基于多地震序列震源機(jī)制解的盈江區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究＊

馮 兵 朱良玉 姬 瑤 李 楊 李 偉

（中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054）

引言

地震是由地球內(nèi)部巖層突然應(yīng)力極限失衡所導(dǎo)致的。滇西地區(qū)一直以來(lái)就是地震頻發(fā)的區(qū)域。滇西地處青藏高原東南，東與川菱塊體相接，與印度板塊的東北接壤[1]。它是檢驗(yàn)印度板塊與歐亞板塊各種碰撞效應(yīng)的天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。季建清等[2]根據(jù)相關(guān)左旋逆沖斷層的發(fā)現(xiàn)認(rèn)為，滇西地塊在兩大板塊碰撞后產(chǎn)生了近90°的地塊旋轉(zhuǎn)。因而，該區(qū)域的地震活動(dòng)性十分復(fù)雜。

盈江地區(qū)處于滇西地塊的腹內(nèi)區(qū)域。發(fā)育有北東向大盈江斷裂、近南北向的蘇典斷裂等，地震異?；钴S[3]。近年來(lái)比較突出的地震就有2008年3月21日MS5.0地震（大盈江斷裂）、2008年8月21日MS5.9地震（蘇典—盈江斷裂）、2008年9月3日MS5.0地震（蘇典—盈江斷裂）、2011年3月10日MS5.8地震（大盈江斷裂）、2014年5月24日MS5.7地震（蘇典—大盈江斷裂）和2014年5月30日MS6.1地震（蘇典—大盈江斷裂）。此外，該地區(qū)小震不斷，一直處于能量的釋放過(guò)程中，給國(guó)家造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

盈江地處緬甸弧形地震帶與騰沖—龍陵地震帶的過(guò)渡區(qū)域[4]。大盈江斷裂帶是該地區(qū)一條重要的斷裂，在該斷裂帶上曾發(fā)生多次地震[5]。自2008年開始，該地區(qū)就以震群的方式持續(xù)不斷地發(fā)生地震，對(duì)此我國(guó)地震工作者采用多種手段和方法對(duì)其進(jìn)行了研究。如房立華等[5]利用川滇地區(qū)三維走時(shí)表和三維速度模型對(duì)2011年3月10日MS5.8地震進(jìn)行了重定位，并利用雙差定位法對(duì)其余震進(jìn)行了重定位；黃小龍等[6]利用地震烈度調(diào)查等對(duì)2014年5月發(fā)生的兩次地震進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩次地震的發(fā)震斷層明顯不同，MW5.6地震發(fā)生在以NE向左旋走滑的昔馬—盤龍山斷裂，MW5.8地震發(fā)生在以SN向右旋走滑的蘇典斷裂；楊婷等[7]認(rèn)為，2014年發(fā)生的兩次地震余震分布存在差異，并由此判斷該兩次地震為共軛地震，屬于震群型的發(fā)震特點(diǎn)等。對(duì)于該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析，前人也做了大量的研究。如羅艷等[8]采用LSIB線性最小二乘法反演了該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的3個(gè)主軸，結(jié)果顯示最大主應(yīng)力為NNE方向；趙小艷等[9]收集了該地區(qū)的震源機(jī)制解并通過(guò)聚類分析后認(rèn)為，該區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)為NNE—SSW向，謝富仁等[10]認(rèn)為，滇西北活動(dòng)構(gòu)造區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以北北東水平擠壓為特征等。但很少涉及對(duì)盈江局部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究及內(nèi)在動(dòng)力學(xué)演化的過(guò)程分析。本研究在前人的基礎(chǔ)上收集到了多個(gè)時(shí)間段內(nèi)的地震序列震源機(jī)制解數(shù)據(jù)及該地區(qū)大量的小震目錄資料，利用發(fā)生在相同或鄰近斷裂的多地震序列震源機(jī)制解對(duì)相關(guān)斷裂區(qū)域進(jìn)行了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演。反演可得到該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布情況及特點(diǎn)，進(jìn)而探測(cè)到斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，可有效地判斷斷裂帶應(yīng)力強(qiáng)烈的區(qū)域，為劃定地震危險(xiǎn)區(qū)及判斷斷裂帶走向變化提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)資料及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本次收集的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)資料來(lái)源于徐彥[11]和哈佛大學(xué)GCMT（全球矩心矩張量解）網(wǎng)（http://www.globalcmt.org/）。其中2008年3月21日地震序列的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)為17個(gè)；2008年8月21日地震序列的震源機(jī)制解為36個(gè)；2008年9月3日地震序列的震源機(jī)制解為48個(gè)；2011年3月10日地震序列的震源機(jī)制解為61個(gè)。GCMT收集到2014年盈江MS5.6和MS6.1兩個(gè)震源機(jī)制解。地震序列震源機(jī)制解是通過(guò)全波形擬合的方法計(jì)算得出的ML≥3.0的震源機(jī)制解。同時(shí)，本研究還收集到國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（National Earthquake Data Center）關(guān)于盈江地區(qū)的地震目錄共1 003個(gè)，震級(jí)為0.1≤MS≤4.0，時(shí)間為2016年1月1日—2020年2月29日的數(shù)據(jù)資料，以期從最新的地震分布范圍分析斷裂帶的活動(dòng)性變化。

