應用綜合震源機制解法對遼寧及鄰區現今構造應力場的初步分析

戴盈磊,萬永革,梁永朵,王承偉,惠 楊

(1.遼寧省地震局,遼寧 沈陽 110031;2.防災科技學院,河北 三河 065201;3.東華理工大學,江西 南昌 330013)

0 引言

構造應力場是導致構造體系形成和運動的地應力分布狀態,在解釋板塊運動、地震成因、造山帶演化等地殼或巖石圈內部構造現象方面具有重要的科學意義,是地球動力學、地震學,地質學等相關領域的一項重要研究內容。

遼寧及附近相鄰地區位于中國東北地區南部,總體呈NE走向的華北斷塊區,構造背景較復雜。近30年來,這一地區的構造應力場研究逐漸受到學者們的關注。姚立珣等[1]利用中強地震震源機制資料和區域小震平均解,給出了東北地區地殼應力場的分布。由于資料有限,研究范圍較大,導致所得結果并不十分精確。張先澤等[2]根據地震資料、地應力測量數據、有限元數值模擬計算結果,對遼寧地區構造應力場進行了研究。使用資料主要集中在下遼河盆地地區,故而所得結論的有效覆蓋范圍較小。李平等[3]對遼寧及周邊地區的構造應力場進行了有限元三維數值模擬并探討其基本特征。張萍等[4-5]在對收集和計算得到的震源機制解進行統計分析的基礎上,研究了沈陽周邊和遼寧地區的構造應力場特征。然而遼寧及鄰區的地震活動具有明顯的空間分布不均勻性,而直接依靠統計震源機制的P、T軸來估計應力主軸方向的前提是,樣本數量足夠大,且空間分布均勻。因此,上述依靠統計分析少數震源機制P、T軸分布情況來對遼寧及鄰區構造應力場進行的研究具有一定程度的局限性。

隨著遼寧測震臺網的數字化和不斷完善,數年間,積累了豐富的地震觀測數據,為從P波初動極性數據入手研究遼寧及鄰近地區的精細構造應力場提供了有利條件。本次研究我們使用2008年12月至2018年5月遼寧測震臺網記錄到的大量天然地震P波初動極性數據,充分考慮不同震中距數據的權重,進行反演計算。首次給出并分析遼寧及周邊地區的精細構造應力場。所得結果對今后研究本區的地震孕育及其動力學過程,地震危險性分析,具有一定的參考意義。

1 遼寧及鄰區地質構造環境

本研究區域主要包括遼寧、吉林、內蒙古,河北的部分地區,以及渤海北部和黃海部分地區(118°42′～25°54′E,38°36′～43°36′N)。該地區位于我國華北北部,其中郯廬斷裂帶北段貫穿研究區南部,在歷史上曾有多次強震發生,是我國地震重點監防區之一[6]。根據遼寧省地質礦產局[7]的調查結果,研究區主要包含2個一級構造單元,7個二級構造單元和若干個三級構造單元(表1、圖1),總體形態呈NE走向的條塊狀。

表1 研究區主要地質構造分區Table 1 Main geological structure zoning in the study area

圖1 研究區主要地質構造分區Fig.1 Main geological structure zoning in the study area

2 研究方法

使用萬永革等[8]提出的有效利用大量不能單獨確定震源機制的小震P波初動極性數據來約束區域構造應力場的方法。在對研究區進行精細網格劃分的同時,充分考慮不同震中距P波極性數據的權重,使計算結果具有較高的精細程度和可靠性。該方法又可稱為“綜合震源機制解法”,被許多學者在研究工作中使用[9-11]。

結合遼寧及鄰區的實際范圍和預期研究精度,我們把整個研究區劃分成0.25°×0.25°的網格,選取每個網格點周圍臺站觀測到的地震P波初動極性數據計算該網格點的應力場,進而得到整個遼寧及鄰區的構造應力場。因每個地震到網格點的震中距不同,會導致對計算網格應力場的約束程度不同。為此,我們對P波初動極性數據按照震中距的差異賦予相應的權重。不同地震數據的權重記為W,參考Shen等[12]通過大地測量數據求解應變的方法計算:

