地球物理学报  2015, Vol. 58 Issue (11): 4149-4162   PDF    
南北地震带震源机制解与构造应力场特征
王晓山1, 吕坚2,3, 谢祖军3, 龙锋4, 赵小艳5, 郑勇3    
1. 河北省地震局, 石家庄 050021;
2. 江西省地震局, 南昌 330039;
3. 大地测量与地球动力学国家重点实验室, 中国科学院测量与地球物理研究所, 武汉 430077;
4. 四川省地震局, 成都 610041;
5. 云南省地震局, 昆明 650224
摘要: 南北地震带作为中国大陆地应力场一级分区的边界,其构造应力场的研究对理解大陆强震机理、构造变形和地震应力的相互作用具有重要意义.本文收集南北地震带1970-2014年的震源机制解819条,按照全球应力图的分类标准对震源机制解进行分类,发现其空间分布特征与地质构造活动性质比较吻合.P轴水平投影指示了活动块体的运动方向,T轴水平投影在川滇块体及邻近地区空间差异特征最为突出,存在顺时针旋转的趋势.南北地震带的最大水平主应力方向具有明显的分区特征,北段为NE向走滑类型的应力状态,中段为NEE-EW-NWW向的逆冲类型,南段为SE-SSE-NS-NNE向走滑和正断类型,在川滇块体的北部和西边界应力状态为EW-SE-SSE的正断层类型,表明来自印度板块的NNE或NE向的水平挤压应力和青藏高原物质东向滑移沿大型走滑断裂带向SE向平移的复合作用控制了南北地震带的岩石圈应力场.川滇块体西边界正断层类型应力状态范围与高分辨率地震学观测得到的中下地壳低速带范围基本吻合,青藏高原向东扩张的塑性物质流与横向边界(丽江-小金河断裂带)的弱化易于应变能的释放,在局部地区使NS向拉张的正断层向EW向拉张正断层转变.反演得到的应力状态基本上与各种类型地震的破裂方式比较吻合,也进一步验证反演结果的可靠性,可为地球动力学过程的模拟和活动断层滑动性质的厘定提供参考.
关键词: 南北地震带     震源机制解     构造应力场     最大水平主应力方向    
Focal mechanisms and tectonic stress field in the North-South Seismic Belt of China
WANG Xiao-Shan1, LÜ Jian2,3, XIE Zu-Jun3, LONG Feng4, ZHAO Xiao-Yan5, ZHENG Yong3    
1. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;
2. Earthquake Administration of Jiangxi Province, Nanchang 330039, China;
3. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China;
4. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China;
5. Earthquake Administration of Yunnan Province, Kunming 650224, China
Abstract: The North-South Seismic Belt is the boundary between the first-order blocks of the tectonic stress field in China. The focal mechanisms of 819 events that occurred in this belt from 1970 to 2014 are used to study its tectonic stress field, which is important for understanding the mechanism of continental earthquakes, tectonic deformation and seismic stress interaction.
According to the classification criteria of World Stress Map (WSM), focal mechanism solutions are divided into six types, in which the horizontal projections of P axes mark the movement direction of the block. The stress tensors and the orientations of the maximum horizontal stress of the North-South Seismic Belt were determined by the MATLAB Package for Spatial And Temporal Stress Inversion (MSATSI) using 2°×2° grids with the damping parameter 1.6 at the 95% confidence level.
The spatial distribution of different types of focal mechanisms is consistent with the nature of tectonic activity in the North-South Seismic Belt. It demonstrates that the regional tectonic stress field is controlled by tectonic movement. The horizontal projections of P axes show the segmentation patterns from north to south: NNE-NE-nearly EW-NW-nearly NS-NNE direction, the horizontal projections of T axes exhibit the most prominent characteristic of spatial differences in the Sichuan-Yunnan block and neighboring regions, a clockwise rotational pattern. The spatial distribution of stress regime and the orientation of the maximum horizontal stress has obvious regional characteristics, i.e. NE direction strike-slip type stress state in the northern section, NEE-EW-NWW direction thrusting type in the middle section, SE-SSE-NS-NNE direction strike-slip and normal faulting type in the southern section, and the stress regime in the northern part and west boundary of the Sichuan-Yunnan block is EW-SE-SSE direction normal faulting. The normal fault stress regime in the western boundary of the Sichuan-Yunnan block is consistent with the scope of the low velocity zone in mid-lower crust observed by the high resolution seismic array, the ductile flow of eastern expansion of the Tibetan Plateau and the weakness of lateral boundaries (Lijiang-Xiaojinhe fault) facilitate energy release, limiting earthquake magnitude. It also localizes the transition from normal fault earthquakes with N-S extension to normal faulting with E-W extension.
The results suggest that the lithospheric stress field of the North-South Seismic Belt is controlled jointly by the NE or NNE directed horizontal compressive stress from the Indian plate and eastward motion of the material of the Tibetan Plateau that slip towards SE along large strike-slip faults. Stress regime is almost consistent with the rupture mechanism of all types of earthquakes, verifying the reliability of the inversion. It can offer a reference for simulation of geodynamic processes and determination of the nature of fault slip.
Key words: North-South Seismic Belt     Focal mechanism     Tectonic stress field     Orientation of the maximum horizontal stress    
1 引言