為了詳細(xì)的了解本次收集到的地震序列震源機(jī)制解的發(fā)生頻率，本文給出了4次震群的M-t分布（圖1）。圖1a為 2008年 3月 21日的M-t圖、圖1b為2008年8月21日的M-t圖、圖1c為2008年9月3日的M-t圖、圖1d為2011年3月10日的M-t圖。

1.2 研究區(qū)構(gòu)造背景

本次收集到的4次地震序列震源機(jī)制解數(shù)據(jù)共162個(gè)震源機(jī)制解均為發(fā)生于蘇典斷裂與大盈江斷裂之間的地震。震源機(jī)制解序列空間分布如圖2所示。根據(jù)前人的相關(guān)文獻(xiàn)資料，本研究還給出了盈江區(qū)域內(nèi)的9條斷裂，具體分布如圖2所示。為了對(duì)研究區(qū)域很好的進(jìn)行研究，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹一下該地區(qū)的主要斷裂。

圖1 盈江地區(qū)4次地震序列震源機(jī)制解（MW≥3.0）持續(xù)時(shí)間與震級(jí)關(guān)系圖（M-t圖）Fig.1 Relationship between duration and magnitude of four focal mechanism solutions （MW≥3.0） in Yingjiang area（M-t diagram）

蘇典斷裂：通過(guò)相關(guān)地形影像資料可以看出，蘇典斷裂北起于緬甸境內(nèi)，經(jīng)臘馬河、蘇典、黃草壩、勐典直插盈江盆地北西一端。斷裂總長(zhǎng)80—90 km，其中中國(guó)段大約為50 km，緬甸段約為40 km。該斷裂整體顯示為NS走向分布，局部受到向西的傾斜作用力。斷裂自第四紀(jì)以來(lái)新的活動(dòng)明顯加強(qiáng)[6]。蘇典斷裂的最南端與大盈江接近的部位受到強(qiáng)烈的拉張作用，導(dǎo)致盈江盆地的西北側(cè)發(fā)育了一個(gè)形似三角形的凹陷區(qū)域（圖2）。沿著斷裂形成和發(fā)育了多個(gè)串珠型的第四紀(jì)盆地，其中蘇典盆地和隴中盆地呈現(xiàn)狹長(zhǎng)的條狀沿?cái)嗔寻l(fā)育[12]。通過(guò)斷裂采集的新近紀(jì)玄武巖樣品測(cè)年，表明至少?gòu)纳闲率涝缙陂_始蘇典斷裂就已經(jīng)開始活躍起來(lái)了，蘇典斷裂自4.42 Ma至今的平均活動(dòng)速率約為（0.34—0.48） mm/a[6]。

昔馬—盤龍山斷裂：該斷裂為蘇典斷裂的衍生斷裂，從某種程度上可以認(rèn)為，蘇典斷裂控制著該斷裂的發(fā)育過(guò)程。該斷裂南起昔馬盆地東緣端，以NE走向發(fā)育到蘇典斷裂左側(cè)，斷裂長(zhǎng)度為40 km左右，該斷裂中段顯示有一段斷層凹槽。據(jù)黃小龍等[6]調(diào)查表明，昔馬—盤龍山斷裂晚第四紀(jì)以來(lái)具有明顯的左旋走滑。

大盈江斷裂：從圖2可以看出，大盈江斷裂東起固?hào)|—騰沖斷裂南端，沿盈江盆地一直發(fā)育到緬甸境內(nèi)。全長(zhǎng)150 km，總體走向?yàn)镋NE向，傾向?yàn)镹W向，傾角約為70°。新生代以來(lái)，該斷裂一直控制盈江等盆地的構(gòu)造發(fā)育。該斷層顯示為左旋走滑的特征[12]。

