云南及鄰區(qū)地殼應(yīng)力場研究

盛書中，胡曉輝，王曉山，萬永革，李紅星，李振月，田宵，王向騰，張?zhí)K祥

1 東華理工大學(xué)地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，南昌 330013 2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026 3 河北省地震局，石家莊 050021 4 防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201 5 河北省地震動力學(xué)重點實驗室，河北三河 065201

0 引言

云南及鄰區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東側(cè)(圖1)，地處青藏高原東南緣，屬于我國南北地震帶南段，地理位置十分特殊.該地區(qū)受到印度板塊的側(cè)向擠壓、阿薩姆角的楔入、華南塊體和四川盆地的阻擋以及青藏高原物質(zhì)東流等多種力源的作用(Zeng and Sun，1993)，其中青藏高原東流物質(zhì)受到華南塊體的阻擋，進(jìn)而向SE向運移，研究區(qū)域處于東流物質(zhì)由東向東南拐折的關(guān)鍵地帶(朱守彪和石耀霖，2004)，多種力的作用使得該地區(qū)地震活動和新構(gòu)造變形十分強烈.研究區(qū)域橫跨華南地塊、川滇塊體、滇南塊體和滇西塊體(張培震等，2003)，不同地塊的運動方式和速度各不相同，因此，在塊體邊界會發(fā)生強烈的相對運動.該地區(qū)深大斷裂發(fā)育，主要有弧形的金沙江斷裂、NS向的安寧河斷裂和小江斷裂、NW向的紅河斷裂以及NE向的麗江—小金河斷裂，塊體和深大斷裂的運動方式控制著該地區(qū)的地殼運動.復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、強烈的地殼變形與斷裂活動作用使得云南地區(qū)中強震頻發(fā)，是我國地震活動最強烈的地區(qū)之一.云南地區(qū)平均8年發(fā)生1次7級地震，每3年發(fā)生2次6級地震，每年發(fā)生5級地震3～4次(皇甫崗和秦嘉政，2006).因此，該地區(qū)歷來倍受地球科學(xué)研究者的關(guān)注，成為地球科學(xué)研究的天然試驗場，地震學(xué)家也圍繞該地區(qū)的震源機制解、構(gòu)造應(yīng)力場等開展了一系列的研究工作 (闞榮舉等，1977；謝富仁等，2001；吳建平等，2004；崔效鋒等，2006；Xu et al.，2016，2020；Zhao et al.，2013；郭祥云等，2014；王曉山等，2015；孫業(yè)君等，2017；Tian et al.，2019；Yang et al.，2021).

已有研究結(jié)果表明：云南及鄰區(qū)地震類型以走滑型為主，兼有逆斷型和正斷型.構(gòu)造應(yīng)力場表現(xiàn)為走滑型為主，主壓和主張應(yīng)力軸傾角近水平；主壓應(yīng)力軸方位自北向南呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)，由NNW向變?yōu)榻麼S向，再變?yōu)镹E向.總體上來說，不同學(xué)者獲得的云南及鄰區(qū)應(yīng)力場總體特征較為一致，但在一些局部地區(qū)應(yīng)力場結(jié)果存在差異，如有研究結(jié)果表明在騰沖地區(qū)存在拉張型應(yīng)力場，并認(rèn)為該應(yīng)力場源自騰沖火山巖漿囊的作用(Zhao et al., 2013；Tian et al., 2019)，也有研究結(jié)果表明騰沖地區(qū)應(yīng)力場為不確定型(Xu et al., 2016)，應(yīng)力場類型的不同，將直接影響到該地區(qū)應(yīng)力場中騰沖火山作用的大小.中甸地區(qū)的研究結(jié)果均表明該地區(qū)應(yīng)力場類型為拉張型，但不同學(xué)者給出的主應(yīng)力軸方位存在一定差異，如Xu等(2016)研究結(jié)果表明主張應(yīng)力軸為近NNW向；Tian等(2019)研究結(jié)果顯示主張應(yīng)力軸方位為近NNE向.這些地區(qū)應(yīng)力場研究結(jié)果的差異，將會影響到該地區(qū)地殼運動動力學(xué)分析，因此，有必要深入研究這些地區(qū)的應(yīng)力場，為該區(qū)域地球動力學(xué)等相關(guān)研究提供可靠的參考應(yīng)力場.

先前關(guān)于云南地區(qū)地殼應(yīng)力場研究中還存在以下問題，一是部分地區(qū)震源機制解資料缺乏或是較少，沒有獲得應(yīng)力場結(jié)果或是結(jié)果誤差范圍較大；二是應(yīng)力場反演網(wǎng)格大小選取存在較大的主觀因素.因此，本研究收集前人的震源機制解研究結(jié)果和測定近年來發(fā)生的中強震震源機制解，為應(yīng)力場反演提供更多的約束；定量地確定應(yīng)力場反演網(wǎng)格大小，減小主觀劃分網(wǎng)格大小對反演結(jié)果的影響，進(jìn)一步深入研究云南及鄰區(qū)地殼應(yīng)力場特征以及確定先前研究存在差異地區(qū)的地殼應(yīng)力場，為深入理解該地區(qū)地震孕育背景、地質(zhì)構(gòu)造活動規(guī)律和地球動力學(xué)背景等研究提供參考.

