交角約90°共軛斷裂的現(xiàn)今形變及對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的指示意義
——以2019年MW≥6.4菲律賓地震序列為例

王雨晴 馮萬鵬* 張培震

1)中山大學(xué)，地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519082

2)南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，珠海 519082

0 引言

共軛斷裂是在同一區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的一組交叉展布、剪切方向相反、大體同時(shí)發(fā)育的共軛剪切帶。共軛系統(tǒng)的展布方向是恢復(fù)區(qū)域古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主要地質(zhì)學(xué)證據(jù)之一(萬天豐，1984)，而2支共軛斷層的二面角可以反映其形成過程中的地殼力學(xué)狀態(tài)。研究共軛斷裂的現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)，有助于理解區(qū)域古應(yīng)力狀態(tài)，為進(jìn)一步分析可能存在的地應(yīng)力時(shí)空變化提供科學(xué)依據(jù)。

在野外地質(zhì)調(diào)查中，交角為銳角的共軛構(gòu)造系統(tǒng)較為常見。Anderson(1905)對(duì)該地質(zhì)現(xiàn)象開展了研究，以庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，認(rèn)為區(qū)域主壓應(yīng)力方向?yàn)榻唤羌s60°的共軛角的平分線所指方向。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)存在另一類共軛系統(tǒng)，呈現(xiàn)鈍角(約110°)的平分線對(duì)應(yīng)區(qū)域最大主應(yīng)力方向的現(xiàn)象(Watterson，1999)。結(jié)合大量野外觀測(cè)和巖石力學(xué)試驗(yàn)，Zheng等(2004)提出“最大有效力矩”準(zhǔn)則，認(rèn)為約110°剪裂的共軛破裂可能與當(dāng)?shù)氐捻g性剪切環(huán)境相關(guān)。此外，仍存在一類近正交的共軛系統(tǒng)(交角約為90°)，不斷被地震學(xué)和空間測(cè)量學(xué)方法所揭示(Robinsonetal.，2001； Yueetal.，2012； Fengetal.，2020)，但至今對(duì)其形成的力學(xué)背景仍未有定論。

不同學(xué)者已廣泛地采用傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)方法(侯泉林等，2018)與物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)(曾佐勛，1991； Bensonetal.，2008)對(duì)共軛斷裂這一典型的地質(zhì)現(xiàn)象開展研究。近年來，干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)技術(shù)因其覆蓋范圍大、測(cè)量精度高、受天氣影響小的成像特點(diǎn)，已發(fā)展成為區(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)的重要工具，其觀測(cè)結(jié)果已成為恢復(fù)斷層三維幾何結(jié)構(gòu)不可或缺的數(shù)據(jù)源(Burgmannetal.，2000； 屈春燕等，2014； Biggsetal.，2020)。如針對(duì)具有正交特征的1994年與2004年摩洛哥地震序列(Biggsetal.，2006)和2019年加州地區(qū)地震序列(Fengetal.，2020)等，均可有效借助InSAR形變場(chǎng)實(shí)現(xiàn)斷層三維結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。因此，借助InSAR形變結(jié)果復(fù)原現(xiàn)今共軛系統(tǒng)的形變過程是切實(shí)可行的技術(shù)方法，并有望在定量化交叉斷層的三維結(jié)構(gòu)方面提供獨(dú)一無二的近場(chǎng)約束。

2019年10—12月間，菲律賓棉蘭老島相繼發(fā)生了4次MW≥6.4地震。基于InSAR干涉測(cè)量數(shù)據(jù)，該序列被認(rèn)為破裂了正交共軛斷裂(Lietal.，2020a； Zhaoetal.，2021)。Li等(2020a)利用Sentinel-1升、降軌SAR數(shù)據(jù)獲取了4次地震的同震形變場(chǎng)，并反演了斷層參數(shù)與滑動(dòng)分布，指出4次地震可能破裂了2條相互垂直的斷層系統(tǒng)，并認(rèn)為菲律賓海板塊的W向擠壓被菲律賓斷層系和該共軛斷層的左旋與右旋走滑運(yùn)動(dòng)所調(diào)節(jié)。Zhao等(2021)基于Sentinel-1和ALOS-2衛(wèi)星的InSAR數(shù)據(jù)聯(lián)合反演約束了該地震序列相關(guān)的發(fā)震斷層的幾何和破裂特征，所得斷層結(jié)構(gòu)與前者基本一致。然而，對(duì)于該共軛斷裂序列的構(gòu)造指示意義與其形成的力學(xué)環(huán)境仍有待進(jìn)一步探討。本文以此次共軛地震序列為例，開展以下研究：

