基于震源應(yīng)力與GPS應(yīng)變分析喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其鄰區(qū)地殼變形特征*

張 晨，季靈運，朱良玉，徐 晶

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

0 引言

印度板塊與歐亞板塊之間的相互擠壓碰撞形成了青藏高原，這是地質(zhì)歷史上最重要的造山事件。喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)屬于該構(gòu)造碰撞的前緣，位于青藏高原東南緣、印度大陸東北以及緬甸板塊西北角。該地區(qū)地貌復(fù)雜，構(gòu)造活動劇烈，且地震頻發(fā)。1900年以來，該地區(qū)發(fā)生5.5級以上地震近百次，且大多數(shù)集中于區(qū)域內(nèi)部的主要地震帶上。因此，該地區(qū)被稱為地震研究天然實驗場(楊建亞等，2017；王凱悅等，2021)。

地殼應(yīng)力是地震孕育和發(fā)生的直接驅(qū)動力(Hardebeck，Michael，2006)，地殼應(yīng)力場的方向也是評估斷層潛在滑移的一個重要參數(shù)，地殼應(yīng)力的時空變化能夠較好地反映地震與應(yīng)力之間的關(guān)系特征，因而能在地震危險性和風(fēng)險評估中發(fā)揮至關(guān)重要的作用(Heidbach，Ben-Avraham，2007；Martinez-Garzon，2014；Walsh，Zoback，2016；吳微微，2020)?，F(xiàn)有推算構(gòu)造應(yīng)力場的方法主要包括：測井?dāng)U張破裂、實地應(yīng)力測量中的水壓破裂和應(yīng)力解除(Zoback，1992；Reynolds，2006)、震源機制解(徐紀(jì)人等，2008；王曉山等，2015；黃驥超等，2016；崔華偉等，2017)、斷層滑移測量(Angelier，1979)等。其中，利用震源機制解求解構(gòu)造應(yīng)力場是研究應(yīng)力構(gòu)造的主要方法(謝富仁等，1993；崔效鋒，謝富仁，1999；Hardebeck，Michael，2006；Wan，2010；Martinez-Garzon，2014；楊帆等，2019；王曉山等，2020)。在所有利用震源機制解反演應(yīng)力場的方法中，阻尼應(yīng)力張量反演(SATSI)是較為成熟的計算方法(Hardebeck，Michael，2006；Zhao，2013；Luo，2015；王曉山等，2015)，該方法被廣泛應(yīng)用于青藏高原地區(qū)的應(yīng)力場研究(徐紀(jì)人等，2008；侯強等，2018；李君等，2019)。

隨著現(xiàn)代大地測量學(xué)的發(fā)展，GPS大地測量技術(shù)已成為地震監(jiān)測以及形變測量的主要手段(王敏，沈正康，2020)，國內(nèi)外學(xué)者利用GPS數(shù)據(jù)獲取了許多構(gòu)造活躍區(qū)域的應(yīng)變率場(Allmendinger，2007)，尤其是喜馬拉雅造山帶(Bilham，1997；Vernant，2015)、青藏高原(張培震等，2002；張清志等，2005)以及阿爾金斷裂帶(鄭文俊等，2009)。前人利用GPS觀測手段和震源機制解，獲取全球范圍的應(yīng)力方向分布圖(Zoback，1992)，該結(jié)果為研究全球地殼應(yīng)力應(yīng)變特征提供了指導(dǎo)作用，但針對喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其周邊地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的精細(xì)分析尚顯不足。

因此，本文利用最新發(fā)表的GPS速度場數(shù)據(jù)，計算喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其鄰區(qū)的地殼應(yīng)變率場，然后收集該地區(qū)≥2.0地震的震源機制解，利用MSATAI程序包反演研究區(qū)的應(yīng)力場，最后對比GPS主應(yīng)變方向與震源應(yīng)力場方向，分析研究區(qū)地殼深淺部構(gòu)造變形特征。

1 GPS數(shù)據(jù)與應(yīng)變率場

為了獲取研究區(qū)的現(xiàn)今GPS應(yīng)變率場，本文使用Wang和Shen(2020)收集的1991—2016年的長期GPS觀測數(shù)據(jù)(圖1)，參考框架為歐亞大陸，采用Shen等(2015)提出的一種通過速度場計算應(yīng)變的方法。該方法較為穩(wěn)健，不依賴于對數(shù)據(jù)的某種假設(shè)，且平衡了穩(wěn)定性與分辨率兩方面，計算結(jié)果更為全面可靠。計算結(jié)果如圖2所示。