圖1 云南及鄰區(qū)構(gòu)造背景及地震分布圖地震數(shù)據(jù)來源于GCMT(https:∥www.globalcmt.org/)，時間為1976年至2020年，青色圈為MW4.8以上地震；紅線表示塊體邊界，黑線表示主要斷層；F1龍門山斷裂；F2馬邊—鹽津斷裂；F3蓮峰斷裂；F4小江斷裂；F5安寧河—則木河斷裂帶；F6麗江—小金河斷裂帶；F7紅河斷裂；F8金沙江斷裂；F9瀾滄江斷裂；F10南汀河斷裂.Fig.1 The tectonic setting and earthquake distribution of Yunnan and its adjacent areasThe seismic data is from GCMT (https:∥www.globalcmt.org/) which occurred between 1976 and 2020. Cyan circles indicate the earthquakes with magnitude ≥MW4.8. Red lines indicate block boundaries and black lines indicate major faults. F1, Longmenshan fault; F2, Mabian-Yanjin fault; F3, Lianfeng fault; F4, Xiaojiang fault; F5, Anninghe-Zemuhe fault; F6, Lijiang-Xiaojinhe fault; F7, Red river fault; F8, Jinshajiang fault; F9, Lancangjiang fualt; F10, Nantinghe fault.

1 資料與方法

1.1 地震資料

本研究中的云南及鄰區(qū)范圍為：北緯21°—31°，東經(jīng)96°—106°.國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(鄭秀芬等，2009)提供了2014年1月1日至2019年7月5日583個3.5級以上地震波形資料，其中3.0～3.9級地震392個，4.0～4.9級地震156個，5.0～5.9級地震29個，大于6級的地震6個，使用gCAP方法測定了428次地震震源機制解.除上述震源機制解外，還收集了1970年1月至2013年11月研究區(qū)內(nèi)的874次地震的震源機制解(謝富仁等，2003；Xu et al.，2010；徐彥，2013；呂堅等，2013a,b；王曉山等，2015； GCMT目錄).最終用于應(yīng)力場反演的震源機制解個數(shù)為1302個(表1).

表1 本研究中所用的云南及鄰區(qū)震源機制解來源Table 1 Source of focal mechanism solutions in Yunnan and its adjacent areas used in this study

1.2 震源機制反演方法

采用由CAP(Cut and Paste)方法(Zhao and Helmberger，1994；Zhu and Helmberger，1996)發(fā)展而來的gCAP(generalized Cut and Paste)方法(Zhu and Ben-Zion，2013)反演震源機制解.該方法采用雙力偶模型，將地震波分成Pnl波和面波部分，分別計算理論波形和觀測波形誤差函數(shù)，并使用網(wǎng)格搜索法尋找最優(yōu)震源機制參數(shù)和質(zhì)心深度，計算過程中允許體波和面波在合理的時間窗內(nèi)移動，在一定程度上減弱了一維速度結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確帶來的影響，克服了震源機制解反演的兩個主要困難：震源位置偏差和地下速度結(jié)構(gòu)不精確導(dǎo)致計算的格林函數(shù)不準(zhǔn)確.基于上述優(yōu)點該方法得到廣泛應(yīng)用(李圣強等，2013；張廣偉等，2014； Yu et al., 2016；梁姍姍等，2017；王亮，2017；Lei et al.，2017，2019；徐志國等，2019).

在反演震源參數(shù)的過程中，選取震中距在50～400 km范圍內(nèi)的臺站波形資料，參考前人的經(jīng)驗(Luo et al.,2015；Zhu and Zhou, 2016)，根據(jù)震級的不同Pnl波和面波選取不同的濾波頻率，地震事件為M3.5～3.9、M4.0～4.9和≥M5.0時，Pnl波濾波范圍分別為0.05～0.2 Hz、0.05～0.17 Hz和0.05～0.15 Hz；地震事件為M3.5～4.9和≥M5.0時，面波濾波頻率分別為0.05～0.15 Hz和0.05～0.1 Hz.走向、傾角和滑動角搜索步長均為10°，深度搜索步長為1 km，震級搜索步長為0.1.地殼速度模型使用楊軍等(2014)的速度模型(圖2).

圖2 P、S波一維速度模型Fig.2 1D velocity model of P and S waves

1.3 應(yīng)力場反演方法及參數(shù)設(shè)置

采用區(qū)域應(yīng)力場阻尼反演方法(Hardebeck and Michael，2006； Martínez-Garzón et al.，2014)反演云南及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場，該方法相對于傳統(tǒng)應(yīng)力場反演方法的優(yōu)勢為考慮了應(yīng)力場的空間連續(xù)性，在時空應(yīng)力場反演時加入了阻尼因子，使區(qū)域應(yīng)力場反演結(jié)果更加連續(xù).通過選取合適的阻尼系數(shù)使得相鄰網(wǎng)格的應(yīng)力張量差異減小，同時可以有效地去除應(yīng)力場反演結(jié)果中相鄰網(wǎng)格間應(yīng)力場的偽變化.因此，該方法被廣泛用于應(yīng)力場研究工作(Martínez-Garzón et al.，2013；Zhao et al.，2013；Ickrath et al.，2014；王曉山等，2015；Xu et al.，2016；崔華偉等，2019；Tian et al., 2019；Sheng and Meng, 2020).

