0 引言

自2014年4月20日安徽省霍山县（31.4°N，116.1°E）发生MS 4.3地震以来，在安徽金寨、霍山等地发生11次M_L 3.0以上地震，地震活动较以往频繁，引起广泛关注，震源机制解成为该区域的研究焦点之一（刘泽民等，2015；倪红玉等，2015；黄显良等，2015）。

震源机制解用于描述断裂两盘在发震时的空间滑动状态，其完整特征提供了诸多重要信息，包括发震时刻、震中位置、震源深度、地震矩和震级以及矩张量9个分量的空间取向（Cronin，2015），直接反映区域构造应力场信息。目前，利用震源机制反演区域应力场的一般思路是，通过震源区断裂两节面及P轴、B轴和T轴参数，得到断裂的三维应力状态（Kiratzi，2010；钱晓东等，2011；李长军等，2014；王晓山等，2015；Huang et al，2015；He et al，2016；Singh，2016），进而获取断裂面上最大剪切应力方向与断裂面滑动方向，采用滑动矢量拟合法求解平均应力场（许忠淮等, 1985, 1989；崔效锋，1999；谢富仁等，2001），推断区域构造应力场。然而，通过分析金寨、霍山震群发现，该震群地震数量偏少，震级偏小，且震中只集中在少数断裂附近，仅通过少量震源机制数据推断研究区构造应力场并不可靠。

应力作用的直接结果是地壳形变，因此测量地壳形变是研究构造应力场的主要手段之一（王强等，2014）。从地壳变形角度讲，假定构造块体为刚性体，一般认为块体内几乎无变形，地壳运动集中在块体边界附近，即在围限块体的断裂处运动。若将断裂处测量地壳应变的物理量统一起来，或许能够解决该地区震源机制不足的问题。

本文以豫鄂皖交界区（115—117°E，31—32°N）为研究区，该区布设钻孔应变YRY、洞体应变SSY和跨断层水准等测项，均以断层为观测主体，能有效反映地表水平和垂直方向上的应力变化。综合前人在该区的地质地貌研究成果，阐述各断裂最新活动年代及运动方式，在利用震源机制反演区域应力场特征基础上，叠加场地应变和跨断层水准等数据揭示的应变信息，与地质地貌证据进行对比验证，给出各断裂现今运动学状态，得到具有实际意义的3个断层应力主轴σ₁、σ₂、σ₃，可为该区构造应力场研究提供有力证据。

1 研究区概况 1.1 断裂运动概况

豫鄂皖交界区主干断裂多发育在北淮阳地块内，主要分布近NW向青山—晓天断裂（QXF）、金寨—龙河口断裂（JLF）和NE向落儿岭—土地岭断裂（TLF）、商城—麻城断裂（SMF）等（图 1），斜切大别构造块体，构成该区地震地质主体框架（张杰等，2003；徐佩芬等，2000）。

青山—晓天断裂西起豫皖交界处金寨县关庙，向东经青山、拆字岭，向东南经小堰口、磨子潭至晓天附近，走向近EW—NW，断面倾向N（或NE），倾角60°—70°。赵朋等（2018）采集双桥村剖面内断层泥，ESR测试结果为(274±33) ka B.P.，认为青山—晓天断裂为中更新世晚期的活动断裂；向必伟等（2009）根据野外观测、室内石英C轴组构与运动学涡度测量，揭示早白垩世时期的青山—晓天断裂呈正左旋走滑运动。从遥感影像和野外露头考察看，该断裂对晚第四纪以来地貌控制不显著，加之少量出露断面可见软弱物质发育，推断该断裂第四纪活动较弱，基本继承了白垩纪时期的运动特征。

金寨—龙河口断裂呈NW走向，从梅山向东南延至龙河口水库，也称梅山—龙河口断裂，断面呈SW向陡倾。其杨泗岭剖面发育0.5 m厚的断层泥，断层泥TL测龄值为(488±29.0) ka B.P.，表明该断裂在中更新世早中期活动，且最新的活动方式以黏滑为主，蠕滑次之（姚大全等，2003）。前人对断裂露头上样品变形组构的微观分析认为，金寨—龙河口断裂呈现左行运动（姚大全等，2006）。

