走滑型地震的主要原因；②印度板塊緬甸弧深部的 NEE向低角度俯沖作用（Zhang et al，2017），導(dǎo)致淺部地殼物質(zhì)具有NEE-SWW向的拉張分量。兩者共同的拉張作用導(dǎo)致該區(qū)域的主張應(yīng)力軸的應(yīng)力主值與其他2個(gè)軸的應(yīng)力主值的差距加大，呈現(xiàn)較低的應(yīng)力形因子。萬永革（2015）根據(jù)定性、定量斷層滑動(dòng)數(shù)據(jù)得到烏魯木齊地區(qū)的應(yīng)力形因子較低的結(jié)果，并解釋為該地區(qū)在SN向擠壓并輔以博羅科努山和博格達(dá)山的東、西向擠壓的應(yīng)力狀態(tài)下處于隆升狀態(tài)。這里我們根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)、地球物理背景解釋為2種原因的構(gòu)造作用使得主張應(yīng)力處于主導(dǎo)地位，致使垂直向和NE-SW向均出現(xiàn)拉張應(yīng)力狀態(tài)。由此可見，將應(yīng)力形因子應(yīng)用于反演得到的構(gòu)造應(yīng)力場解釋中具有獨(dú)特意義。

在地理位置上川滇菱形塊體位于青藏高原的東南緣，處于南北地震帶的南段，受到印度板塊向北推擠和阿薩姆角的作用，青藏高原物質(zhì)向東擠出（曾融生等，1992），在東側(cè)較為穩(wěn)定華南塊體的影響下而發(fā)生轉(zhuǎn)向，使得川滇菱形塊體向SE滑移，第四紀(jì)以來川滇菱形塊體及周邊地區(qū)以水平剪切變形為主（羅鈞等，2014）。錢曉東等（2011）認(rèn)為，處于印度板塊與亞歐板塊相互碰撞作用之中的川滇菱形塊體一帶，也受到印度板塊向東經(jīng)緬甸對云南地區(qū)的側(cè)向擠壓，并直接作用于云南西部地區(qū)。這說明在印度板塊與亞歐板塊相互碰撞的擠壓作用和西藏塊體下地幔特殊物質(zhì)的影響下（Lei et al，2016），青藏高原在持續(xù)隆升過程中物質(zhì)流向東推擠川滇塊體，由于川滇菱形塊體的東面有較為穩(wěn)定的華南塊體，受到華南塊體的阻擋作用，并且在印度板塊緬甸弧深部的 NEE向低角度俯沖作用下（劉建中，1992；Zhang et al，2017），使得淺部地殼物質(zhì)具有NEE-SWW向的拉張分量，導(dǎo)致川滇菱形塊體整體向SE移動(dòng)，亦使得該區(qū)域呈走滑應(yīng)力狀態(tài)。Wan（2010）把中國大陸分成多個(gè)子區(qū)，得到2°×2°的應(yīng)力分布圖，其中，該區(qū)域呈NE向拉張，NW向壓縮，也驗(yàn)證了本文結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論與討論

川滇菱形塊體及周邊地區(qū)每年發(fā)生的中小地震較多且該地區(qū)數(shù)字臺(tái)網(wǎng)十分密集，這為本文研究提供了該區(qū)域詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料。本文收集該區(qū)域1976～2015年間的Global CMT數(shù)據(jù)和前人資料中1973～1977年間的中小地震震源機(jī)制解共34條，對不同震級(jí)的地震進(jìn)行加權(quán)處理，采用網(wǎng)格搜索法來反演該地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場，分析該區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場特征。通過研究中小地震的震源機(jī)制并對該區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力場反演發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地震大多以走滑為主，西部哈巴雪山和玉龍雪山周緣分布有少量兼具走滑型的正斷層地震及極少的逆斷層地震。由圖2可知，該地區(qū)的應(yīng)力場受到近NW向擠壓，NE向拉張，壓軸和拉軸傾伏角較小。壓軸方位角為322.7°，傾伏角為4.1°；張軸方位角為 231.3°，傾伏角為19.5°。整個(gè)應(yīng)力場以水平為主，表明有橫向的拉張作用，應(yīng)力狀態(tài)與前人的對較大區(qū)域的研究結(jié)果（許忠淮等，1989；杜興信等，1999；Wan，2010；Gao et al，2012）基本吻合。這說明川滇菱形塊體的運(yùn)動(dòng)主要有2個(gè)方面的作用力：①在印度板塊對亞歐板塊NE向擠壓下，青藏高原在持續(xù)隆升過程中地殼物質(zhì)向東擴(kuò)張推擠川滇塊體；②印度板塊向東經(jīng)緬甸弧對川滇菱形塊體NE向低角度俯沖作用；同時(shí)在東部遇到穩(wěn)定華南塊體的阻擋作用。川滇菱形塊體中部多條斷裂相互交匯，地殼巖層極度破壞，不利于大量應(yīng)變能的儲(chǔ)存，在向SE運(yùn)動(dòng)過程中與周緣多個(gè)塊體相互碰撞，導(dǎo)致該區(qū)域中小地震頻發(fā)。與前人研究相比，本文采用的數(shù)據(jù)更全面，加入權(quán)重因子處理后得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，這對今后該地區(qū)活動(dòng)斷層、區(qū)域動(dòng)力學(xué)和大震預(yù)測等地球科學(xué)研究具有重要的意義。

本文采用加入權(quán)重因子的反演方法并對估算出的R值進(jìn)行分析，得到的結(jié)果與前人對比有很大的相似性，但仍有一些不足之處：本文雖考慮到不同地震震源機(jī)制對應(yīng)力場求解的貢獻(xiàn)差異，采用對震級(jí)加權(quán)的方法進(jìn)行應(yīng)力場反演，但沒有計(jì)算地震發(fā)生距離對應(yīng)力場求解的影響，若能獲得前人文獻(xiàn)中的震源深度數(shù)據(jù)就可進(jìn)一步約束反演結(jié)果所在的深度。其次，川滇菱形塊體中部及斷裂帶區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)體活動(dòng)劇烈，小區(qū)域應(yīng)力場特征可能會(huì)發(fā)生變化。本研究是假定研究區(qū)域應(yīng)力場均勻進(jìn)行反演的，得到了整個(gè)區(qū)域總體應(yīng)力場狀態(tài)，并未獲得更加細(xì)節(jié)的應(yīng)力場變化特征。但隨著地震觀測水平的提高、臺(tái)站密度的增加以及地震資料的積累，在以后的研究中可能會(huì)得到更為精確的應(yīng)力場。

致謝：非常感謝兩位審稿專家對本研究提出的寶貴意見。文中震源機(jī)制解分布圖采用GMT軟件（Wessel et al，1995）繪制。