圖1 喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其鄰區(qū)速度場

由圖2a可知，最大主應(yīng)變分布自西向東、由北至南呈現(xiàn)順時針偏轉(zhuǎn)。區(qū)域內(nèi)部的大型走滑斷裂，其最大主壓應(yīng)變也較高，表明其具有較為強烈的構(gòu)造變形活動。在96°E以西、30°N以北的青藏高原地區(qū)，應(yīng)變以拉張為主，方向由近EW向逐漸轉(zhuǎn)為NW向；而30°N以南的喜馬拉雅區(qū)域，主要以SN-NE向擠壓為主，主壓應(yīng)變方向近似與板塊邊界相垂直，表明該地區(qū)受到來自印度板塊的NNE擠壓作用。在96°E以東地區(qū)，主要包括地震活動最劇烈的青藏高原東南緣區(qū)域——川滇菱形塊體，該區(qū)域受華南地塊的阻擋，主應(yīng)變復(fù)雜多變，整體表現(xiàn)為繞喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)呈SN-NNW-NW向的順時針偏轉(zhuǎn)。巴顏喀拉塊體內(nèi)部主壓應(yīng)變方向為近EW向，川滇菱形塊體東邊界主壓應(yīng)變方向從北向南逐漸由近EW向轉(zhuǎn)為近NW向。最大剪應(yīng)變率高值區(qū)主要位于川滇菱形塊體東邊界，甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶及其周邊次級斷裂(圖2b)。本文研究區(qū)應(yīng)變率場結(jié)果與前人研究得出的空間分布特性一致。

圖2 喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其鄰區(qū)面應(yīng)變率(a)和最大剪應(yīng)變率(b)分布

2 震源機制解數(shù)據(jù)與應(yīng)力反演

本文使用的數(shù)據(jù)為1976年1月1日至2020年9月25日喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及周邊地區(qū)(23°～34°N，90°～105°E)的7 092個震源機制解，對應(yīng)震級范圍為2～7.9級。其中，420個震源機制解數(shù)據(jù)來源于GCMT(Global Centroid-Moment-Tenso)，對應(yīng)震級范圍為4.7～7.9級，其余數(shù)據(jù)來源于四川地震臺，震級范圍為2～6.2級。按照Aki和Richards(1980)的分類方法對震源機制解數(shù)據(jù)進行分類(圖3)，分別是：正斷層，逆斷層，走滑斷層以及斜滑斷層，具體分類依據(jù)見表1。

圖3 喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其鄰區(qū)震源機制解分布

表1 本文研究震源機制解劃分依據(jù)

通常情況下，由于研究區(qū)空間應(yīng)力場分布的非均勻性，我們常將其劃分成更為細(xì)小的多個子區(qū)域，并獨立擬合出每個子區(qū)域的應(yīng)力張量，但這種模型下的應(yīng)力場空間變化存在難以解釋的情況。因此本文采用阻尼應(yīng)力張量反演法盡可能消除應(yīng)力變化產(chǎn)生的虛假信息，該方法能使相鄰子區(qū)域的應(yīng)力張量分量之間的差異最小化，也令震源機制解與應(yīng)力張量的匹配程度達到最高。鑒于該方法在空間應(yīng)力場分布反演上具有極大潛力，Material-Garzon等(2014)在SATSI算法的基礎(chǔ)上開發(fā)了MATLAB環(huán)境中運行計算的MSATAI程序包。在進行應(yīng)力張量反演時，將震源機制解數(shù)據(jù)按照0.5°×0.5°的網(wǎng)格進行分區(qū)，共計660個子區(qū)域，如圖4a所示。在輸入?yún)?shù)設(shè)置時，為了保證更多的子區(qū)域能夠反演得到應(yīng)力結(jié)果，將每個網(wǎng)格地震最少個數(shù)設(shè)置為1，但由于每個子區(qū)域至少需要包含4個地震數(shù)據(jù)才能計算，此時，程序會根據(jù)該子區(qū)域周圍的震源機制解對該區(qū)域的應(yīng)力張量反演進行約束。最后，對于該區(qū)域，本文選取最佳阻尼系數(shù)為1.2(圖4b)。

圖4 0.5°×0.5°網(wǎng)格地震數(shù)目統(tǒng)計(a)及模型擬合曲線圖(b)

本文的反演結(jié)果提供了3個主應(yīng)力軸的方向以及反映3個主應(yīng)力相對大小的參數(shù)：應(yīng)力形因子(Pesicek，2010)，可表示為：

(1)