南北地震带北起鄂尔多斯地块西缘,跨越秦岭,穿过龙门山,再沿安宁河—小江断裂带向南延至缅甸境内,成为分隔中国大陆东部相对稳定的鄂尔多斯高原、四川盆地和华南地块与西部强烈隆升的青藏高原之间的边界活动构造带(Zhang,2013).深部地球物理探测表明,南北地震带本身为非常明显的地壳厚度梯度带和重力梯度带(马杏垣,1989Huang et al.,2003).在不同地球动力学过程共同作用下,晚新生代和现今构造变形在南北带两侧的差异非常明显,形成了一条由北向南分段的、不同性质断裂和褶皱构成近SN向的复杂构造带和地震活动带,集中了中国有历史记录以来一半的8级以上大地震,是中国大陆浅源地震最活跃、地震分布带状明显的巨型地震带,亦是中国大陆地应力场一级分区的边界(谢富仁等,2004).2008年5月12日汶川8.0级及其后续一系列6级以上地震即是南北地震带构造活动的直接反映.因此,获取整个南北地震带的构造应力场,对探讨驱动南北地震带构造变形和强震发生的动力学机制具有十分重要的意义.

构造应力场在地球动力学研究中起着十分重要的作用,区域地壳应力场及其时空变化特征为深入了解地震机理、构造变形及地震应力的相互作用提供了可靠的信息.对地壳内构造应力进行直接测量非常困难,但可以利用其他的一些地球物理观测资料反演出构造应力的某些特征,例如地震震源机制和地应力测量资料等.基于这些资料,许多学者就南北地震带的构造应力场进行了研究.通过地震P波初动极性(许忠淮等,19871989)、震源机制解(阚荣举等,1977鄢家全等,1979成尔林,1981秦保燕等,1986徐纪人和尾池和夫,1995杜兴信和邵辉成,1999程万正等,2003谢富仁等,2004徐纪人等,2008Wan,2010郝平等,2012郭祥云等,2014)、断层擦痕数据(谢富仁等,2001)、实测地应力(杨树新等,2012)等进行整体和分段的研究,目前对于南北地震带的基本一致结论是该地震带为中国地震构造应力场的一条分界线,应力场方向变化很剧烈;北段成北北东向,中段成近东西向,南段成北北西向.同时,南北地震带在不同区域的应力大小存在着差异,杜兴信和邵辉成(1999)利用FMSI软件(Gephart and Forsyth,1984)给出了相对应力大小R值,北段R值高于0.60,南段低于0.50,大多数断层为走滑断层.

此外,对于南北地震带的构造应力背景也得到了一定的认识.例如,杨树新等(2012)得出南北地震带北段挤压作用强度仅次于青藏板块,中段挤压作用强度弱于北段强于南段.阚荣举等(1977)指出,川滇菱形块体由于受到印度洋板块对欧亚板块的挤压的影响,向东南方向运动并控制着那里的应力场.根据在亚洲东部和东南部设为自由边界的条件下的实验模拟结果,Peltzer和Tapponnier(1988)认为,由北向运动的印度—澳大利亚板块所产生的强挤压力控制着南北地震带南段的构造应力场.徐纪人和尾池和夫(1995)发现在南北地震带南段P轴的方位在空间组成一个倒“V”字形,东部和西部地区的边界与青藏高原和扬子块体之间的边界是一致的.王振声等(1976)分析南北地震带的范围及其地震活动特征,结果显示104°E线为一天然的东西分界线,震中的南北呼应关系在这一线上较为显著,这些迹象暗示地下深处可能存在一断续的南北构造线,由此推测,沿此构造线可能存在一南北走向的应力集中带.

