2020, Vol. 63
2. 中国科学院南海海洋研究所大洋与边缘海地质重点实验室, 广州 510301;
3. 南方海洋科学与工程广东省实验室, 广州 510301;
4. 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广州 510301
2. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Guangzhou 510301, China;
4. Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
青藏高原的隆升源于印度、欧亚两大板块的相互作用，持续的内陆碰撞与汇聚使青藏高原及周边地区的地壳发生强烈的形变，形成了许多大型断裂带和造山带.其中在青藏高原的东南缘，由于印度板块与欧亚板块之间相互作用而发生运移的高原物质，因遇到了来自四川盆地(扬子克拉通的一部分)的阻挡，其中一部分堆积在四川盆地西缘形成了龙门山造山带，而大部分继续向南运移(Burchfiel et al., 1995; 许志琴等，2007; Wang and Meng, 2009; Zhang and Santosh, 2012; Wang et al., 2015).与此同时，印度板块向青藏高原方向的汇聚与俯冲，在喜马拉雅造山带东段和缅甸地区产生了横向的作用力，导致位于我国境内的川滇块体拥有向东滑移的速度分量.在上述运动机制的作用下，我国川滇地区、青藏高原的东缘形成了一条长达千余公里的大型走滑断裂带——鲜水河—安宁河断裂带.该断裂带是一条明显的构造分界线.首先，鲜水河断裂是松潘—甘孜地块与川滇地块之间的构造线.在松潘—甘孜地块(或巴颜喀拉地块)在其运动方向的前缘，也就是龙门山造山带西侧，地表的运动速率仅为3 mm·a-1.相比之下，在川滇块体的北部，地表的运动速率却高达15 mm·a-1(Larson et al., 1999; Meade, 2007).再者，安宁河断裂是川滇地块与扬子板块的分界线，其北侧的川滇块体拥有较高的移动速率，而其南侧的扬子板块被许多研究证明是一个相对稳定的克拉通构造.由于走滑运动的强度较大，鲜水河—安宁河断裂带具有较高的地震活动性，在历史上曾触发若干次强震事件，如1973年7.6级炉霍地震、1955年7.5级康定地震等.研究该断裂带的深部结构特征及其地震触发机制，能够让我们不断深入地了解青藏高原东缘的地球动力学机制和过程.
在最近的20年里，许多地球物理学家利用多种不同的方法开展了深部结构成像研究，来探明相关区域的深部构造及地震成因，包括：人工地震测深(Wang et al., 2007, 2009)、近震及远震体波成像(Wang et al., 2003; Wang et al., 2010; 黄忠贤等，2013；吴建平等，2013；江为为等，2014；徐小明等，2015b; 郑晨等，2016；胡亚平等，2017；Hu and Wang, 2018)、接收函数(李永华等，2009；Xu et al., 2013)、Pn波成像(Liang and Song, 2006; 李飞等, 2011)、背景噪声与面波成像(Yao et al., 2006, 2008; Yang et al., 2010；Li et al., 2014；王琼和高原，2014；王琼等，2015；徐小明等，2015a)以及SKS各向异性(常利军等，2006; 王椿镛等, 2007, 2015；王琼等，2013).上述研究推测，鲜水河—安宁河断裂带及其周边地区的深部可能分布着大量的下地壳流体，对地震触发以及部分区域的地表隆升具有很大程度上的影响.在前期的研究中我们进一步发现，相继发生在鲜水河—安宁河断裂上的两起7.0以上地震事件(1955年康定7.5级地震、1973年炉霍7.6级地震)，可能与下地壳的流体分布与运移之间存在着一定的关系(胡亚平等, 2017).为了进一步确定鲜水河—安宁河断裂带上的地震活动特征与构造特征之间的关系，我们在本研究中利用大量的、经过严格筛选的高质量P波、S波地震走时数据进行了层析成像反演，获得了鲜水河—安宁河断裂及周边区域的三维速度结构并计算了泊松比结构，并在此基础上，结合固体潮引起的应力变化特征进行了更加深入的探讨与解释.