龍陵—瑞麗斷裂：從地形構(gòu)造分布圖2可以看出，龍陵—瑞麗斷裂位于騰沖斷裂的西端，它起始于緬甸，南部經(jīng)過(guò)龍陵、瑞麗等區(qū)。東與怒江斷裂重疊，該斷裂的南端呈現(xiàn)巨大的弧形狀分布，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。在斷裂的北東向上曾發(fā)生過(guò)1976年龍陵7.6級(jí)和7.4級(jí)雙地震活動(dòng)[13]。

1.3 研究方法

地殼中的應(yīng)力受構(gòu)造負(fù)荷過(guò)程以及大地震應(yīng)力變化的影響。地殼應(yīng)力是地震的直接驅(qū)動(dòng)力。利用震源機(jī)制解進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演是目前研究某一地區(qū)震源附近應(yīng)力場(chǎng)方向的主要手段和方法。本研究將采用基于MATLAB運(yùn)行環(huán)境下的MSATSI程序包進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)反演。MSATSI程序包是基于原始的SATSI程序源代碼發(fā)展并完善產(chǎn)生的[14]。反演技術(shù)是基于確定一組震源機(jī)制最適合的單一應(yīng)力張量的標(biāo)準(zhǔn)方法[15]。

該方法最小化了每個(gè)斷層面的滑動(dòng)矢量和分解后的剪切應(yīng)力矢量，可用如下公式（1）給出：

向量m是應(yīng)力張量的模型向量成分，向量d是由k個(gè)震源機(jī)制解的3·k個(gè)單位滑動(dòng)向量分量組成的數(shù)據(jù)向量集：

圖2 地震序列震源機(jī)制解及相應(yīng)區(qū)域的P軸、T軸赤平投影分布圖Fig.2 Sequence of focal mechanism solutions and stereographic projection distribution of P-axis and T-axis in corresponding areas

其中Ski表示第k個(gè)震源機(jī)制解的單位滑動(dòng)矢量的分量。數(shù)據(jù)核矩陣G是每個(gè)震源機(jī)制的法向向量組成部分。最后通過(guò)最小二乘逆運(yùn)算反演出最終的結(jié)果：

最終的結(jié)果是由Michael在1984年通過(guò)高斯消元法解決的[15]。該方法可以反演出相應(yīng)區(qū)域的最大主應(yīng)力軸（σ1）、中間主應(yīng)力軸（σ2）、最小主應(yīng)力軸（σ3）的走向和傾伏角以及一個(gè)反映主應(yīng)力軸的不確定度R值。R值的計(jì)算關(guān)系式為：R=（σ2-σ3）/（σ3-σ1）。反演也會(huì)給出相應(yīng)網(wǎng)區(qū)的P軸、T軸赤平投影分布圖（圖3），用以檢驗(yàn)反演結(jié)果的可靠性。

2 研究結(jié)果與分析

對(duì)于本次研究的4組地震序列震源機(jī)制解，其發(fā)生的空間分布存在明顯的相互聯(lián)系。從圖1可以看出，2008年3月21日第一組地震序列發(fā)生于蘇典斷裂的西南與大盈江斷裂的西北區(qū)域。緊接著2008年8月21日第二組地震序列發(fā)生于蘇典斷裂的北段區(qū)域，隨后的2008年9月3日地震序列與2011年3月10日的地震序列沿著蘇典斷裂向南端依次發(fā)生。這說(shuō)明幾組地震序列彼此之間可能存在著應(yīng)力觸發(fā)的相互作用。為了從宏觀上對(duì)該4次地震序列的發(fā)生過(guò)程以及應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行詳細(xì)的研究分析，本次研究設(shè)置了應(yīng)力場(chǎng)反演的相關(guān)約束條件，以使結(jié)果更為可靠合理。對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的地震最少個(gè)數(shù)設(shè)置為16，正確選擇斷層面的比例設(shè)置為0.5，重采樣個(gè)數(shù)設(shè)置為2 000，置信度設(shè)置為95%。4組地震序列震源機(jī)制解反演結(jié)果由表1、圖3給出。具體反演結(jié)果顯示：2008年3月21日第一組地震序列震源機(jī)制解的最大主應(yīng)力軸走向?yàn)?9.90°，傾伏角為7.10°。說(shuō)明該區(qū)域的最大主應(yīng)力軸呈NNE—NE向展布，壓軸面近于水平。最小主應(yīng)力軸的走向?yàn)?30.20°，傾伏角為2.40°，張應(yīng)力軸呈SE向，張軸也顯示為近水平。