以往的这些研究给出了南北地震带总体的构造应力场分布,以及一些局部断层的应力状态,但对于南北地震带整体上的各断层性质,以及其对应的孕震环境研究方面仍存在一定的不足.由于地震震源机制解提供了断层的走向、倾角、滑动角以及应力释放的定量信息,因此,通过对震源机制解的分析,将能够给出整个区域的发震环境和构造应力场特征.特别是南北地震带地震活动性很高,从1970年以来,该区域发生了近千次4级以上的地震,空间分布基本上覆盖了整个南北地震带,加上台网布设较为密集,为研究地震位置和震源机制解提供了良好的数据基础.因此,获取该区域近几十年来的地震震源位置和震源机制解,并由此分析南北地震带的断层性质和构造应力场特征成为可能.本文将通过反演和收集1970年以来的4.0级以上地震震源机制解,并综合Global Centroid Moment Tensor(GCMT)database提供的部分震源机制解,反演其应力张量和水平最大主压应力方向,进而给出南北地震带整体的构造应力特征.

2 数据和方法2.1 地震数据

选取南北地震带(21°N—43°N,97°E—107°E区域)作为预订研究范围,使用的数据包括:来自中国及其邻区地壳应力场数据库(谢富仁等,2003)的发生在1970—1983年的275个震源机制解数据;下载自GCMT database的1976—2014年的211个矩心矩张量数据(Dziewonski et al.,1981Ekström et al.,2012);其他数据为笔者等(将另拟文发表)利用国家或者区域数字化测震台站的波形数据(郑秀芬等,2009)反演的发生在2007年10月—2013年12月的333个4级以上地震震源机制解数据.以上数据如果出现重合,则以GCMT解数据为准,最终参与反演的数据共计819个震源机制解(图 1).

图 1 南北地震带震源机制解类型空间分布
(a)走滑类型;(b)正断层;(c)逆断层;(d)不确定类型.紫色线条为块体边界,黑线表示断层.F1 海原断裂带;F2六盘山断裂带;F3 龙门山断裂带;F4 鲜水河断裂带;F5安宁河—则木河断裂带; F6 小江断裂带;F7 红河断裂带;F8 通海—曲江断裂带; F9 丽江—小金河断裂带;F10 马边—盐津断裂带;F11 莲峰断裂带;F12昭通断裂带.
Fig. 1 The spatial distribution of focal mechanism solution types in North-South Seismic Belt
(a) Strike slip, (b) Normal faulting, (c) Thrust fault, (d) Unknown type. Purple line is the boundary of the block, black line is fault. F1 Haiyuan fault zone; F2 Liupanshan fault zone; F3 Longmenshan fault zone; F4 Xianshuihe fault zone; F5 Anninghe-Zemuhe fault zone; F6 Xiaojiang fault zone; F7 Honghe fault zone; F8 Tonghai-Qujiang fault zone; F9 Lijiang-Xiaojinhe fault zone; F10 Mabian-Yanjin fault zone; F11 Lianfeng fault zone; F12 Zhaotong fault zone (the following figures as the same.AB Alxa Block; CLB Qaidam-Longxi Block; OB Ordos Block; BB Bayan Har Block; QB Qiangtang Block; WYB West Yunnan Block; CDB Chuandian Block; SYB South Yunnan Block; SCB South China Block)
2.2 研究方法

通过震源机制解可以计算地震的应力张量.应力张量既可以由震源机制解反演得到,也可以直接用P波初动极性得到(Abers and Grphart,2001万永革等,2011a).大多数成熟的法向应力反演技术有两个主要的假设:(1)研究区域地壳范围内应力场是均匀的;(2)断层的滑动方向与应力张量投影在断层面上的剪切应力方向一致(Wallace,1951Bott,1959).估计应力场方向是非线性反演问题,既可以直接求解,也可以采用线性化求解.在求解非线性反演问题时,使用网格搜索法(Gephart and Forsyth,1984Gephart,1990Arnold and Townend,2007)或基于采样优化的蒙特卡罗方法(Angelier,1984Xu,2004)得到一组与震源机制达到最优拟合的应力张量.线性反演方法是通过计算量小、被广泛应用的最小二乘法求得(Michael,1984Hardebeck and Michael,2006).本研究使用MSATSI软件包(Martínez-Garzón et al.,2014),根据SATSI(Spatial And Temporal Stress Inversion)算法(Hardebeck and Michael,2006)重新设计,采用各种图表示0D—3D的应力反演结果,使其可视化.SATSI算法程序中,输入的震源机制解在反演之前被分到按一定维度分布的许多子区(网格).维度从0D(单个网格的应力反演)到1D(应力场随时间变化)再上升到4D(时空分布).4D是把时间作为一个额外的坐标.然后,采用阻尼最小二乘反演(Menke,1989)同时得到每个网格点的应力张量并进行平滑.SATSI算法采用了线性反演技术,相对于网格搜索法反演速度更快,能够最大程度上拟合数据,消除人为影响,在反映应力场真实变化的同时,又去掉了过度平滑所带来的虚假变化.对于SATSI算法的详细描述,请参考Hardebeck和Michael(2006)Michael(19841987).

