基于多地震序列震源機制解的盈江區域構造應力場研究＊

馮 兵 朱良玉 姬 瑤 李 楊 李 偉

（中國地震局第二監測中心，西安 710054）

引言

地震是由地球內部巖層突然應力極限失衡所導致的。滇西地區一直以來就是地震頻發的區域。滇西地處青藏高原東南，東與川菱塊體相接，與印度板塊的東北接壤[1]。它是檢驗印度板塊與歐亞板塊各種碰撞效應的天然實驗場。季建清等[2]根據相關左旋逆沖斷層的發現認為，滇西地塊在兩大板塊碰撞后產生了近90°的地塊旋轉。因而，該區域的地震活動性十分復雜。

盈江地區處于滇西地塊的腹內區域。發育有北東向大盈江斷裂、近南北向的蘇典斷裂等，地震異常活躍[3]。近年來比較突出的地震就有2008年3月21日MS5.0地震（大盈江斷裂）、2008年8月21日MS5.9地震（蘇典—盈江斷裂）、2008年9月3日MS5.0地震（蘇典—盈江斷裂）、2011年3月10日MS5.8地震（大盈江斷裂）、2014年5月24日MS5.7地震（蘇典—大盈江斷裂）和2014年5月30日MS6.1地震（蘇典—大盈江斷裂）。此外，該地區小震不斷，一直處于能量的釋放過程中，給國家造成了重大的經濟損失和人員傷亡。

盈江地處緬甸弧形地震帶與騰沖—龍陵地震帶的過渡區域[4]。大盈江斷裂帶是該地區一條重要的斷裂，在該斷裂帶上曾發生多次地震[5]。自2008年開始，該地區就以震群的方式持續不斷地發生地震，對此我國地震工作者采用多種手段和方法對其進行了研究。如房立華等[5]利用川滇地區三維走時表和三維速度模型對2011年3月10日MS5.8地震進行了重定位，并利用雙差定位法對其余震進行了重定位；黃小龍等[6]利用地震烈度調查等對2014年5月發生的兩次地震進行了研究，發現兩次地震的發震斷層明顯不同，MW5.6地震發生在以NE向左旋走滑的昔馬—盤龍山斷裂，MW5.8地震發生在以SN向右旋走滑的蘇典斷裂；楊婷等[7]認為，2014年發生的兩次地震余震分布存在差異，并由此判斷該兩次地震為共軛地震，屬于震群型的發震特點等。對于該區的構造應力場分析，前人也做了大量的研究。如羅艷等[8]采用LSIB線性最小二乘法反演了該區的構造應力場的3個主軸，結果顯示最大主應力為NNE方向；趙小艷等[9]收集了該地區的震源機制解并通過聚類分析后認為，該區域的應力場為NNE—SSW向，謝富仁等[10]認為，滇西北活動構造區應力場以北北東水平擠壓為特征等。但很少涉及對盈江局部地區構造應力場的研究及內在動力學演化的過程分析。本研究在前人的基礎上收集到了多個時間段內的地震序列震源機制解數據及該地區大量的小震目錄資料，利用發生在相同或鄰近斷裂的多地震序列震源機制解對相關斷裂區域進行了構造應力場反演。反演可得到該區域的構造應力場分布情況及特點，進而探測到斷裂內部結構的變化，可有效地判斷斷裂帶應力強烈的區域，為劃定地震危險區及判斷斷裂帶走向變化提供一定的參考。

1 數據資料及研究方法

1.1 數據資料

本次收集的震源機制解數據資料來源于徐彥[11]和哈佛大學GCMT（全球矩心矩張量解）網（http://www.globalcmt.org/）。其中2008年3月21日地震序列的震源機制解數據為17個；2008年8月21日地震序列的震源機制解為36個；2008年9月3日地震序列的震源機制解為48個；2011年3月10日地震序列的震源機制解為61個。GCMT收集到2014年盈江MS5.6和MS6.1兩個震源機制解。地震序列震源機制解是通過全波形擬合的方法計算得出的ML≥3.0的震源機制解。同時，本研究還收集到國家地震科學數據中心（National Earthquake Data Center）關于盈江地區的地震目錄共1 003個，震級為0.1≤MS≤4.0，時間為2016年1月1日—2020年2月29日的數據資料，以期從最新的地震分布范圍分析斷裂帶的活動性變化。