圖3 各區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果示意圖及相應(yīng)的R值柱狀分布圖Fig.3 Schematic diagram of inversion results of tectonic stress field in each area and corresponding R value columnar distribution map

表1 各分區(qū)構(gòu)造應(yīng)力反演結(jié)果Table 1 Inversion results of tectonic stress in each subarea

R值的最優(yōu)解為0.58，說(shuō)明該區(qū)的最大主壓應(yīng)力軸與最小主張應(yīng)力軸分辨明顯，張性與壓性特質(zhì)表現(xiàn)劇烈，平面投影分布如圖3a。2008年8月21日第2組地震序列震源機(jī)制解的σ1軸走向最優(yōu)解為35.30°，傾伏角為14.40°。說(shuō)明該區(qū)域的壓應(yīng)力軸呈NNE—NE向，壓軸傾伏角度較小，近于水平分布。σ3軸的走向最優(yōu)解為-54.80°，傾伏角為 0.30°，最大主張應(yīng)力軸呈NWW，張軸無(wú)傾伏，與水平面平行。R值的最優(yōu)解為0.16，由圖3b可以看出，壓軸趨于中間軸性質(zhì)。該區(qū)的壓軸性質(zhì)不穩(wěn)定，可能是由于處于昔馬—盤龍山斷裂與蘇典斷裂之間的緣故。2008年9月3日第3組地震序列震源機(jī)制解的最大主壓應(yīng)力軸走向?yàn)?143.60°，傾伏角為3.80°，壓應(yīng)力軸呈NNE—NE向，壓軸傾伏角度較小。最小主應(yīng)力軸的走向?yàn)?26.40°，傾伏角為0.40°，說(shuō)明最大主張應(yīng)力軸呈ESE向，R值的最優(yōu)解為0.62及由圖3c可以看出，該區(qū)域的張軸性質(zhì)與壓軸性質(zhì)分辨明顯，但與蘇典斷裂北段及中段相比，主壓應(yīng)力軸明顯向北方向偏轉(zhuǎn)，發(fā)生這種現(xiàn)象可能是與大盈江斷裂形成的三角凹陷擠壓有關(guān)。2011年3月10日第4組地震序列震源機(jī)制解的σ1軸走向最優(yōu)解為15.00°，傾伏角為7.20°，反映出該區(qū)壓應(yīng)力軸呈NNE向分布，傾伏角相較前面幾組，傾伏角度變化不大。σ3軸的走向最優(yōu)解為-76.70°，傾伏角為13.50°，說(shuō)明該區(qū)的最大主張應(yīng)力軸呈NWW—NW走向。張軸與壓軸出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)這種情況的可能原因是該區(qū)域不僅受到來(lái)自蘇典斷裂的擠壓，同時(shí)也受到昔馬—盤龍山斷裂的垂向擠壓。該區(qū)R值的最優(yōu)解為0.38，說(shuō)明該區(qū)的壓軸的性質(zhì)仍趨于中間軸性質(zhì)。具體平面投影分布如圖3d所示。

3 研究結(jié)論與分析

本次研究是在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)相關(guān)的地震序列震源機(jī)制解對(duì)盈江地區(qū)進(jìn)行了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演。通過(guò)應(yīng)力反演揭示了蘇典斷裂及大盈江斷裂區(qū)域的地震動(dòng)力學(xué)變化及級(jí)聯(lián)觸發(fā)作用，Vidale[16]曾歸納了3種震群活動(dòng)的發(fā)震原理，即級(jí)聯(lián)觸發(fā)模型、斷層慢滑模型、流體入侵模型。級(jí)聯(lián)模型的發(fā)震機(jī)理與主震觸發(fā)余震的機(jī)理相同。盈江地區(qū)6次地震序列的發(fā)生很可能就是這種模式的觸發(fā)機(jī)理。Harris[17]認(rèn)為地震斷層位移產(chǎn)生永久性的“靜態(tài)”應(yīng)力變化可改變附近斷層上地震發(fā)生的可能性。而本研究的結(jié)果很好的說(shuō)明了這一點(diǎn)。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析，可得到如下結(jié)論：

