基于震源機制分析中國東北地區現今構造動力學背景

馮兵 胡亞軒 柴旭超 李楊 靳源 劉偉 宋亮 王闖 王文青

[摘要] ?通過收集1957—2022年以來日本東北至中國東北地區的不同深度的地震震源機制解，采用聯合迭代應力反演的方法，計算俯沖帶構造應力場及中國東北地區構造應力場狀態。研究結果顯示：日本海溝淺部區域不僅受到太平洋板塊的俯沖擠壓，也與北美板塊的推擠作用有關；中國東北區域的深源地震與海溝俯沖帶的長期作用存在密切的聯系。長白山火山區的形成與俯沖帶的逆沖存在巨大的聯系，俯沖帶的地震活動間接控制著東北亞火山區的形成與活動。遼寧營口地區主壓應力軸分布于NEE-SWW方向，主張應力軸分布于NNW-SSE方向。結合火山區及周邊淺源地震震源機制的結果，認為東北火山區現今構造應力場延續了東北區域應力的整體結構，主壓應力軸呈NEE-SWW向，主張應力軸呈NNW-SSE向。

[關鍵詞] 震源機制解; 長白山火山區; 板塊俯沖; 構造應力場; 動力學

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-058

0 ?引言

太平洋板塊以北西方向俯沖至日本島下，引發了日本海溝許多7級以上板內地震的發生。板塊以30°左右的傾角，約80～90 mm/a的速度向歐亞板塊俯沖^[1]，從東到西依次經日本島弧東部海域—日本列島—日本?！L白山—松遼盆地，以一個復雜的海溝—島弧—弧后系統作用于中國大陸東北部（圖1）。自晚中生代以來太平洋板塊不斷地向西俯沖，中國東北地區巖石圈經歷過多次擠壓和拉張的演化過程，引發了不同時期的地震及火山活動，生成了一系列裂谷帶、盆地、火山帶等。中國東北地區新構造變形及板內運動明顯地受到地幔上隆/火山活動與裂谷盆地擴張等弧后活動的強烈影響?，F今板塊運動的構造決定了區域應力場的變化及地震發生的時空分布特征，也對火山活動產生了影響。而板塊俯沖方向、速度和角度也隨著時間發生了較大的變化，俯沖帶傾角的大小影響著俯沖帶速度的大小^[1]。太平洋板塊俯沖延伸至中國東北長白山區域附近650～700 km的深度，形成了一系列的俯沖帶深震群，俯沖帶控制著中國東北地區的深源強震^[2-3]。中國東北深震與板塊的俯沖、火山活動、淺震的發生等有著密不可分的關系。對1999年以來火山觀測站記錄到的火山地震活動研究發現，在西北太平洋5.0級以上中深源地震發生前后，均有火山地震活動發生變化^[4]。2011年日本3 · 11（M9.0）大震后中國東北松遼盆地和大興安嶺地區發生多次地震^[5-7]。

圖中日本地區震源分布來源于NIED（2022年1月—2023年2月）及部分搜集到的東北亞深源地震目錄（ISC）

Source distribution in Japan in the figure is from NIED （2022-01—2023-02） and part of the deep-source earthquake catalog collected in Northeast Asia

對中國東北深震震源機制及應力狀態等的深入研究具有重要的地球動力學機制探討意義。具體而言，通過地震震源機制解可求取不同區域應力場變化時空特征，而科學地認識日本海溝俯沖帶的應力場變化及中國板塊應力轉換的過程，探討海溝俯沖帶的具體分布情況，同時分析日本海溝俯沖帶與中國東北的貝尼奧夫帶（Benioff）地下構造的相互作用，更宏觀地認識板塊運動特征與應力狀態。本文通過收集1957—2022年以來日本東北至中國東北地區的不同深度的地震震源機制解，采用聯合迭代應力反演方法，計算俯沖帶構造應力場及中國東北地區應力場時空變化特征。通過區域應力分布及其變化、區域地震活動的可能孕震環境與發震機理、地震可能造成的應力遷移，以及震源破裂的物理機制等的分析研究，認識中國東北地區地震、火山活動與板塊俯沖的關系，火山活動與深震的關系等。

1 ?數據與方法

1.1 ?震源機制解數據

本研究所用震源數據來源于多個研究成果及機構^[5-7]。其中深震目錄時間介于1957—2022年，共搜集到震源深度大于150 km的震源機制解127個，研究將這127個深震震源機制按100～350 km、350～500 km、500～700 km的深度劃分為3個區，分區反演了各區的構造應力場（圖2）。淺震目錄有2個：一個是東北地區地震震源機制解目錄，時間介于2008—2021年，共計66個；同時為了更好的對研究區域進行分析，本文搜集到遼寧地區含京津冀周邊地區震源機制解402個。

