青藏高原西部及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場反演和斷層滑動趨勢分析

楊 穎 解朝娣 徐 彥 相傳芳 劉本玉

1 云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，昆明市東外環(huán)南路，650091 2 昭通市防震減災(zāi)局漁洞地震監(jiān)測站，云南省昭通市楓園路19號，657000

地震是構(gòu)造應(yīng)力累積到一定程度的釋放，因此構(gòu)造應(yīng)力場可為研究孕震背景、地殼變形、斷層活化等地學(xué)問題提供依據(jù)[1]。青藏高原西部及鄰區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜、活動斷裂分布廣泛、構(gòu)造活動強(qiáng)烈[2]。在板塊運(yùn)動過程中，印度板塊對青藏高原西部及鄰區(qū)的擠壓和碰撞使得該區(qū)域的應(yīng)力場各具特點(diǎn)[3]，對該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行反演對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和地震活動性評估有特殊意義[3-7]。

本文使用中強(qiáng)地震震源機(jī)制解對青藏高原西部及鄰區(qū)進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場反演，獲取研究區(qū)3個主應(yīng)力軸方向及應(yīng)力形狀比φ值，并對研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的時空特征進(jìn)行初步分析。在此基礎(chǔ)上，對新疆重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行斷層滑動趨勢研究，探索該地區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和相關(guān)斷層的活動情況。

1 研究方法

本文采用震源機(jī)制解數(shù)據(jù)和FMSI方法反演研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場[8-9]。首先對模型進(jìn)行網(wǎng)格搜索，然后基于獲取到的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)計算斷層產(chǎn)狀和滑移方向，由此得到最佳擬合區(qū)域的應(yīng)力張量。該方法基于2個假設(shè)：1)應(yīng)力張量在研究區(qū)域內(nèi)是均勻分布的；2)斷層的滑移在剪切應(yīng)力方向上[8-9]。

假設(shè)有兩組直角坐標(biāo)系[10](圖1)，其中σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力軸，S為斷層面，x′1為S面的法線，x′2和x′3在S面上，x′2垂直于滑動方向，x′3與滑動方向一致?；谏鲜黾僭O(shè)可知，垂直于斷層面滑移方向的平面(S面)存在零剪應(yīng)力，可表示為：

σ′12=0=σ1β11β21+σ2β12β22+σ3β13β23

(1)

式中，βij為連接S面上坐標(biāo)軸i與主應(yīng)力軸j之間的夾角余弦。利用x′1和x′2之間的正交關(guān)系可得：

0=β11β21+β12β22+β13β23

(2)

結(jié)合式(1)和式(2)可得：

(3)

圖1 主應(yīng)力直角坐標(biāo)系與斷層面Fig.1 Principal stress cartesian coordinate system and fault plane

應(yīng)力是一個具有6個獨(dú)立參數(shù)的二階張量，反演應(yīng)力張量時，只需確定最佳擬合的4個參數(shù)來代表應(yīng)力張量即可。將這4個參數(shù)描述為3個主應(yīng)力方向σ1、σ2、σ3和主應(yīng)力的相對大小R(即應(yīng)力形因子)，其中σ1≥σ2≥σ3[8-9]，R介于0～1之間，決定著研究區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力形狀比φ與應(yīng)力形因子R的關(guān)系式[8,11-12]為R=1-φ，R或φ均可用于描述反演結(jié)果的質(zhì)量。

FMSI方法中，反演誤差會隨應(yīng)力場的復(fù)雜程度發(fā)生變化，微小擾動會給反演結(jié)果帶來很大的不確定性。原始FMSI方法在求取應(yīng)力張量最優(yōu)解的過程中，有可能會選擇錯誤的斷層面，進(jìn)而使良好的應(yīng)力模型分布發(fā)生扭曲，造成反演結(jié)果出現(xiàn)誤差[8]。因此，在反演應(yīng)力場的過程中，斷層面的不確定性會影響整個反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為獲取更加精確的反演結(jié)果，本文采用隨機(jī)抽樣、采樣優(yōu)化的蒙特卡洛方法[13]來分析反演的不確定性。反演過程中對斷層面進(jìn)行隨機(jī)搭配，減少不確定性造成的誤差，并確定震源機(jī)制解在反演過程中的誤差范圍。在反演過程中，采用Hardebeck等[14]提出的方法，在時間-空間上進(jìn)行阻尼分析，選取恰當(dāng)?shù)淖枘嵋蜃幼鳛榉囱菁s束，從而減少時間和空間分區(qū)產(chǎn)生的影響。

2 震源機(jī)制解數(shù)據(jù)

本文使用青藏高原西部及鄰區(qū)(65°～95°E，15°～55°N)1976-01-01～2015-12-31期間1 225個MW≥3.5地震的GCMT震源機(jī)制解數(shù)據(jù)(圖2)。按相關(guān)研究提出的標(biāo)準(zhǔn)[7]，基于震源機(jī)制解的P、B、T軸傾角大小，將其劃分為不同類型，具體結(jié)果見表1。

