0 引言

地震是由地壳岩层发生破裂和错动而产生的, 与区域应力场密切相关, 通过分析震源机制解能够得到地震发生时断层的力学机制和错动断层的运动类型, 同时能够获得大量震源应力场和震源破裂错动信息。研究地震震源机制解是人们认识和了解地震破裂力学机制、构造应力场状态的有效途径(钱晓东等, 2011), 而构造应力场是构造地质学、地球动力学、地震学等学科的重要研究内容, 一直以来是国内外学者关注的热点问题。国内对构造应力场也作了大量的研究, 许忠淮等(1989)根据大量地震资料计算出中国大陆构造应力场；谢富仁等(2007)通过收集中国大陆地区丰富应力数据, 总结得出了中国大陆地壳应力环境基础数据库；高原等(2010)对华北地区首次运用上地壳体波各向异性推测主压应力方向以及在考虑扣除断裂影响后提出“背景”主压应力方向；Wan(2010)采用中国大陆地壳应力环境数据库的数据, 将中国大陆划分为若干构造应力场子区, 并反演出每个子区的应力场主应力方向和相对应力大小。这些结果为本文研究川滇菱形块体中部及断裂带区域的地壳构造应力场提供了很好的参考。

川滇菱形块体是亚欧板块与印度板块相互碰撞和作用的边缘地区, 位于我国南北地震带南段、青藏高原东南部。其北邻巴颜喀拉块体, 南邻滇南块体, 为西部强烈隆升的青藏高原与东部相对稳定的华南地块的过渡地带。该地区构造复杂, 地震活动强烈, 是中国大陆内部地震最为活跃的地区之一(骆佳骥等, 2012), 也是我国许多学者研究构造应力场的重点区域(王晓山等, 2015)。青藏高原受到SN向挤压和地球重力等作用, 在抬升过程中高原物质被侧向压出, 使得在川滇地区多个不同块体的相互作用中形成了强烈的构造运动和复杂的构造变形(吴建平等, 2004)。大量的震源机制资料为该地区地壳应力场的反演提供了依据, 到目前为止, 我国科研工作者在西南地区构造应力场研究方面已开展了大量工作。阚荣举等(1977)利用P波初动资料确定的震源机制解研究了西南地区现代构造应力场与现代构造活动的特征；吴建平等(2004)利用中小地震震源机制反演结果研究认为, 在川滇菱形块体内部及边界附近的地震以走滑为主, 主压应力方向从北到南由NNW-SSE向转向近SN向, 张应力轴方向则主要表现为NEE-SWW向或NE-SW向；崔效锋等(2006)应用逐次收敛法研究震源机制解, 对川滇应力分区的现代构造应力场进行了较为详细的研究；钟继茂等(2006)提出力轴张量计算法, 运用多个地震震源机制解反演了川滇地区平均应力场方向, 赵博等(2013)采用此方法得到2013年芦山M_S7.0地震区域平均应力场方向；钱晓东等(2011)利用云南及周边地区中强地震的震源机制资料详细地分析了云南地区现代构造应力场的特征和地震断层类型的分类, 总结出走滑型地震约占80%, 正断型和正走滑型与逆断型和逆走滑型所占比例较小, 分别约为8%；王晓山等(2015)在分析南北地震带应力场时, 得到川滇菱形块体西边界正断层类型的地震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一致的结论, 说明青藏高原塑性物质流向东扩张与横向边界的丽江-小金河断裂带弱化释放应变能的结果, 在局部地区使得NS向拉张的正断层向EW向拉张正断层的转变。

虽然前人进行了大量的研究, 已经得到较为准确的结果, 但少有考虑应力形因子在解释反演得到构造应力场时的独特意义, 更重要的是, 地震震源机制资料丰富程度和精度往往有很大差别, 小地震观测资料较少, 且不确定性较大, 其震源机制解精度较低；反之, 大地震的观测资料较多而准确, 精度较高。因此对不同震级的震源机制解给予不同权重进行反演, 就可以得到更为准确的结果(盛书中等, 2013；黄骥超等, 2015)。本文充分考虑到不同震级地震的震源机制对应力场反演的差异影响, 对川滇菱形块体中部及断裂带区域1973~2015年间的34个中小地震数据资料进行了加权处理, 采用网格搜索法来反演该地区的现今构造应力场, 给出最大、最小主压应力轴的相对大小与方向, 并估算出应力形因子。根据估算得到的应力形因子并结合当地的地质、地球物理背景, 对川滇菱形块体中部及主要断裂带处现今构造应力场进行了更为深刻的分析。