W=e-r2/D2

(1)

式中:W為數據權重;D為距離衰減常數;r為折合距離按式(2)計算[12]。D的取值會對數據權重造成直接影響。我們權衡考慮以下兩個方面:(1)對各網格點的應力場計算給予適當的平滑;(2)當某些網格點周圍地震觀測數據較少時,借助附近網格點的數據對該點的計算施加約束,以便合理地給出整個研究區域的構造應力場。故而,將D取值為50 km。

(2)

式中:x0、y0、z0,分別為網格點的經度、緯度和深度;x、y、z分別為地震的經度、緯度和深度。

3 數據資料

遼寧測震臺網由眾多數字測震臺站組成,且比較均勻地分布于全省境內,平均臺間距70 km[13]。本次研究我們使用從遼寧測震臺網及鄰省接入的數據共享臺站2008年11月24日至2018年5月20日的正式觀測報告中提取并篩選,6 245個天然地震的28 698個P波初動極性數據來進行計算。用到的觀測臺站,地震和研究區內主要斷裂分布情況如圖2所示。

F1.伊林哈別爾尕—西拉木倫斷裂;F2.赤峰—開原斷裂;F3.張家口—北票斷裂;F4.普蘭店斷裂;F5.北黃海中部凹陷北側斷裂;F6.嫩江—青龍河斷裂;F7.中三家子斷裂;F8.青龍—灤縣斷裂;F9.朝陽—北票斷裂;F10.醫巫閭山西側斷裂;F11.石山—杏山斷裂;F12.松遼盆地東緣斷裂;F13.依蘭—伊通斷裂;F14.敦化—密山斷裂;F15.三源浦—樣子哨斷裂;F16.渾江—灣溝斷裂;F17.鴨綠江斷裂(西支);F18.鴨綠江斷裂(東支);F19.清川江斷裂;F20.安西斷裂;F21.臺安斷裂;F22.大洼斷裂;F23.營濰斷裂遼東灣段(西支);F24.遼中斷裂;F25.二界溝斷裂;F26.營口—佟二堡斷裂;F27.營濰斷裂遼東灣段(東支);F28.太子河斷裂;F29.金州斷裂;F30.大和尚山山前斷裂;F31.塔子嶺—翁泉溝斷裂;F32.析木城—胡家嶺斷裂;F33.皮口斷裂;F34.渾河斷裂;F35.莊河斷裂;F36.雞冠山—青堆子斷裂;F37.赫家堡子—辛家窯斷裂;F38.石城子—馬道嶺斷裂;F39.毛甸子斷裂;F40.太平哨斷裂;F41.中十凹西北側斷裂;F42.煙筒山—黑石斷裂;F43.伊通—輝南斷裂;F44.遼源—東豐斷裂;F45.柳河斷裂;F46.海城河斷裂;F47.南江斷裂;F48.昌城—云山斷裂;F49.扎魯特旗斷裂;F50.碧流河斷裂;F51.女兒河斷裂圖2 地震震中、臺站及斷裂分布圖Fig.2 The distribution of earthquake epicenters,stations,and faults

我們對使用的觀測數據進行了統計,具體情況見表2所列和圖3所示。從統計結果可以明顯看出3級以下地震占到94%以上,而這些小震的震源機制解是很難準確得到的,同時為了充分利用好這些觀測資料,我們選擇使用研究區大量小震P波極性數據來求取遼寧及鄰近地區的構造應力場,這樣做是非常具有優勢的。

圖3 地震分布柱狀圖Fig.3 The histogram of earthquake distribution

表2 地震震級分布統計表(2008-11-24—2018-05-20,ML>0)Table 2 Statistical table of earthquake magnitude distribution (2008-11-24—2018-05-20,ML>0)