1 数据和方法 1.1 震相数据与走时层析成像反演方法为了获得沿鲜水河—安宁河断裂带及其邻区的高分辨率速度结构，反演所使用的综合数据集包括了来自大量近震事件的高质量P波与S波走时数据，总共涉及352个台站，其来源包括：(1)由四川地震局、云南地震局及中国地震局地球物理研究所(IGCEA)提供的固定台站，以及汶川和芦山地震后由四川地震局与项目组布置的临时台站所采集的数据；(2)中国国家测震台网(CNSN)2009年1月1日至2016年12月31日的历史震相数据.台站、所使用地震事件的震源，以及射线的分布如图 2所示.这些P波、S波数据综合数据集都是经过严格筛选获得的.对于P波数据，我们所采用的筛选条件包括：(1)每个地震事件的震级必须大于或等于2.0，且震中必须位于研究区域内；(2)每个地震事件必须包含8个或8个以上不重复的到时；(3)对于每个地震事件而言，仅选择走时残差绝对值小于等于2.0 s的走时数据，且残差范围内的走时数据所占的比重必须达到或超过80%.对于S波数据，我们所采用的筛选条件与P波基本相同，唯一不同的是，走时残差绝对值的阈值设定为3.0.位经过筛选后，P波数据集中总共包含了18, 978个地震事件，包括214, 561个走时数据；S波数据集中总共包含了17, 899个地震事件，包括209, 363个走时数据.上述对地震事件所包含的走时数量与质量的严格控制，提高了反演过程中地震震源重新定位结果的可靠性.在反演过程中，所有地震事件的震源位置都通过双差定位方法被重新定位(Waldhauser and Ellsworth, 2000; Wang and Zhao, 2006)，反演结果的可靠性有了进一步保证.
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图 2 台站、地震事件以及射线分布 其中，方形符号是中国国家地震台网的台站，三角符号表示由四川地震局、云南地震局以及中国地震局地球物理研究所布置的台站；白色圆圈表示地震事件，其大小与震级相关；深灰色实线表示射线路径. Fig. 2 Distributions of seismic stations, events and raypaths Quadrate symbols indicate seismic stations of China National Seismology Network (CNSN) while the trianglar ones indicate those set by Seismology Bureau of Sichuan Province, Seismology Bureau of Yunnan Province and Institution of Geophysics of China Earthquake Administration. The white circles stand for seismic events used for inversion, whose sizes are relevant to the magnitudes, and darkgray solid lines represent the raypaths. |
在反演过程中，初始速度模型和速度间断面模型的选择非常重要，不仅直接对反演结果的可靠性产生很大的影响，还在较大程度上影响着数据的筛选.如图 3所示，为了确保初始速度模型和速度间断面模型准确性，我们一方面通过综合考虑若干前人的研究结果(Wang et al., 2014; Hu and Wang, 2018)获得了一维初始速度模型，另一方面通过高精度的插值方法(三次样条插值)对CRUST1.0模型(Laske et al., 2013)进行插值，获得了沿鲜水河—安宁河断裂带及其邻区的3D速度间断面模型.最后，通过考虑台站和地震的分布情况，并比较多次分辨率测试的结果，我们最终采用水平间距为0.5°, 0~30 km深度范围内间距为5 km，30~60 km深度范围内间距为10 km的网格模型.