1 理论方法 1.1 反演方法

由于岩石圈内绝对应力不易测量和估算(万永革等, 2006), 因此利用一些地球物理观测的震源机制资料来反演区域构造应力场的特征应十分有效(谢富仁等, 2004；Zoback, 1992)。近年来, 国内外学者已经开始使用震源机制解来反演某地区的构造应力场, 利用大量资料进行小区域精细构造应力场的研究, 并得到了较为准确的结果(Hardebeck et al, 2006)。

目前, 用于应力场反演的方法有很多种, Gephart等(1984)的网格搜索是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；许忠淮等(1979)、华祥文(1980)在假定区域构造应力一致的情况下, 用更多分散的中小地震联合计算区域小震的综合节面解来求解地壳应力场；Gao等(2012)通过地震各向异性推断地壳应力场。由于Wan等(2016)所提出的考虑震源机制资料精度的权重因子进行地壳应力场反演可以对资料精度进行不同设定从而得到较为精确的应力场, 故为本研究所采用。该方法的主要优点是：①对不同震级地震的震源机制采用不同权重进行计算, 从而得到准确结果；②反演方法采用全局网格搜索求取应力张量的最优解, 克服了非线性反演问题易陷入局部极值的缺点, 提高了反演精度；③用F检验给出反演结果的置信范围, 从而可以对结果作不确定性评估；④采用滑动方向与剪应力方向最为一致的准则, 对于地质上已经存在的薄弱面发生地震更有准确性(黄骥超等, 2015)。

1.2 应力场计算

为了充分利用中小地震数据资料, 此次反演共采用34个震源机制数据进行求解, 对于不同震级权重参照Shen等(2005)利用大地测量数据计算应变的方式进行加权。假设最小震级权重为1, 最大震级权重为2, 反演得到该区域的精确应力场。

震源机制资料的权重设定公式为

$ W{\rm{ = }}{{\rm{e}}^{r/{D^2}}} $

(1)

其中, r为震级相对大小, r=M-M_min；W为权重；D为震级衰减系数, 由最大、最小震级算出, 本区域D计算结果为2.0。

应力场描述中, 除了应力场3个主轴的走向和倾伏角外, 还有表示主应力相对大小的应力形因子(R值), 其值的不同对应力场的影响也是致关重要的(万永革等, 2011), 其表达式为

$ R{\rm{ = }}\left({{\sigma _2}{\rm{ - }}{\sigma _1}} \right){\rm{/}}\left({{\sigma _3}{\rm{ - }}{\sigma _1}} \right) $

(2)

其中, σ₁、σ₂、σ₃分别为最大、中间、最小主压应力。

2 数据资料及震源机制总体特征 2.1 数据资料

本文收集了1976~2015年间Global CMT的川滇菱形块体中部16个震源机制解数据。为了精确反演该地区构造应力场, 本文另外搜集了卓钰如等(1982)得到的1973~1977年间18条小震震源机制数据(表 1)。由于这些早期数据年代久远, 并且没有给出滑动角, 我们采用pt2_ds程序输入P、T轴走向、倾伏角计算出其它震源参数(2个节面走向、倾角、滑动角；P、T轴夹角；B轴走向、倾伏角)(万永革, 2016)和mech1程序(输入2个节面走向、倾角计算其他震源参数, 计算得到2个节面的滑动角)(万永革等, 2000)与文中对应参数进行比较, 共得到18条能够互相验证的震源机制参数(表 1)。

2.2 震源机制总体特征

一个地区的震源机制解可以很好地反映该地区震源动力学特征, 是研究震源序列和震区应力场、震源破裂过程以及发震构造的重要参考资料。每一个地震的震源机制解可以反映个体特征, 又在一定程度上反映区域的整体特征。川滇菱形块体中部及断裂带处构造复杂, 在青藏高原、巴颜喀拉块体、华南块体和滇南块体的联合作用下, 块体在相互碰撞中发生平移、旋转和构造变形, 形成该地区复杂构造应力场。由于块体中部存在多条断裂且相互交汇, 地壳岩层极度破坏, 不利于大量应变能的积累, 因此常以中、小地震形式释放应变能。