4 權重的確定和速度模型的選取

經過對原始數據的整理,發現所用觀測資料的平均震源深度為6.91 km。因此,把網格點深度,即式(2)中z0取6.91 km,也就是說最后得到的是平均地下6.91 km處的構造應力場結果。由式(1)和式(2)可知,當與離網格點折合距離為41.65 km時,所用地震的P波初動極性數據權重是49.96%;折合距離為75.8 km時,數據的權重是10.04%,而當折合距離為100 km時,數據的權重僅有1.83%。因此,我們只考慮距每個網格點折合距離小于100 km的數據。為了保證構造應力場反演的質量,我們只選擇研究區內P波初動極性數據≥100的網格點進行計算。

因為希望得到研究區內與所用地震初至P波極性數據形成最佳擬合效果的綜合震源機制解,并對它們的P、T軸分布方位特征做進一步探討。我們采用1°×1°×1°的網格,對P、B、T軸方位進行搜索,每一次搜索在考慮權重的同時給出綜合震源機制模型的矛盾比(與模型不相符的P波初動極性符號數和總符號數之比),選取矛盾比最小的結果,其P、B、T軸方位即代表該網格點的主應力方位。當所用的P波初動極性數據足夠多,并具有良好的方位覆蓋及離源角約束時,就可以得到比較理想的綜合震源機制解。

為使最終結果更加可靠,在確定P波初動極性數據的離源角時,我們考慮遼寧及周邊不同地區的地殼介質構造特點,在查閱相關資料并進行試錯對比的基礎上,分別選用不同的速度模型進行計算。其中,遼寧大部分地區使用盧造勛等[14]提出的速度模型;吉林西南部地區使用吳微微等[15]提到的模型B;內蒙古東部地區使用趙艷紅等[16]提出的速度模型;河北東部地區使用王夫運等[17]所提出的速度模型(表3)。

表3 各分區地殼速度模型Table 3 The crustal velocity model of each region

5 應力場計算結果及分析

應用上文所述的數據和方法,我們對研究區進行空間掃描,得到了整個遼寧及鄰區內各網格點的最優綜合震源機制解結果。每個網格點的P波初動極性數據個數、矛盾比、P、T軸空間分布情況如圖4、圖5(圖中編號所對應的斷裂名稱與圖2相同)所示。為保證結果具有較高的可靠性,我們只保留了加權后網格內P波初動極性數據≥100的計算結果。同時,為有效避免因網格點地震數量較少,致使計算過度依賴附近其他網格點數據約束的情況發生,我們從結果中剔除了平均權重小于0.2的網格點。

(Ⅰ吉黑褶皺系;Ⅰ1 張廣才嶺優地槽褶皺帶;Ⅰ2 松遼坳陷;Ⅱ 中朝準地臺;Ⅱ1 內蒙地軸;Ⅱ2 燕山臺褶帶;Ⅱ3 華北斷坳;Ⅱ4 膠遼臺隆;Ⅱ5 北黃海斷坳)圖4 P軸方位和矛盾比分布圖Fig.4 The distribution of the azimuth of P axis and the contradictory ratio

反演共得到了535個網格點的應力場,每個網格點最優解個數不超過2個,最大矛盾比0.416 3。從整體上看,所得結果覆蓋了研究區的絕大部分區域,包括遼寧全省和部分周邊鄰省地區。從圖5可以看出,所得結果的矛盾比主要集中在0.2～0.4之間,其中,遼寧中北部、東南部和遼東半島地區矛盾比相對較高,與這些地區處在地質構造單元分區邊界或斷裂交匯處等因素有關,也在一定程度上體現出其構造背景的復雜性。根據圖5所示,各網格點P波初動極性數據都很充足,為反演結果的質量提供了保證。結合研究區地震活動性特點,遼寧東南部地震活動較周邊地區更加頻繁,P波初動極性數據也明顯相對多出1～2個數量級。