(1)基于Sentinel-1 TOPS和ALOS-2雷達(dá)數(shù)據(jù)的干涉處理得到InSAR同震形變場(chǎng)，并聯(lián)合反演該系統(tǒng)的斷層參數(shù)及滑動(dòng)分布特征。

(2)搜集菲律賓棉蘭老島地震目錄、當(dāng)?shù)貐^(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及GPS速度場(chǎng)等資料，綜合解譯當(dāng)?shù)氐臉?gòu)造應(yīng)力特征。

(3)根據(jù)余震的空間展布信息，分析該正交共軛斷裂系統(tǒng)潛在的力學(xué)形成環(huán)境； 基于上述斷層滑動(dòng)模型模擬共軛斷裂間的庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)作用。

(4)匯總?cè)蚍秶鷥?nèi)其他近正交共軛斷層系統(tǒng)，分析其幾何展布及變形特征。

1 共軛構(gòu)造研究現(xiàn)狀及研究區(qū)概況

1.1 共軛構(gòu)造研究現(xiàn)狀

在實(shí)際野外地質(zhì)調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)了鈍角共軛角的現(xiàn)象，如青藏高原中部一系列呈110°～115°交角的共軛走滑斷裂(Tayloretal.，2003； Kappetal.，2008； Yinetal.，2011)。Lee(1948)與Lee等(1948)根據(jù)剪裂隙的泥巴實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在壓縮實(shí)驗(yàn)中剪裂隙對(duì)著主壓力方向的角度可以從銳角變成鈍角，并認(rèn)為這種情況主要發(fā)生在塑性變形環(huán)境下，或者與長(zhǎng)期受壓過程或強(qiáng)烈壓力作用條件有關(guān)。Paterson等(1966)進(jìn)行的千枚巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)揭示千枚巖的縮短量由10%增加到50%，共軛膝褶帶最大值均出現(xiàn)于共軛角為110°的情況下。曾佐勛(1991)采用黏土材料進(jìn)行的剪切角實(shí)驗(yàn)在持續(xù)加載條件下共軛角逐漸變大，最大平均值為109.8°，從而認(rèn)為在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)持續(xù)作用下，地質(zhì)體逐漸表現(xiàn)出流變特征，共軛角可轉(zhuǎn)變?yōu)殁g角。Watterson(1999)提出零伸長(zhǎng)假設(shè)，預(yù)測(cè)單軸擠壓情況下共軛剪切角為109.4°。在整合前人的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，Zheng等(2004)與鄭亞東等(2007a，b，2009)根據(jù)在鏡下對(duì)巖石和區(qū)域構(gòu)造等不同構(gòu)造尺度上的深入分析，提出“最大有效力矩”準(zhǔn)則，認(rèn)為共軛斷層系統(tǒng)的鈍角對(duì)應(yīng)區(qū)域主壓應(yīng)力方向，其共軛角約為110°，并認(rèn)為可能與當(dāng)?shù)仨g性剪切環(huán)境相關(guān)。童亨茂等(2011)認(rèn)為該準(zhǔn)則適用于先存面理與最大主壓應(yīng)力平行的條件下，并在此基礎(chǔ)上提出可以判定任意方向先存面理的泛最大有效力矩準(zhǔn)則。張逸昆(2007)提出最大側(cè)向位移速率假設(shè)，認(rèn)為無論在壓應(yīng)力或張應(yīng)力條件下剪切帶總是易于沿著使得被剪開塊體的側(cè)向位移速率最大的方向發(fā)育，并給出剪切帶共軛角的預(yù)測(cè)值在90°～120°范圍內(nèi)。