落儿岭—土地岭断裂走向NE，断面倾向NW，倾角50°—60°，从NE至SW，经凤凰台、霍山县城西北、落儿岭、土地岭，向SW延伸至湖北境内。姚大全等（1999）采集土地岭西南侧杨树沟剖面断层泥，热释光（TL）测龄值为(125±6.2) ka；疏鹏等（2018）基于太子庙剖面断层泥样品，ESR和OSL测试结果同样显示，断裂最新活动时代晚于(169±16) ka B.P.，早于(8.94±0.72) ka B.P.，表明断裂最晚活动为中更新世晚期—晚更新世早期。从地貌看，位于断裂垂向上的线状沟谷和水系被右旋错断。石英形貌刻蚀电镜扫描（SEM）测试表明，其最新活动方式以黏滑为主，原态断层泥薄片显微观测可见切砾微断裂、锯齿状微破裂等黏滑变形标志，表明断裂伴有地震的间断性断裂快速滑动（姚大全等，2003）。

商城—麻城断裂总体走向NNE，北起商城，向南经麻城，延伸至团风一带。在麻城市正东桃林河一带盆山交接部位，断裂在太古界变质岩系与白垩系砂岩中发育，其断层泥ESR年龄为(324±30) ka B.P.，沿断裂向南的白果乡明山水库，也可见相似断裂发育特征，断层泥ESR年龄为(404±45) ka B.P.（雷东宁等，2012），可判定该断裂带在中更新世中—晚期处于活动期。地貌上看，旧街至阎家河一带的水系右旋扭曲位移达2—3 km，山脊、冲沟等微地貌证据证明断裂呈右旋特征。

综上所述认为，在中更新世中晚期NW向的青山—晓天断裂、金寨—龙河口断裂经历了左旋走滑运动，而NE向的落儿岭—土地岭断裂、商城—麻城断裂经历了右旋走滑运动。

1.2 应变台站及跨断层场地

金寨地震台（以下简称金寨台）地处安徽省金寨县城，位于金寨—龙河口断裂NE侧约2.5 km处（图 1），海拔50 m。观测山洞长164.6 m，宽、高各2.5 m，年温差小于0.3℃，洞顶覆盖层厚最大超50 m，基岩为变质岩，场地周边出露震旦系灰黄色石英片岩。SSY伸缩仪架设在观测山洞中，NS和EW分量分别呈正NS和正EW向，测量基线长度为28 m。

麻城地震台（以下简称麻城台）地处湖北省麻城市龟山镇矮桥村，位于大别造山带东段大别断块西缘，商城—麻城断裂以东5 km处（图 1）。观测山洞台基岩性为花岗片麻岩，覆盖层厚28 m，年温差＜0.3℃，相对湿度≤85%。SSY伸缩仪的NS和EW分量呈正NS和正EW向安装，测量基线长度为20 m。YRY钻孔应变仪钻井深度40 m，围岩岩性为花岗岩，因安装问题，NE分量不能正常运行。

在断层两侧布设短水准，可直接测定断裂两侧参考点相对高差的微小变化，以推断断层两侧介质的垂直运动，研究其演化规律及与地震的关系。在跨越落儿岭—土地岭断裂及次级龙窝断裂上布设2处短水准测量装置，分别为马家岭（M₁—M₂）和大堰（D₂—D₃）（图 1）。跨越青山—晓天断裂及次级霍山南缘断裂的短水准观测场地有洗儿塘（R₁—R₂）、仙姑坟（G₁—G₂），用以监测该断裂的垂直运动。

2 数据处理 2.1 震源机制解

安徽金寨、霍山地区自2013年下半年起进入相对活跃时段，震级多在M_L 4.0以下，震源深度5—10 km，震中集中分布在青山—晓天断裂和落儿岭—土地岭断裂周边。前人对该区震源机制研究较多，如刘泽民等（2015）、倪红玉等（2015）、黄显良等（2015）的研究，均使用FOCMEC程序计算震源机制，文中搜集其中M_L 2.0以上地震的计算结果，结果见表 1。

由表 1可见，节面1方位角在120°—150°，表明发震断层运动方向基本一致，可能反映了同一震源信息。震中位于金寨的地震，发震断层为青山—晓天主干断裂，可由黄显良等（2015）对金寨地区M_L 3.9地震余震序列的精定位研究结果得以证实。据刘泽民等（2015）对霍山地区M_L 4.7地震余震序列的精定位，表明霍山境内地震的余震序列呈NE向分布，与落儿岭—土地岭断裂走向接近，认为霍山地区M_L 2.0以上地震的发震断裂指向落儿岭—土地岭断裂。由于NE向落儿岭—土地岭断裂与NW向青山—晓天断裂基本垂直相交，可以确认，节面1走向为发震断层面走向，而节面2则反映了落儿岭—土地岭断裂的真实走向。