式中：、和分別是最大主壓應(yīng)力、中間主壓應(yīng)力以及最小主壓應(yīng)力；主要反映中間應(yīng)力更接近于最大主壓應(yīng)力或是最小主壓應(yīng)力，其取值為0～1。當(dāng)<05時，求得的最大主張應(yīng)力軸(最小主壓應(yīng)力軸)方向可靠性較最大主壓應(yīng)力軸的方向相對較高，此時，中間應(yīng)力呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，與的大小表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，即越小，中間應(yīng)力軸壓應(yīng)力越明顯；當(dāng)>05時，最大主壓應(yīng)力軸的方向可靠性更大，中間應(yīng)力呈現(xiàn)張應(yīng)力，與的大小表現(xiàn)為正相關(guān)。極端情況下，=1時，最大主壓軸確定、最大主張軸不確定；=05時，兩軸均確定；=0時，最大主張軸確定、最大主壓軸不確定。

利用上述震源機制解數(shù)據(jù)，通過MSATAI程序包反演得到研究區(qū)的應(yīng)力結(jié)果，如圖5a所示，藍色線段代表最大主壓應(yīng)力軸，紅色線段代表最小主壓應(yīng)力軸。線段的長度表示應(yīng)力軸傾角的大小，線段越短傾角越大，越長則傾角越小。

圖5 震源應(yīng)力場反演結(jié)果(a)、應(yīng)力形因子R與最大水平應(yīng)力SHmax分布結(jié)果(b)

為了更加清晰直觀地展示該區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，本文基于Lund和 Townend(2007)提出的最大水平應(yīng)力計算方法，獲取了該區(qū)域的最大水平應(yīng)力分布情況，如圖5b所示，圖中紅色直線表示最大水平應(yīng)力max，最大水平應(yīng)力的背景值為應(yīng)力形因子。

3 研究結(jié)果

3.1 應(yīng)力場反演結(jié)果

從圖5a可以看出，在99°E以西地區(qū)，為NE向，呈NWW或NW走向；在羌塘塊體內(nèi)部，垂直于斷裂走向，則與斷裂走向平行；自西向東、由北向南存在NNE-NE向偏轉(zhuǎn)，軸傾角也逐漸增大，其中怒江、瀾滄江斷裂處軸傾角近垂直(Qiu，Qiao，2017)；自西向東呈現(xiàn)出NWW-NW向偏轉(zhuǎn)，且該區(qū)域的軸傾角較小，接近于水平。在緬甸弧俯沖帶區(qū)域指向NNE向，指向SEE向。

在99°E以東地區(qū)，由北至南呈現(xiàn)EW-SEE-NS的偏轉(zhuǎn)，軸傾角也存在較大的變化。巴顏喀拉塊體內(nèi)部、川滇菱形塊體東邊界軸傾角較小，其西邊界軸傾角較大；表現(xiàn)為NS-NNE-EW的順時針偏轉(zhuǎn)，軸傾角較小。該區(qū)域主要是地震活動最強烈的川滇菱形塊體，應(yīng)力方向在區(qū)域內(nèi)存在很大差異，川滇菱形塊體東邊界主要為主壓應(yīng)力方向是SEE向的走滑斷層，其西邊界則主要是主壓方向為SSE向的正斷結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部西北區(qū)域為正斷型應(yīng)力狀態(tài)，主要集中于金沙江斷裂帶以及理塘斷裂，龍門山斷裂則主要為逆斷型應(yīng)力狀態(tài)。

從圖5b可以看出，區(qū)域內(nèi)最大水平應(yīng)力max方向呈現(xiàn)出較為明顯的分區(qū)特征。96°E以西地區(qū)，max主要為NNE向，且在羌塘地塊內(nèi)部<0.5，表明該區(qū)域處于雙軸壓縮狀態(tài)；96°～99°E范圍內(nèi)，max方向呈現(xiàn)出NNE-NE-WE的偏轉(zhuǎn)，該范圍屬于應(yīng)力軸方向偏轉(zhuǎn)的過渡區(qū)域，值大部分都大于0.5，表明與雙軸拉張；99°E以東地區(qū)，max表現(xiàn)為圍繞喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)的順時針偏轉(zhuǎn)特征。本文所獲應(yīng)力場分布與已有研究結(jié)果基本一致(徐志剛，2017；Zhao，2013)。

本文所反演的應(yīng)力場結(jié)果與該區(qū)域內(nèi)的地震類型較為吻合，可見，使用該方法能較為準(zhǔn)確地反演出區(qū)域震源應(yīng)力場狀態(tài)，這為我們分析地殼深部構(gòu)造應(yīng)力方向提供了一種可靠約束。

