基于MSATSI 的遼寧地區(qū)構造應力場特征

戴盈磊，張文靜，王承偉，惠 楊

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地殼應力場是導致構造運動和構造體系形成的地應力分布狀態(tài)。可有效解釋板塊運動、地震成因、造山帶演化、斷裂活動等地殼或巖石圈內部現(xiàn)象。目前獲取構造應力場的途徑主要有三種：原地應力測量、地質斷層滑動擦痕數(shù)據(jù)，震源機制資料。前者可直接得到絕對應力量值，但測量深度和研究尺度有限；因時間流逝，受近地表各種復雜條件的影響，很難精確地量取斷層滑動擦痕并確定其形成的地質年代；我國測震臺網(wǎng)的數(shù)字化早已完成，高質量數(shù)據(jù)在不斷積累，這使得震源機制資料成為研究區(qū)域構造應力場的主要手段。

遼寧位于中國東北地區(qū)南部，構造背景上處在總體走向呈北東向的華北斷塊北部，中國東部巨型斷裂構造帶郯廬斷裂帶北延帶貫穿全省，是中強地震較為活躍的地區(qū)。自上世紀90年代以來，學者們對該地區(qū)的構造應力場進行了大量的研究工作[1-6]。主要采用的是原地應力測量、有限元數(shù)值模擬，和對已有震源機制解資料的P、T 軸走向、傾伏角進行統(tǒng)計，從而歸納出整個遼寧地區(qū)的構造應力場特征。震源機制解與構造應力場有著密切的聯(lián)系，但給出震源機制解并不等于就得到了構造應力場。本次研究，擬使用應力場反演軟件包MSATSI 和1971—2020 年遼寧及周邊319 個震源機制解資料，采用1°×1°的網(wǎng)格劃分，反演遼寧地區(qū)構造應力場的空間分布特征，并結合得到的應力形因子對結果進行解釋。

1 數(shù)據(jù)資料

本文選取了遼寧和周邊地區(qū)（118°～126°E，38°～44°N） 1971—2020 年的震源機制解資料。其中，1971 年1 月至2007 年9 月的數(shù)據(jù)從國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心（http://data.eart hquake.cn/） 下載。因為年代較早，這部分資料并未給出各節(jié)面的滑動角。我們使用pt2ds程序[7]（采用震源機制的PT 軸的走向和傾伏角求解震源機制的其他表示形式） 求取了每個震源機制的滑動角，同時檢驗并剔除了2 個節(jié)面互不垂直的震源機制數(shù)據(jù)。2008 年1 月至2015年11月遼寧省內ML≥3.0 的震源機制解數(shù)據(jù)使用王巖等[8]給出的結果。2010 年 1 月至 2014 年6月研究區(qū)內2.5≤ML＜3.0 的震源機制資料來自林向東等[9]給出的結果。2016 年至2017 年遼寧地區(qū)3 次MW≥3.5 的震源機制解使用蘇培臻等[10]使用CAP 方法反演得到的結果。其余2016 至2020年遼寧ML≥3.0 地震的震源機制解使用許忠淮等[11]提出的格點嘗試法求取，結果如表1 所示。為保證結果的可靠性，計算每個震源機制使用的P 波初動極性符號要滿足15 個及以上，且方位分布均勻，結果的矛盾比均小于0.2。

表1 使用格點嘗試法得到的2016—2020 年遼寧ML3.0 及以上地震震源機制解

續(xù)表

上述震源機制解數(shù)據(jù)共計319 個，參照世界應力圖[12]的劃分標準（表2），對它們進行分類。各類型震源機制和遼寧及周邊地區(qū)主要控制斷裂的分布情況如圖1-2 所示。

表2 震源機制分類依據(jù)

圖1 遼寧及鄰區(qū)各類型震源機制分布Fig.1 The distribution of various focal mechanisms in Liaoning and its adjacent areas