滑动角λ是描述断裂的运动参数，一般在断层面上量度，规定沿走向方向逆时针量至滑动方向的角度为正，顺时针量至滑动方向的角度为负，λ ≈ 0°表示左旋走滑断裂，λ ≈ ±180°表示右旋走滑断裂，λ ≈ +90°表示逆断裂，λ ≈ -90°表示正断裂（程万正等，2003）。对于青山—晓天断裂，其滑动角在-30°—30°，说明该断裂为左旋走滑型，落儿岭—土地岭断裂的滑动角为±150°—±180°，则为右旋走滑型。

2.2 场地应变观测

采用麻城台洞体应变SSY伸缩仪、钻孔YRY四分量应变仪和金寨台SSY洞体伸缩仪，场地应变观测数据，为与震源机制数据更好地匹配，选择2010年1月1日—2019年12月31日的数据进行分析。但是，金寨台SSY伸缩仪2017年正式观测，故该台数据截取时间为2016年11月8日—2019年12月31日。应变观测数据均来源于中国地震台网中心。

对数据进行去突跳、台阶等预处理，消除高频短时干扰。设计Butterworth低通滤波器进行滤波，通带边界频率f_p = 0.002 7 Hz，阻带边界频率f_d = 0.005 Hz，去除周期小于365天因季节变化产生的年变规律，得到各分量长趋势数据，结果见图 2。

SSY伸缩仪使用含铌特种铟瓦棒作为基线，测量地壳表面两点间的应变，YRY四分量应变仪通过测量圆筒直径位移得到应变变化，二者应变量ε均满足公式：ε = ∆L/L，其中∆L为基线变化量，L为基线长。当基线长度或圆筒直径为固定值时，应变量ε和∆L呈正相关，对某套仪器而言，在对比其各分量数据时，无论采用无量纲的应变量ε还是基线变化量∆L均不受影响。文中数据采用无量纲的应变量ε。

滤波后，麻城YRY四分量应变仪EW、NW、NS分量的应变量ε均呈下降变化，表明NS、EW和NW向均具有拉张应变背景。3个分量的最高值与最低值之差的绝对值，即应变量ε差值分别为1.2×10^-3、1.3×10^-3、3.8×10^-4，揭示商城—麻城断裂麻城段在EW至NW—SE轴向范围内遭受了较强的拉张应变。同场地观测的麻城SSY伸缩仪NS分量应变量表现出下降—上升—转平的趋势变化：由2010年9.5×10^-4下降至2013年初6.2×10^-4，后上升，至2016年中达高位值8.0×10^-4，随后下降，至2018年转平，经历了挤压—拉张—挤压的变化状态，表明NS方向上应变状态存在多次转换特征，无法定性给出其整体应变状态。而EW分量的应变量表现为持续上升，从2011年的低值-5.5×10^-4上升到2019年的-3.1×10^-4，其应变量ε差值为2.4×10^-4，同样表明该时段断裂在EW方向遭受拉张应变。因此，结合断裂走向（NE—SW），推断商城—麻城断裂麻城段可能经历了正倾向滑动，处于拉张应变环境中，与曹新菊等（1981）的研究结果一致。

金寨台SSY伸缩仪NS分量应变量ε呈持续下降变化，从2016年的-0.3×10^-4下降到2019年的-4.0×10^-4，差值为3.7×10^-4，反映出金寨—龙河口断裂金寨段呈现挤压应变状态。其EW分量应变量表现出下降—上升—转平的趋势变化：从2016年的-0.7×10^-4下降至2018年的-1.9×10^-4，后上升，至2019年转平，经历了挤压—拉张的变化状态，反映出该断裂在EW方向上的应变状态存在至少2次转换，无法定性给出其整体应变状态。鉴于断裂走向为NW—SE，认为金寨—龙河口断裂金寨段经历了逆倾向运动，展示了挤压应变背景。

2.3 跨断裂短水准测量

根据已有数据和研究需要，选取跨落儿岭—土地岭断裂和青山—晓天断裂2010年1月至2019年12月的短水准数据，为保证数据的可靠性，选取走向相同的2条次级断裂——龙窝断裂和霍山南缘断裂进行对比（图 3）。对4个场地数据进行预处理，分析发现，跨越落儿岭—土地岭断裂的马家岭场地M₁—M₂段为整体上升趋势，反映该断裂具有拉张活动背景。其低值区中位数与高值区中位数的差绝对值∆h = 0.6 mm（上），断裂本底值h = 549.4 mm，计算应变量ε = ∆h/h，可得应变量ε =1.09×10^-3。跨越龙窝断裂的大堰D₃—D₂段也为整体上升趋势，同样反映该断裂具有拉张活动背景。其∆h为1.0 mm（上），断裂本底值h为9 439.6 mm，其应变量ε为1.06×10^-4，反映出落儿岭—土地岭断裂的拉张应变明显强于龙窝断裂。