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图 3 反演中使用的(a)3D速度间断面模型以及(b)反演前(灰色虚线)与反演后(实线)的1D速度模型 Fig. 3 (a) 3D velocity discontinuity model for inversion; (b) 1-D initial velocity models. Gray dash lines are before inversion. Solid lines are after inversion |
利用上述初始模型，我们利用Zhao等(1992)提出的反演方法，对经过筛选的综合数据集进行反演，得到了分辨率较高的P波与S波速度结构.该方法主要基于LSQR算法(Paige and Saunders, 1982)建立，通过将伪弯曲法(Thurber, 1983; Um and Thurber, 1987)与斯奈尔定律相结合，在很大程度上提升了三维射线追踪的精度，并且能够很好地处理康纳德面、莫霍面等速度不连续面，具有较高的算法效率.此外，我们还利用反演获得的P波、S波速度模型进一步计算了研究区域内的泊松比结构.虽然，泊松比结构可以通过特定的方法直接反演，但反演泊松比结构对数据质量的要求非常苛刻.虽然本研究所采用的数据集也是经过严格筛选的，但由于研究区域内的台站和地震事件的分布比较不均匀，我们最终选择根据反演获得的VP、VS结构直接计算泊松比结构.显然地，直接计算的结果相比于反演的结果具有较大的误差.然而，在本研究中，P波、S波数据集中地震事件的数量比较接近并具有较高的重复性，且相应的走时数据的数量同样比较近.因此，我们可以认为，直接计算获得泊松比结构能够反映出大致的情况.
1.2 震源机制数据与固体潮分析方法地球的固体潮是指固体地球受到外部天体的引力作用而发生的周期性形变现象.虽然固体潮对大地应力场的改变幅度远远小于构造过程产生的应力变化(Melchior, 1983; Wilcock, 2001)，但前者的变化周期性效应却远大于后者(Wilcock, 2001).这种较为频繁的应力变化很可能成为触发地震的另一关键因素(Aki, 1956；Lockner and Beeler, 1999).为了研究固体潮与地震触发之间的关系，我们必须首先获得固体潮的实际数据或理论模型.在本研究中，我们选择建立固体潮理论模型.根据牛顿万有引力定律，对于地球上质量为m的某质点，来自外部天体的引力场可以表示为
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其中，W称为“起潮位”或“引潮位”, G是引力常数, M是外部天体的质量，d是外部天体到质点的质心距.假设该质点的坐标为P(r, θ, λ)，起潮位可以写成Legendre多项式的形式为
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其中, Z是天顶角, r是质点到地心的距离.
根据Love在1912年给出的关系式，固体潮产生的位移可以表示为
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其中，hn和ln被称为“勒夫数”. ur、uθ以及uλ分别是固体潮在地球半径方向上、经度方向上和纬度方向上的位移.根据关系式(3)给出的方程，我们可以进一步求出应变：
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根据Hook定律，相应的应变张量为：
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其中, λe和μe是Lamé常数，可以由已知的地球速度与密度模型给出.在本研究中，我们使用了AK135地球模型(Kennett et al., 1995).
上述关系式(1) — (5)给出的就是固体潮理论模型的建立过程.该过程涉及到许多复杂的符号、参数和计算方法，主要集中在天顶角和偏微分项的计算.针对这一问题，骆鸣津等在1986年给出了一种比较简单、易懂、可靠的建模方法.本研究使用了骆鸣津等在1986年提出的建模方法，并通过MATLAB软件编程建立了全周期潮模型.我们主要考虑了月球、太阳的第二阶和第三阶Legendre多项式展开.虽然更高阶的展开以及其他天体的影响并未被考虑，但模型的精确度已经足以满足研究需要.