本文搜集并整理了全球范圍內(nèi)近年來活躍的共軛斷層系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)比例的共軛斷層2支出現(xiàn)近正交的現(xiàn)象(交角約為90°)(圖 1)。所收集到的共軛實(shí)例不僅發(fā)育于陸殼內(nèi)，如2014年云南魯?shù)镸W6.1 地震序列(張勇等，2015)，2019年7月東加利福尼亞MW6.4 與MW7.1 地震序列(Fengetal.，2020)，摩洛哥里夫山1994年MW6.0 地震與2004年MW6.4 地震(Biggsetal.，2006)； 同時(shí)也存在于洋殼內(nèi)，如Wharton盆地內(nèi)的2001年地震序列(Robinsonetal.，2001)和2012年地震序列(Mengetal.，2012； Yueetal.，2012； Hilletal.，2015)(表1)。

圖 1 本研究搜集到的共軛斷層系統(tǒng)活動(dòng)序列的全球分布Fig. 1 Global coseismic conjugate faults collected in this study.CF12006年土耳其西部地震； CF22010—2011年伊朗東南部地震； CF32008年巴基斯坦Ziarat地震； CF42015年塔吉克斯坦與2016年中國(guó)新疆木吉地震； CF52014年中國(guó)云南魯?shù)榈卣穑?CF61997年日本鹿兒島地震； CF72019年菲律賓Mindanao地震； CF81987年阿拉斯加灣地震； CF91994年內(nèi)華達(dá)州Double Spring平原地震； CF102019年加州Ridgecrest地震； CF111987年加州迷信山地震； CF121994年與2004年摩洛哥胡塞馬地震； CF132001年Wharton盆地地震； CF142012年蘇門答臘地震

侯泉林等(2018)系統(tǒng)研究了不同破裂和剪切變形情況及其共軛交角，認(rèn)為地殼淺層以張性破裂(共軛角θ約為0°)和張剪性破裂(θ為0°～60°)為主； 上地殼以銳夾角共軛剪破裂(θ約為60°)為主； 中地殼以銳夾角脆韌性剪切變形帶(θ為60°～90°)為主； 下地殼及以下以鈍夾角韌性剪切變形帶(θ約為110°)為主，同時(shí)指出共軛角為90°所代表的物理含義還尚不明確。Thatcher等(1991)認(rèn)為正交共軛斷裂可能由脆性地殼中斷裂發(fā)育、旋轉(zhuǎn)到觀測(cè)方向并失活而形成，或者可由地殼脆韌性轉(zhuǎn)換帶下方形成的剪切帶來解釋。Liang等(2021)認(rèn)為當(dāng)脆性層厚度不超過斷層韌性根部的深度時(shí)，脆性巖石圈中的近正交走滑斷層可起源于深部韌性剪切帶。Fialko等(2021)以2019年加州Ridgecrest地震為例，認(rèn)為正交共軛斷層也可能由后期構(gòu)造旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致?？梢姡还曹棓嗔严到y(tǒng)的成因存在多種可能的解釋，目前的認(rèn)知仍未統(tǒng)一。

表 1 本研究搜集到的現(xiàn)今共軛斷層系統(tǒng)的活動(dòng)序列Table1 Recent coseismic conjugate events collected in this study

圖 2 菲律賓地震序列的構(gòu)造背景圖Fig. 2 Tectonic background of the 2019 Philippines earthquake sequence.紅色沙灘球代表此次地震序列的GCMT震源機(jī)制解； 藍(lán)色沙灘球代表近代地震(1992年至此次地震序列前)的GCMT震源機(jī)制解； 黃色五角星代表此次地震序列的震中位置； 紅點(diǎn)代表余震； 黑色箭頭代表菲律賓海板塊和巽他板塊之間的相對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)