跨越青山—晓天断裂的洗儿塘场地R₁—R₂段显示持续下降变化，揭示断裂遭受挤压应变，其差绝对值∆h达0.7 mm（下），断裂本底值h为3 308.6 mm，应变量ε为2.12×10^-4。跨越霍山南缘断裂的仙姑坟场地G₁—G₂段数据表现为围绕基线上下波动，无明显上升或下降变化，反映该断裂活动较弱，其差绝对值为0.3 mm（上），断裂本底值h = 8 143.8 mm，应变量ε = 3.68×10^-5，表明NW向青山—晓天断裂遭受了一定程度的剪切挤压作用，活动性较落儿岭—土地岭断裂弱。

3 断裂运动学分析

利用应力张量平均法计算表 1中给出的震源机制解，得到豫鄂皖交界区构造应力场的三维应力主轴，其中：最大主压应力轴σ₁轴：方位角为269°，倾角为5°；最小主压应力轴σ₃轴：方位角为358°，倾角为4°。结果表明，研究区在水平方向上的走滑作用占主导，见图 4(a)。落儿岭—土地岭断裂走向与σ₁轴和σ₃轴方位角的夹角分别约30°和60°，在区域应力场作用下，其摩擦阻力较小，而张性右旋作用较大，较易发生右旋走滑地震。同理，商城—麻城断裂亦发生右旋走滑运动，青山—晓天断裂主要发生左旋走滑运动，金寨—龙河口断裂发生左旋走滑运动，基本延续了中、晚更新世时期的运动状态。

Anderson等（1905）对形成断裂的应力状态进行分析，认为地面与空气间无剪切应力作用，断裂的三轴应力状态中的一个主应力轴趋于垂直地面，断裂面作为一个剪裂面，其最大主应力σ₁与两剪裂面的锐角等分线一致，最小主应力σ₃与两剪裂面的钝角等分线一致，σ₁所在盘向锐角角顶方向滑动，断裂两盘垂直于σ₂方向滑动，由此形成正断裂、逆（冲）断裂和走滑断裂的3种应力状态。据此推断，上述4条断裂的三维应力状态可描述为σ₁和σ₃是水平的，σ₂是直立的，结果见图 4(b)。

前已论述，麻城YRY四分量应变仪、SSY伸缩仪用于监测商城—麻城断裂的变化，YRY四分量应变仪应变量自2010年开始一直呈下降变化，SSY伸缩仪EW分量表现为持续上升，而跨越落儿岭—土地岭断裂的马家岭场地M₁—M₂段观测数据呈整体上升趋势，以上现象共同揭示出，走向相同的商城—麻城断裂和落儿岭—土地岭断裂在遭受右旋走滑运动作用的状态下，经历了正倾向运动，显示断裂整体处于拉张应力背景。

与上述NE向断裂相比，位于NW向金寨—龙河口断裂附近的金寨台SSY伸缩仪应变量ε呈持续下降变化，与金寨—龙河口断裂相同走向的青山—晓天断裂，其跨断层场地洗儿塘R₁—R₂段观测数据也显示出持续下降变化，共同揭示出金寨—龙河口断裂和青山—晓天断裂在遭受左旋走滑运动作用的同时在经历正倾向运动，反映了2条断裂遭受一定程度的剪切挤压作用，所处位置呈逆倾向滑动。

4 结论

野外考察和震源机制解等揭示了豫鄂皖交界区NW向的青山—晓天断裂和金寨—龙河口断裂均以左旋走滑运动为主，而NE向的落儿岭—土地岭断裂和商城—麻城断裂呈明显的右旋走滑运动，断裂的三维应力状态描述为σ₁和σ₃是水平的，σ₂是直立的，基本延续了中、晚更新世时期断裂运动状态。

结合钻孔应变、洞体应变和跨断层水准等观测数据认为，麻城YRY四分量应变仪应变量自2010年开始一直呈下降变化，麻城SSY伸缩仪EW分量表现为持续上升，跨越落儿岭—土地岭断裂的马家岭场地M₁—M₂段观测数据呈整体上升趋势，揭示NE向的落儿岭—土地岭断裂和商城—麻城断裂呈明显的正倾向拉张应变特征。而金寨台SSY伸缩仪应变量ε呈持续下降变化，其跨断青山—晓天断裂的洗儿塘R₁—R₂段观测数据也显示出持续下降变化，反映NW向的金寨—龙河口断裂和青山—晓天断裂表现为逆倾向挤压应变背景。掌握这些断裂的二维运动特征，为进一步推断断裂三维特征提供了研究基础。

感谢匿名审稿人对文章的批评指正，感谢甘肃省地震局张辉研究员对区域应力场力轴张量计算给予的指导。