為了詳細的了解本次收集到的地震序列震源機制解的發生頻率，本文給出了4次震群的M-t分布（圖1）。圖1a為 2008年 3月 21日的M-t圖、圖1b為2008年8月21日的M-t圖、圖1c為2008年9月3日的M-t圖、圖1d為2011年3月10日的M-t圖。

1.2 研究區構造背景

本次收集到的4次地震序列震源機制解數據共162個震源機制解均為發生于蘇典斷裂與大盈江斷裂之間的地震。震源機制解序列空間分布如圖2所示。根據前人的相關文獻資料，本研究還給出了盈江區域內的9條斷裂，具體分布如圖2所示。為了對研究區域很好的進行研究，現簡要介紹一下該地區的主要斷裂。

圖1 盈江地區4次地震序列震源機制解（MW≥3.0）持續時間與震級關系圖（M-t圖）Fig.1 Relationship between duration and magnitude of four focal mechanism solutions （MW≥3.0） in Yingjiang area（M-t diagram）

蘇典斷裂：通過相關地形影像資料可以看出，蘇典斷裂北起于緬甸境內，經臘馬河、蘇典、黃草壩、勐典直插盈江盆地北西一端。斷裂總長80—90 km，其中中國段大約為50 km，緬甸段約為40 km。該斷裂整體顯示為NS走向分布，局部受到向西的傾斜作用力。斷裂自第四紀以來新的活動明顯加強[6]。蘇典斷裂的最南端與大盈江接近的部位受到強烈的拉張作用，導致盈江盆地的西北側發育了一個形似三角形的凹陷區域（圖2）。沿著斷裂形成和發育了多個串珠型的第四紀盆地，其中蘇典盆地和隴中盆地呈現狹長的條狀沿斷裂發育[12]。通過斷裂采集的新近紀玄武巖樣品測年，表明至少從上新世早期開始蘇典斷裂就已經開始活躍起來了，蘇典斷裂自4.42 Ma至今的平均活動速率約為（0.34—0.48） mm/a[6]。

昔馬—盤龍山斷裂：該斷裂為蘇典斷裂的衍生斷裂，從某種程度上可以認為，蘇典斷裂控制著該斷裂的發育過程。該斷裂南起昔馬盆地東緣端，以NE走向發育到蘇典斷裂左側，斷裂長度為40 km左右，該斷裂中段顯示有一段斷層凹槽。據黃小龍等[6]調查表明，昔馬—盤龍山斷裂晚第四紀以來具有明顯的左旋走滑。

大盈江斷裂：從圖2可以看出，大盈江斷裂東起固東—騰沖斷裂南端，沿盈江盆地一直發育到緬甸境內。全長150 km，總體走向為ENE向，傾向為NW向，傾角約為70°。新生代以來，該斷裂一直控制盈江等盆地的構造發育。該斷層顯示為左旋走滑的特征[12]。

龍陵—瑞麗斷裂：從地形構造分布圖2可以看出，龍陵—瑞麗斷裂位于騰沖斷裂的西端，它起始于緬甸，南部經過龍陵、瑞麗等區。東與怒江斷裂重疊，該斷裂的南端呈現巨大的弧形狀分布，地質構造復雜。在斷裂的北東向上曾發生過1976年龍陵7.6級和7.4級雙地震活動[13]。

1.3 研究方法

地殼中的應力受構造負荷過程以及大地震應力變化的影響。地殼應力是地震的直接驅動力。利用震源機制解進行構造應力場反演是目前研究某一地區震源附近應力場方向的主要手段和方法。本研究將采用基于MATLAB運行環境下的MSATSI程序包進行應力場反演。MSATSI程序包是基于原始的SATSI程序源代碼發展并完善產生的[14]。反演技術是基于確定一組震源機制最適合的單一應力張量的標準方法[15]。

該方法最小化了每個斷層面的滑動矢量和分解后的剪切應力矢量，可用如下公式（1）給出：

向量m是應力張量的模型向量成分，向量d是由k個震源機制解的3·k個單位滑動向量分量組成的數據向量集：

圖2 地震序列震源機制解及相應區域的P軸、T軸赤平投影分布圖Fig.2 Sequence of focal mechanism solutions and stereographic projection distribution of P-axis and T-axis in corresponding areas