1.2 菲律賓地震活動(dòng)性背景

2019年10—12月，菲律賓棉蘭老島發(fā)生4次MW≥6.4地震。根據(jù)全球矩心矩張量目錄(GCMT)(1)https： ∥www.globalcmt.org/。(Dziewonskietal.，1981; Ekstr?metal.，2012)的震源機(jī)制解可知，4次地震均以走滑性質(zhì)為主，分別為10月16日MW6.4 (EQ1)、10月29日MW6.6 (EQ2)、10月31日MW6.5 (EQ3)和12月15日MW6.7 (EQ4)(圖 2)。震中位于菲律賓海板塊，其地處歐亞板塊、太平洋板塊和印度洋板塊的交界處，受3面俯沖影響，構(gòu)造活躍，地震和火山活動(dòng)頻繁(Smoczyketal.，2013； 譚皓原等，2019)。大地測(cè)量數(shù)據(jù)表明，菲律賓海板塊以約10cm/a的速度向NW俯沖，巽他板塊的運(yùn)動(dòng)方向與歐亞板塊大致相同(速度約為1cm/a)(Bautistaetal.，2001)。一條長(zhǎng)約1250km、呈NNW-SSE向展布的菲律賓左旋走滑斷裂系統(tǒng)自呂宋島北端延伸到棉蘭老島，幾乎平行于菲律賓海溝，是島內(nèi)最大的邊界構(gòu)造(圖 2)(Barrieretal.，1991)。同時(shí)，島內(nèi)廣泛分部規(guī)模不一的走滑斷裂，2019年MW≥6.4地震序列即發(fā)生在棉蘭老島內(nèi)部(圖 2)。

菲律賓海板塊和巽他板塊間的會(huì)聚作用是當(dāng)?shù)貥?gòu)造變形的主控機(jī)制，部分應(yīng)變能被菲律賓斷層系與菲律賓海溝的俯沖所消耗，部分被棉蘭老島上發(fā)育的走滑斷裂所調(diào)節(jié)(Hammarstrometal.，2014)。根據(jù)GCMT地震目錄數(shù)據(jù)庫(kù)可知，1992年至此次地震序列前，研究區(qū)曾發(fā)生8次MW≥5.0走滑型地震，其中2019年7月4次MW≥5.0地震均發(fā)生在此次地震序列的震中附近(圖 2)。2019年10—12月間的MW≥6.4地震序列(EQ1—EQ4)與當(dāng)?shù)亟卣鹁哂邢嗨频恼鹪礄C(jī)制，本文的研究結(jié)果也將對(duì)當(dāng)?shù)氐牧W(xué)背景具有一定啟示意義。因此，該地震序列所處構(gòu)造環(huán)境的力學(xué)性質(zhì)相對(duì)明確，為研究地震破裂的現(xiàn)今形變與幾何特征，及其對(duì)當(dāng)?shù)貥?gòu)造應(yīng)力的意義提供了有力的基礎(chǔ)條件。

表 2 2019年菲律賓地震序列所用的InSAR數(shù)據(jù)與LOS向形變Table2 InSAR data and LOS deformation of the 2019 Philippines earthquake sequence

2 形變觀測(cè)與建模

2.1 InSAR數(shù)據(jù)

為恢復(fù)同震形變場(chǎng)，本研究收集了歐洲空間局2014年發(fā)射的Sentinel-1衛(wèi)星升軌(T69)和降軌(T163)數(shù)據(jù)各4景，日本宇航局2016年發(fā)射的ALOS-2衛(wèi)星升軌(T136)數(shù)據(jù)2景和降軌(T23)數(shù)據(jù)3景，利用InSAR開源程序包GMTSAR進(jìn)行干涉處理(Sandwelletal.，2016)。在處理InSAR數(shù)據(jù)時(shí)，采用30m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和去除地形相位(Farretal.，2007)，最終獲得4幅Sentinel-1與3幅ALOS-2干涉圖(表2)。同時(shí)，利用改良后的TRAIN軟件(Bekaertetal.，2015； Wangetal.，2021)，根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的全球大氣模型ERA5模擬干涉圖的大氣相位并進(jìn)行改正處理(Hersbachetal.，2020)。所用的Sentinel-1與ALOS-2干涉圖改正前、后的標(biāo)準(zhǔn)差分別由1.94cm與3.55cm降至1.93cm與3.46cm，但小時(shí)級(jí)分辨率的ERA5數(shù)據(jù)對(duì)沿海地區(qū)的精度仍顯不足，本研究中大氣改正的整體效果較為有限?？紤]到此次同震視線向(Light-of-Sight，LOS)形變?yōu)榻?0cm的水平，遠(yuǎn)高于大氣成分(約2～3cm)，改正后的殘余大氣噪聲不會(huì)對(duì)后續(xù)反演造成顯著影響。