一般情況下，研究者希望劃分的網(wǎng)格盡可能小，以便獲得更精細(xì)的應(yīng)力場信息，但是這樣會使得每個網(wǎng)格內(nèi)參與應(yīng)力場反演的震源機制解數(shù)減少，進(jìn)而會降低該網(wǎng)格反演結(jié)果的可靠性.因此，如何合理地設(shè)置應(yīng)力場反演網(wǎng)格大小，既保證應(yīng)力場研究結(jié)果的可靠性，又盡可能地獲得更精細(xì)的應(yīng)力場結(jié)果，需要綜合考慮.當(dāng)網(wǎng)格劃分較小時，每個網(wǎng)格內(nèi)的震源機制解數(shù)量較少，網(wǎng)格內(nèi)應(yīng)力場不均勻性小，此時，反演殘差會顯著降低，但是約束應(yīng)力場的震源機制解數(shù)量少，則反演結(jié)果的不確定性較大；隨著網(wǎng)格的增大，每個網(wǎng)格內(nèi)的震源機制解數(shù)量以及應(yīng)力場不均勻性均會增加，這樣會使得應(yīng)力場反演的平均殘差增大；而此時約束應(yīng)力場的震源機制解數(shù)量多，應(yīng)力場結(jié)果的不確定性會減小.因此，嘗試用大小不同的網(wǎng)格反演研究區(qū)應(yīng)力場，得到一系列平均反演殘差和平均的σ1軸不確定范圍(圖3)，選擇圖3中兩條曲線交點對應(yīng)的網(wǎng)格大小，即0.8°×0.8°網(wǎng)格.選用σ1軸不確定范圍作為參考是基于以下考慮：研究區(qū)應(yīng)力場類型以走滑型為主，σ1和σ3總體上近水平，走向不確定性較低；σ2軸近直立，走向不確定性較高，因此，我們選用σ1的不確定范圍作為參考.

圖3 應(yīng)力場反演網(wǎng)格大小與平均反演殘差以及平均σ1軸不確定范圍關(guān)系圖虛線為平均反演殘差曲線，實線為平均σ1軸不確定范圍曲線.Fig.3 The relationship between the grid size of the stress field inversion and the mean inversion residual and the mean uncertainty range of the σ1 axisThe dashed line is the mean inversion residual curve, and the solid line is the mean uncertainty range curve of σ1 axis.

基于上文所述的震源機制解和試算結(jié)果，將研究區(qū)域劃分為0.8°×0.8°的網(wǎng)格.考慮到震源機制解反演應(yīng)力場時待求參數(shù)有4個，即三個主應(yīng)力軸(σ1、σ2和σ3)走向和傾角以及R值大小(R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3))，為了盡可能地獲得更多網(wǎng)格內(nèi)應(yīng)力場反演結(jié)果，將每個網(wǎng)格內(nèi)參與應(yīng)力場反演的最少地震事件數(shù)設(shè)置為5個，置信度水平設(shè)置為95%，重采樣次數(shù)為2000次.有研究表明當(dāng)網(wǎng)格內(nèi)數(shù)據(jù)較少時，應(yīng)力場反演結(jié)果可能會存在較大的誤差(Hardebeck and Michael，2006)以及研究結(jié)果置信區(qū)間過大.因此，為了獲得可靠的研究結(jié)果，本研究對研究區(qū)應(yīng)力場分別進(jìn)行了阻尼和無阻尼應(yīng)力場反演，獲得59個網(wǎng)格應(yīng)力場結(jié)果(圖5)，其中阻尼應(yīng)力場反演時，阻尼系數(shù)e為1.6(圖4).由圖5可見，有少數(shù)網(wǎng)格應(yīng)力場結(jié)果性質(zhì)發(fā)生了變化，即應(yīng)力場類型發(fā)生改變，如圖5中序號I的網(wǎng)格，無阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果為走滑型，阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果為正斷型.

圖4 數(shù)據(jù)擬合誤差與模型長度之間的折中曲線黑色十字示意最優(yōu)阻尼系數(shù)，圓圈旁數(shù)字表示阻尼系數(shù)e的取值.Fig.4 Trade-offcurve between data misfit and model lengthThe black cross is the best damping parameter, the number next to the circle indicates the value of damping parameter e.

為了進(jìn)一步分析阻尼和無阻尼反演結(jié)果中應(yīng)力場性質(zhì)發(fā)生變化的原因，選取其中3個典型網(wǎng)格進(jìn)行分析，這3個網(wǎng)格對應(yīng)于圖5中紅色圓圈示意的網(wǎng)格，其區(qū)域阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果和無阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果見表2，圖6為這3個網(wǎng)格內(nèi)的震源機制解空間分布和無阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果.