據(jù)統(tǒng)計，正斷型和正斷兼走滑型震源機制67 個，占全部數(shù)據(jù)的21.00%；走滑型震源機制144 個，占全部數(shù)據(jù)的45.14%；逆斷型和逆斷兼走滑型震源機制51 個，占全部數(shù)據(jù)的15.99%；不確定型（過渡型） 震源機制57 個，占全部數(shù)據(jù)的17.87%。由此可斷定遼寧地區(qū)主要活動斷裂以正斷層和走滑斷層為主[13]。

圖2 遼寧及周邊地區(qū)主要斷裂分布Fig.2 Distribution of faults in Liaoning and its surrounding areas

2 應力場反演

本次研究使用 Martínez-Garzón 等[14]根據(jù)Hardebeck 和Michael[15]提出的區(qū)域尺度應力場反演方法SATSI（Spatial And Temporal Stress Inversion） 在 MATLAB 環(huán)境下開發(fā)的 MSATSI程序進行反演計算。SATSI 方法依照應力張量在震源機制解節(jié)面上的剪應力與斷層的滑動方向最為一致的原則進行反演。在計算過程中加入一個合適的阻尼參數(shù)使相鄰區(qū)域的應力張量變化最小。這樣可以消除因人為劃分反演區(qū)域而造成的應力偏轉假象，以便更好地呈現(xiàn)應力場的整體特征。故而選取最優(yōu)的阻尼參數(shù)至關重要，在反演過程中它可更好地控制觀測值與理論值誤差項和模型長度項的相對權重。圖3為模型長度和數(shù)據(jù)擬合殘差之間的折中曲線，其拐點出現(xiàn)在0.9，所以取最佳阻尼參數(shù)e=0.9。

圖3 模型長度和數(shù)據(jù)擬合殘差的折中曲線Fig.3 Trade-off curve between model length and data fitting misfit

本次研究以1°×1°的網(wǎng)格將遼寧及周邊地區(qū) （118°～126°E，38°～44°N） 劃分為 48 個應力單元。為了使盡可能多的網(wǎng)格得到應力場反演結果，我們將每個網(wǎng)格最少存在的震源機制解數(shù)目參數(shù)設置為1。由于反演目標函數(shù)的求解至少需要4 個震源機制數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)較少的網(wǎng)格點MSATSI 程序采用的阻尼最小二乘反演會進行平滑處理，即利用鄰近網(wǎng)格點及其周邊一定范圍內的震源機制解數(shù)據(jù)進行應力張量平滑約束。因為是隨機選取一個節(jié)面進行反演計算，所以重采樣的迭代次數(shù)對于解的不確定性評價比較重要。重采樣次數(shù)太少，會使評估結果的統(tǒng)計意義降低，重采樣次數(shù)過多，會導致計算量增大。于是，我們在95%的置信度水平下，對全部數(shù)據(jù)進行2000 次抽樣估計。

經(jīng)過計算可得到最優(yōu)狀態(tài)下3 個應力主軸方向及應力形因子R[16]：

其中，σ1、σ2、σ3分別表示最大、中間，和最小主壓應力；R 是應力形因子，用來表征相對應力大小。其意義是：當R 值接近于1.0時，最小主壓應力 （σ）3與中間主應力（σ）2表現(xiàn)為一致的張應力狀態(tài)，即中間主應力也呈現(xiàn)出拉張成分，處于雙軸拉張的應力狀態(tài)，兩軸無法區(qū)分；當R 值接近0.5 時，最大主壓應力軸和最小主壓應力軸均確定；當R 值接近于0 時，表示主壓應力（σ）1，與中間主應力（σ）2表現(xiàn)出一致的壓應力狀態(tài)，處于雙軸壓縮狀態(tài)，兩軸無法區(qū)分[17]。