(Ⅰ吉黑褶皺系;Ⅰ1 張廣才嶺優地槽褶皺帶;Ⅰ2 松遼坳陷;Ⅱ 中朝準地臺;Ⅱ1 內蒙地軸;Ⅱ2 燕山臺褶帶;Ⅱ3 華北斷坳;Ⅱ4 膠遼臺隆;Ⅱ5 北黃海斷坳)圖5 T軸方位和各網格點P波極性數據數分布圖Fig.5 The distribution of the azimuth of T axis and the number of P wave polarity data used in each grid

我們參考Zoback[18]對震源機制解進行分類的原則。把所得每個網格點的綜合震源機制解分成6類,以便研究其應力狀態與活動斷裂和地質構造的關系,具體分類情況見表4所列,其在研究區內的空間分布情況如圖6所示。

圖6 綜合震源機制解空間分布圖Fig 6 Spatial distribution of composite focal mechanism

表4 震源機制解類型劃分Table 4 Classification of focal mechanism solutions

根據反演得到的P軸方位、T軸方位,結合研究區大地構造分區,斷裂分布以及綜合震源機制解的分類和分布情況,我們對P波極性數據所揭示的遼寧及鄰區構造應力場計算結果,按照從北向南、自西向東的順序進行分析。

5.1 吉黑褶皺系應力場計算結果分析

吉黑褶皺系向南以赤峰—開原斷裂為界與中朝準地臺相鄰。包含松遼坳陷和張廣才嶺優地槽褶皺帶2個二級大地構造單元。松遼坳陷是一個范圍廣泛的盆地,研究區僅包括了其南部邊緣地區。從圖4、圖5,可以看出該構造單元內絕大多數網格點P軸方位為NNE向,傾伏角較小;T軸方位以NNW向和近NS向為主,傾伏角相比P軸略小,體現出拉張的應力狀態。這與松遼坳陷處在上地殼軟流圈上隆地帶有關,上地殼軟流圈上隆,地殼被拉張減薄以及軟流圈活動減弱基底下沉形成松遼盆地[19],T軸走向與斷陷盆地邊緣垂直。松遼坳陷內的綜合震源機制解節面走向與北部的依林哈別爾尕—西拉木倫斷裂,西部的嫩江—青龍河斷裂走向十分接近,但幾乎都是無法確定型,一方面說明所用的震源機制分類方法區分度有限;另一方面說明這里地處吉黑褶皺系與南部的中朝準地臺、西部的內蒙—大興安嶺地槽褶皺系3個一級大地構造單元的交界地帶,實際的構造應力場情況比較復雜。

張廣才嶺優地槽褶皺帶內斷裂構造發育,NNE向斷裂在西側呈帶發育。由圖4、圖5可知,P軸走向呈無規律性,傾伏角較小;T軸方位主要為NNW向,T軸傾伏角小于P軸傾伏角,接近于水平,體現了拉張的應力狀態。這與依蘭—伊通斷裂拉張式盆地發育一致。綜合震源機制解主要為正斷型,其性質及節面走向與主要斷裂性質和走向相吻合[20]。此外,在依蘭—伊通斷裂東西兩側,P、T軸走向,綜合震源機制解類型明顯不同,這也很好地反映出在2個二級大地構造單元分區交界處的局部構造應力場特征。

5.2 中朝準地臺應力場計算結果分析

本次研究的大部分地區都位于中朝準地臺東北部,包括:內蒙地軸、燕山臺皺帶、華北斷坳、膠遼臺隆、北黃海斷坳等5個二級大地構造單元。內蒙地軸為一個近EW向的軸狀長期隆起地帶,以緩慢上升運動為主,呈近NEE—NW向長橢圓形穹窿狀展布。由圖4和圖5可知,P軸走向主要為NNE—NEE向,傾伏角較小;T軸走向相對復雜一些,局部傾伏角略大于P軸,體現出內蒙地軸北緣在一定程度上受到來自松遼盆地擴張的擠壓。綜合震源機制節面與主要斷裂走向比較接近。在構造分區鄰界處有無法確定型、正斷型,還有零星逆斷型和逆走滑型,表現出中三家子斷裂和張家口—北票斷裂(凌源—北票段)的擠壓逆斷層性質[21],反映了因為內蒙地軸長期持續上升[22],這里正好處在升降運動的過渡地帶,構造應力場比較復雜。