断层面上的应力变化是触发地震的关键因素.如果我们想要研究固体潮对地震触发的影响，就必须获得断层面上固体潮产生的应力变化.因此，我们需要根据断层基本参数(截面I：走向-str，倾角-dip，滑动角-rake)把建立的固体潮应力模型投影到断层面上.在本研究中，我们收集了到XAF剖面距离小于等于0.5°地震事件的震源机制数据(图 1).这些数据的来源主要分为两类：公开的震源机制数据库以及不同作者发表的震源机制研究成果.其中，公开的震源机制数据库被ISC Bulletin收录为一个综合的数据库(Lentas et al., 2019).但是，这部分数据在本研究区内给出的结果非常有限，不能满足研究需求.因此，我们还收集了不同作者公开发表的震源机制数据(龙思胜和赵珠，2000；吴建平等，2004；徐彦，2013).这些震源机制数据是通过不同的方法获得的，这些方法包括：P波初动法、全波形拟合法和理论地震图法.最后，我们一共收集了70个地震事件的震源机制解(见表 1).已知断层的基本参数, 断层面上的正应力(σn)和剪切应力(τn)可以通过以下公式计算获得(李金，2012)：
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图 1 研究区域的地形构造图 深红色实线是鲜水河—安宁河断裂带上XAF剖面的位置，深蓝色虚线代表主要构造边界，黑色实线代表活动断层(Deng, 2007).沿XAF剖面分布的震源球给出了距离该剖面0.5°范围内地震事件的震源机制解(数据来源详见表 1)，其中红色部分是较大事件(MW≥5.5)的震源机制解. Fig. 1 Schematic illustration of topography and tectonics of study area Dark-red solid line indicates location of the profile XAF along Xiannshuihe-Anninghe fault zone. Black solid lines show active faults (Deng, 2007). Darkblue dash lines indicate the main tectonic boundaries. Beach balls along profile XAF show focal mechanism solutions of seismic events with distances no larger than 0.5°to the profile (data sources are given in Table 1), among which the red ones are larger events (MW≥5.5). |
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表 1 震源机制解数据表 Table 1 Focal mechanism solutions |
为了探究固体潮与地震触发之间的关系，科学家通常使用Schuster测试方法(Schuster, 1897).该方法是一种统计学方法，具体的思路如下：
首先，定义概率p为
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其中，N为数据集中地震事件的总数，D2可以表示为相位角θ的函数：
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数据集中地震事件触发的随机性越高，p的取值越接近1(100%).相反地，数据集中地震事件触发的随机性越低，也就是说与固体潮的相关性越高，p的取值越接近于0.一般情况下，当p的取值小于等于0.05时，我们认为地震的触发与固体潮之间有较强的联系.事实上，在不同的情况下，该临界值并不是固定的，可以根据具体情况而定.
2 分辨率测试为了保证结果的可靠性，我们必须对反演涉及的初始模型以及反演结果进行综合的测试.首先，由图 2我们可以看出，研究区域的三维空间内射线的覆盖情况比较理想，说明速度结构特征的信息可能被比较充分地提取.再者，我们进一步比较了反演前后P波与S波的走时残差.我们发现，反演前的残差已经具有了一定程度上的收敛性，这是因为我们在反演前利用了1D初始速度模型对数据进行了严格筛选.反演后，残差的分布具有了更高程度的收敛性.两者的对比说明，所选的1D初始速度模型与3D速度间断面模型是比较准确的，选择的数据的质量是比较高的，反演的结果具有较高的可靠性.最后，为了检测反演图像所展现的速度结构特征的可靠性，我们进行了棋盘分辨率测试(Checkboard Resolution Tests，CRTs).我们保持1D初始速度模型与3D速度间断面模型不变，将±3%交替分布的速度扰动加入初始模型以后再进行反演，速度扰动的恢复程度就可以代表反演图像的分辨能力.测试结果表明，在每个目标深度上，P波、S波的速度扰动都被良好地恢复(图 5).此外，如图 6所示，图 1中给出了沿鲜水河—安宁河断裂带剖面上的速度扰动的恢复情况也比较理想.综上所述，在本研究中，我们所选择的初始模型是准确的、合理的，得到的反演图像具有较高的真实性与可靠性.