2.2 InSAR同震形變場(chǎng)

圖 3 InSAR觀測(cè)與最佳滑動(dòng)模型的InSAR擬合的比較Fig. 3 Comparison of the observed and predicted coseismic InSAR results based on the best-fit earthquake slip models.a、b、c F1累積滑移同震干涉圖(Intf4)、模擬及殘差； d、e、f F2累積滑移同震干涉圖(Intf6)、模擬及殘差。 Azi表示衛(wèi)星飛行方向，LOS表示衛(wèi)星視線方向

2.3 最優(yōu)斷層幾何和滑動(dòng)分布

根據(jù)所有干涉圖像的形變特征及數(shù)據(jù)時(shí)間特征(表2)，以干涉圖Intf3與Intf4為數(shù)據(jù)依托，聯(lián)合確定與EQ2和EQ3事件相關(guān)的NE-SW向斷層(F1)的幾何參數(shù)以及滑動(dòng)分布，同時(shí)以干涉圖Intf5—Intf7為基礎(chǔ)確定與EQ4相關(guān)的NW-SE向斷層(F2)的參數(shù)和滑動(dòng)分布。反演中，采用均勻采樣法降低上述5幅解纏干涉圖的分辨率并提取觀測(cè)信息，分別得到8136、3430、2627、2647和1105個(gè)采樣點(diǎn)。反演中采用非線性方法搜索斷層的幾何參數(shù)，并開展線性滑動(dòng)的非均勻分布反演。非線性搜索階段中，利用多峰值顆粒群最優(yōu)搜索算法自動(dòng)確定斷層的非線性幾何參數(shù)； 在滑動(dòng)非均勻階段，采用深度約束算法將上一階段得到的斷層劃分為若干子斷層作為輸入，為了防止空間上滑動(dòng)的異常跳躍，在線性反演時(shí)引入拉普拉斯方程進(jìn)行光滑約束(Harrisetal.，1987)。上述全部反演過程借助PSOKINV反演程序完成(Fengetal.，2013，2019)，其中地表理論位移場(chǎng)的前向模擬部分采用Okada彈性半空間位錯(cuò)模型(Okada，1985)。根據(jù)得到的斷層參數(shù)進(jìn)行InSAR同震形變場(chǎng)模擬(圖3b，e)，與原始的ALOS-2和Sentinel-1干涉圖相減后的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.55cm與3.36cm，低于原始InSAR數(shù)據(jù)的噪聲水平(1.93cm與3.46cm)(圖3c，f)，說明反演獲取的斷層模型極有可能符合地震的實(shí)際情況。

表 3 不同來源的震源機(jī)制結(jié)果Table3 Focal mechanism results from different sources

圖 4 斷層滑動(dòng)的空間分布Fig. 4 Distributed models of the accumulated slip during the four events.EW向和SN向坐標(biāo)為經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的墨卡托投影

3 區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析

借助震源機(jī)制進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演的過程中，通常假設(shè)地震滑動(dòng)矢量是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在該斷層面上的最大投影方位。整合區(qū)域內(nèi)發(fā)生在不同走向斷層上的地震，是回溯可靠區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的重要方法。根據(jù)從GCMT搜集到的研究區(qū)1992年以來約50次MW≥4.7地震的震源機(jī)制解，采用lvarez-Gómez(2019)開發(fā)的FMC震源機(jī)制解聚類分析程序，計(jì)算得到壓縮軸(P)、拉張軸(T)、中間軸(B)的傾伏角空間分布(圖 5)，結(jié)果顯示目標(biāo)地震均以走滑性質(zhì)為主，與其他8次MW≥5.0走滑地震確定的力軸方位基本吻合(圖 2)。

