基于構(gòu)造應力場識別震源機制解節(jié)面中發(fā)震斷層面
——以盈江地區(qū)為例

盛書中, 陳桂華, 徐錫偉, 萬永革, 李紅星,宮猛, 王向騰, 張雄, 張瀟

1 東華理工大學地球物理與測控技術(shù)學院， 南昌 330013 2 中國地震局地質(zhì)研究所， 北京 100029 3 應急管理部國家自然災害防治研究院, 北京 100085 4 防災科技學院， 河北三河 065201

0 引言

云南盈江地區(qū)位于中緬邊境，地處歐亞板塊與印度板塊碰撞帶，斷裂構(gòu)造發(fā)育，中強震活躍，因而備受研究者關注.研究者圍繞盈江地區(qū)斷裂構(gòu)造、中強震發(fā)震構(gòu)造、震源機制解和地震重定位等開展了一系列研究工作(安曉文等，2009；黃小龍等，2015)，且對于歷次中強震發(fā)震構(gòu)造研究大體上獲得了共識(徐彥等，2012；房立華等，2011；趙小艷等，2012；趙旭等，2014；Xu et al.，2015，2020；楊婷等，2016)，因此，為本研究嘗試利用應力場識別震源機制解節(jié)面中發(fā)震斷層面提供了良好的研究基礎.

本研究將在反演每個地震震源處應力場的基礎上，計算該地震震源機制解兩個節(jié)面的不穩(wěn)定系數(shù)，將不穩(wěn)定系數(shù)高的節(jié)面視為發(fā)震斷層面，最后對盈江地區(qū)5次中強震及小震斷層面識別結(jié)果進行深入分析和討論，為后續(xù)震源機制解節(jié)面中發(fā)震斷層面識別以及發(fā)震構(gòu)造研究等工作提供參考.

1 方法和數(shù)據(jù)

(1)

上式中，τc和σc為最易滑動斷層面上的剪切應力和有效正應力，對應圖1中左側(cè)點示意的斷層面；τ和σ為待求斷層面上的剪切應力和有效正應力，對應圖1中右側(cè)點示意的斷層面.上式中I值和應力的絕對大小無關，僅取決于摩擦系數(shù)μ、應力比R和斷層面法向n在應力主軸坐標系中的方向余弦，因此，進一步假設三個主應力大小為(以壓為正)：

σ1=1,σ2=1-2R,σ3=-1,

(2)

式中的R為應力比，其定義式為

(3)

根據(jù)庫侖剪切破裂準則，可以得到最優(yōu)方位斷層面上的剪切應力τc和有效正應力σc為

(4)

因此，式(1)可以進一步簡化為

(5)

式中

(6)

(7)

圖1 斷層不穩(wěn)定系數(shù)定義的莫爾圓示意圖 圖中左側(cè)點和右側(cè)點示意最不穩(wěn)定斷層和待求斷層.Fig.1 The definition of the fault instability in the Mohr′s diagram The left and right dot mark the most unstable fault and the fault to be calculated.

本研究中盈江地區(qū)為：24.5°N—25.2°N，97.6°E—98.2°E.從Xu等(2020)的研究中獲得自2008年3月21日—2014年11月19日的震源機制解262個，其空間分布情況見圖2，所用地震MW范圍為：3.03～5.82，震源深度主要分布在20 km以內(nèi).參考Zoback(1992)的分類方法，震源機制解類型為：正斷層型15個，正斷走滑型10個，走滑型189個，逆沖兼走滑型6個，逆沖型6個，過渡型36個，可見，盈江地區(qū)地震以走滑型地震為主.

2 計算結(jié)果及分析

圖2 本研究所用震源機制解空間分布圖 圖中斷層資料參考徐彥等(2012)和黃小龍等(2015).Fig.2 The spatial distribution of focal mechanism used in this study Fault in theFigure refer to Xu et al. (2012) and Huang et al. (2015).

表1 中強震參數(shù)及其節(jié)面上的不穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果表Table 1 The parameter of the moderate earthquakes and the fault instability of their nodal plane

圖3 每個地震震源處最大主應力走向(a)和摩擦系數(shù)(b)分布(a) 左上角插圖為所有地震震源處應力場反演結(jié)果圖，(a)右下角插圖為最大主壓應力軸傾角統(tǒng)計圖.Fig.3 Distribution of maximum principal stress direction(a) and fault friction (b) at each earthquake hypocenter The illustration in the upper left corner of(a) shows the inversion results of stress field at each hypocenter, and the illustration in the lower right corner of(a) shows the dip angle statistical diagram of the maximum compressive principal stress.

圖4 基于應力場識別出的斷層面走向分布圖(a) 斷層面走向及斷層不穩(wěn)定系數(shù)圖，插圖為發(fā)震斷層面走向統(tǒng)計圖，箭頭對示意最大主壓應力軸方位. (b) 斷層面走向及震源深度圖，插圖為斷層面傾角分布統(tǒng)計圖.Fig.4 Distribution of fault orientation based on stress field identification(a) The fault orientation and fault instability diagram, and the illustration is the statistical graph of the orientation of the seismic fault plane, the arrow pair indicate the orientation of the maximum compressive principal stress. (b) Fault orientation and focal depth diagram, and the illustration is a statistical diagram of dip angle of fault plane.

2.1 盈江地區(qū)5次中強震發(fā)震斷層面

2008年3月21日發(fā)生的MS5.0地震斷層面識別結(jié)果為其NEE向節(jié)面(圖4)，該節(jié)面走向與震中附近的大盈江斷裂西南段走向基本一致，該結(jié)果與先前通過地震序列重定位和震源機制解研究獲得的認識是一致的(徐彥等，2012).該NEE向節(jié)面的傾角為65°，該傾角與先前研究認為的大盈江斷裂西南段傾角45°～75°是相符的(安曉文等，2009).

2008年8月21日發(fā)生的MS5.9地震斷層面識別結(jié)果為其近NS向節(jié)面(圖4)，該節(jié)面走向與震中附近的近NS向蘇典斷裂走向基本一致.秦劉冰等(2014)基于測定質(zhì)心震中與起始震中的差異測定了該次地震破裂方向，判斷該次地震為向南的單側(cè)破裂，該結(jié)果與地震序列展布相一致(徐彥等，2012)，因此，可以判斷本研究識別出的發(fā)震斷層面為近NS向節(jié)面是可靠的.

2011年3月10日發(fā)生的MS5.9地震斷層面識別結(jié)果為其近NEE向節(jié)面(圖4)，相應的傾角為75°.研究人員對該次地震發(fā)震構(gòu)造開展了一系列研究，基于震源機制解、地震序列定位結(jié)果、地震烈度等震線分布、地表形變帶和區(qū)域構(gòu)造活動特征等研究認為該次地震發(fā)震構(gòu)造為大盈江斷裂(付虹等，2011；趙小艷等，2012；張彥琪等，2014)，該研究結(jié)果和本研究識別出的發(fā)震斷層面是一致的；且本研究所得傾角在先前研究給出的大盈江斷裂西南段傾角45°～75°的范圍內(nèi)(安曉文等，2009).

2014年5月23日發(fā)生的MS5.9地震斷層面識別結(jié)果為其近NEE向節(jié)面，2014年5月30日發(fā)生的MS6.1地震斷層面識別結(jié)果為其近NS向節(jié)面(圖4).趙旭等(2014)基于震源機制解和有限斷層模型研究，研究結(jié)果表明5月30日發(fā)生的MS6.1地震發(fā)生在一條走向為近NS向的斷層上.黃小龍等(2015)為確定2014年地震序列的發(fā)震構(gòu)造，對地震區(qū)開展了地震烈度調(diào)查、活動構(gòu)造遙感解譯、地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造地貌野外調(diào)查、震源機制解及余震分布資料分析等研究工作，研究結(jié)果表明：兩次地震發(fā)震斷層明顯不同，5月23日地震發(fā)震斷層為NE走向左旋走滑的昔馬—盤龍山斷裂，5月30日地震發(fā)震斷層為近NS向右旋走滑的蘇典斷裂，該結(jié)果與本研究識別出的斷層面走向是一致的.黃小龍等(2015)認為5月30日地震發(fā)震斷層為近NS向蘇典斷裂，而本研究中該次地震震中位置與蘇典斷裂距離較遠，因此，本研究推測該次地震的發(fā)震斷層應該和蘇典斷裂無關，可能是與蘇典斷裂平行的斷裂發(fā)震，上述差異產(chǎn)生的原因可能是兩個研究中所用的斷層資料和地震參數(shù)存在差異，導致了上述發(fā)震斷層判定上的差異.綜合上述分析，本研究認為5月23日地震發(fā)震斷層為NE走向的昔馬—盤龍山斷裂；5月30日地震發(fā)震斷層為其震源機制解中近NS向節(jié)面，可能為與蘇典斷裂平行的斷裂發(fā)震.

2.2 盈江地區(qū)區(qū)域地震發(fā)震斷層

盈江地區(qū)斷層傾角主要分布在60°以上(圖4b)，前文震源機制解類型統(tǒng)計結(jié)果表明該地區(qū)震源機制解主要為走滑型，可見，盈江地區(qū)地震以高傾角走滑型地震為主.基于應力場識別出的盈江地區(qū)發(fā)震斷層走向優(yōu)勢方位集中在近NS向和NEE向(圖4a)，總體上呈共軛分布，共軛斷層走向夾角約為60°.由圖3a可見，盈江地區(qū)最大和最小主壓應力軸近水平，中間主應力軸近似直立，該地區(qū)地殼應力場類型為走滑型.由上述應力場和斷層信息可見，盈江地區(qū)的發(fā)震斷層及其應力狀態(tài)符合安德森斷層形成力學理論，即中間主應力軸近似直立時，最大主壓應力軸與斷層成30°～45°角(Anderson，1951；Marshak and Mitra, 1988)，這在一定程度上反映了本研究識別出的發(fā)震斷層面是可靠的.

本研究斷層識別結(jié)果表明2011年盈江地震序列存在共軛型發(fā)震(見圖4)，即在2011年盈江地震區(qū)斷層識別結(jié)果顯示一部分發(fā)震斷層走向與大盈江斷裂走向一致，呈NE向展布；其余發(fā)震斷層走向呈SSE向，該結(jié)果與先前研究結(jié)果較為一致(付虹等，2011；房立華等，2011；Lei et al.，2012；趙小艷等，2013；張彥琪等，2014；張廣偉，2016).付虹等(2011)研究發(fā)現(xiàn)2011年3月的主震前所有的小震活動主要沿北東向分布，主震發(fā)生后，隨即在北西向出現(xiàn)小震活動，地震活動呈現(xiàn)共軛條帶分布，該觀點與張彥琪等(2014)的認識是一致的.趙小艷等(2013)對2011年3月盈江地震序列進行精定位，精定位結(jié)果表明該地震余震呈共軛條帶分布：一部分沿大盈江斷裂呈NE向分布，另一部分沿垂直于大盈江斷裂的隱伏錯斷呈SSE向分布，該結(jié)果與張廣偉(2016)重定位研究結(jié)果相似.

在蘇典斷裂北部，有一條近南北向條帶狀分布的震源機制解，本研究識別出該條帶狀地震叢的發(fā)震斷層面走向均為NS向(圖4)，總體上展現(xiàn)出的發(fā)震構(gòu)造走向與近NS蘇典斷裂一致.本研究識別出斷層走向線位置為震中，即震源在地表的投影，其與蘇典斷裂的距離約為4 km左右(圖4b)，這些地震的深度大體在10 km左右；蘇典斷裂傾向西，傾角50°～85°，可見，這些地震大體位于蘇典斷裂上.因此，本研究推斷這些線狀分布發(fā)震斷層是蘇典斷裂的活動.本研究連續(xù)穩(wěn)定地識別出蘇典斷裂上地震的發(fā)震斷層面，一定程度上反映本研究識別的發(fā)震斷層可靠性較高.

3 討論

大盈江斷裂附近發(fā)震斷層面識別結(jié)果顯示：一部分發(fā)震斷層走向與大盈江斷裂呈斜交，可能是其共軛斷層發(fā)震，這與研究顯示大盈江斷裂存在共軛發(fā)震是相符的(付虹等，2011；房立華等，2011；Lei et al.，2012；趙小艷等，2013；張彥琪等，2014；張廣偉，2016)；另一部分發(fā)震斷層展布與大盈江斷裂一致.與大盈江斷裂展布方向一致的發(fā)震斷層識別結(jié)果給出的發(fā)震斷層走向約250°，這一走向與大盈江斷裂西南段走向50°～80°呈反方向(安曉文等，2009；張彥琪等，2014)，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是大盈江斷裂傾角較陡，在震源機制解反演中受到的約束相對較差引起的.

先前有關研究盈江地區(qū)發(fā)震構(gòu)造研究結(jié)果，多數(shù)與本研究對盈江地區(qū)5次中強震發(fā)震斷層面判定結(jié)果一致，但也有個別研究存在差異，如關于2014年5月30日盈江地震發(fā)震斷層面的判斷就存在差異 (王清東，2015；Xu et al., 2015).2014年5月23日和30日盈江地區(qū)發(fā)生了MS5.9和MS6.1雙震，地震發(fā)生后受到地球物理學者的普遍關注，并就其發(fā)震構(gòu)造開展了一系列研究工作.基于雙差重定位后震中分布，王清東(2015) 推斷在震源區(qū)可能存在一條與大盈江斷裂平行的隱伏斷裂為5月30日MS6.1盈江地震的發(fā)震構(gòu)造.楊婷等(2016)對該次盈江地震序列進行了雙差定位，基于重定位后震中分布，推測5月30日MS6.1盈江地震發(fā)生在距離卡場—大竹寨斷裂只有4.5 km的次級斷裂上；且該次地震震中分布有別于其他走滑型地震的細長線性分布，該次地震震中分布寬度相對較寬，反映該次地震為共軛破裂，可見本次地震較為復雜.黃小龍等(2015) 在綜合地震烈度等震線分布、余震分布、震源機制解、震源深度關系及遙感解譯和實地調(diào)查結(jié)果的基礎上，判定盈江MS6.1地震的發(fā)震斷層為近NS向蘇典斷裂，該研究所用資料種類多且有詳實的地質(zhì)調(diào)查，因此，本研究認為該研究對發(fā)震斷層面走向的判斷較為可靠.本研究中，蘇典斷裂位置參考徐彥等(2012)，圖4顯示2014年5月30日MS6.1盈江地震震中離蘇典斷裂距離較遠，表明該次地震發(fā)生在蘇典斷裂上的可能性較小.趙旭等(2014)基于震源機制解和有限斷層模型研究，判定5月30日MS6.1地震發(fā)震斷層為近NS向的斷層.綜合上述結(jié)果，本研究認為5月30日地震發(fā)震斷層為其震源機制解中近NS向節(jié)面，可能為與蘇典斷裂平行的斷裂發(fā)震.2014年5月30日MS6.1盈江地震發(fā)震斷層面判定差異可能是該雙震序列的余震空間分布較為復雜引起的，特別是該次地震可能還存在共軛破裂，因此，基于定位結(jié)果判定共軛型中強震發(fā)震構(gòu)造可能會遇到困難，本研究基于應力場準確判斷其發(fā)震構(gòu)造，一定程度上反映了基于應力場判定震源機制解節(jié)面中發(fā)震斷層面方法在某些情況下具有一定的優(yōu)勢.

本研究對研究程度較高的5次中強震發(fā)震斷層面判定結(jié)果進行了詳細的對比分析，說明了基于應力場識別震源機制解節(jié)面中實際發(fā)震斷層面方法的可靠性.此外，還有大量小震的斷層面判定結(jié)果由于受當前對小震發(fā)震構(gòu)造研究程度的限制，缺乏其他研究結(jié)果作為參照，未能一一進行比對和核實，但從以下三個方面來看，所得結(jié)果是可靠的.首先，研究區(qū)總體斷層面識別結(jié)果顯示出盈江地區(qū)發(fā)震斷層走向優(yōu)勢分布為近NS向和NEE向，呈現(xiàn)出共軛發(fā)震，共軛斷層走向夾角約為60°，研究區(qū)最大主壓應力方向為NNE向，可見，該共軛斷層走向與區(qū)域最大主壓應力方向關系符合安德森斷層理論.其次，2011年3月10日MS5.9盈江地震的有關研究結(jié)果認為該次地震存在共軛破裂活動(付虹等，2011；趙小艷等，2012；張彥琪等，2014)，其中一支沿大盈江斷裂呈NE向分布，另一支沿垂直于大盈江斷裂的隱伏錯斷呈SSE向分布；本研究對該次地震序列發(fā)震斷層面的識別結(jié)果也顯示出共軛發(fā)震的特點(圖4)，該現(xiàn)象一定程度上說明本研究結(jié)果是合理的.最后，在蘇典斷裂北部，本研究識別出一條南北向連續(xù)展布的發(fā)震斷層，考慮到蘇典斷裂傾向西以及震中位置與地表斷層線間距離、蘇典斷裂傾角和這些地震的震源深度，大體上可以判斷該發(fā)震斷層為蘇典斷裂，該結(jié)果也一定程度上說明了本方法識別發(fā)震斷層的可靠性.綜上，大量的小震發(fā)震斷層面識別結(jié)果雖未能一一核實，但從上述分析可見其識別結(jié)果具有較高的可靠性.

對于共軛型地震序列，發(fā)震斷層面的準確判定還需要進一步深入研究.從表1中5次中強震兩個節(jié)面上的不穩(wěn)定系數(shù)來看，事件1、2和4兩個節(jié)面上的不穩(wěn)定系數(shù)差異較大，一定程度上反映結(jié)果較為穩(wěn)定和可靠；事件3和5兩個節(jié)面上的不穩(wěn)定系數(shù)均非常高且差異小，表明兩個節(jié)面均不穩(wěn)定，即存在共軛破裂的可能，其中事件3與相關研究表明其地震序列的共軛發(fā)震現(xiàn)象相符(付虹等，2011；房立華等，2011；Lei et al.，2012；張廣偉，2016).此外，大量小震發(fā)震斷層面識別結(jié)果的宏觀分析表明發(fā)震斷層面識別結(jié)果具有較高的可信度，但是具體到每一個確切的地震事件時，我們難以確定其斷層面識別結(jié)果是否準確.兩個相鄰小地震的發(fā)震斷層面識別結(jié)果存在差異，這是由于共軛斷層發(fā)震引起的，還是本方法識別能力所限，或是由于其他因素引起的，這還有待于進一步研究.我們將進一步深入研究本方法對各類型地震的普適性，以及研究結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性及其影響因素.

本研究5次中強震發(fā)震斷層面判定結(jié)果中4次為已有斷裂的發(fā)震，一定程度上反映中強震的發(fā)生，大體上可以歸結(jié)為已有主要斷層的活動.從總體發(fā)震斷層面走向統(tǒng)計結(jié)果和盈江地區(qū)發(fā)震斷層走向的空間分布可見，小震的發(fā)震既可能是已有主要斷裂的活動，又可能為與主震斷裂共軛的微小構(gòu)造發(fā)震，反映小震的發(fā)生相對于較大地震在發(fā)震斷層及其空間位置上具有一定的隨機性.那么是否存在某一震級閾值，大于該閾值震級的地震都能找到其對應的發(fā)震斷裂，還有待于進一步深入研究和開展更多的震例研究，這將是我們下一步的研究工作.

基于構(gòu)造應力場判定震源機制解節(jié)面中實際發(fā)震斷層面方法具有明確的物理意義，為快速準確地確定中小地震發(fā)震斷層提供了新方法.當前構(gòu)造應力場研究大體上獲得了全球應力狀態(tài)(謝富仁等，2004；楊樹新，2013；Heidbach et al., 2016)，為該方法用于快速準確地判定發(fā)震構(gòu)造提供了基礎，因此，該方法可以為地震應急、震后趨勢判定和分析、應力觸發(fā)、應力場等工作和研究提供基礎數(shù)據(jù)和新的支撐.

4 結(jié)論

本研究將基于構(gòu)造應力場判定震源機制解節(jié)面中發(fā)震斷層面方法應用于云南盈江地區(qū)，對該地區(qū)發(fā)生在2008年3月21日—2014年11月19日間的5次中強震序列發(fā)震斷層面進行識別，獲得以下結(jié)論：(1) 2008年3月21日和2011年3月10日地震的發(fā)震斷層為震源機制解中NEE向節(jié)面，對應震中附近的大盈江斷裂；2008年8月21日地震的發(fā)震斷層為震源機制解中NS向節(jié)面，對應震中附近的近NS向蘇典斷裂；2014年5月23日地震斷層面識別結(jié)果為其近NEE向節(jié)面，其發(fā)震斷層可能為昔馬—盤龍山斷裂；2014年5月30日地震斷層面識別結(jié)果為其近NS向節(jié)面，推測其發(fā)震斷層可能是與蘇典斷裂平行的斷裂，上述5次中強震發(fā)震斷層面判定結(jié)果和已有研究結(jié)果相一致.(2) 盈江地區(qū)總體斷層面識別結(jié)果顯示盈江地區(qū)發(fā)震斷層走向優(yōu)勢分布為近NS向和NEE向，呈現(xiàn)出共軛發(fā)震，共軛斷層走向夾角約為60°，研究區(qū)應力場的最大主壓應力方向為NNE向；斷層總體走向和最大主壓應力軸走向符合安德森斷層理論.(3) 本研究表明基于應力場識別震源機制解中實際發(fā)震斷層面方法物理意義明確，實際應用結(jié)果合理可靠，為發(fā)震構(gòu)造判定提供了新的方法.