燕山臺褶帶向西延入河北境內,僅有東面的一部分位于遼寧西部地區。覆蓋層大部分褶皺,主要斷裂呈現NE、NNE向發育的特點。從圖4,圖5的應力場計算結果來看,P軸走向以NNE、NE向為主,傾伏角較小;T軸走向以近NS向為主,傾伏角接近水平。綜合震源機制類型以正斷型為主,局部有無法確定型和正走滑型,節面走向與主要控制斷裂走向大體一致。

NE向的斷裂及斷塊運動控制著華北斷坳內部的差異及發展,在遼寧境內僅包含下遼河斷陷1個三級構造單元。下遼河斷陷位于遼河中、下游地區,屬于大陸裂谷型斷陷盆地,郯廬斷裂帶北段在斷陷盆地內展布。由圖4、圖5可見,在華北斷坳內。P軸走向從西到東由NNE過渡到NEE向,在渤海海域局部有NW向和近EW向分布這與陳曉利等[23]的研究結果一致,且傾伏角較小;T軸走向以NNW向為主,在遼東灣西南部渤海海域內有零星NW西和NE向分布,傾伏角接近水平。T軸傾伏角小于P軸傾伏角,體現出渤海灣—下遼河盆地是上地幔軟流層上隆形成[19],且處于拉張的應力狀態,這與許才軍等[24]通過GPS數據反演應變率揭示出郯廬斷裂帶渤海段以拉張為主的結果相吻合。華北斷坳P、T軸空間分布特征與之前一些學者的研究結果較為一致[4,25-28]。我們發現在遼東灣西部P軸走向呈NNW向,與其余NE走向的P軸分界處正是一條從遼東半島的普蘭店橫跨遼東灣至遼西綏中一帶的NW向地球物理異常帶,它將渤海和遼東灣分為南、北兩大部分,兩部分的構造活動特征存在明顯差異[29]。圖6中,華北斷坳綜合震源機制以正斷型,正走滑型和走滑型為主,遼東灣南部渤海海域有無法確定型,反映出這里是一個深部構造的轉折地帶[30],也是地殼應變面膨脹變化率正、負值過渡帶[31]構造應力場復雜。此外,綜合震源機制解節面走向與主要斷裂走向較為一致,綜合震源機制解較好地體現了郯廬斷裂帶北段在下遼河—遼東灣北部的張扭性正斷層性質[21]。

膠遼臺隆的北部處在遼寧省境內,NNE、NW和近NS走向的斷裂活動比較強烈,破壞性地震多發生在這些構造的交匯部位。NE—NNE向斷裂屬于繼承性斷裂,規模大、延伸連續性好、切割深,對區域地質構造格局及其演化具有控制作用;NW向斷裂多屬于新生破裂,規模小、多呈平行狀或雁行狀、斷續展布、切割淺,其規模通常同與其交匯的NE—NNE向斷裂有一定的相關性[32]。其中,NE—NNE向斷裂為右旋走滑,NW向斷裂為左旋走滑。金州斷裂、海城河斷裂、鴨綠江斷裂是膠遼臺隆內危險性最高的地震構造。在圖4和圖5中、P軸走向以NE—NEE向為主,傾伏角很小;T軸走向以NNW向為主,在膠遼臺隆東部呈近NS走向,在丹東市以東地區T軸走向不規律,推斷是因為國境線處,反演結果受到觀測臺站的方位約束較弱所致。相比而言,所得膠遼臺隆T軸傾伏角更小,體現出膠遼臺隆長期持續上升[22]處于拉張的應力狀態。遼東半島地區具有很強的地震活動性,因此,在金州斷裂和海城河斷裂交匯處附近,是整個研究區P波初動極性數據量最大、矛盾比相對較高的地區。膠遼臺隆的應力場計算結果與之前學者們的研究成果比較接近[1,4-5,25-27]。由圖6可知,綜合震源機制解類型以正斷型和正走滑型為主,體現出金州斷裂、太子河斷裂、鴨綠江斷裂等主要控制構造的正斷層性質[21]。在膠遼臺隆東端有無法確定型分布,此處離國境線較近,受觀測臺站的方位約束較弱。所得綜合震源機制解節面走向與主要斷裂走向擬合較好。