圖5中序號為Ⅰ的網(wǎng)格內(nèi)有10個震源機制解，震源機制解類型有走滑型、正斷型和不確定型.無阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果為拉張型應(yīng)力場，σ1軸走向和傾角分別為162°和68°，σ3軸走向和傾角分別為295°和16°；阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果顯示該網(wǎng)格為走滑型應(yīng)力場，σ1軸走向和傾角分別為203°和3°，σ3軸走向和傾角分別為294°和12°.可見，添加阻尼對σ3軸反演結(jié)果影響較小，其余兩軸受到的影響較大.從圖6可見，無阻尼反演應(yīng)力場時，僅σ3軸的95%置信區(qū)間較小，σ1和σ2軸的95%置信區(qū)間非常離散且相互重疊.無阻尼和阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果出現(xiàn)這種差別的可能原因為：一方面，R值非常小，表明最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力的量值較為接近.因此，在無阻尼反演時，難以區(qū)分σ1軸和σ2軸，表現(xiàn)為兩個軸的置信區(qū)間相互重疊，且結(jié)果中的σ1軸和σ2軸與阻尼反演結(jié)果差異較大；另一方面，可能是由于參與反演的震源機制解數(shù)量較少，且該網(wǎng)格內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，無阻尼應(yīng)力場反演時，現(xiàn)有的震源機制解資料提供的約束不足，使得應(yīng)力場反演結(jié)果難以區(qū)分σ1軸和σ2軸.當(dāng)使用阻尼反演時，該網(wǎng)格點受到周邊網(wǎng)格點的平滑約束，使得σ1軸和σ2軸反演結(jié)果表現(xiàn)出與周邊網(wǎng)格結(jié)果相近.綜上可見，無阻尼反演結(jié)果表明該網(wǎng)格點約束不足或是應(yīng)力場復(fù)雜，而阻尼反演結(jié)果反映該網(wǎng)格點受到周圍網(wǎng)格點約束較大，因此，在后續(xù)反演中，我們舍棄了這樣的網(wǎng)格點.

圖5中編號為Ⅱ的網(wǎng)格內(nèi)有17個震源機制解.無阻尼反演結(jié)果顯示該網(wǎng)格應(yīng)力場為逆沖型應(yīng)力場，σ1軸走向和傾角分別為130°和3°，σ3軸走向和傾角分別為36°和48°.阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果顯示該網(wǎng)格為走滑型應(yīng)力場，σ1軸走向和傾角分別為145°和1°，σ3軸走向和傾角分別為55°和14°，可見兩種反演結(jié)果的應(yīng)力場性質(zhì)不一致.該網(wǎng)格內(nèi)震源機制解數(shù)量相對充足，但無阻尼反演結(jié)果的95%置信區(qū)間仍然較大，這可能反映該網(wǎng)格內(nèi)應(yīng)力場較為復(fù)雜.不同反演方式得到不同的結(jié)果，反映了反演結(jié)果穩(wěn)定性較差.雖然理論研究表明一種應(yīng)力場在理想狀態(tài)下可以產(chǎn)生多種類型震源機制解(萬永革，2020)，但網(wǎng)格內(nèi)不同類型地震的成簇發(fā)生，仍在一定程度上反映了該網(wǎng)格內(nèi)應(yīng)力場可能存在不均勻性.因此，該網(wǎng)格應(yīng)力場反演結(jié)果變化的原因可能是網(wǎng)格內(nèi)應(yīng)力場不均勻性以及無阻尼反演時結(jié)果的不穩(wěn)定所致.

表2 3個典型網(wǎng)格的應(yīng)力場反演結(jié)果表Table 2 Stress field inversion results of three typical grids

圖5 云南及鄰區(qū)空間阻尼(a)和無阻尼(b)應(yīng)力場反演結(jié)果圖圖中標(biāo)有序號的圓圈示意兩種反演結(jié)果中應(yīng)力場性質(zhì)發(fā)生變化的網(wǎng)格.Fig.5 Inversion results of spatial damped (a) and undamped (b) stress fields in Yunnan and its adjacent areasThe circles marked with serial numbers in the figure show the grid where the stress regime changes in the two inversion results.

圖6 3個典型網(wǎng)格震源機制空間分布(a)與各自應(yīng)力場反演結(jié)果(b)圖左圖中左下角的數(shù)字為參與應(yīng)力場反演的震源機制解數(shù).Fig.6 Focal mechanism distribution (a) and stress field inversion results (b) of three typical gridsThe numbers in the lower left corner of the left figure are the number of focal mechanisms used in the stress field inversion.

圖5中編號為Ⅲ的網(wǎng)格內(nèi)有7個震源機制解，均為走滑型地震.無阻尼應(yīng)力場反演得到的最優(yōu)σ1軸近直立，反映應(yīng)力場類型為拉張型，但σ1軸傾角的95%置信范圍非常大，結(jié)果可靠性較差.阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果顯示該網(wǎng)格為走滑型應(yīng)力場.從圖6a(Ⅲ)可見，該網(wǎng)格內(nèi)的震源機制解均為走滑型，震源機制解間空間旋轉(zhuǎn)角總體上分布在7°～21°，接近于Kagan(2000)指出時空距離較近的相似地震對間最小空間旋轉(zhuǎn)角(10°～15°)，可見該網(wǎng)格內(nèi)震源機制解高度相似，缺乏多樣性.因此，在反演應(yīng)力場時提供的約束不足，致使無阻尼反演結(jié)果的置信區(qū)間較大，且σ1和σ2軸置信區(qū)間重合.阻尼應(yīng)力場反演時，應(yīng)力場反演結(jié)果除了受到網(wǎng)格內(nèi)震源機制解約束，還受到周圍網(wǎng)格震源機制解約束，使得應(yīng)力場結(jié)果的性質(zhì)發(fā)生改變.本網(wǎng)格應(yīng)力場反演結(jié)果變化的原因為網(wǎng)格內(nèi)震源機制解缺乏多樣性，致使反演結(jié)果不穩(wěn)定.