其中Ski表示第k個震源機制解的單位滑動矢量的分量。數據核矩陣G是每個震源機制的法向向量組成部分。最后通過最小二乘逆運算反演出最終的結果：

最終的結果是由Michael在1984年通過高斯消元法解決的[15]。該方法可以反演出相應區域的最大主應力軸（σ1）、中間主應力軸（σ2）、最小主應力軸（σ3）的走向和傾伏角以及一個反映主應力軸的不確定度R值。R值的計算關系式為：R=（σ2-σ3）/（σ3-σ1）。反演也會給出相應網區的P軸、T軸赤平投影分布圖（圖3），用以檢驗反演結果的可靠性。

2 研究結果與分析

對于本次研究的4組地震序列震源機制解，其發生的空間分布存在明顯的相互聯系。從圖1可以看出，2008年3月21日第一組地震序列發生于蘇典斷裂的西南與大盈江斷裂的西北區域。緊接著2008年8月21日第二組地震序列發生于蘇典斷裂的北段區域，隨后的2008年9月3日地震序列與2011年3月10日的地震序列沿著蘇典斷裂向南端依次發生。這說明幾組地震序列彼此之間可能存在著應力觸發的相互作用。為了從宏觀上對該4次地震序列的發生過程以及應力場變化進行詳細的研究分析，本次研究設置了應力場反演的相關約束條件，以使結果更為可靠合理。對于每個網格點的地震最少個數設置為16，正確選擇斷層面的比例設置為0.5，重采樣個數設置為2 000，置信度設置為95%。4組地震序列震源機制解反演結果由表1、圖3給出。具體反演結果顯示：2008年3月21日第一組地震序列震源機制解的最大主應力軸走向為39.90°，傾伏角為7.10°。說明該區域的最大主應力軸呈NNE—NE向展布，壓軸面近于水平。最小主應力軸的走向為130.20°，傾伏角為2.40°，張應力軸呈SE向，張軸也顯示為近水平。

圖3 各區構造應力場反演結果示意圖及相應的R值柱狀分布圖Fig.3 Schematic diagram of inversion results of tectonic stress field in each area and corresponding R value columnar distribution map

表1 各分區構造應力反演結果Table 1 Inversion results of tectonic stress in each subarea

R值的最優解為0.58，說明該區的最大主壓應力軸與最小主張應力軸分辨明顯，張性與壓性特質表現劇烈，平面投影分布如圖3a。2008年8月21日第2組地震序列震源機制解的σ1軸走向最優解為35.30°，傾伏角為14.40°。說明該區域的壓應力軸呈NNE—NE向，壓軸傾伏角度較小，近于水平分布。σ3軸的走向最優解為-54.80°，傾伏角為 0.30°，最大主張應力軸呈NWW，張軸無傾伏，與水平面平行。R值的最優解為0.16，由圖3b可以看出，壓軸趨于中間軸性質。該區的壓軸性質不穩定，可能是由于處于昔馬—盤龍山斷裂與蘇典斷裂之間的緣故。2008年9月3日第3組地震序列震源機制解的最大主壓應力軸走向為-143.60°，傾伏角為3.80°，壓應力軸呈NNE—NE向，壓軸傾伏角度較小。最小主應力軸的走向為126.40°，傾伏角為0.40°，說明最大主張應力軸呈ESE向，R值的最優解為0.62及由圖3c可以看出，該區域的張軸性質與壓軸性質分辨明顯，但與蘇典斷裂北段及中段相比，主壓應力軸明顯向北方向偏轉，發生這種現象可能是與大盈江斷裂形成的三角凹陷擠壓有關。2011年3月10日第4組地震序列震源機制解的σ1軸走向最優解為15.00°，傾伏角為7.20°，反映出該區壓應力軸呈NNE向分布，傾伏角相較前面幾組，傾伏角度變化不大。σ3軸的走向最優解為-76.70°，傾伏角為13.50°，說明該區的最大主張應力軸呈NWW—NW走向。張軸與壓軸出現明顯的偏轉，出現這種情況的可能原因是該區域不僅受到來自蘇典斷裂的擠壓，同時也受到昔馬—盤龍山斷裂的垂向擠壓。該區R值的最優解為0.38，說明該區的壓軸的性質仍趨于中間軸性質。具體平面投影分布如圖3d所示。