紅點代表σ₁（最大主壓應力軸）散點分布，綠點代表σ₂（中間主應力軸）散點分布，藍點代表σ₃（最小主張應力軸）散點分布

The red dot represents theσ₁（maximum principal compressive stress axis） scatter， the green represents theσ₂（middle principal stress axis） scatter， and the blue represents theσ₃（minimum principal stress axis） scatter

1.2 ?研究方法

本研究采用聯合迭代應力反演計算區域應力場。該方法是在Michael方法^[8-9]的基礎上，引入斷層的不穩定性約束條件，它的主要過程是通過迭代的方式進行應力場計算，這種迭代的過程能提高斷層的識別能力。該方法已被Vavry?uk^[10]成功應用于克里特島和捷克共和國的波西米亞地區進行研究。聯合迭代應力反演的過程主要有3點： ① 采用Michael方法，在不考慮約束條件和斷層面取向的信息下，反演得到主應力軸和應力形因子R； ② 用反演得到的主應力軸和應力形因子R確定所有震源機制解節面的不穩定性，然后找到最不穩定的節面即判定其為發震斷層面； ③ 將第一次迭代過程中的發震斷層面用在第二次迭代的Michael方法中，持續這種迭代通過3～4次就可收斂，從而可反演得到較為準確的應力場結果^[11-12]。

2 ?結果與分析

分析應力場結果（表1，圖2和圖3）可看出，最大主壓應力軸整體呈現NWW-SEE向，與板塊俯沖的方向基本一致，但走向仍然出現了輕微的改變，從反演結果可看出，σ₁（最大主壓應力軸）走向隨深度的增大出現了由NWW-SEE向西偏轉再恢復的結果。出現這種情況可能與日本海溝淺部區域不僅受到太平洋板塊的俯沖擠壓，也受到北美板塊的推擠有關，在100～350 km與350～500 km的俯沖變化中，應力軸受到太平洋板塊與北美板塊的俯沖與推擠，從而迫使σ₁走向出現向西偏轉。但到了500～700 km的深度，由于北美板塊的斜插與消亡，此時受到的作用主要來源于太平洋板塊的俯沖，因而σ₁方向出現了恢復。俯沖帶的σ₁主應力軸的傾伏角變化不大，基本在30°～40°左右，這與板塊俯沖的角度幾乎一致。最小主張應力軸（σ₃）的方位角也出現了從50.90°→69.24°→63.99°偏移又恢復的情況，這與σ₁走向出現情況分析的原因一致。其傾伏角變化較大，在350～500 km，甚至出現了傾伏角55.59°，這也反映了北美板塊的俯沖迫使應力軸的張性性質向下傾伏。R值反映了張應力軸、壓應力軸、中間應力軸在空間位置的穩定狀態^[13-14]。如表1所示，不同深度的R值都比較大，這反映出壓應力軸相對穩定，張應力軸和中間應力軸在壓應力軸近似垂直的平面內呈拉張狀態。

反演的應力軸結果在水平投影中，紅色代表最大主壓應力軸，綠色代表中間應力軸，藍色代表最小主張應力軸

In the horizontal projection of the inverted stress axis results， red represents the maximum principal compressive stress axis， green represents the intermediate stress axis， and blue represents the minimum principal stress axis

由圖3可看出，長白山火山區位于東北深震集中發生區的西南部，500～700 km的最大主壓應力軸幾乎與海岸線垂直分布，如果俯沖帶繼續延伸，則可到達長白山深部，但由于長白山火山區已形成巖漿柱，很難形成規模地震，到目前為止，已有許多研究人員及機構對長白山的地殼和地幔進行了研究，長白山火山下地殼、地幔顯示低震速及高導電率可能反映了巖漿柱^[15-17]。地震層析成像顯示，在長白山火山下方的殼幔轉換帶存在明顯的連續性高速異常區，這一現象被解釋為俯沖于歐亞板塊下方的太平洋板塊滯留區^[18-19]。王振宇等^[20]利用重力資料分析研究顯示，長白山地區的巖石圈較為柔軟，長白山的隆升動力源主要來自于地幔物質的上涌。胡亞軒等^[21]利用大地測量資料分析認為中國東北的深震并未結束，這些深震的影響仍將對殼幔巖漿及地殼形變產生一定的作用。為了探究俯沖帶地震與淺源地震的關系，特別是沿火山區NE向一線的渤海遼東歷史上多次發生大型地震（如1975年海城7.3級地震，1976年唐山7.8級地震）的區域。