部分網(wǎng)格內(nèi)由于震源機制解數(shù)量有限、應(yīng)力場不均勻、震源機制解缺乏多樣性等原因，使得其阻尼和無阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果差異較大，反映該網(wǎng)格點應(yīng)力場反演結(jié)果受周圍網(wǎng)格的影響較大.為了獲得可靠的應(yīng)力場結(jié)果，避免由于數(shù)據(jù)或阻尼反演導(dǎo)致應(yīng)力場結(jié)果的不可靠，在后續(xù)工作中刪除了上述阻尼反演中應(yīng)力場性質(zhì)發(fā)生變化的網(wǎng)格，最終的應(yīng)力場結(jié)果僅給出阻尼和無阻尼反演中結(jié)果穩(wěn)健網(wǎng)格的應(yīng)力場反演結(jié)果.

2 震源機制解反演結(jié)果及分析

剔除臺站波形記錄差、臺站覆蓋不好的數(shù)據(jù)，選取相關(guān)系數(shù)65%以上的反演結(jié)果，共得到428個震源機制解.為考察震源機制的可靠性，將所得結(jié)果與研究區(qū)發(fā)生的中強震震源機制解進(jìn)行比較，采用最小空間旋轉(zhuǎn)角(Kagan，1991；萬永革，2019)定量描述震源機制解結(jié)果間的差異.大多數(shù)中強震震源機制解已有較為可靠的研究結(jié)果，可以從GCMT(全球矩心矩張量)、NEIC(美國地震信息中心)、IPGP(法國巴黎地球物理研究所)、USGS、GFZ等國外研究機構(gòu)和國內(nèi)學(xué)者的研究論文中獲得.本研究共對比分析了14次中強震的震源機制解，獲得30組對比結(jié)果(表3和圖7).由表3和圖7可見，地震間的最小空間旋轉(zhuǎn)角最大值為36.9°，最小值為2.2°.最小空間旋轉(zhuǎn)角大于30°的有3組結(jié)果，占10%；最小空間旋轉(zhuǎn)角在15°～30°共8組結(jié)果，占26.7%；最小空間旋轉(zhuǎn)角小于15°共有19組結(jié)果，占63.3%；其中與GCMT結(jié)果的最小空間旋轉(zhuǎn)角基本上都在15°內(nèi).Kagan(2000)研究地震對間最小空間旋轉(zhuǎn)角時，指出相似地震對間最小空間旋轉(zhuǎn)角一般在10°～15°.本文計算的最小空間旋轉(zhuǎn)角在15°范圍內(nèi)結(jié)果占63.3%，說明本文所得結(jié)果與主要機構(gòu)給出的結(jié)果基本一致，反映了本研究結(jié)果的可靠性.

圖7 本研究給出的震源機制解與其它研究結(jié)果間的最小空間旋轉(zhuǎn)角分布圖地震事件序號與表3中地震事件序號對應(yīng).Fig.7 The minimum 3D rotation angle distribution map between the focal mechanism solutions given in this study and other research resultsThe seismic event number corresponds to the seismic event number in Table 3.

參照Zoback(1992)的分類標(biāo)準(zhǔn)，將1302個震源機制解劃分正斷型、正走滑型、走滑型、逆走滑型、逆沖型和不確定型.其中，走滑型地震為825個，占全部地震的63.4%；正斷型和正走滑型地震為168個，占12.9%；逆走滑型和逆沖型地震為195個，占15.0%；不確定型地震為114個，占8.7%，震源機制解空間分布見圖8.走滑型地震遍布整個云南及鄰區(qū).逆走滑和逆沖型地震集中分布云南與四川盆地交界地區(qū)，該地區(qū)位于川滇塊體的東側(cè)，由于青藏高原物質(zhì)向東擠出，受到華南塊體的阻擋，進(jìn)而往東南方向運移(滕吉文等，2008)，對華南塊體造成側(cè)向擠壓，造成該區(qū)域逆沖型地震較多；正斷型和正走滑型地震較少，主要分布在滇西和滇西北地區(qū).震源機制類型和分布特征與前人(Zhao et al.，2013；Xu et al.，2016；Tian et al.，2019)結(jié)果總體上是一致的，震源機制解的多樣性，在一定程度上反映了研究區(qū)構(gòu)造活動和應(yīng)力場的空間差異性.