從表1和圖2可以看出，青藏高原西部及鄰區(qū)地震的震源機(jī)制解主要為走滑型和逆沖型，而青藏高原內(nèi)部以走滑型為主，板塊邊界以逆沖型為主，少量的正斷型地震分布在青藏高原內(nèi)部。

圖2 青藏高原西部及鄰區(qū)震源機(jī)制解類型與空間分布Fig.2 Types and spatial distribution of focal mechanism solutions used western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

表1 震源機(jī)制解類型劃分結(jié)果

3 反演結(jié)果

將青藏高原西部及鄰區(qū)劃分為2°×2°網(wǎng)格，得到150個區(qū)塊，使用FMSI方法反演該地區(qū)的應(yīng)力場。圖3為應(yīng)力場反演擬合殘差-阻尼因子-模型長度的折中曲線，由圖可見，阻尼因子越大，擬合殘差越小，模型長度越長；當(dāng)阻尼因子介于3～4之間時，擬合殘差和模型長度恰好匹配，因此本文選取3作為反演過程中的阻尼因子。

圖3 應(yīng)力場反演擬合殘差-阻尼因子-模型長度的折中曲線Fig.3 Trade-off curve between data fitting misfit、damping parameter and model length in the stress field inversion model

為了確保反演過程中使用的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，需要保證每個網(wǎng)格至少含有3個震源機(jī)制解。本文采用隨機(jī)抽樣的方法進(jìn)行FMSI反演，但不同的采樣次數(shù)會對反演結(jié)果造成不同的影響，采樣次數(shù)太少會使結(jié)果的可信度降低，采樣次數(shù)過多則會增加時間運(yùn)算成本。由于反演應(yīng)力場中一般需要68%～95%的信噪?yún)^(qū)間[15]，本文進(jìn)行1 000次反演，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)方差和信噪?yún)^(qū)間的分析結(jié)果，設(shè)置95%信噪?yún)^(qū)間以保證能夠提取到足夠的地震數(shù)據(jù)。圖4和5為青藏高原西部及鄰區(qū)應(yīng)力場的反演結(jié)果。

由圖4可見，青藏高原西部及鄰區(qū)最大主壓應(yīng)力軸σ1呈NNE-SSW向，最小主壓應(yīng)力軸σ3呈NWW-SEE向，最大主壓應(yīng)力軸σ1傾角約為5°～9°，說明該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場以水平運(yùn)動為主。結(jié)合表1和圖5可知，新疆西部的φ值約為0.15，R值約為0.85，說明該地區(qū)應(yīng)力場以水平擠壓應(yīng)力為主；青藏高原內(nèi)部φ值約為0.43，R值約為0.57，說明該區(qū)域應(yīng)力場以水平剪切應(yīng)力為主；青藏高原板塊邊緣φ值約為0.36，R值約為0.64，說明青藏高原板塊邊緣構(gòu)造應(yīng)力場以水平擠壓應(yīng)力為主。

圖4 青藏高原西部及鄰區(qū)應(yīng)力場Fig.4 Stress field of western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

圖5 青藏高原西部及鄰區(qū)2°×2°的φ值反演結(jié)果Fig.5 Results of φ value inversion on 2°×2° grid of the Tibetan plateau and its adjacent areas

4 斷層滑動趨勢分析

4.1 新疆皮山地區(qū)

新疆皮山(74°～80°E，35°～40°N)位于青藏高原西北緣，該地區(qū)地震活動頻繁，發(fā)育有多條斷裂，斷裂以南為青藏高原，以北為塔里木盆地，其中2001年西昆侖斷裂帶上曾發(fā)生過8.1級大地震。該斷裂特有的地質(zhì)環(huán)境為揭示青藏高原陸-陸碰撞過程提供了地球動力學(xué)依據(jù)。

基于新疆皮山1976-01-01～2015-12-31期間61個MW≥3.5地震的震源機(jī)制解進(jìn)行區(qū)域應(yīng)力場反演(圖6和7)，結(jié)果表明，φ值范圍為0.01～0.44，R值范圍為0.56～0.99，此處取R值為0.88。

圖6 新疆皮山主應(yīng)力軸傾角結(jié)果Fig.6 Dip of the principal stress axis results in the Pishan, Xinjiang

圖7 新疆皮山應(yīng)力場反演結(jié)果Fig.7 Stress field inversion results in the Pishan, Xinjiang

由圖7可見，具有較強(qiáng)滑動趨勢的斷層走向?yàn)?0°～120°或240°～300°，傾角為20°～60°。結(jié)合圖6可知，σ1軸近水平，σ2軸和σ3軸傾角大小分布不均勻，這是該地區(qū)復(fù)雜的發(fā)震類型所致。

4.2 新疆于田地區(qū)

新疆于田(76°～85°E，31°～38°N)位于青藏高原北部，該區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動復(fù)雜，伴生有阿爾金斷裂帶。該斷裂帶地震活動頻繁，是我國最活躍的走滑斷裂之一。