空間上2個(gè)二面角可通過一次旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)重疊，旋轉(zhuǎn)角度稱作最小空間旋轉(zhuǎn)角(Kagan，2007)。2個(gè)滑動(dòng)矢量間的最小旋轉(zhuǎn)角度越小，表示2個(gè)滑動(dòng)矢量越接近地震學(xué)意義上的共軛關(guān)系。雙力偶機(jī)制解中的2個(gè)節(jié)面間的最小旋轉(zhuǎn)角度理論上為0?？梢姡撟兞靠捎脕碓u(píng)估2條交叉斷層的滑動(dòng)矢量是否共軛。采用Kagan(2007)提出的最小空間旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算方法，得到2019年菲律賓地震序列中斷層F1與F2滑動(dòng)矢量間的最小空間旋轉(zhuǎn)角為29.28°，表明其在地震學(xué)意義上并不完全共軛。類似地，針對(duì)在地表約呈90°正交的2019年MW6.4 和MW7.1 加州Ridgecrest地震序列，基于同震InSAR最佳擬合斷層模型(Fengetal.，2020)，2次事件滑動(dòng)矢量之間的最小空間旋轉(zhuǎn)角也達(dá)52.88°。可見，近垂直相交的斷層間可能普遍不具有地震學(xué)意義上的共軛關(guān)系。

圖 5 研究區(qū)1992年以來地震的震源機(jī)制解根據(jù)P、T、B軸傾伏角的分類Fig. 5 Plunge angles of P，T and B axes derived from the focal mechanism solutions of the earthquakes since 1992 in the study area.

根據(jù)當(dāng)?shù)氐腉PS速度場(chǎng)(Lietal.，2020a)資料可知，共軛斷層F1、F2附近的GPS臺(tái)站(PDDN、PDAV和DVAO)明顯向W運(yùn)動(dòng)(圖6a 中的藍(lán)色箭頭)。德國(guó)波茨坦地學(xué)研究中心(GFZ)發(fā)布的全球應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果(Heidbachetal.，2018)顯示，研究區(qū)內(nèi)38組應(yīng)力的平均壓應(yīng)力方向?yàn)镹(86.4°±18.7°)E(圖6b)，與F1(走向48.8°)和F2(走向318.2°)的角平分線方向基本一致(圖6b)。顯然，菲律賓海板塊沿菲律賓海溝向巽他板塊NW斜向俯沖(圖 2)，到棉蘭老島內(nèi)則呈近EW向擠壓，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變?？紤]到菲律賓走滑斷層系對(duì)區(qū)域構(gòu)造的控制作用，其很可能是當(dāng)?shù)貐^(qū)域應(yīng)力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的主要機(jī)制(圖 2)，這與蘇門答臘斜俯沖系統(tǒng)背景下的島內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的形成機(jī)制具有可比性(McCaffreyetal.，2000)。

圖 6 研究區(qū)的區(qū)域應(yīng)力分析Fig. 6 Analysis of the regional stress fields in the study area.a 地震矩張量反演的研究區(qū)區(qū)域應(yīng)力圖(應(yīng)力數(shù)據(jù)來自GFZ全球應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果(Heidbach et al.，2018))； b 應(yīng)力數(shù)據(jù)玫瑰圖

圖 7 余震的分布情況Fig. 7 Aftershocks following the earthquake sequence.a EQ1與EQ2之間的余震； b EQ3與EQ4之間的余震； c EQ4之后的余震； d 4次地震的所有余震。 彩色點(diǎn)代表不同時(shí)間的余震

4 討論

4.1 交角約90°共軛結(jié)構(gòu)的力學(xué)環(huán)境解譯

從菲律賓火山與地震研究所(PHIVOLSC)(2)https： ∥www.phivolcs.dost.gov.ph/。搜集到研究區(qū)2019年10—12月期間的4790次余震數(shù)據(jù)，4次地震間的余震分布情況如圖 7 所示。盡管無法確定EQ1余震的展布方向(圖7a)，但EQ2與EQ3的余震主要呈NE-SW向展布(圖7b)，而EQ4的余震主要呈NW-SE向展布(圖7c)，該地震序列的所有余震分別沿NE-SW與NW-SE 2個(gè)方向展開，呈現(xiàn)正交的“L”型分布(圖7d)，與InSAR干涉圖的同震形變一致。