Lund和Townend(2007)从数学上推导给出了由应力张量严格计算最大水平主应力方向的公式和方法,可以得到“真实的”最大水平主应力方向.识别最大水平应力的常规方法是简单地采用最大近水平主应力的水平投影方向,但该情况只有当应力张量中的其中一个主应力轴严格垂直的才是适用的.Anderson应力模型可以很好地解释不同构造条件下观测到的应力状态,当与最大主应力轴平行时,即该轴垂直于地表水平面.一般情况下由震源机制解估计得到的应力张量,几乎没有应力轴是严格垂直于地表水平面的,则不能简单地采用最大近水平主应力的水平投影,二者之间在方位上可能存在数十度的偏差.已知构造应力张量S,由此可以得到3个主应力及其对应的主应力矢量s1s2s3,在Aki和Richards(1980)定义的地理坐标系下(北、东、下为正)

作用在我们感兴趣的垂直平面上法向正应力Sn与该法向应力的方位角α之间存在如下关系(Lund and Townend,2007式(5)):

式中,α为法向正应力Sn的方位角.一般情况下,Sn在区间[,π)具有一个最大值和一个最小值,使得式(2)为零,分别对应了水平最大主应力和最小主应力.

反演结果不确定度的评定对理解应力场的时间、空间变化具有重要意义.通常震源机制解参数具有较大的不确定性(25°或更大),需要大量的(30个震源机制解)、离散分布的数据来准确地约束应力张量的方向.考察应力状态的空间分布特征时,通常的方法是将区域分成很多小区,对每个小区的震源机制拟合应力张量,分区方式不同和分区大小的变化都可能对反演的应力张量结果产生影响(Maury et al.,2013).近年来使用震源机制解推断构造应力场特征的方法又有了新的发展,一方面基于大量的资料进行小区域精细构造应力场的研究(Hardebeck and Hauksson,2001万永革等,2011b);另一方面通过增加阻尼约束应用概率信息准则等数学手段来更好地约束反演结果(Hardebeck and Michalel,2006Arnold and Townend,2007).

因此,我们使用MSATSI计算应力场方向的主要步骤如下:(1)确定反演中的最佳阻尼参数e,阻尼系数e控制着理论值与观测数据之间错配值和应力反演模型长度的相对权重,它的取值对反演结果起着至关重要的作用;(2)利用SATSI对所有网格同时进行反演,确定每个网格的应力张量方向和相对应力大小值R;(3)利用bootstrap对每个网格的数据进行重采样,在特定置信区间内选择重采样数据进行不确定性评价;(4)利用msatsi_plot对应力场反演结果根据给定参数进行可视化,水平最大主应力方向的求解在画图程序中给出,并在特定置信区间内选择重采样数据进行不确定评价.

3 震源机制解的总体特征

参照世界应力图的划分原则(Zoback,1992),根据震源机制解3个应力轴倾角的大小,将震源机制解类型(即其反映的应力状态)分为6种:正断型(NF)、正走滑型(NS)、走滑型(SS)、逆走滑型(TS)、逆断型(TF)和无法确定型(U),具体分类标准见表 1.结果表明:走滑断层型地震为413个,占50.4%,具有一定走滑分量的正断层和正断层类型为91个,占11.1%,具有一定走滑分量的逆断层和逆断层为257个,占31.4%,无法确定型为58个,占7.1%.

表 1 震源机制解类型划分表 Table 1 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism

图 1可以看出,大多数地震都发生在活动地块边界带上,这与张国民等(2005)得到中国大陆活动地块边界带与强震分布的关系一致.活动地块具有分级性,高级别地块内部可能存在次级地块,但不同地块之间或不同级别地块之间的构造变形在更大区域框架下具有协调性.地块内部的构造活动有两种形式:一种是相对稳定,不发生大幅度构造变形;另一种是内部次级地块之间发生相对运动,具有一定的构造活动性,但不论是其活动强度还是频度都远小于边界活动构造带.