3.2 GPS主應(yīng)變率與最大水平應(yīng)力SHmax

GPS觀測可提供地殼淺部的應(yīng)變結(jié)果，而震源機制解所反演的應(yīng)力場結(jié)果則從地殼深部揭示了地球動力學(xué)過程(Pan，2020)。將兩者相結(jié)合分析，有助于認(rèn)識研究區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)以及構(gòu)造活動。因此，將GPS主壓應(yīng)變率方向與利用震源機制解所獲取的最大水平應(yīng)力max進行比較分析，如圖6所示，從而更好地認(rèn)識研究區(qū)的地殼構(gòu)造變形特征。由圖6可知，整體上，最大水平應(yīng)力max方向與GPS主壓應(yīng)變的方向幾乎一致，呈現(xiàn)出順時針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。為了精細(xì)分析圖6反映的各區(qū)域主要特征，將研究區(qū)分為A、B、C、D、E、F 六個區(qū)域。其中，A區(qū)主要包括羌塘地塊的東南部分，B區(qū)主要是印度板塊東北部的阿薩姆地區(qū)，E區(qū)則主要是滇西北區(qū)域，F(xiàn)區(qū)域主要是滇南塊體范圍，C區(qū)域范圍最小，位于羌塘塊體中部。A、E、F三個區(qū)域?qū)⒋ǖ崃庑螇K體的西邊界包含于其中，D區(qū)域包含川滇菱形塊體的東邊界以及塊體內(nèi)部。

圖6 GPS主壓應(yīng)變率方向與最大水平應(yīng)力SHmax方向?qū)Ρ?/p>

按照上述分區(qū)，本文統(tǒng)計了該區(qū)域兩種方向的夾角，如圖7所示。其中，角度小于10°的占40%，10°～20°占比25.1%；夾角均值在A區(qū)為39.33°，在B區(qū)為37.35°，在C區(qū)為38.8°，在E、F區(qū)分別為42.63°、28.71°。GPS主壓應(yīng)變方向與最大水平應(yīng)力軸方向分布方向一致的D區(qū)夾角均值為5.3°。

圖7 GPS主壓應(yīng)變方向與最大水平應(yīng)力SHmax方向夾角統(tǒng)計(a)、分區(qū)夾角均值(b)

由上述應(yīng)力場反演與統(tǒng)計結(jié)果可知，在川滇菱形塊體東邊界以及塊體內(nèi)部，最大水平應(yīng)力max優(yōu)勢方向與GPS主壓應(yīng)變幾乎相同，且由北向南呈現(xiàn)NS-NW的偏轉(zhuǎn)，表明該處地表淺部與上地殼深部受到了相同機制的驅(qū)動力；青藏高原向東南部擠出的作用力在川滇菱形塊體東邊界一直延續(xù)至小江斷裂。而在川滇菱形塊體西邊界，最大水平應(yīng)力max優(yōu)勢方向與GPS主壓應(yīng)變展現(xiàn)出不一致性，位于滇西南塊體的紅河斷裂以及瀾滄江斷裂附近區(qū)域也存在此現(xiàn)象，說明在上地殼深、淺部可能具有不相同的驅(qū)動機制。

4 討論

本文所獲取的GPS主壓應(yīng)變方向與max方向分別從地殼淺部與深部提供了認(rèn)識該區(qū)域構(gòu)造活動的兩種方式。但應(yīng)力分布可能受到局部構(gòu)造環(huán)境或者其它外部因素影響，因此在對結(jié)果的分析中需要綜合考慮其它因素。

4.1 川滇菱形塊體西邊界SHmax與GPS主壓應(yīng)變方向差異分析

楊曉松和馬瑾(2003)研究表明，青藏高原及其周邊地區(qū)表現(xiàn)為地殼內(nèi)部解耦現(xiàn)象，且在其東南緣該現(xiàn)象更為明顯。印度板塊向歐亞大陸的俯沖作用帶來NNE向的壓力，該作用力與青藏高原東南向的逃逸擠出相互作用(圖8)，可能是造成區(qū)域A、B、E區(qū)差異較大的主要原因。