根據(jù)余震信息，我們沿F1與F2的走向分別提取剖面AA′與BB′(圖7d)。2條剖面顯示(圖 8)，余震自地表近乎均勻地分布至31km深的區(qū)域，并在深約31km處出現(xiàn)較為明顯的余震分界線。參考其他地球物理學(xué)結(jié)果，這一深度恰好與當(dāng)?shù)氐哪裘嫔疃认喾?Laskeetal.，2013)(圖 8)?；谒俣饶Σ帘緲?gòu)關(guān)系，余震極有可能是斷層蠕化的直接結(jié)果，因此余震的擴(kuò)展深度將直接反映地震斷層的破裂深度(Perfettinietal.，2018)。進(jìn)而，該共軛斷裂系統(tǒng)可能延伸到了莫霍面邊緣，從而表明該斷層系統(tǒng)有可能在早期形成于深部韌性環(huán)境，近90°交叉可能是韌性變形的直接結(jié)果。

圖 8 余震分布剖面圖Fig. 8 Aftershocks distributions along two profiles，AA′ and BB′.a 剖面AA′； b 剖面BB′。紅色沙灘球顯示4次MW≥6.4地震的震源機(jī)制； 灰點(diǎn)為余震位置。圖中震源機(jī)制球?yàn)槠拭婧蠓降陌肭蛟谠撈拭嫔系耐队?/p>

4.2 共軛斷層間的應(yīng)力觸發(fā)分析

共軛系統(tǒng)在現(xiàn)今形變過程中往往表現(xiàn)為非同期發(fā)生破裂的特征。以2019年菲律賓地震序列為例，2條斷層相繼發(fā)生破裂并持續(xù)2個(gè)月之久?；趲?kù)侖應(yīng)力破裂準(zhǔn)則，可以模擬地震間的應(yīng)力觸發(fā)作用。Li等(2020a)根據(jù)庫(kù)侖應(yīng)力分析認(rèn)為前序地震引起的靜應(yīng)力變化的累積觸發(fā)了后續(xù)地震； Zhao等(2021)通過庫(kù)侖應(yīng)力分析指出第1次與第4次地震破裂的NW向左旋走滑斷裂處于應(yīng)力加載狀態(tài)，第2次和第3次地震破裂的NE向右旋走滑斷裂處于應(yīng)力釋放狀態(tài)，說明NW向斷裂未來發(fā)生地震活動(dòng)的可能性較大。本研究在此基礎(chǔ)上依托Okada彈性半空間位錯(cuò)理論(Okada，1992)，根據(jù)F1和F2的斷層幾何參數(shù)，以單位滑動(dòng)(1m)的理論模型為例，理論上模擬了共軛斷層間的應(yīng)力觸發(fā)作用。計(jì)算中，將部分介質(zhì)參數(shù)設(shè)定為： 楊氏模量8×1010N/m2，泊松比0.25，拉梅常量3.23×1010N/m2，等效摩擦系數(shù)0.6。

模擬結(jié)果表明，若以F1為輸入斷層，則在交叉處F1和F2同時(shí)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力卸載作用(圖9a)，反之亦然(圖9b)。輸入斷層上產(chǎn)生的有效觸發(fā)應(yīng)力作用比與之共軛的接收斷層更強(qiáng)，這表明共軛系統(tǒng)中的2條斷層分支對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的卸載作用是等效的。同時(shí)，當(dāng)一支發(fā)生破裂時(shí)，會(huì)對(duì)另一支的遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生一定的應(yīng)力觸發(fā)作用，這與之前的研究結(jié)論相類似(Lietal.，2020a)。Childs等(2019)在研究愛爾蘭近海Porcupine盆地的共軛正斷裂時(shí)也認(rèn)為一條斷層的傳播受到另一斷層的阻礙且該斷層調(diào)節(jié)了沿走向區(qū)域的應(yīng)變，該結(jié)論與本文的應(yīng)力分析結(jié)果一致。