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图 5 P波(a)、S波(b)棋盘分辨率测试结果的水平切片 Fig. 5 Horizontal slices of the P-wave (a) and S-wave (b) results of CRTs |
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图 6 XAF剖面上的分辨率测试结果 Fig. 6 The result of CRTs along profile XAF |
图 7给出了反演获得的3D速度模型以及计算得到的泊松比模型的水平切片.为了突出XAF剖面的结构特征，我们仅保留了沿XAF剖面两侧约0.5°范围内的结果.从结果中我们能够看出，在5~20 km范围内，XAF剖面的北段分布着大范围的低速、高泊松比异常.这个结果与Wang等(2010, 2015)的结果略有不同.虽然Wang等(2010, 2015)的反演结果也表明该区域有低速异常分布，但低速异常的位置主要位于XAF带以南，XAF以北分布着一定范围的高速异常.但是，Yao等(2008)给出的背景噪声成像结果、Wang等(2003, 2007)的反演结果，以及本课题组近期的研究结果(胡亚平等，2017；Hu and Wang, 2018)都支持本研究的成像结果.这种大范围分布的低速、高泊松比异常可以解释为来自下地壳、上地幔的流体或部分熔融物质(胡亚平等，2017；Hu and Wang, 2018).该处流体的上涌及其在上地壳中的运移很可能与1973年7.6级炉霍地震和1955年7.5级康定地震的触发有密切的联系(胡亚平等，2017).此外，XAF剖面上5~20 km范围内出现了一定范围的高速异常，这个结果与吴建平等(2013)给出的结果一致.根据吴建平等人的解释，这些高速异常是来自青藏高原的富含铁镁成分的下地壳流不断挤压所造成的结果.地壳内部大量幔源物质的侵入，在很大程度上增强了地壳介质的力学强度并形成坚硬块体，进而在速度结构上表现出高速异常.在XAF与龙门山断裂带交界处30 km及30 km以下出现了高速、低泊松比异常，而前人的结果中也出现了类似的异常结构(Wang et al., 2010, 2015; Yao et al., 2008; 胡亚平等, 2017；Hu and Wang, 2018).Hu和Wang(2018)认为，松潘—甘孜地块与四川前陆盆地经过长期、复杂的构造过程，一部分位于四川盆地下方的克拉通结构延伸至松潘—甘孜地块的下方，在下地壳及上地幔形成了高速、低泊松比异常带.与此同时，块体之间强烈碰撞与挤压在上地壳也形成了具有高速、低泊松比的脆性岩石破裂区.当深度大于等于40 km时，大范围的低速、高泊松比异常几乎覆盖了整个目标区域.根据大量前人的研究结果，这些低速、高泊松比异常可以解释为下地壳及上地幔中的流体或部分熔融物质.
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图 4 反演前后P波、S波走时残差的对比 (a)反演前P波走时残差的分布；(b)反演后P波走时残差的分布；(c)反演前S波走时残差的分布; (d)反演后S波走时残差的分布. Fig. 4 Comparison of travel time residuals before and after inversion (a) P-wave travel time residuals before inversion; (b) P-wave travel time residuals after inversion; (c) S-wave travel time residuals before inversion; (d) S-wave travel time residuals after inversion. |
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图 7 通过反演获得的速度和泊松比结构水平切片 (a) P波速度结构; (b) S波速度结构; (c)泊松比结构.其中，白色虚线是主要的构造边界. Fig. 7 Plan views of seismic velocity and Poisson's ratio perturbations (a)P-wave velocity; (b) S-wave velocity; (c) Poisson's ratio perturbations. The white dash lines in each image are main tectonic boundaries. |
为了更加直观的展现XAF剖面的结构，我们利用三次样条插值方法，沿着鲜水河—安宁河断裂的走向，截取了速度结构与泊松比结构的曲线剖面XAF(图 8).首先，我们能够从结果中明显地看出，在26.5°N、28°N、29.5°N以及31.5°N四个位置附近，来自莫霍面以下的低泊松比异常几乎沿垂直方向向上延伸至地表附近.这个现象说明，鲜水河—安宁河断裂可能是深部流体上涌的重要通道.从动力学角度来说，随着印度板块与欧亚板块之间相互挤压、汇聚，印度板块在东侧发生了横向俯冲的过程，伴随着横向的作用力.与此同时，被向东挤出高原物质受到四川盆地的阻挡，其中一部分向南逃逸.在两者的综合作用下，青藏高原东南缘的物质产生了较为剧烈的右旋运动，地壳在正应力与剪切应力的作用下发生了高度破裂，为下地壳以及地幔流体(包括熔融或部分熔融)的上涌提供了较为顺畅的通道(Wang et al., 2009, 2014).其次，在浅部及地表附近(康纳德面以上)，低速、高泊松比异常的分布有横向发展的迹象，这一点说明上涌至上地壳的流体很可能沿着XAF断层面横向分布，暗示着该剖面可能具有较高的横向渗透率.
