2020, Vol. 40
地震应力场是反映地下应力构造及其演化的关键，也是研究地震危险性的重要依据。但地震应力场难以直接测量，主要是通过反演地震震源性质、地表形变和地震活动性进行研究，而最有效的方法仍然依赖于大量的震源机制解数据[1-2]。Gephart等[3]提出网格搜索方法，假设断层错动方向与剪切应力方向一致，通过一个地区若干震源机制解共同约束得到应力张量；Michael[4-5]假设同一构造时间引起的每个断层面上的切向牵引力在破裂时大小相近，提出一种线性求解技术。
很多研究表明，较大地震发生后，震源区及其周边地区的构造应力状态可能会受到较大影响，造成应力值相对大小的变化，或者应力场方向的改变[6-8]。2015-04-15内蒙古阿拉善左旗(39.80°N，106.30°E)发生MS5.8地震，本次研究计算了鄂尔多斯块体西北缘2000~2018年ML2.5~5.0地震的震源机制解，依托ZMAP程序包，采用自助线性方法反演该区构造应力场，以期分析此次地震震源区及周边地区地震前后的应力场状态及其变化特征。
1 地质构造背景阿拉善块体位于中朝古板块西部，其南部为正在隆起的青藏高原，北部为新生代活动的蒙古高原，东部为鄂尔多斯块体，是一个由走滑断层围限的三角形块体[9]，且地壳结构相对简单[10]。中新生代以来，由于受印度板块向欧亚板块俯冲碰撞的远程效应影响，祁连山作为一个活动块体向北东推挤[11]，最终驱使阿拉善地块对其东缘的巴彦浩特盆地产生明显的挤压作用[12]，加之东侧鄂尔多斯刚性块体逆时针旋性运动的强烈阻挡[13](图 1)，使巴彦浩特盆地成为应力作用复杂的地区。
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图 1 阿拉善块体构造和动力作用示意图 Fig. 1 Schematic diagram of structure and dynamic action in Alxa block |
2015-04-15阿拉善左旗5.8级地震发生在巴彦浩特盆地东北角，该盆地叠于阿拉善地块之上，是中新生代以来在拉张环境下形成的断陷盆地，盆地走向北东，呈略向南东凸出的弧形展布(图 1), 盆地所辖断裂主要有西缘的巴彦乌拉山断裂、南缘的查汗断裂和东缘的贺兰山东麓断裂，盆地内部的构造类型较为复杂[14]。
2 5.8级地震的震源机制解阿拉善左旗5.8级地震的震源机制解见表 1(单位(°))。可以看出，不同数据源给出的应力轴方位基本一致，均表现出北西向拉张应力和北东向挤压应力的走滑作用特征，这种应力作用类型也是该地区固有的应力场性质[16]。
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表 1 阿拉善左旗5.8级地震的震源机制解 Tab. 1 Focal mechanism solutions of the Alxa Left Banner MS5.8 earthquake |
① USGS.http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us200026mr#scientific_tensor
② GFZ.http://geofon.gfz-potsdam.de/eqinfo/event.php?id=gfz2015hipm
③ 中国地震局地球物理研究所.2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗5.8级地震[R].http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/272036.html
3 震源机制解求解为呈现阿拉善左旗MS5.8地震发生前的震源应力场状态，运用振幅比方法求解2000年以来发生在鄂尔多斯西北缘的中小地震震源机制解。考虑到研究区的监测能力[17]以及中强地震对应力场反演结果的影响，选取ML2.5~5.0的中小地震作为研究对象。通过计算共得到285次地震的震源机制解(图 2)，其中走滑型事件230次，占比80.83%；正断层事件40次，占比13.94%；逆断层事件15次，占比5.23%。
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f1雅布赖山山前断裂;f2巴彦乌拉山-狼山山前断裂;f3正谊关断裂;f4磴口-本井断裂;f5色尔腾山山前断裂;f6鄂尔多斯北缘断裂 图 2 震源机制空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of focal mechanism |
为考察震源机制解结果的统计特征，以10°为基本单元进行归一频度统计；分析中小地震震源机制解的两个节面时，把一个解中的两个节面等同看待，合并一起讨论[18]。统计结果(图 3)显示，以10°角域为统计单元的节面走向存在两个优势方向，即NNE-SSW和NWW-SEE；节面倾角在30°~90°方向均有分布，在近90°存在较大优势分布，表明节面的直立特征比较明显；节面滑动角在0°~10°、160°~180°、-170°~-180°方位存在优势分布，走滑型特征比较显著；另外，滑动角在-90°附近也存在居中分布现象，显示了一定的正断层性质。P轴的方位角在210°~240°存在优势分布，显示主压应力方位为NE-SW；T轴方位角在130°~140°和320°~330°存在优势分布，显示张应力方位为NW-SE；P轴和T轴的仰角则在水平方向存在优势分布。整体来看，上述震源机制解的统计特征与该区域的构造应力场特征[15]基本相符。