6 結論與討論

根據2008年11月24日至2018年5月20日遼寧及鄰區內6 245個天然地震的28 698個P波初動極性數據,計算得到遼寧及附近相鄰地區0.25°×0.25°的精細構造應力場結果。反演得到的P軸方位以NE、NEE向為主,T軸方位以NW、NNW向為主,局部有近NS向分布,與太齡雪等[33]對遼寧地區剪切波分裂特征的研究結果比較接近,T軸傾伏角整體上小于P軸傾伏角且接近水平,反映出研究區整體上處在拉張的應力狀態。從地球動力學背景來看,遼寧及鄰區地理上位于中國東北地區南部,亞歐板塊東部,長期受太平洋板塊NWW向的俯沖影響,這里形成了一系列NE—NNE向的隆起和坳陷并有地震的發生,同時上地幔軟流圈物質上隆使淺部地殼呈現NW—NNW向的擴張分量。

本次研究,我們直接使用了從遼寧臺網正式觀測報告中提取的最近10年內定位誤差為1類,2類和3類的天然地震P波初動極性資料,沒有對其做進一步的精確定位處理。這是考慮到如果重新定位,有一些不足4個臺站記錄的地震事件就會被剔除掉,以致計算時所用的P波初動極性數據大量減少,反倒削弱了該研究方法可充分利用大量不能單獨確定震源機制解小震資料的這一優勢。所得結果反映的是這10年間遼寧及鄰區構造應力場的平均狀態,并未對1975年海城7.3級地震前后的構造應力場情況進行對比和分析。但我們給出的膠遼臺隆對應海城震區的計算結果與鄧起東等[34]通過震后水平形變計算得到的應力場具有很高的一致性。2011年3月11日,日本本州島以東海域發生MW9.0特大地震,但這對本文的求解和研究難免不會造成影響。譚成軒等[35]對關鍵構造部位進行原位絕對應力測量和GPS測量的結果顯示,這次地震對我國東北地區的張性效應調整周期為26個月,且東北地區震后調整期結束的主壓應力優勢方位為NEE向。這與我們的研究結果相同。豐成君等[36]的研究認為,日本9.0級地震未改變我國東北地區區域現今構造應力場分布特征。以上兩點在很大程度上可以證明,本文給出的精細結果反映的是遼寧及鄰區現今構造應力場的固有特征。

本文的結果也與之前一些學者的研究成果比較一致[1,4-5,25-28],只在局部略有不同。這是因為,與之前學者們[1-2,4-5]針對遼寧或部分地區的構造應力場研究相比,我們使用的數據量更大、研究單位尺度更小、在計算過程中充分考慮了不同震中距數據的權重,更能揭示局部和重點地區的地質構造背景。全部535個綜合震源機制解中,無法確定型數量高于總數的一半,它們大多分布在地震活動性較弱地區或大地構造分區的交界部位。前者在反演計算時可能受到周邊網格點數據的平滑和約束;后者在一定程度上體現出在這些升降運動的過渡地帶,構造應力場的不均勻性和復雜性。綜合震源機制解的節面走向與研究區內斷裂走向比較吻合,很好地呈現出主要構造的活動性質。

綜上所述,本研究首次給出覆蓋遼寧及相鄰地區的精細構造應力場結果,對于研究遼寧地區的地質構造活動、地震孕育過程等工作,提供了參考。

本文圖件采用GMT軟件繪制,P波初動極性數據來自遼寧省地震臺正式觀測報告,斷層數據來自遼寧省地震應急服務中心地震應急基礎數據庫,在此一并表示衷心感謝。