研究又搜集到遼寧地區的震源機制解數據402個，反演了該區域的淺部整體構造應力場，所用震源機制解分布如圖4所示，應力反演結果σ₁走向為88.22°，傾伏角為87.15°；σ₂走向為247.55°，傾伏角為2.67°；σ₃走向為337.60°，傾伏角為1.00°。可以看出，營口地區現今構造應力場的主壓應力軸水平投影主要分布于NEE-SWW方向，主張應力軸水平投影主要分布于NNW-SSE方向。主壓應力軸傾伏角較大，主張應力軸傾伏角較小，反映出營口地區現今的應力場方向仍以水平方向展布。長白山火山區正好沿著構造應力場展布的方向分布，因而從某種意義上講，營口地區地震的活動間接的也在影響著火山區地殼結構。R值為0.45，這反映出營口地區淺部應力場各軸在空間分布相對較穩定。

根據上述研究結果，東北的深震和長白山火山的形成可能存在一定的聯系，這些超深地震的發生使太平洋板塊俯沖釋放的流體可能成為長白山火山巖漿的動力源泉（圖3）；盛儉等^[22]通過熱力學耦合的數值模型模擬了海洋板塊俯沖的動力學過程，研究分析認為板塊深部脫水量和部分熔融量可以影響巖漿系統的巖漿容量，是影響長白山火山活動的主要因素，這與本研究結果一致。另外，還發現東北深震的構造應力場與淺部的構造應力場存在巨大的差異（圖3～圖5）：深震的主壓應力為NWW-SEE，而淺部的主壓應力卻為NEE-SWW向，與其他研究人員的發現^[23-25]相符合；分析認為東北地區的淺部地殼作用力主要受歐亞板塊的運動控制，但其深部卻受到了太平洋板塊的強烈俯沖與推擠，正是在這兩股不同甚至相反的作用力控制下，才形成了長白山地區火山獨特的地形地貌。

3 ?結論

（1）日本海溝淺部區域不僅受到太平洋板塊的俯沖擠壓，也受到北美板塊的推擠，中國東北區域的深源地震與海溝俯沖帶的長期作用存在密切的聯系。

（2）俯沖帶應力場方向以NWW-SEE向為主，長白山火山區的形成與俯沖帶的逆沖存在巨大的聯系，俯沖帶的地震活動間接控制著東北亞火山區的形成與活動。

（3）遼寧營口地區主壓應力軸分布于NEE-SWW方向，主張應力軸分布于NNW-SSE方向。結合火山區及周邊淺源地震震源機制的結果，認為東北火山區現今構造應力場延續了東北區域應力的整體結構，主壓應力軸呈NEE-SWW向，主張應力軸呈NNW-SSE向，這與俯沖帶深震的構造應力場完全不同，這也說明長白山火山區是在兩股不同甚至相反的作用力控制下產生和形成的。

??致謝

ISC國際地震中心，NIED F-net寬頻帶地震臺網中心矩張量解，國家地震數據共享中心為本文提供了相關地震研究資料，在此一并表示感謝。

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Analysis of present tectonic dynamic background in Northeast China based on focal mechanism

Feng Bing， Hu Yaxuan， Chai Xuchao^*， Li Yang， Jin Yuan， Liu Wei， Song Liang， Wang Chuang， Wang Wenqing

The Second Monitoring and Application Center， CEA， Shaanxi Xian 710054， China

[Abstract] ?By collecting focal mechanism solutions of earthquakes at different depths from Northeast Japan to Northeast China during 1957 to 2022， the joint iterative stress inversion method is used to calculate the tectonic stress field in the subduction zone and the tectonic stress field state in Northeast China. The results show that the shallow area of the Japan trench is not only affected by the subduction and extrusion of the Pacific plate， but also related to the extrusion of the North American plate. The deep source earthquakes in Northeast China are closely related to the long-term action of the trench subduction zone. The formation of the Changbaishan volcanic area has a great relationship with the thrust of the subduction zone. The seismicity of the subduction zone indirectly controls the formation and activity of the volcanic area in Northeast Asia. The principal compressive stress axis distributes in the NEE-SWW direction in the Yingkou area of Liaoning， while the principal tensile stress axis distributes in the NNW-SSE direction. Based on the results of the focal mechanism of shallow earthquakes in the volcanic area and its surrounding areas， it is believed that the current tectonic stress field in the northeastern volcanic area continues the overall structure of stress in the northeastern region， with the principal compressive stress axis in the NEE-SWW direction and the principal tensile stress axis in the NNW-SSE direction.

[Keywords] focal mechanism; Changbaishan volcanic area; plate subduction; tectonic stress field; dynamics