走滑类型(图 1a)遍布整个南北地震带区域,尤以南段最多,主要分布在川滇块体的边界和内部,印度板块向北东推挤以及青藏高原物质向东扩张导致川滇菱形块体上部地壳沿断层的滑移(Liu et al.,2014),引起块体内部次级断裂的左旋走滑以及块体内部各构造单元之间的差异滑动造成区域内呈现走滑的应力状态,川滇地块本身相对于邻区向东南的滑脱也促成了其应力场的走滑性质,造成这一地区走滑类型地震的弥散分布.龙门山断裂带上的走滑类型地震大多发生在汶川地震的破裂区,属于汶川地震的余震序列,受控于主破裂的滑动,表明余震区应力仍处于调整状态.正断层类型(图 1b)主要分布在川滇块体北部和西南部、龙门山断裂带以及银川地堑.青藏高原中部羌塘地块的东向扩张在四川地台强烈受阻引起被动式的转向,数值模拟(朱守彪和石耀霖,2004)和高分辨率地震学观测(Liu et al.,2014)均表明青藏高原东部下地壳易于流动,从而对上地壳有拖曳作用,多种力源的组合决定了川滇块体北部的应力状态;川滇块体的西南部位于一种特殊构造背景下的扩展裂陷区,既是红河断裂带的尾端拉伸区(虢顺民等,1996),又有横切川滇菱形块体的丽江—小金河(逆左旋走滑)断裂在区内与之交会,青藏高原向东扩张引起的中下地壳物质流动对上地壳拖曳作用与构造部位的特殊性叠加形成了现今显著的拉张应力状态.逆断层类型(图 1c)主要集中在龙门山断裂带、马边—盐津断裂带、青藏高原东北缘等区域.汶川地震和芦山地震发生在青藏高原东边界的龙门山逆冲推覆断裂带上,呈现地壳明显缩短的挤压破裂带,其余震序列的震源机制大多为逆冲类型;马边—盐津断裂带表现出左旋走滑-挤压逆冲的晚第四纪活动特征,NE向昭通、莲峰断裂带表现出右旋走滑兼逆冲、或者以逆冲为主要错动方式,震源机制解类型与构造背景一致;青藏高原东北缘的逆断层型地震显示了在印度板块NE向欧亚大陆挤压碰撞作用下,青藏高原在不断隆升的构造运动特征.无法确定型震源机制解(图 1d)主要集中分布在龙门山断裂带,基本上属于汶川地震的余震活动,反映了不同来源的动力作用使主应力场方向倾斜偏离了水平面和垂直面而引起的变形.综上所述,南北地震带上的活动构造和块体的运动特性、构造变动样式与震源机制类型之间存在较好的一致性,表明区域构造应力场和构造运动特征具有很好的关联性.

为了研究南北地震带构造应力场分布的方向特征,图 2给出了研究区内819个震源机制解的主压应力P轴和张应力T轴的水平投影分布.图中线段的长短与P、T轴的倾角有关,当P、T轴平行于水平面时线段最长,反之当P、T轴垂直于地表时,其投影成为一个点.P、T轴的水平投影反映了震源应力场主压应力轴和张应力轴的地表水平投影方位.P轴方位(图 2a)从北向南呈现规律的变化特征:NNE向—NE向—近EW向—NW向—近NS向—NNE向,表明来自印度板块的北北东或北东向的水平挤压应力和青藏高原物质向东扩张引起的下部地壳物质流动和上部地壳沿大型走滑断裂南东向块体滑移(Liu et al.,2014)的复合作用控制了南北地震带的岩石圈应力场.T轴方位(图 2b)在川滇块体及邻近地区空间差异特征最为突出,存在顺时针旋转的趋势,T轴方位从块体北部的NS向越过丽江—小金河断裂后突然转为近EW向拉张,穿过红河断裂后在滇西块体转为近EW—NWW向.T轴方位的突然转向可能与横切川滇块体的丽江—小金河断裂带有关,该断裂带在重力、地壳厚度和人工地震剖面上均显示为一明显的线性异常带,这种深位凹凸不平的梯度转折正是阻挡中上地壳物质塑性流动或弹塑性应变传播的主要屏障,自然会屏蔽和吸收一部分高原物质沿川滇块体自北向南的挤出和流动(向宏发等,2002).同时,缅甸弧后扩张的远场效应影响也不能忽视.