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图 8 鲜水河—安宁河断裂剖面(XAF)的速度结构与泊松比结构 其中空心圆形符号代表震级大于等于6.0的地震事件，“加号”代表震级小于6.0的地震事件. Fig. 8 Velocity and Poisson′s ratio structures of profile XAF Hollow circles are events with M≥6.0 and plus signs are events of M < 6.0. |
为了深入探讨断层面上的流体分布与地震触发的机制，我们从ISC bulletin收集了1900年1月1日至2018年12月31日之间发生在XAF剖面附近的地震事件数据，其中每个事件的震级都大于等于2.0.此外，我们还将本研究中用于反演的、经过震源重新定位的地震事件加入其中.最后，我们总共找到1000余个震源至剖面之间的距离小于等于20 km的地震事件(图 8).根据图 8给出的结果，XAF剖面上的地震震源位置的分布与高速度和高泊松比异常的分布高度契合，说明该剖面上的流体侵入可能与地震触发之间有较为强烈的联系.一般来讲，流体影响地震触发的机制主要有两种：其一，“弱化”作用，即流体侵入具有一定裂缝密度或孔隙度的岩石并将其力学强度降低，地震因力学强度下降的岩石更容易破裂而触发(Wang and Kao, 2019; Wang et al., 2019).在这种情况下，震源区域通常会表现出较高的P波速度异常、较低的S波低速异常以及高泊松比异常.这是因为，一方面，具有一定脆性的岩石往往表现出较高的速度异常(Brace and Kohlstedt, 1980; Meissner and Strehlau, 1982; Sibson, 1982; Umeda et al., 1996).但另一方面，其孔隙或裂缝中存在着一定的流体，对S波具有明显的衰减作用，进而表现出较低的S波速度异常.其二，“润滑”作用，即流体侵入断层进而减小断层面上的摩擦力，使断层面更容易发生滑动而触发地震(Wang et al., 2019; Wang and Kao, 2019).在这种情况下，相比于上述第一种情况下通常所表现出的结构特征，震源位置更可能位于高、低速度异常体的分界线上，或者大范围高速、高泊松比异常的区域内.而由图 8给出的结果来看，震源普遍集中在上地壳中大范围的高速、高泊松比异常区域.据此推断，在上述两种流体运移触发地震的机制中，基于流体侵入引起的脆性形变的可能性更高.
从地震的空间分布上看，多数地震位于28°N以北的区域，且发生在康纳德面以上的浅层地震较多.不仅如此，历史上发生在XAF剖面上的5起6.0级及6.0级以上地震事件，其中四起都发生在XAF的北段.相同的是，这些强震事件的震源都位于高泊松比异常区域内或附近.从构造上看，位于XAF北段的鲜水河断裂是松潘—甘孜地块与川滇地块的分界线，其南北两侧的地表运动速度差异较大，具有很强的剪切作用力.如前文所述，该区域恰好分布着大范围的低速、高泊松比异常，可能代表来自地幔的流体比较富集，提高了该区域的流体应力.我们认为，这种横向大范围分布的流体与构造运动及地震触发之间可能具有非常强烈的相互影响，而这种相互的影响很可能是触发地震的关键因素之一.一方面，频发的、横向分布的地震事件很可能提高了断层面之间的横向渗透率，让更多的流体发生横向的渗入断层面.另一方面，不断积累流体大幅度削减了断层面之间的摩擦力，增加了岩石的库伦应力，使断层更容易发生滑动，进而触发更多的地震.此外，我们从图 8的结果中我们还能看到，在29°N—30°N之间存在着一个地震事件较为集中的区域(图 8中白色矩形区域).该区域的范围虽然较狭窄，但其速度与泊松比结构特征却比较复杂，其中包括(1)低速、低泊松比异常；(2)高速与低速体的分界以及高泊松比的异常，以及(3)高速、高泊松比异常.从速度、及泊松比结构方面推测，对于上述三种异常情况而言，流体对地震触发的贡献方式不同.对于前两种情况，流体主要体现的是润滑作用.而对于最后一种情况而言，流体主要体现的是弱化作用.从构造方面看，该区域是松潘—甘孜块体、川滇块体与扬子板块三者的交界处，同时也位于松潘—甘孜块体与四川前陆盆地发生倾斜碰撞的区域附近.除了较强的剪切作用力外，该区域断层面之间还可能分布着松潘—甘孜块体与四川前陆盆地发生倾斜碰撞所产生的分力.该区域内地震事件的频发，可以解释为上述作用力与流体分布综合作用的结果(Wang et al., 2009, 2019; Wang and Kao, 2019).