圖8 全部地震震源機制解分布Fig.8 Distribution of focal mechanism solutions of all earthquakes used in this study

3 應(yīng)力場反演結(jié)果及分析

基于上述震源機制解和參數(shù)設(shè)置，獲得41個網(wǎng)格的應(yīng)力場反演結(jié)果(圖9).由圖9可見，由北向南，自東向西，研究區(qū)主壓應(yīng)力軸方位呈順時針旋轉(zhuǎn)，主壓應(yīng)力軸方位跡線總體上呈現(xiàn)出以西北角為中心的扇形分布，主張應(yīng)力軸方位跡線總體上呈現(xiàn)出以西北角為中心的弧形分布，總體上反映青藏高原物質(zhì)向東南運移對研究區(qū)應(yīng)力場具有控制作用.研究區(qū)應(yīng)力場類型以走滑型為主，局部地區(qū)出現(xiàn)逆沖和拉張型應(yīng)力場，所得結(jié)果與前人應(yīng)力場研究結(jié)果(鄧起東等，1979；闞榮舉等，1977；崔效鋒等，2006；王曉山等，2015；Xu et al.，2016；祁玉萍等，2018；李君等，2019)以及主應(yīng)變方向研究結(jié)果(Wang and Shen, 2020)總體上一致.下面分區(qū)域?qū)?yīng)力場反演結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析.

表3 本研究所得震源機制解與其它研究結(jié)果間最小空間旋轉(zhuǎn)角列表Table 3 The minimum 3D rotation angles between the focal mechanism solutions obtained in this study and other researches

續(xù)表3

圖9 云南及鄰區(qū)地殼應(yīng)力場反演結(jié)果圖灰色扇形示意σ1或σ3軸走向的不確定范圍，網(wǎng)格中數(shù)字表示參與反演的震源機制解數(shù).Fig.9 Inversion results of crustal stress field in Yunnan and its adjacent areasThe gray segment indicates the orientation uncertainty range of the σ1 or σ3 axis, the numbers in the grid indicate the number of focal mechanism solutions involved in inversion.

川滇塊體與四川盆地交界處應(yīng)力場表現(xiàn)為逆斷型(圖9)，主壓應(yīng)力軸方位為WNW，傾角接近水平，主張應(yīng)力軸傾角近乎垂直，R值均大于0.5，中間主應(yīng)力在量值上接近于主張應(yīng)力，與前人結(jié)果基本一致.該區(qū)域主要受到青藏高原物質(zhì)向東擠出，遇到穩(wěn)定的華南塊體阻擋后向SE方向運移，對于華南塊體的邊緣造成擠壓，形成以擠壓為主的應(yīng)力場環(huán)境.

川滇塊體東部自北向南主壓應(yīng)力軸方位由NW轉(zhuǎn)至NNW，存在順時針旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，傾角近水平，R值均為0.5左右.林向東等(2010)分析小江斷裂帶中段及鄰區(qū)應(yīng)力特征，主壓應(yīng)力軸方向為NNW，走滑特征明顯；李君等(2019)反演了川滇東邊界應(yīng)力場，結(jié)果表明沿鮮水河—小江斷裂自北向南主壓應(yīng)力方位存在順時針旋轉(zhuǎn).上述結(jié)果與本文的川滇塊體東部應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)趨勢相同，但偏轉(zhuǎn)大小存在差異，鑒于本研究所得結(jié)果置信區(qū)間較小，以及刪除了阻尼和無阻尼反演存在差異的網(wǎng)格，認(rèn)為所得結(jié)果是可靠的.

滇南塊體應(yīng)力偏轉(zhuǎn)較大，自東向西主壓應(yīng)力軸方位由NNW變?yōu)榻麼S再變?yōu)镹NE，主張應(yīng)力軸方位由NEE變?yōu)榻麰W再變?yōu)镾SE，傾角均水平，為走滑型應(yīng)力場，滇南塊體西北端R值較小，其它區(qū)域R值約為0.5左右.該結(jié)果與張培震等(2003)根據(jù)活動斷裂和GPS資料給出的該塊體總體運動方向相一致，同時也與Zhao等(2013)、Xu等(2016)和Tian等(2019)應(yīng)力場研究結(jié)果一致，該區(qū)域應(yīng)力場可能是川滇塊體SE運動和印度板塊的側(cè)向擠壓共同作用的結(jié)果.

滇西地區(qū)應(yīng)力場結(jié)果顯示該區(qū)域主壓應(yīng)力軸方位為NNE，主張應(yīng)力軸方位為SEE，傾角均水平，為走滑型應(yīng)力場；該區(qū)域R值變化較大，24°N以北地區(qū)R值較低，24°N以南地區(qū)R值約為0.6左右，應(yīng)力場結(jié)果與先前結(jié)果較為一致(謝富仁等，2001；Zhao et al.，2013；王曉山等，2015；Xu et al.，2016；Tian et al.，2019).主壓應(yīng)力軸方向與張培震等(2003)給出滇西塊體運動方向較接近.謝富仁等(2001)單獨使用斷層滑動資料獲得主壓應(yīng)力方位為近NS或NNW，認(rèn)為該地區(qū)應(yīng)力場較為復(fù)雜.而本研究中，該地區(qū)應(yīng)力場結(jié)果顯示出連續(xù)性和規(guī)律性，沒有顯示其應(yīng)力場的復(fù)雜性，可能是所用的方法為區(qū)域應(yīng)力場阻尼反演方法以及網(wǎng)格較大，獲得的是區(qū)域應(yīng)力場的總體規(guī)律.從大范圍看，滇西塊體受到印度板塊的側(cè)向擠壓、川滇塊體SE楔入以及東南亞板塊向北作用.