基于新疆于田1976-01-01～2015-12-31期間65個MW≥3.5地震的震源機(jī)制解進(jìn)行區(qū)域應(yīng)力場反演(圖8和9)，結(jié)果表明，φ值范圍為0.52～0.92，R值范圍為0.08～0.48，此處取R值為0.38。

圖8 新疆于田主應(yīng)力軸傾角結(jié)果Fig.8 Dip of the principal stress axis results in the Yutian, Xinjiang

圖9 新疆于田應(yīng)力場反演結(jié)果Fig.9 Stress field inversion results in the Yutian, Xinjiang

由圖9可見，具有較強(qiáng)滑動趨勢的斷層走向?yàn)?°～90°或180°～240°，傾角為40°～70°。結(jié)合圖8可知，σ1軸和σ3軸近水平，σ2軸近直立。

分析新疆皮山和于田地區(qū)的應(yīng)力場反演結(jié)果可知，大多數(shù)斷層具有較大的滑動趨勢，易于破裂，易滑動的斷裂走向任意，不同情況下的傾角范圍不一樣。斷層失穩(wěn)不僅與應(yīng)力擾動相關(guān)，還與斷層的物理性質(zhì)及背景地震活動率相關(guān)。為增強(qiáng)斷層滑動趨勢分析的可靠性，需要從斷層滑動速率、穩(wěn)定性及破裂性等方面來論證斷層失穩(wěn)。劉代芹等[16]研究了天山地震帶附近主要斷層的滑動速率發(fā)現(xiàn)，西昆侖斷裂帶走滑速率為10.2±2.81 mm/a，阿爾金斷裂帶走滑速率為7.6±1.4 mm/a，具備發(fā)生地震的可能；李瑩甄等[17]通過研究新疆地區(qū)地震破裂特征，得到西昆侖斷裂帶及阿爾金斷裂帶處在破裂強(qiáng)度大、應(yīng)力狀態(tài)較強(qiáng)區(qū)域的結(jié)論；吳傳勇等[18]研究了新疆皮山地區(qū)的發(fā)震情況，認(rèn)為西昆侖斷裂帶的破裂風(fēng)險性值得關(guān)注。

5 討 論

本文利用Global CMT提供的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，反演得到青藏高原西部及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場，考慮到數(shù)據(jù)本身誤差的不確定性可能會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，本文對結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的誤差分析。選用同一時段同一研究區(qū)域的國際地震中心共計1 671個震源機(jī)制解數(shù)據(jù)再次進(jìn)行應(yīng)力場反演計算(圖10和11)，并將結(jié)果與使用Global CMT震源機(jī)制解數(shù)據(jù)得到的反演結(jié)果進(jìn)行對比分析。

圖10 青藏高原西部及鄰區(qū)應(yīng)力場Fig.10 Stress field of western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

圖11 青藏高原西部及鄰區(qū)2°×2°的φ值反演結(jié)果Fig.11 Results of φ value inversion on 2°×2° grid of the Tibetan plateau and its adjacent areas

由圖10可見，青藏高原西部及鄰區(qū)最大主壓應(yīng)力軸σ1呈NNE-SSW向，最小主壓應(yīng)力軸σ3呈NWW-SEE向。結(jié)合圖4可知，使用國際地震中心提供的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)得到的區(qū)域φ值大小分布及構(gòu)造應(yīng)力場方向和用Global CMT震源機(jī)制解數(shù)據(jù)反演的結(jié)果基本一致，表明不同震源機(jī)制解數(shù)據(jù)對該地區(qū)應(yīng)力場反演結(jié)果的影響較小。為了解不同機(jī)構(gòu)收錄的震源機(jī)制解之間的差異，Helffrich[19]比較了Global CMT、USGS和ERI三個機(jī)構(gòu)收錄數(shù)據(jù)的可靠性和不確定性，結(jié)果表明，Global CMT震源機(jī)制解數(shù)據(jù)的完整性是最好的，同時也驗(yàn)證了Global CMT震源機(jī)制解數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

本文基于震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，反演青藏高原西部及鄰區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)，并對新疆皮山及于田地區(qū)進(jìn)行斷層滑動趨勢分析，得出以下結(jié)論：

1)青藏高原西部及鄰區(qū)最大主壓應(yīng)力軸σ1整體呈NNE-SSW向，自西向東順時針旋轉(zhuǎn)，反映了印度板塊向青藏高原NE向碰撞、擠壓的動力學(xué)過程；研究區(qū)最小主壓應(yīng)力軸σ3整體呈NWW-SEE向。最大應(yīng)力軸σ1的傾角大小約為5°～9°，結(jié)合震源機(jī)制解分布特征可知，該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場以水平運(yùn)動為主。

2)為評估青藏高原西部及鄰區(qū)斷層再活化的可能性，結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場及動力學(xué)特征對該區(qū)域進(jìn)行滑動趨勢分析，結(jié)果表明，新疆皮山的西昆侖斷裂帶和于田的阿爾金斷裂帶具有較強(qiáng)的滑動趨勢(Ts≥0.5)，發(fā)生地震的可能性較大。