3.3 XAF剖面上固体潮与地震触发之间的关系图 9给出了XAF剖面上地震事件的相位分析及Schuster测试的结果.如图所示，我们针对断层面上的正应力与剪切应力两个物理量进行了分析.为了展现XAF剖面上的p值变化，我们根据地震事件的空间分布从北至南每10个事件计算1次p值.总体上看，绝大多数事件的剪切应力相位角位于[-90°, +90°]区间内.与其形成鲜明对比的是，绝大多数事件的正应力相位角位于该区间之外.这种相位分布的反差现象说明，对于绝大多数地震而言，固体潮在断层面上产生的剪切应力变化与构造应力的作用一致(Huang et al., 2009)，然固体潮在断层面上产生的正应力变化与构造应力的作用相反.巧合的是，从震源机制解数据上看(图 1和表 1)，断层的走滑现象占有主导地位，说明构造应力场在断层面上产生的剪切应力很可能是地震触发的主导因素.如果我们把来自固体潮和构造应力作用的“一致”与“相反”分别理解为“促进”与“抑制”，那么固体潮产生的应力变化与构造应力变化，在XAF剖面附近对地震触发的贡献机制具有一定程度上的一致性.由此我们可以推断，构造应力的作用与固体潮应力的作用可能是一种“合”的关系，两者协同促成了地震的触发.
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图 9 XAF剖面附近地震事件的潮汐相位分布及p值变化 (a)断层面上的固体潮正应力；(b)断层面上的固体潮剪切应力.浅灰色区域代表区间[-90°, +90°]，中灰色区域代表区间[-45°, +45°]，深灰色区域代表区间[-15°, +15°].圆形符号表示地震事件，事件的震级由符号的大小给出.实线是p值变化曲线，虚线给出p=0.05的临界值位置. Fig. 9 The distributions of tidal stress phases and curves of p-values (a) Tidal normal stress; (b) Tidal shear stress. Light gray areas are the phase ranges [-90°, +90°], while medium gray ones are the phase ranges [-45°, +45°] and dark gray ones are the phase ranges [-15°, +15°]. Circles represent seismic events with denoted magnitudes.Solid lines are p-value curves. Dash lines are the critical values (p=0.05). |
相比而言，上述“合”的关系在XAF北段更加明显.首先，从相位分布上看，北段相位分布的反差极为明显.仅3起地震事件的正应力相位在[-90°, +90°]区间内，且全部位于[-45°, +45°]区间内.这说明，在这3起地震事件发生时，断层面上的正应力虽然达到了促进地震触发的状态，但这种促进作用相对较弱.相反地，剪切应力的相位高度趋近于峰值(相位为0°)，若干地震事件的剪切相位位于[-45°, +45°]区间，甚至是[-15°, +15°]区间内.这个现象说明，固体潮所产生的剪切应力变化对地震触发的促进作用已经达到了较高的水平.再者，从p值上看，在30°E以北的正应力p值和剪切应力p值基本在0.05以下，说明该段地震的触发与固体潮正应力与剪切应力的作用高度相关.这个结论与剪切应力的相位分布一致，但貌似与正应力分布结果相互矛盾.正应力的相位分析结果说明，在绝大多数地震发生时，固体潮所产生的正应力的作用与构造应力作用相反，貌似对地震触发的贡献为负，而p值的结果又说明其贡献为正.