采用上述的反演方法和所設定的參數(shù)，以及震源機制解資料，進行應力場反演，共得到29 個網(wǎng)格的應力場最優(yōu)方向和不確定范圍如圖4、表3 所示。可以明顯看到整個遼寧地區(qū)最大主壓應力軸（σ）1的最優(yōu)解集中分布在N（64°～106°） E，以NEE 向為主，在與鄰省交界的局部有EW 向分布。中間應力軸（σ）2的不確定范圍較大，傾伏角較陡。最小主壓應力軸（σ）3的最優(yōu)解在遼西地區(qū)和遼寧東北部地區(qū)呈現(xiàn)近NS 向分布，在省內其他地區(qū)以NNW 向為主。有21 個網(wǎng)格的應力形因子R 大于0.5，占全部所得結果的72.41%。說明遼寧地區(qū)整體上處于拉張的應力狀態(tài)。除去與鄰省交界的網(wǎng)格，14號網(wǎng)格的R 值最小，為0.21，該網(wǎng)格處在2 個二級地質構造分區(qū)[18]的過渡地帶，局部構造應力場比較復雜，不均勻性明顯，此處反演得到的是一個平均結果[19]。反演結果中有21 個網(wǎng)格的應力場類型是走滑型，亦占到整體的72.41%，這與萬波等[20]遼寧地區(qū)NE—NNE 向斷層為右旋走滑，NW 向斷層為左旋走滑，幾乎所有地震都是以走滑型斷層作為發(fā)震構造的論斷相一致。有5 個逆斷型網(wǎng)格，3 個在遼寧省內。其中9號網(wǎng)格、體現(xiàn)出朝陽—北票斷裂中段和北段為逆斷層的活動性質[13]。21、22 號網(wǎng)格的逆斷型應力場反演結果與對應位置的莊河斷裂、紅旗營子斷裂，雞冠山—青堆子斷裂的正斷層性質[13]并不一致。1999 年岫巖MS5.4 級地震就發(fā)生在17 與22 號網(wǎng)格鄰界部位。王鳳琴和王久明[21]在研究這一區(qū)域的地質構造和地震活動性時認為在岫巖滿族自治縣的其他區(qū)域有控制中、小地震活動的其他斷裂發(fā)育，且分布零散，與已有斷裂的關系并不明顯。從圖1 中也可看到21、22 號網(wǎng)格對應位置有逆斷型和過渡型震源機制分布。經(jīng)分析，我們認為在遼寧東南部地區(qū)局部可能有隱伏逆斷層展布。16 號和25 號2 個網(wǎng)格的應力場屬于過渡型，它們鄰近海陸交界和省界邊緣，正是構造變化明顯和受觀測臺站分布不均勻限制所導致。

表3 1°×1°網(wǎng)格劃分反演得到的應力場參數(shù)

圖4 應力場反演結果Fig.4 Results of stress field inversion

3 結論

為了對結果進行更好的約束，本次研究根據(jù)搜集整理和求取到的1971—2020 年遼寧及周邊地區(qū)共319 個震源機制解資料，使用MSATSI 程序反演得到遼寧地區(qū) 1°×1°精細程度的構造應力場分布特征。其中，最大主壓應力軸（σ1） 的最優(yōu)解優(yōu)勢分布以NEE 向為主，最小主壓應力軸（σ3） 的最優(yōu)解優(yōu)勢分布以NNW向為主。遼寧地區(qū)的構造應力場主要呈現(xiàn)出走滑特點，局部有逆斷型分布，且整體上處在拉張的應力狀態(tài)。這與之前一些學者使用剪切波分裂、有限元數(shù)值模擬等方法的研究結果較為一致[22-25]。從區(qū)域地質構造背景上看，遼寧位于中國東北地區(qū)南部、亞歐板塊東部、西太平洋板塊通過日本海溝對其形成NWW 向的高速俯沖是促使一系列NE—NNE 向隆起和坳陷形成及地震發(fā)生的主要動力來源，并導致上地幔軟流圈物質上涌[26]，使淺部地殼呈現(xiàn)NW—NNW 向的拉張分量。本文采用的應力場反演方法非常適合遼寧地區(qū)地震活動空間分布明顯不均勻的特點，也證明使用中小地震的震源機制進行構造應力場反演的可行性，同時對結果的解釋和分析可以為今后遼寧地區(qū)的構造活動研究等工作提供參考。

致謝：本文圖件采用GMT 軟件繪制，求取震源機制用到的P 波初動極性數(shù)據(jù)來自遼寧省地震臺正式觀測報告，斷層數(shù)據(jù)來自遼寧省地震應急服務中心地震應急基礎數(shù)據(jù)庫，在此一并表示衷心感謝。