3 研究結論與分析

本次研究是在前人研究的基礎上，通過相關的地震序列震源機制解對盈江地區進行了構造應力場反演。通過應力反演揭示了蘇典斷裂及大盈江斷裂區域的地震動力學變化及級聯觸發作用，Vidale[16]曾歸納了3種震群活動的發震原理，即級聯觸發模型、斷層慢滑模型、流體入侵模型。級聯模型的發震機理與主震觸發余震的機理相同。盈江地區6次地震序列的發生很可能就是這種模式的觸發機理。Harris[17]認為地震斷層位移產生永久性的“靜態”應力變化可改變附近斷層上地震發生的可能性。而本研究的結果很好的說明了這一點。通過對結果的分析，可得到如下結論：

圖4 應力集中觸發示意圖Fig.4 Schematic diagram of stress concentration triggering

（1）盈江地區發生的大部分地震均為走滑型地震，2008年3月21日—2014年5月30日，該區域共發生了6次比較大的震群，震群的分布幾乎都是沿著蘇典斷裂垂向分布，從地震發生的時間序列上來看，6次震群分別發生于2008年、2011年和2014年，時間間隔都為3年，說明該6次震群的發生可能存在密切的關系，空間位置分布如圖5所示。為了更好的理解這種震群序列發生的過程，本文試圖從應力變化模型的角度去解釋這種結果。2008年3月21日的震群發生于蘇典斷裂南端及大盈江北端的區域，如圖4中的A區所示，當該區應力能量釋放后，由應力的相互作用關系可知，首先應力作用增大的區域就是受到騰沖塊體擠壓的B區，即蘇典斷裂的北端，因此，2008年8月21日震群發生于蘇典斷裂北段，當8月21日的震群能量釋放后，由于應力的相互作用，B區應力的釋放使蘇典斷裂的中部應力增大，如圖4中的C區，由此發生相應的2008年9月3日的震群活動。當C區能量釋放后，D區的應力作用被觸發，由此發生的2011年3月10日的震群活動也驗證了這一過程，當D區能量釋放后，由于中部的應力作用沒有釋放完全，因此，相應的E區能量被釋放。由此發生了2014年的雙耦共軛地震震群。因而應力觸發的模型很好的解釋了6次震群之間的相互作用。由圖1可以看出，前4次震群發生的時間序列M-t圖也存在一定的同步性。這更進一步說明了6次震群活動存在一定的相互聯系性。

圖5 盈江地區2016年1月1日—2020年2月29日震級-時間序列關系圖（M-t圖）Fig.5 Magnitude-time series diagram of Yingjiang area from January 1，2016 to February 29，2020 （M-t diagram）

圖6 2016 年 1 月 1 日—2020 年 2 月 29 日地震空間分布圖Fig.6 Spatial distribution map of earthquakes from January 1，2016 to February 29，2020

（2）本次研究反演的結果顯示，該區域總的主壓應力軸方向為NNE—SSW向。與前人的研究結果大體一致[3,8-9,18-19]。但昔馬—盤龍山斷裂對局部地區的構造應力場具有明顯的控制作用（圖5），因而該區域可能會存在由其孕育出的地震。

（3）為了了解最新的地震活動性，本文還搜集到2016—2020年盈江地區共1 003個地震目錄，并繪出了相應的M-t分布圖（圖4）及地震空間區域分布圖（圖6）。由圖5可以看出，2016—2020年，地震活動性的強度是逐漸增大的，尤其是2020年前后，地震的最高震級甚至達到4級，高震級地震發生的概率增大。由圖6可以看出，目前蘇典斷裂的活動性仍然很強，圖中給出了沿蘇典斷裂區域的應力場分布方向（圖中箭頭方向）。由圖中地震空間分布圖可以看出，地震發生頻率最高的區域位于昔馬—盤龍山斷裂北端及蘇典斷裂西端，而昔馬—盤龍山到大盈江區域之間的地震活動性卻不是很明顯，因而該區域有可能處于應力閉鎖狀態進而發生更大的地震，因此，對該地區加強防范至關重要。

致謝

哈佛大學GCMT（全球矩心矩張量解）（http://www.globalcmt.org/）為本文提供了相關的震源機制解數據，國家地震科學數據中心（National Earthquake Data Center）為本文提供了相關的地震目錄數據，在此一并表示感謝。