事实上，这并不矛盾.对于固体潮产生的正应力和剪切应力而言，与构造应力的作用的“一致”和“相反”不能绝对等同于“促进”和“抑制”.例如上文所述的这种情况，从震源机制解数据上看，绝大多数地震是由剪切应力主导的，那么固体潮剪切应力与构造应力作用的一致性就可以等同于对地震触发的促进，但这一点对于正应力就不成立了.众所周知，断层面上的摩擦力与截面上的法向作用力正相关.如果固体潮的作用削弱了断层截面上的法向作用力，那么反而对地震触发具有正贡献，这也就解释了本研究得到的固体潮正应力的相位分析结果和p值结果.显然地，这情况的出现需要断层面对固体潮高度敏感.结合层析成像的结果，我们认为这种高度的敏感性来自XAF剖面北段大范围分布的低速、高泊松比异常.也就是说，侵入流体的存在在很大程度上削弱了断层面之间摩擦力，使断层更为接近临界状态，进而提高了对固体潮的敏感度.由北向南，在30°E以南28.5°E以北(图 8中白色方框区域)，剪切应力的p值和正应力的p先后经历了一个上升状态，说明该段地震事件与固体潮的相关度开始下降.该区域是鲜水河—安宁河断裂带与龙门山断裂交汇的位置，构造应力较强且结构复杂，成为了地震触发的主导因素(Huang et al., 2009).在28.5°E以南，地震事件的震源机制变得更加复杂，兼具走滑和逆冲现象.固体潮正应力和剪切应力的相位都在一定程度上趋近于0°.p值在26°E附近达到了一个小于0.05的极小值.从图 8中我们看到，该处有一个从莫霍面以下一直延伸至地表附近的高泊松比异常，并有震级大于等于6的地震事件发生.这可能是来自上地幔流体上涌至上地壳，导致了该区域断层对固体潮的敏感性升高.
4 结论本研究通过反演大量的、高质量的地震数据，获得了鲜水河、安宁河断裂带的P波、S波以及泊松比的三维结构模型，并结合Schuster测试讨论了该断裂带上地震事件的触发与其构造以及固体潮所产生的应力变化三者之间的关系.结果表明，在26.5°N、28°N、29.5°N以及31.5°N四个位置附近，来自莫霍面以下的低泊松比异常几乎沿垂直方向向上延伸至地表附近，并在地表附近横向蔓延、汇聚.这些低速、高泊松比的异常，很可能是从地幔上涌至上地壳的流体.我们认为，这种横向大范围分布的流体与构造运动及地震触发之间可能具有非常强烈的相互影响.一方面，频发的、横向分布的地震事件很可能提高了断层面之间的横向渗透率，让更多的流体发生横向的渗入断层面.另一方面，不断积累流体大幅度削减了断层面之间的摩擦力，使断层更容易发生滑动，进而触发更多的地震.此外，固体潮相位分析和Schuster测试的结果表明，绝大多数地震事件的触发在很大程度上受到了固体潮产生的剪切应力的影响，而固体潮产生的正应力对XAF剖面上地震事件的触发的影响相对较微弱.固体潮与构造应力对地震的触发具有某种“合”的作用.在XAF剖面北段及南段局部，地震事件的触发与固体潮的高度相关，与分布着大量高泊松比异常、强震触发的区域对应.我们认为，XAF剖面上固体潮剪切应力变化与地震触发之间的较高关联度，可能是因为流体的存在使断层面之间的摩擦力被大幅度降低，因而对固体潮应力变化更加敏感.
致谢 在本研究中，震相数据是由四川省地震局、云南省地震局、中国地震局地球物理研究所以及国家测震台网数据备份中心提供的，地震层析成像反演方法是由日本东北大学赵大鹏教授提供的，历史地震事件数据是由国际地震中心(ISC)提供的.感谢GMT(Generic Mapping Tools Graphics)团队为本研究提供了绘图软件，感谢两位匿名审稿专家对本文提出了重要的、具有建设性的意见.
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