图 2 南北地震带震源机制解P(a)、T(b)轴水平分量投影分布(图例同图1)Fig. 2 Horizontal projections of principal compressive (P) axes and extensional (T) axes of focal mechanism solutions in North-South Seismic Belt (Legend same as Fig.1)

龙门山断裂带NWW—SEE向P轴缓倾角而T轴高倾角分布,揭示了巴颜喀拉块体与华南地块的相互作用方式——强烈逆冲.川滇块体东边界的安宁河—则木河—小江断裂带、大凉山次级块体的马边—盐津断裂带、莲峰—昭通断裂带上的P轴均为NW向缓倾角分布,震源机制表明川滇块体SE向滑移矢量部分被分解到大凉山次级块体,继续向SE向滑移受到坚固的华南地块的阻挡而产生逆冲兼有少量走滑分量的地震.2012年9月7日云南彝良M5.7地震为莲峰—昭通断裂带有文字记载以来的最大地震,震源机制解反映出SEE向水平挤压的应力场(吕坚等,2013),活动构造野外调查和高分辨率卫星影像分析得到的该断裂带的活动方式与震源机制解的错动方式基本一致,由此可推知上述断裂活动和变形的动力源来自川滇块体的SSE向运动(闻学泽等,2013).

4 应力张量反演

我们将整个南北带划分成2°×2°的网格,利用MSATSI软件对每个网格反演最佳拟合应力张量.Hardebeck和Michael(2006)对不同的数据选取方法对反演结果的影响做过对比研究,发现加入阻尼的应力场反演能消除传统应力场反演方法中应力旋转的人为因素,同时消除简单平滑模型和滑动窗反演方法产生的较为明显的真实应力旋转.因此,本研究仅对2°×2°网格内的震源机制解进行应力张量反演,不进行滑动和增加周围网格的数据.

阻尼系数e控制着理论值与观测数据之间错配值和应力反演模型长度的相对权重,简化模型,则错配值升高,反演误差增大;反之提高错配的相对权重,反演误差减小,模型逐渐变得复杂,甚至失去了阻尼约束的意义.通常根据图 3所示的折中曲线选取最佳的阻尼系数,折中曲线的拐点在e=1.6处,表明低于该相对权重值,提高模型复杂程序对反演残差的改善作用不大;而提高相对权重,随着模型的简化,反演误差会急剧增加.本研究中我们采用e=1.6作为最佳阻尼系数.

图 3 模型长度与数据拟合误差之间的折中曲线图
空心圆旁所标数字是阻尼参数e的取值,十字表示所选择的最佳阻尼系数.
Fig. 3 Trade-off between model length and misfit, calculated from a discreet set of damping parameters
Damping values are indicated beside each point. The selected damping parameter is shown with a cross.

在震源机制应力反演程序中有4个待求参数,最佳应力模型3个主应力轴σ1σ2σ3(σ1σ2σ3)的方位角和倾角,同时还可以得到相对应力大小值RR=(σ1-σ2)/(σ1-σ3).相对应力大小是中等主应力轴σ2接近最大主应力轴σ1或者接近最小主应力轴σ3的度量,有助于我们区分应力场的类型.地壳和地幔内的应力场或许存在差异,所以我们仅选取深度在60 km以内的数据,对于震源机制解个数少于6个的网格,不反演其应力张量.在95%的置信区间对原始数据进行600次bootstrap重采样利用2D阻尼法向应力反演技术获得每个网格的最佳拟合构造应力张量,然后计算每个网格的水平最大主应力方向(表 2图 4).为了平滑地震空白的区域,没有数据的格点也包括在反演中,但这些点上的结果没有显示.

表 2 南北地震带应力场反演结果(只列出有结果的网格) Table 2 Results of stress field inverted in the North-South Seismic Belt (only give the grids with results)

图 4 南北地震带应力场反演结果
红色表示正断层类型,绿色表示走滑类型,蓝色表示逆冲类型;同时给 出在95%置信区间最大水平主压应力方向误差(图例同图1).
Fig. 4 Surface distribution of the stress field orientation in the North-South Seismic Belt. Results use WSM
For each grid point, maximum horizontal stress is shown in 95% confidence level (Red, normal faulting; green, strike slip; blue, thrust faulting. Legend same as Fig.1).