圖 9 共軛斷層系統(tǒng)間的庫(kù)侖應(yīng)力分析Fig. 9 Coulomb stress analysis of a set of conjugate faults.a F1斷層上的滑動(dòng)在F1和F2斷層面上的庫(kù)侖應(yīng)力模擬； b F2斷層上的滑動(dòng)在F1和F2斷層面上的庫(kù)侖應(yīng)力模擬

4.3 共軛斷裂的幾何展布特征探討

在相同的巖石物性條件下，共軛系統(tǒng)的2支在統(tǒng)一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)下應(yīng)具有同樣的破裂機(jī)會(huì)，并共同釋放系統(tǒng)周邊的彈性能。但斷層的物性結(jié)構(gòu)以及斷層周邊的力學(xué)條件很有可能存在顯著差異，如斷層摩擦系數(shù)、孔隙壓力等因素可能會(huì)導(dǎo)致共軛系統(tǒng)的一支早于另一支發(fā)生破裂，并率先改變區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，最終致使另一支的形變幅度與規(guī)模等與之顯著不同。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化中，地震破裂強(qiáng)度的差異性會(huì)進(jìn)而影響斷層面的粗糙程度，從而使2支的發(fā)育速率最終存在顯著差別。這可能是上述青藏高原中南部共軛系統(tǒng)2支的震間形變存在顯著差異的誘因之一。

5 結(jié)論

本研究以2019年10—12月菲律賓4次MW≥6.4地震序列為例，精細(xì)研究了此過程的地表形變以及共軛斷層系統(tǒng)的幾何特征，探討了近正交斷層系統(tǒng)形成時(shí)可能的力學(xué)環(huán)境，得到如下結(jié)論：

(1)利用Sentinel-1與ALOS-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的InSAR同震干涉圖獲取了斷層的最優(yōu)幾何參數(shù)，結(jié)果顯示該地震序列破裂了NE-SW向右旋走滑斷裂與NW-SE向左旋走滑斷裂，其走向、傾向與滑動(dòng)角分別為48.8°、74.5°、-174.1°與318.2°、68.9°、9.6°，2條斷裂的地表交線呈正交特征，但其滑動(dòng)矢量間的最小空間旋轉(zhuǎn)角為29.28°，在地震學(xué)意義上并不完全共軛。

(2)根據(jù)GPS速度場(chǎng)與全球應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合解譯，發(fā)現(xiàn)該共軛系統(tǒng)的角平分線方向與區(qū)域壓應(yīng)力方位基本一致，并與菲律賓板塊斜向俯沖的角度存在差異。

(3)2019年菲律賓地震序列10—12月余震的震源深度多集中在31km以淺，此深度為當(dāng)?shù)氐哪裘嫔疃?，發(fā)震斷層可能延伸到了莫霍面邊緣，指示斷層可能早期形成于韌性力學(xué)環(huán)境。共軛斷裂間的應(yīng)力觸發(fā)作用等效，斷層滑動(dòng)對(duì)交叉處附近的一定范圍具有應(yīng)力卸載作用，且形成的觸發(fā)應(yīng)力的影響對(duì)自身較與之共軛的斷層更為顯著。

(4)共軛斷層系統(tǒng)的現(xiàn)今展布形態(tài)大多呈“L”型，并且2支通常發(fā)育不平衡，這很有可能與2支斷層之間顯著的物性差異有關(guān)。

致謝審稿專家為本文提出了寶貴建議； 本研究采用的Sentinel-1數(shù)據(jù)免費(fèi)下載自阿拉斯加衛(wèi)星設(shè)施(ASF)(3)https： ∥search.asf.alaska.edu/。； ALOS-2數(shù)據(jù)由日本宇航局(JAXA)通過RA6課題(3159)提供； 文中大部分圖件使用GMT 5.4.5(Wesseletal.，2013)繪制完成。在此一并表示感謝！