龍陵斷裂北部的騰沖火山地區(qū)，Zhao等(2013)和Tian等(2019)研究結(jié)果顯示騰沖地區(qū)存在正斷型應(yīng)力場，并認(rèn)為該應(yīng)力場主要源自騰沖火山巖漿囊的貢獻(xiàn)；Xu等(2016)研究結(jié)果為走滑型和不確定型應(yīng)力場，上述應(yīng)力場研究結(jié)果在騰沖地區(qū)存在明顯差異.研究表明火山地區(qū)應(yīng)力場主要構(gòu)成為背景應(yīng)力場、火山體荷載引起的應(yīng)力場和巖漿壓力產(chǎn)生的應(yīng)力場三個方面(Martí and Geyer, 2009; Geyer et al., 2016; Currenti and Williams, 2014)，不同類型的火山區(qū)應(yīng)力場則反映該地區(qū)三種應(yīng)力場的強弱，也反映該地區(qū)的地震活動成因與控制因素以及現(xiàn)今騰沖火山的活動情況.因此，本研究對該區(qū)域應(yīng)力場進(jìn)一步研究，以確定該地區(qū)地殼應(yīng)力場類型.本研究將騰沖地區(qū)(北緯24.5°—26.5°，東經(jīng)98°—100°)劃分為1°×1°網(wǎng)格進(jìn)行反演應(yīng)力場(圖10a和10b)，研究結(jié)果表明該區(qū)域的應(yīng)力場為走滑型，主壓應(yīng)力軸和主張應(yīng)力軸傾角近水平，與該地區(qū)綜合震源機制解法獲得的應(yīng)力場結(jié)果一致(Sheng et al.，2021)，同時也與該地區(qū)主要斷裂為走滑型相一致.騰沖火山區(qū)的走滑型應(yīng)力場反映其地震活動主要受控于印度板塊對歐亞板塊的碰撞，以及在塊體縫合線側(cè)面形成的擠壓剪切作用；而巖漿活動產(chǎn)生的拉張作用對應(yīng)力場的影響較小，一定程度上反映了現(xiàn)今巖漿活動較弱.本結(jié)果可以為該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動、火山巖漿活動和地震動力背景等相關(guān)研究提供參考.

前人研究結(jié)果顯示中甸地區(qū)正斷型應(yīng)力場的主張應(yīng)力軸方位存在差異(Xu et al.，2016；Tian et al.，2019；羅鈞等，2015；吳微微等，2015).本文的反演結(jié)果顯示：主壓應(yīng)力軸傾角近直立；主張應(yīng)力軸方位為NNE，傾角近水平，主張應(yīng)力軸方位與先前研究結(jié)果較為一致(羅鈞等，2015；吳微微等，2015；Tian et al., 2019).該地區(qū)GPS應(yīng)變場結(jié)果顯示中甸地區(qū)處于主應(yīng)變場劇烈變化地區(qū)，該地區(qū)從北向南，主張應(yīng)變由近南北向轉(zhuǎn)為NEE向(Gan et al., 2007；Wang and Shen, 2020)，反映該地區(qū)是地殼物質(zhì)運動方向的轉(zhuǎn)換帶，因此，該地區(qū)必然也是應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換帶.GPS應(yīng)變場結(jié)果顯示中甸地區(qū)主張應(yīng)變相對較大(Gan et al., 2007；Wang and Shen, 2020)；程佳等(2012)根據(jù)GPS資料認(rèn)為地震發(fā)生在邊界斷裂帶垂直的次生構(gòu)造上，由藏東次級塊體受到NNE向拉張作用引起的，該區(qū)域還受到川滇塊體SE向運動作用和阿薩姆角聯(lián)合作用，多種力源導(dǎo)致該區(qū)域拉張作用顯著.綜上可見，該區(qū)域應(yīng)力場為正斷型，拉張作用明顯.所以當(dāng)該地區(qū)震源機制解資料不夠充足且地震叢集時，使用區(qū)域阻尼應(yīng)力場反演方法獲取區(qū)域應(yīng)力場，難免會出現(xiàn)該地區(qū)應(yīng)力場被個別網(wǎng)格內(nèi)反演結(jié)果所平滑，這時從應(yīng)力場結(jié)果上看，總體上一致性強，未能顯示該地區(qū)應(yīng)力場的差異性變化.這時使用不同的資料，就會獲得不同的結(jié)果，這或許是先前研究結(jié)果給出的主張應(yīng)力方向存在差異的原因.在本研究中，阻尼和無阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果顯示該地區(qū)的主張應(yīng)力方向為NE向和NNE向，考慮該地區(qū)處于應(yīng)力場劇烈變化地區(qū)，而震源機制解資料相對較少，以及周邊多數(shù)網(wǎng)格內(nèi)缺乏震源機制解資料，因此，本研究認(rèn)為無阻尼應(yīng)力場反演結(jié)果更可靠，即該地區(qū)的主張應(yīng)力方向為NNE向(圖10d).