圖8 喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其鄰區(qū)地殼變形模式的示意圖

常利軍等(2015)指出，在青藏高原東構(gòu)造結(jié)內(nèi)部及其周邊地區(qū)，測量的快波方向分別與最大左旋剪切方向和最大拉伸方向一致；通過GPS應(yīng)變計算所得的地幔各向異性與測量的快波方向的一致性進一步說明該地區(qū)巖石圈變形屬于垂直連貫變形模式。然而，本文反演結(jié)果中A區(qū)GPS主壓應(yīng)變與max方向存在較大差異，產(chǎn)生這種差異的原因可能有2個：一是震源機制解獲取的地殼應(yīng)力場是地殼彈性層以上的應(yīng)力方向，而常利軍等(2015)獲取的快波方向是上地幔與地殼累積效應(yīng)，觀測應(yīng)力方向的深部不一致；二是震源機制解的應(yīng)力場方向是近50 a的結(jié)果，而快波方向通常被認(rèn)為是巖石晶格長達百萬年尺度的構(gòu)造作用下產(chǎn)生的方向，兩者在時間尺度上存在較大差異。因此，本文結(jié)果與通過快波方向得到的結(jié)果可能并不是同一種物理量。此外，該分區(qū)的震源機制解數(shù)據(jù)較少，也可能對結(jié)果有一定影響。

4.2 滇西南塊體SHmax與GPS主壓應(yīng)變差異分析

F區(qū)主要包含紅河斷裂以及瀾滄江斷裂兩條主要斷裂帶。GPS觀測顯示該區(qū)地殼主要圍繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)旋轉(zhuǎn)，方向為近SN向或NEE向；地球物理等多方面觀測資料顯示，緬甸微板塊下方呈現(xiàn)高度傾斜的俯沖狀態(tài)，層析成像結(jié)果顯示在印緬山脈下方有一個高速異常體向東俯沖(Pesicek，2010)，而同時緬甸微板塊整體隨印度板塊向北移動?？觳ńY(jié)果表現(xiàn)出近EW向的形變，該處軟流圈上涌，致使巖石圈減薄，SKS剪切波更多反映的是軟流圈的方向，拖拽巖石圈下部一起運動，導(dǎo)致上下解耦，但速度場剖面結(jié)果顯示該區(qū)域沒有成熟的殼內(nèi)軟弱帶，可能的原因是巖石圈的下沉引起如軟流層拖拽力不強烈。這些使得地殼內(nèi)耦合，巖石圈與軟流圈解耦(侯強等，2018)，可能是引起F區(qū)中GPS主壓應(yīng)變與max方向分布雜亂的原因。

4.3 喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)SHmax與GPS主壓應(yīng)變差異分析

地震各向異性特性可以反映區(qū)域應(yīng)力場、變形特征以及斷裂活動特征，有助于研究地殼深部構(gòu)造以及動力學(xué)機制。王凱悅等(2021)研究表明，在活動斷裂或其附近快波偏振方向與斷裂走向相一致。在拉薩地塊東部地區(qū)，郭鐵龍和高原(2020)關(guān)于剪切波分裂研究結(jié)果表明快波偏振方向為NS或NNE，這與本文B區(qū)右上角拉薩地塊內(nèi)部水平最大主壓應(yīng)力方向吻合；在察隅斷裂南部，近震直達S波分裂結(jié)果表明，快波偏振優(yōu)勢方向與斷裂走向一致，為NW向(黃臣宇等，2021)，與本文B區(qū)左下角最大水平應(yīng)力方向一致；在印度板塊東北角的阿薩姆地區(qū)，應(yīng)力反演結(jié)果與印度板塊向歐亞板塊NE或NNE向擠壓作用方向一致；而該區(qū)域GPS觀測數(shù)據(jù)較少，這可能是導(dǎo)致B區(qū)max與GPS主壓應(yīng)變方向存在差異的原因。

5 結(jié)論

本文主要利用喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)及其鄰區(qū)≥2.0震源機制解計算得到max方向與GPS主壓應(yīng)變方向，并對二者進行比較，以研究該區(qū)的變形模式。研究結(jié)果表明：

(1)在川滇菱形塊體東邊界以及塊體內(nèi)部，最大水平應(yīng)力max方向與GPS主壓應(yīng)變方向基本一致，且由北向南呈現(xiàn)NS-NW向偏轉(zhuǎn)，方向變化具有一定的連續(xù)性，說明該處地表淺部與上地殼深部受到了相同機制的驅(qū)動力；青藏高原向南部擠出的作用力在川滇菱形塊體東邊界從鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂一直延續(xù)至小江斷裂。

(2)在川滇菱形塊體西邊界，max方向與GPS主壓應(yīng)變呈現(xiàn)出了顯著的差異性，可能由于其構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，深、淺部存在差異運動，在上地殼深、淺部具有不相同的驅(qū)動機制；在紅河斷裂附近區(qū)域，max方向與GPS主壓應(yīng)變方向也存在差異，可能是由于緬甸板塊的俯沖作用力與巖石圈的下沉引起的軟流層拖拽力等的共同結(jié)果。

感謝四川地震臺龍鋒高級工程師為本文研究提供的震源機制解數(shù)據(jù)。