图 4给出以全球应力图WSM(Heidbach et al.,2010)分类标准显示的从鄂尔多斯块体西缘经龙门山断裂带、川滇块体到滇缅块体最大水平主应力的方向变化与应力状态,直观地反映了南北地震带背景应力场的作用方式.南北地震带的最大水平主应力方向具有明显的分区特征,与P轴方位有着基本一致的变化规律.大体分为三段,北段为NE向走滑类型的应力状态,中段为NEE—EW—NWW向的逆冲类型,南段为SE—SSE—NS—NNE向走滑和正断类型,在川滇块体的北部和西边界应力状态为EW—SE—SSE的正断层类型.反演得到的应力状态基本上与各种类型地震的发生比较吻合,也进一步证明结果的可靠性.水平最大主压应力方向与前人对南北地震带研究得到的结果一致(许忠淮等,1987阚荣举等,1977成尔林,1981秦保燕等,1986杜兴信和邵辉成,1999Wan,2010杨树新等,2012),在南北地震带南段水平最大主压应力方向存在顺时针旋转的趋势,与GPS观测得到的地表水平速度场基本一致(Shen et al.,2005Zhang,2013);在空间组成一个倒“V”字形,与徐纪人和尾池和夫(1995)发现P轴方位空间分布特征类似.

鄂尔多斯西缘的银川—吉兰泰断陷带内发育着第四纪以来活动性最强的NNE至NE向断裂,控制着地堑的形成,在NE向主压应力作用下近NS向断陷带做右旋剪切运动,致使盆地内部和边缘发生走滑和正断层类型地震.1920年海原地震(Selva and Marzocchi,2004)发生在海原断裂上,是左旋走滑型破裂,基本与所属区域的应力状态吻合.祁连山、柴达木盆地和六盘山构成了青藏高原的东北边缘,该地区地震活动强烈,震源机制解表明地震破裂以逆冲和左旋走滑为特征,与地表活动断裂研究结果一致(Meyer et al.,1998).鄂尔多斯块体西南缘NEE向的逆冲类型应力状态反映了青藏块体对鄂尔多斯块体的直接作用,六盘山断裂带第四纪以来以强烈的挤压性质及左旋走滑运动区别于鄂尔多斯边缘的其他活动断裂(国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组,1988).印度板块对欧亚板块NNE向的推挤在青藏高原的边界遇到刚性块体的阻挡,逆冲类型地震主要发生在高原周边,反映了高原向周边的挤压和缩短作用;走滑断裂发育在高原的不同海拔不同部位,北部是左旋走滑运动,南部是右旋走滑运动,反映了高原内部物质东流所导致的巨型左旋和右旋剪切作用(Gan et al.,2007Zhang,2013),在巴颜喀拉块体的南边界鲜水河断裂上走滑类型地震十分发育;青藏高原的物质向东扩张由于受到稳定的四川盆地的阻挡,一部分东流物质使得高角度(50°~70°)、犁状的龙门山断层面上的正应力不断增大,导致该断层的闭锁性逐步加强,另一方面青藏高原较柔软的下地壳物质的不断向东运动对龙门山断裂带上盘的推挤作用不断加强,导致断裂带上剪应力越来越大;当剪应力超过摩擦强度时,断层解锁产生滑动,发生汶川地震(朱守彪和张培震,2009).

阚荣举等(1977)指出,由鲜水河断裂带、安宁河断裂带、小江断裂带、通海—曲江断裂带和红河断裂带所围成的一个菱形块体,由于受到印度洋板块对欧亚板块的推挤影响,向SE方向运动并控制着那里的应力场.川滇块体及邻区的水平最大主压应力方向呈现有序的变化特征,北部EW向的主压应力方向显示出羌塘块体曾发生过或正经历着东向滑移,与刘平江等(2007)的分析结果一致;中部和南部水平最大主压应力方向为SE—SSE向,青藏高原物质东向滑移遇到华南块体的强烈阻挡,使块体滑动方向被迫向南偏转,引起川西北次级块体SE向的滑移,而块体东边界断裂走向从北西偏转成近南北,滇中次级块体被迫SSE向平移.滇缅地块水平最大主压应力方向为NNE向,应力状态为走滑类型,与谢富仁等(2001)的分析结果一致,该地区遭受着来自印度板块侧压、川滇块体楔入和东南亚板块向北的联合作用(谢富仁等,1999).川滇块体及邻区的运动图像与构造地质学观测结果相一致(徐锡伟等,2003).

值得一提的是,川滇块体的西边界的应力结构为EW—SE—SSE向的正断层类型,该区域与高分辨率地震学观测得到的中下地壳低速带范围基本吻合,青藏高原向东扩张的塑性物质流与横向边界(丽江—小金河断裂带)的弱化易于应变能的释放,在局部地区使NS向拉张的正断层向EW向拉张正断层转变(Liu et al.,2014).