圖10 騰沖地區(qū)(a,b)和中甸地區(qū)(c,d)震源機制分布(a,c)和應(yīng)力場反演結(jié)果(b,d)圖網(wǎng)格中數(shù)字表示參與反演的震源機制解數(shù).Fig.10 Focal mechanism distribution (a,c) and stress field inversion results (b,d) in Tengchong area (a,b) and Zhongdian area (c,d)The numbers in the right figure indicate the number of focal mechanism solutions involved in stress field inversion.

4 結(jié)論與討論

為了獲得云南及鄰區(qū)最新構(gòu)造應(yīng)力場，本研究反演和搜集了1302個震源機制解，給出了地震類型空間分布特征；提出定量設(shè)置區(qū)域應(yīng)力場反演網(wǎng)格大小的方法，刪除阻尼和無阻尼反演應(yīng)力場性質(zhì)存在差異的網(wǎng)格，僅給出反演結(jié)果可靠網(wǎng)格的應(yīng)力場結(jié)果，最終獲得研究區(qū)整體應(yīng)力場空間分布特征，并對先前研究存在差異的局部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了詳細(xì)分析.獲得以下結(jié)論：(1)云南及鄰區(qū)震源機制解類型以走滑型為主，遍布整個研究區(qū)，逆走滑和逆沖型地震集中分布云南與四川盆地交界地區(qū)，正斷型和正走滑型地震較少，主要分布在滇西和滇西北地區(qū)，震源機制解的多樣性，在一定程度上反映了構(gòu)造活動和應(yīng)力場的空間差異性；(2)云南及鄰區(qū)整體應(yīng)力場表現(xiàn)為：主壓應(yīng)力軸方位跡線呈以西北角為中心的扇形分布，主張應(yīng)力軸方位跡線呈以西北角為中心的弧形分布，總體上反映青藏高原物質(zhì)向東南運移對區(qū)域應(yīng)力場的控制作用；(3)研究區(qū)應(yīng)力場類型以走滑型為主，局部地區(qū)出現(xiàn)逆沖和拉張型應(yīng)力場，所得結(jié)果與前人應(yīng)力場研究結(jié)果(鄧起東等，1979；許忠淮等，1989；闞榮舉等，1977；崔效鋒等，2006；王曉山等，2015；Xu et al.，2016；祁玉萍等，2018；李君等，2019)以及主應(yīng)變方向研究結(jié)果(Gan et al., 2007；Wang and Shen, 2020)總體上一致；(4)騰沖火山區(qū)地殼應(yīng)力場為走滑型，與該地區(qū)走滑型斷裂相一致，一定程度上反映現(xiàn)今火山活動對淺部地殼應(yīng)力場的影響較小.

云南及鄰區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東側(cè)，該地區(qū)受到印度板塊的側(cè)向擠壓、阿薩姆角的楔入、華南塊體和四川盆地的阻擋以及青藏高原物質(zhì)東流等多種力源的作用 (Zeng and Sun，1993；張培震等，2003；朱守彪和石耀霖，2004)，使得該地區(qū)地震活動和新構(gòu)造變形十分強烈，因此，該地區(qū)應(yīng)力場異常復(fù)雜(謝富仁等，2001；Xu et al.，2016；孫業(yè)君等，2017).本研究中發(fā)現(xiàn)阻尼和無阻尼應(yīng)力場反演時，部分網(wǎng)格應(yīng)力場結(jié)果差異較大，甚至有性質(zhì)不同的結(jié)果出現(xiàn)，這在一定程度上反映了該地區(qū)應(yīng)力場的復(fù)雜性；同時也反映使用區(qū)域應(yīng)力場阻尼反演方法時，特別是在資料較少的網(wǎng)格點，存在過度平滑的可能，從而掩蓋了局部應(yīng)力場的復(fù)雜性.因此，在該方法使用過程中要注意是否存在過度平滑以及在結(jié)果解釋時不能過度解讀局部應(yīng)力場特征.利用大量震源機制解資料，采用區(qū)域應(yīng)力場阻尼反演方法獲得震源機制解資料豐富地區(qū)的應(yīng)力場，所得應(yīng)力場反映了該地區(qū)地殼應(yīng)力場的總體特征，而關(guān)于該地區(qū)應(yīng)力場細(xì)節(jié)特征還需要在資料進(jìn)一步積累的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，以揭示應(yīng)力場空間差異，為解釋應(yīng)力場作用下的斷裂活動及地震發(fā)生空間差異性提供力學(xué)背景.本研究中所用震源機制解資料來源較多，震源機制解結(jié)果精度不一，難以用應(yīng)力場反演殘差直接衡量結(jié)果好壞，因此，提出了定量確定區(qū)域應(yīng)力場阻尼反演網(wǎng)格大小方法，但該方法所用的主應(yīng)力軸不確定范圍和反演殘差是區(qū)域總體平均的結(jié)果，難以保證每個網(wǎng)格的大小達(dá)到最優(yōu).在后續(xù)的應(yīng)力場研究中，我們將繼續(xù)尋求確定最優(yōu)的定量網(wǎng)格大小的方法，為獲得可靠的應(yīng)力場結(jié)果提供保證.

致謝感謝審稿專家提出寶貴的修改意見，感謝國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的波形資料，感謝云南大學(xué)徐彥教授為本研究提供震源機制解資料.此外，本文部分圖件使用GMT繪圖軟件進(jìn)行繪制(Wessel and Smith, 1991).