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图 3 震源机制力轴参数归一频数分布 Fig. 3 Normalized frequency distribution for stress axes parameters of focal mechanisms |
基于上述震源机制求解和归一频度分析，为更加客观地呈现研究区应力场的动态变化，采用自助线性反演(LSIB)方法反演巴彦浩特盆地及河套地震带临河-包头段应力场的平均力轴张量及其主值，将上述两个研究区的应力场以一定时间间隔为单元研究其应力场变化特征。在此基础上，为进一步分析阿拉善左旗5.8级地震前后震源区应力场的演化过程，将2015-04作为时间分割点来考察主震前后的应力场变化，具体计算结果见表 2(单位(°))、图 4(图中等值线表示95%置信区间)。
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表 2 应力场的自助线性反演结果 Tab. 2 LSIB results of stress field |
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图 4 巴彦浩特盆地((a)~(c))与河套地震带((d)~(f))自助线性应力场反演结果 Fig. 4 LSIB results for Bayanhot basin ((a)-(c)) and Hetao seismic belt ((d)-(f)) |
巴彦浩特盆地的震源应力场反演结果显示：1)2000-01~2008-04与2008-05~2015-04的最大应力方位相差约35°，产生一定幅度的逆时针偏转；2)2008-05~2015-04巴彦浩特盆地的最大主压应力方位为221.7°，与2015-04-15阿拉善左旗5.8级地震的P轴走向222°比较接近，反映出区域震源应力场方向在震前逐渐与构造应力场方向趋于一致的变化特征；3)2015-05以来(即5.8级地震后)的主压应力场方向与之前相差2°，显示有小幅度偏转，最大主压应力仰角变陡。
河套地震带的震源应力场反演结果显示：1)2000-01~2008-04与2008-05~2015-04的主压应力场方向相差5°，显示有小幅度偏转，仰角变缓；2)2008-05~2015-04与2015-05~2018年的主压应力场方向变化较大，逆时针偏转约26°，中间应力仰角变为近垂直，最大和最小主压应力仰角变为近水平，区域应力场的走滑性质比较明显。
为了进一步考察应力场空间分布的一致性特征，绘制中小地震震源机制解P轴和T轴的水平投影(图 5)。结果显示，河套地震带和巴彦浩特盆地的应力场方向特征较为一致，即主压应力方向均为NE，张应力方向均为NW，符合区域平均应力场方向；巴彦浩特盆地的震源应力场震前发生较大的顺时针偏转，震后基本保持稳定；而河套地震带震前只有小幅变化，震后则顺时针偏转至与巴彦浩特盆地的震源应力场基本一致。
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图 5 中小地震P、T轴方位水平投影 Fig. 5 Horizontal projection of P, T axis of small and medium earthquakes |
2000~2015-04(即阿拉善左旗5.8级地震前)巴彦浩特盆地和河套地震带的震源应力场方向存在明显夹角，可能导致两个构造单元中间地带应力作用比较集中，为阿拉善左旗5.8级地震的发生提供了动力来源。对比两个构造单元不同时间段的震源应力场方向可见，河套地震带的主压应力方向变化滞后于巴彦浩特盆地，而在阿拉善左旗5.8级地震发生后，河套地震带的震源应力场方向与巴彦浩特盆地的震源应力场方向又趋于一致。由此推测，阿拉善左旗5.8级地震的发生对河套地震带的震源应力场方向也产生了一定的影响。
P轴和T轴方位的空间分布总体呈现不规律的现象，但在如下两个时段的局部区域又表现出一致性分布特征：1)2008-05~2015-04在阿拉善左旗5.8级地震东北处的P轴和T轴方向特征比较一致；2)2015-05~2018年河套地震带东段的P轴和T轴一致性较高，且P轴方向与震源应力场方向一致。
5 结语本文基于震源机制求解、归一频度统计和应力场反演结果，对鄂尔多斯块体西北缘两个构造单元(河套地震带和巴彦浩特盆地)不同时间段的震源应力场特征进行对比分析，得出以下结论：
1) 2000年以来，鄂尔多斯块体西北缘的震源机制解类型多为走滑类型，断层节面分别在NNE-SSW和NWW-SEE向存在优势；节面倾角在30°~90°均有分布，在90°附近有较大优势，显示该区正断层多于逆断层的特征；滑动角在0°~10°、160°~180°、-170°~-180°优势分布，走滑型特征明显。
2) 阿拉善左旗5.8级地震的震源机制解为走滑型，P轴方位为221°。震源机制解结果显示，本次地震受到北西向拉张应力和北东向挤压应力的作用，这与震前(2008-05~2015-04)巴彦浩特盆地的主压应力场反演结果较为吻合，显示本次地震受控于区域应力场。
3) 2008-05~2015-04(震前)巴彦浩特盆地的应力场方向发生大角度偏转，与区域构造方向趋于一致，并与河套地震带应力场方向形成一定夹角，在两个构造单元的过渡地带形成应力集中区域，这可能是处于过渡地带的阿拉善左旗5.8级地震的发震原因；2015-05~2018年(震后)巴彦浩特盆地构造应力场受到较小扰动，而河套地震带的应力场方向发生明显偏转，说明阿拉善左旗5.8级地震对巴彦浩特盆地的应力场影响较小，而对河套地震带应力场产生了一定程度的影响。
致谢: 求解震源机制解的振幅比方法使用刁桂苓研究员研制的APAS程序，图件由GMT和ZMAP程序包绘制完成，在此表示衷心感谢。
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