圖4 應(yīng)力集中觸發(fā)示意圖Fig.4 Schematic diagram of stress concentration triggering

（1）盈江地區(qū)發(fā)生的大部分地震均為走滑型地震，2008年3月21日—2014年5月30日，該區(qū)域共發(fā)生了6次比較大的震群，震群的分布幾乎都是沿著蘇典斷裂垂向分布，從地震發(fā)生的時(shí)間序列上來(lái)看，6次震群分別發(fā)生于2008年、2011年和2014年，時(shí)間間隔都為3年，說(shuō)明該6次震群的發(fā)生可能存在密切的關(guān)系，空間位置分布如圖5所示。為了更好的理解這種震群序列發(fā)生的過(guò)程，本文試圖從應(yīng)力變化模型的角度去解釋這種結(jié)果。2008年3月21日的震群發(fā)生于蘇典斷裂南端及大盈江北端的區(qū)域，如圖4中的A區(qū)所示，當(dāng)該區(qū)應(yīng)力能量釋放后，由應(yīng)力的相互作用關(guān)系可知，首先應(yīng)力作用增大的區(qū)域就是受到騰沖塊體擠壓的B區(qū)，即蘇典斷裂的北端，因此，2008年8月21日震群發(fā)生于蘇典斷裂北段，當(dāng)8月21日的震群能量釋放后，由于應(yīng)力的相互作用，B區(qū)應(yīng)力的釋放使蘇典斷裂的中部應(yīng)力增大，如圖4中的C區(qū)，由此發(fā)生相應(yīng)的2008年9月3日的震群活動(dòng)。當(dāng)C區(qū)能量釋放后，D區(qū)的應(yīng)力作用被觸發(fā)，由此發(fā)生的2011年3月10日的震群活動(dòng)也驗(yàn)證了這一過(guò)程，當(dāng)D區(qū)能量釋放后，由于中部的應(yīng)力作用沒有釋放完全，因此，相應(yīng)的E區(qū)能量被釋放。由此發(fā)生了2014年的雙耦共軛地震震群。因而應(yīng)力觸發(fā)的模型很好的解釋了6次震群之間的相互作用。由圖1可以看出，前4次震群發(fā)生的時(shí)間序列M-t圖也存在一定的同步性。這更進(jìn)一步說(shuō)明了6次震群活動(dòng)存在一定的相互聯(lián)系性。

圖5 盈江地區(qū)2016年1月1日—2020年2月29日震級(jí)-時(shí)間序列關(guān)系圖（M-t圖）Fig.5 Magnitude-time series diagram of Yingjiang area from January 1，2016 to February 29，2020 （M-t diagram）

圖6 2016 年 1 月 1 日—2020 年 2 月 29 日地震空間分布圖Fig.6 Spatial distribution map of earthquakes from January 1，2016 to February 29，2020

（2）本次研究反演的結(jié)果顯示，該區(qū)域總的主壓應(yīng)力軸方向?yàn)镹NE—SSW向。與前人的研究結(jié)果大體一致[3,8-9,18-19]。但昔馬—盤龍山斷裂對(duì)局部地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有明顯的控制作用（圖5），因而該區(qū)域可能會(huì)存在由其孕育出的地震。

（3）為了了解最新的地震活動(dòng)性，本文還搜集到2016—2020年盈江地區(qū)共1 003個(gè)地震目錄，并繪出了相應(yīng)的M-t分布圖（圖4）及地震空間區(qū)域分布圖（圖6）。由圖5可以看出，2016—2020年，地震活動(dòng)性的強(qiáng)度是逐漸增大的，尤其是2020年前后，地震的最高震級(jí)甚至達(dá)到4級(jí)，高震級(jí)地震發(fā)生的概率增大。由圖6可以看出，目前蘇典斷裂的活動(dòng)性仍然很強(qiáng)，圖中給出了沿蘇典斷裂區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)分布方向（圖中箭頭方向）。由圖中地震空間分布圖可以看出，地震發(fā)生頻率最高的區(qū)域位于昔馬—盤龍山斷裂北端及蘇典斷裂西端，而昔馬—盤龍山到大盈江區(qū)域之間的地震活動(dòng)性卻不是很明顯，因而該區(qū)域有可能處于應(yīng)力閉鎖狀態(tài)進(jìn)而發(fā)生更大的地震，因此，對(duì)該地區(qū)加強(qiáng)防范至關(guān)重要。

致謝

哈佛大學(xué)GCMT（全球矩心矩張量解）（http://www.globalcmt.org/）為本文提供了相關(guān)的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（National Earthquake Data Center）為本文提供了相關(guān)的地震目錄數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝。