川滇菱形塊體中部現今構造應力場精確求解

王金澤 萬永革 侯江飛 崔華偉

1）防災科技學院，河北三河燕郊開發區 065201

2）山東省地震局，濟南 250014

0 引言

地震是由地殼巖層發生破裂和錯動而產生的，與區域應力場密切相關，通過分析震源機制解能夠得到地震發生時斷層的力學機制和錯動斷層的運動類型，同時能夠獲得大量震源應力場和震源破裂錯動信息。研究地震震源機制解是人們認識和了解地震破裂力學機制、構造應力場狀態的有效途徑（錢曉東等，2011），而構造應力場是構造地質學、地球動力學、地震學等學科的重要研究內容，一直以來是國內外學者關注的熱點問題。國內對構造應力場也作了大量的研究，許忠淮等（1989）根據大量地震資料計算出中國大陸構造應力場；謝富仁等（2007）通過收集中國大陸地區豐富應力數據，總結得出了中國大陸地殼應力環境基礎數據庫；高原等（2010）對華北地區首次運用上地殼體波各向異性推測主壓應力方向以及在考慮扣除斷裂影響后提出“背景”主壓應力方向；Wan（2010）采用中國大陸地殼應力環境數據庫的數據，將中國大陸劃分為若干構造應力場子區，并反演出每個子區的應力場主應力方向和相對應力大小。這些結果為本文研究川滇菱形塊體中部及斷裂帶區域的地殼構造應力場提供了很好的參考。

川滇菱形塊體是亞歐板塊與印度板塊相互碰撞和作用的邊緣地區，位于我國南北地震帶南段、青藏高原東南部。其北鄰巴顏喀拉塊體，南鄰滇南塊體，為西部強烈隆升的青藏高原與東部相對穩定的華南地塊的過渡地帶。該地區構造復雜，地震活動強烈，是中國大陸內部地震最為活躍的地區之一（駱佳驥等，2012），也是我國許多學者研究構造應力場的重點區域（王曉山等，2015）。青藏高原受到SN向擠壓和地球重力等作用，在抬升過程中高原物質被側向壓出，使得在川滇地區多個不同塊體的相互作用中形成了強烈的構造運動和復雜的構造變形（吳建平等，2004）。大量的震源機制資料為該地區地殼應力場的反演提供了依據，到目前為止，我國科研工作者在西南地區構造應力場研究方面已開展了大量工作。闞榮舉等（1977）利用P波初動資料確定的震源機制解研究了西南地區現代構造應力場與現代構造活動的特征；吳建平等（2004）利用中小地震震源機制反演結果研究認為，在川滇菱形塊體內部及邊界附近的地震以走滑為主，主壓應力方向從北到南由NNW-SSE向轉向近SN向，張應力軸方向則主要表現為NEE-SWW向或NE-SW向；崔效鋒等（2006）應用逐次收斂法研究震源機制解，對川滇應力分區的現代構造應力場進行了較為詳細的研究；鐘繼茂等（2006）提出力軸張量計算法，運用多個地震震源機制解反演了川滇地區平均應力場方向，趙博等（2013）采用此方法得到2013年蘆山MS7.0地震區域平均應力場方向；錢曉東等（2011）利用云南及周邊地區中強地震的震源機制資料詳細地分析了云南地區現代構造應力場的特征和地震斷層類型的分類，總結出走滑型地震約占80%，正斷型和正走滑型與逆斷型和逆走滑型所占比例較小，分別約為8%；王曉山等（2015）在分析南北地震帶應力場時，得到川滇菱形塊體西邊界正斷層類型的地震應力狀態范圍與高分辨率地震學觀測得到的中下地殼低速帶范圍基本一致的結論，說明青藏高原塑性物質流向東擴張與橫向邊界的麗江-小金河斷裂帶弱化釋放應變能的結果，在局部地區使得NS向拉張的正斷層向EW向拉張正斷層的轉變。

雖然前人進行了大量的研究，已經得到較為準確的結果，但少有考慮應力形因子在解釋反演得到構造應力場時的獨特意義，更重要的是，地震震源機制資料豐富程度和精度往往有很大差別，小地震觀測資料較少，且不確定性較大，其震源機制解精度較低；反之，大地震的觀測資料較多而準確，精度較高。因此對不同震級的震源機制解給予不同權重進行反演，就可以得到更為準確的結果（盛書中等，2013；黃驥超等，2015）。本文充分考慮到不同震級地震的震源機制對應力場反演的差異影響，對川滇菱形塊體中部及斷裂帶區域1973～2015年間的34個中小地震數據資料進行了加權處理，采用網格搜索法來反演該地區的現今構造應力場，給出最大、最小主壓應力軸的相對大小與方向，并估算出應力形因子。根據估算得到的應力形因子并結合當地的地質、地球物理背景，對川滇菱形塊體中部及主要斷裂帶處現今構造應力場進行了更為深刻的分析。

1 理論方法

1.1 反演方法

由于巖石圈內絕對應力不易測量和估算（萬永革等，2006），因此利用一些地球物理觀測的震源機制資料來反演區域構造應力場的特征應十分有效（謝富仁等，2004；Zoback，1992）。近年來，國內外學者已經開始使用震源機制解來反演某地區的構造應力場，利用大量資料進行小區域精細構造應力場的研究，并得到了較為準確的結果（Hardebeck et al，2006）。

目前，用于應力場反演的方法有很多種，Gephart等（1984）的網格搜索是假設斷層錯動方向與剪切應力方向一致，通過一個地區若干震源機制解共同約束得到應力張量；許忠淮等（1979）、華祥文（1980）在假定區域構造應力一致的情況下，用更多分散的中小地震聯合計算區域小震的綜合節面解來求解地殼應力場；Gao等（2012）通過地震各向異性推斷地殼應力場。由于Wan等（2016）所提出的考慮震源機制資料精度的權重因子進行地殼應力場反演可以對資料精度進行不同設定從而得到較為精確的應力場，故為本研究所采用。該方法的主要優點是：①對不同震級地震的震源機制采用不同權重進行計算，從而得到準確結果；②反演方法采用全局網格搜索求取應力張量的最優解，克服了非線性反演問題易陷入局部極值的缺點，提高了反演精度；③用F檢驗給出反演結果的置信范圍，從而可以對結果作不確定性評估；④采用滑動方向與剪應力方向最為一致的準則，對于地質上已經存在的薄弱面發生地震更有準確性（黃驥超等，2015）。

1.2 應力場計算

為了充分利用中小地震數據資料，此次反演共采用34個震源機制數據進行求解，對于不同震級權重參照Shen等（2005）利用大地測量數據計算應變的方式進行加權。假設最小震級權重為1，最大震級權重為2，反演得到該區域的精確應力場。

震源機制資料的權重設定公式為

其中，r為震級相對大小，r＝M－Mmin；W為權重；D為震級衰減系數，由最大、最小震級算出，本區域D計算結果為2.0。

應力場描述中，除了應力場3個主軸的走向和傾伏角外，還有表示主應力相對大小的應力形因子（R值），其值的不同對應力場的影響也是致關重要的（萬永革等，2011），其表達式為

其中，σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主壓應力。

2 數據資料及震源機制總體特征

2.1 數據資料

本文收集了1976～2015年間Global CMT的川滇菱形塊體中部16個震源機制解數據。為了精確反演該地區構造應力場，本文另外搜集了卓鈺如等（1982）得到的1973～1977年間18條小震震源機制數據（表1）。由于這些早期數據年代久遠，并且沒有給出滑動角，我們采用pt2_ds程序輸入P、T軸走向、傾伏角計算出其它震源參數（2個節面走向、傾角、滑動角；P、T軸夾角；B軸走向、傾伏角）（萬永革，2016）和mech1程序（輸入2個節面走向、傾角計算其他震源參數，計算得到2個節面的滑動角）（萬永革等，2000）與文中對應參數進行比較，共得到18條能夠互相驗證的震源機制參數（表1）。

2.2 震源機制總體特征

一個地區的震源機制解可以很好地反映該地區震源動力學特征，是研究震源序列和震區應力場、震源破裂過程以及發震構造的重要參考資料。每一個地震的震源機制解可以反映個體特征，又在一定程度上反映區域的整體特征。川滇菱形塊體中部及斷裂帶處構造復雜，在青藏高原、巴顏喀拉塊體、華南塊體和滇南塊體的聯合作用下，塊體在相互碰撞中發生平移、旋轉和構造變形，形成該地區復雜構造應力場。由于塊體中部存在多條斷裂且相互交匯，地殼巖層極度破壞，不利于大量應變能的積累，因此常以中、小地震形式釋放應變能。

表1 1973～2015年間川滇塊體中部及斷裂帶處中小地震震源機制解

圖1給出了34次地震相應的震源機制分布。由圖1可見，該區域雖然存在少量正斷層和逆斷層性質的地震，但大多數地震的震源機制以走滑為主，由馬文濤等（2004）的三角形地震類型圖解法分類可知，本文研究區域通過加權反演所得的地震類型中，走滑型地震占絕大多數，比例約為74.2%；正斷層地震較少，比例約為14.7%；走滑兼正斷型地震亦較少，約占8.8%；逆斷層地震最少，約占2.3%。川滇菱形塊體中部及主要斷裂帶區域地震大多以走滑類型為主，表現出該地區以水平運動為主的特征，與該地區地質構造背景、塊體運動特性和構造變動樣式等一致（Zhao et al，2013）。西部哈巴雪山和玉龍雪山周緣也分布少量兼具走滑型的正斷層地震與極少的逆斷層地震，表明此處發生地震的深度處有一定的拉張分量。

圖1 震源機制解分布

3 應力場反演結果與分析

3.1 反演結果

本研究設置置信水平為90%，應力場旋轉軸的3個旋轉角的搜索區間定為1°，應力形因子R的搜索間隔為0.1。通過程序計算得到最優應力狀態下的參數值（表2），應力形因子R為0.1。反演結果與崔效鋒等（2006）運用逐次收斂法確定的川滇地區現代構造應力場（最大主應力σ1的方位NNW，方位角為343°；最小主應力σ3的方位角為252°）基本一致。反演結果示于圖2。

表2 應力場反演結果

圖2 應力場反演結果

3.2 應力場分析

本研究利用34個震源機制反演得到最佳應力模型3個主應力軸的方位角和傾伏角，同時得到應力形因子R值，其中，R值較小，為0.1，表明中等主應力軸接近最大主應力軸。整個區域主壓應力軸近 NW向，傾伏角 2.4°～4.4°；主張應力軸近 NE向，傾伏角 19.5°～19.8°（圖2），應力場方向近水平（Xu et al，2016）。由該地區反演結果（圖2）并參照世界應力圖劃分原則（Zoback，1992），根據震源機制解3個應力軸傾伏角大小，本文認為該區域走滑型為主導類型。

通常，應力形因子R值在地殼應力分析中起非常重要的作用（萬永革，2015），R值可以表示3個主應力值間的相對大小，由式（2）可知，R值越大，說明中間應力值越接近主張應力值；R值越小，說明中間應力值越接近主壓應力值。本研究估計的R值為0.1，表明該區域主壓應力軸與中間應力軸的相對應力差別較小，而主張應力軸與其他二軸的應力值相差較大。這可以從2個方面加以解釋：①該地區在青藏高原物質東流和華南塊體阻擋作用下呈現NW-SE向擠壓和NE-SW向拉張的走滑應力狀態，這是該地區多呈現走滑型地震的主要原因；②印度板塊緬甸弧深部的 NEE向低角度俯沖作用（Zhang et al，2017），導致淺部地殼物質具有NEE-SWW向的拉張分量。兩者共同的拉張作用導致該區域的主張應力軸的應力主值與其他2個軸的應力主值的差距加大，呈現較低的應力形因子。萬永革（2015）根據定性、定量斷層滑動數據得到烏魯木齊地區的應力形因子較低的結果，并解釋為該地區在SN向擠壓并輔以博羅科努山和博格達山的東、西向擠壓的應力狀態下處于隆升狀態。這里我們根據該地區的地質、地球物理背景解釋為2種原因的構造作用使得主張應力處于主導地位，致使垂直向和NE-SW向均出現拉張應力狀態。由此可見，將應力形因子應用于反演得到的構造應力場解釋中具有獨特意義。

在地理位置上川滇菱形塊體位于青藏高原的東南緣，處于南北地震帶的南段，受到印度板塊向北推擠和阿薩姆角的作用，青藏高原物質向東擠出（曾融生等，1992），在東側較為穩定華南塊體的影響下而發生轉向，使得川滇菱形塊體向SE滑移，第四紀以來川滇菱形塊體及周邊地區以水平剪切變形為主（羅鈞等，2014）。錢曉東等（2011）認為，處于印度板塊與亞歐板塊相互碰撞作用之中的川滇菱形塊體一帶，也受到印度板塊向東經緬甸對云南地區的側向擠壓，并直接作用于云南西部地區。這說明在印度板塊與亞歐板塊相互碰撞的擠壓作用和西藏塊體下地幔特殊物質的影響下（Lei et al，2016），青藏高原在持續隆升過程中物質流向東推擠川滇塊體，由于川滇菱形塊體的東面有較為穩定的華南塊體，受到華南塊體的阻擋作用，并且在印度板塊緬甸弧深部的 NEE向低角度俯沖作用下（劉建中，1992；Zhang et al，2017），使得淺部地殼物質具有NEE-SWW向的拉張分量，導致川滇菱形塊體整體向SE移動，亦使得該區域呈走滑應力狀態。Wan（2010）把中國大陸分成多個子區，得到2°×2°的應力分布圖，其中，該區域呈NE向拉張，NW向壓縮，也驗證了本文結果的正確性。

4 結論與討論

川滇菱形塊體及周邊地區每年發生的中小地震較多且該地區數字臺網十分密集，這為本文研究提供了該區域詳細的數據資料。本文收集該區域1976～2015年間的Global CMT數據和前人資料中1973～1977年間的中小地震震源機制解共34條，對不同震級的地震進行加權處理，采用網格搜索法來反演該地區的現今構造應力場，分析該區域現今構造應力場特征。通過研究中小地震的震源機制并對該區域進行應力場反演發現，該地區地震大多以走滑為主，西部哈巴雪山和玉龍雪山周緣分布有少量兼具走滑型的正斷層地震及極少的逆斷層地震。由圖2可知，該地區的應力場受到近NW向擠壓，NE向拉張，壓軸和拉軸傾伏角較小。壓軸方位角為322.7°，傾伏角為4.1°；張軸方位角為 231.3°，傾伏角為19.5°。整個應力場以水平為主，表明有橫向的拉張作用，應力狀態與前人的對較大區域的研究結果（許忠淮等，1989；杜興信等，1999；Wan，2010；Gao et al，2012）基本吻合。這說明川滇菱形塊體的運動主要有2個方面的作用力：①在印度板塊對亞歐板塊NE向擠壓下，青藏高原在持續隆升過程中地殼物質向東擴張推擠川滇塊體；②印度板塊向東經緬甸弧對川滇菱形塊體NE向低角度俯沖作用；同時在東部遇到穩定華南塊體的阻擋作用。川滇菱形塊體中部多條斷裂相互交匯，地殼巖層極度破壞，不利于大量應變能的儲存，在向SE運動過程中與周緣多個塊體相互碰撞，導致該區域中小地震頻發。與前人研究相比，本文采用的數據更全面，加入權重因子處理后得到的結果更加準確，這對今后該地區活動斷層、區域動力學和大震預測等地球科學研究具有重要的意義。

本文采用加入權重因子的反演方法并對估算出的R值進行分析，得到的結果與前人對比有很大的相似性，但仍有一些不足之處：本文雖考慮到不同地震震源機制對應力場求解的貢獻差異，采用對震級加權的方法進行應力場反演，但沒有計算地震發生距離對應力場求解的影響，若能獲得前人文獻中的震源深度數據就可進一步約束反演結果所在的深度。其次，川滇菱形塊體中部及斷裂帶區域構造復雜，地質體活動劇烈，小區域應力場特征可能會發生變化。本研究是假定研究區域應力場均勻進行反演的，得到了整個區域總體應力場狀態，并未獲得更加細節的應力場變化特征。但隨著地震觀測水平的提高、臺站密度的增加以及地震資料的積累，在以后的研究中可能會得到更為精確的應力場。

致謝：非常感謝兩位審稿專家對本研究提出的寶貴意見。文中震源機制解分布圖采用GMT軟件（Wessel et al，1995）繪制。