5 结论与讨论

震源机制解是研究构造应力场特征的基础资料,本研究收集和计算了南北地震带上819条震源机制解.通过MSATSI软件(Martínez-Garzón et al.,2014)分析了南北地震带现今地壳应力状态总体特征与不同分段地壳应力状态特征.主要结论如下:

(1)南北地震带上的震源机制解类型主要以走滑类型和逆冲类型为主.走滑类型地震主要分布在块体边界的大型走滑断裂带上,反映了青藏高原内部物质向东扩张所导致的巨型左旋和右旋剪切作用.南北地震带南段走滑类型最多,青藏高原向东扩张引起川滇菱形块体的上地壳沿边界断裂南南东向的滑移导致其内部次级断裂的左旋走滑,块体本身相对于邻区向东南的滑脱也促成了其应力场的走滑性质,再加上印度板块的侧向剪切挤压,造成这一地区走滑类型地震的弥散分布.逆冲类型主要分布在柴达木盆地、六盘山断裂带和龙门山断裂带上,反映了青藏高原向周边的挤压隆升和缩短作用.

(2)南北地震带P轴水平投影从北向南呈现规律的变化特征:NNE向—NE向—近EW向—NW向—近NS向—NNE向,表明来自印度板块的NNE或NE向的水平挤压应力和青藏高原物质东向滑移沿大型走滑断裂带向SE向平移的复合作用控制了南北地震带的岩石圈应力场.

(3)南北地震带T轴水平投影在川滇块体及邻近地区空间差异特征最为突出,T轴方位从块体北部的NS向越过丽江—小金河断裂后突然转为近EW向拉张,而水平最大主应力方向只是存在渐变顺时针旋转的趋势,并且与GPS观测得到的地表水平速度场基本一致.T轴方位的突然转向可能与横切川滇块体的丽江—小金河断裂带有关,青藏高原向东扩张引起的中下地壳塑性物质流与横向边界(丽江—小金河断裂带)的弱化易于应变能的积累,挤压强度的减弱(杨树新等,2012)和下地壳对上地壳的拖曳作用,在局部地区使NS向拉张的正断层向EW向拉张正断层转变.同时,缅甸弧后扩张的远场效应影响也不能忽视.

(4)南北地震带应力状态的分布特征:北段为NE向走滑类型,中段为NEE—EW—SEE向逆冲类型,南段为SE—SSE—NNE向走滑和正断类型;由北向南分别对应于鄂尔多斯块体西缘的吉兰泰—银川断陷盆地,六盘山断裂带,龙门山断裂带和川滇块体等,震源机制解类型比较符合反演得到的应力状态.川滇块体的西边界的应力结构为EW—SE—SSE向的正断层类型,在深部结构上对应中下地壳低速带,浅部构造对应红河断裂带尾端拉伸区,深浅构造的联合作用导致了该区域独特的应力状态.

本研究得到的水平最大主压应力方向与张培震等(2013)综合考虑断裂错动、地块旋转和内部变形所获得的青藏高原东部的构造变形速度场基本一致,表明印度板块对中国大陆的碰撞和推挤作用是中国大陆晚新生代构造变形最重要的动力作用,而不同活动地块本身的性质决定着地块的整体性和变形方式,活动地块边界带由于其差异运动强烈而构造变形非连续性最强,最有利于应力的高度积累而孕育强震.先前研究中利用初动和震源机制资料采用不同反演方法也得到相同的应力场特征(许忠淮等,1987杜兴信和邵辉成等,1999Wan,2010).与先前研究给出同样的应力场分布特征,证实了本研究所使用的方法和数据.本研究给出的应力场结果与其他方法获得的结果也是一致的,如GPS观测结果(Wang et al.,2001)及其应变率场(Zhang,2013)以及GPS、地质和剪切波分裂数据的综合研究结果(Flesch et al.,2005).以上由大量震源机制解反演得到的南北地震带地壳应力场宏观分布的一些规律性的认识,可为地球动力学过程的模拟和活动断层滑动性质的厘定提供参考.鉴于本研究只是使用了4级以上地震的震源机制,后续仍需要填加质量可靠的中小地震震源机制解来丰富数据的多样性,增加数据分布的均匀性,使我们可以更加精细地讨论南北地震带的构造应力状态.

致谢 中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心(doi:10.7914/SN/CB)为本研究提供地震波形数据,文中图件利用Generic Mapping Tools(GMT)(Wessel and Smith,1995)绘制,审稿专家给出宝贵修改意见,在此一并表示衷心感谢!

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