图 1给出了34次地震相应的震源机制分布。由图 1可见, 该区域虽然存在少量正断层和逆断层性质的地震, 但大多数地震的震源机制以走滑为主, 由马文涛等(2004)的三角形地震类型图解法分类可知, 本文研究区域通过加权反演所得的地震类型中, 走滑型地震占绝大多数, 比例约为74.2%；正断层地震较少, 比例约为14.7%；走滑兼正断型地震亦较少, 约占8.8%；逆断层地震最少, 约占2.3%。川滇菱形块体中部及主要断裂带区域地震大多以走滑类型为主, 表现出该地区以水平运动为主的特征, 与该地区地质构造背景、块体运动特性和构造变动样式等一致(Zhao et al, 2013)。西部哈巴雪山和玉龙雪山周缘也分布少量兼具走滑型的正断层地震与极少的逆断层地震, 表明此处发生地震的深度处有一定的拉张分量。

3 应力场反演结果与分析 3.1 反演结果

本研究设置置信水平为90%, 应力场旋转轴的3个旋转角的搜索区间定为1°, 应力形因子R的搜索间隔为0.1。通过程序计算得到最优应力状态下的参数值(表 2), 应力形因子R为0.1。反演结果与崔效锋等(2006)运用逐次收敛法确定的川滇地区现代构造应力场(最大主应力σ₁的方位NNW, 方位角为343°；最小主应力σ₃的方位角为252°)基本一致。反演结果示于图 2。

3.2 应力场分析

本研究利用34个震源机制反演得到最佳应力模型3个主应力轴的方位角和倾伏角, 同时得到应力形因子R值, 其中, R值较小, 为0.1, 表明中等主应力轴接近最大主应力轴。整个区域主压应力轴近NW向, 倾伏角2.4°~4.4°；主张应力轴近NE向, 倾伏角19.5°~19.8°(图 2), 应力场方向近水平(Xu et al, 2016)。由该地区反演结果(图 2)并参照世界应力图划分原则(Zoback, 1992), 根据震源机制解3个应力轴倾伏角大小, 本文认为该区域走滑型为主导类型。

通常, 应力形因子R值在地壳应力分析中起非常重要的作用(万永革, 2015), R值可以表示3个主应力值间的相对大小, 由式(2)可知, R值越大, 说明中间应力值越接近主张应力值；R值越小, 说明中间应力值越接近主压应力值。本研究估计的R值为0.1, 表明该区域主压应力轴与中间应力轴的相对应力差别较小, 而主张应力轴与其他二轴的应力值相差较大。这可以从2个方面加以解释：①该地区在青藏高原物质东流和华南块体阻挡作用下呈现NW-SE向挤压和NE-SW向拉张的走滑应力状态, 这是该地区多呈现走滑型地震的主要原因；②印度板块缅甸弧深部的NEE向低角度俯冲作用(Zhang et al, 2017), 导致浅部地壳物质具有NEE-SWW向的拉张分量。两者共同的拉张作用导致该区域的主张应力轴的应力主值与其他2个轴的应力主值的差距加大, 呈现较低的应力形因子。万永革(2015)根据定性、定量断层滑动数据得到乌鲁木齐地区的应力形因子较低的结果, 并解释为该地区在SN向挤压并辅以博罗科努山和博格达山的东、西向挤压的应力状态下处于隆升状态。这里我们根据该地区的地质、地球物理背景解释为2种原因的构造作用使得主张应力处于主导地位, 致使垂直向和NE-SW向均出现拉张应力状态。由此可见, 将应力形因子应用于反演得到的构造应力场解释中具有独特意义。

在地理位置上川滇菱形块体位于青藏高原的东南缘, 处于南北地震带的南段, 受到印度板块向北推挤和阿萨姆角的作用, 青藏高原物质向东挤出(曾融生等, 1992), 在东侧较为稳定华南块体的影响下而发生转向, 使得川滇菱形块体向SE滑移, 第四纪以来川滇菱形块体及周边地区以水平剪切变形为主(罗钧等, 2014)。钱晓东等(2011)认为, 处于印度板块与亚欧板块相互碰撞作用之中的川滇菱形块体一带, 也受到印度板块向东经缅甸对云南地区的侧向挤压, 并直接作用于云南西部地区。这说明在印度板块与亚欧板块相互碰撞的挤压作用和西藏块体下地幔特殊物质的影响下(Lei et al, 2016), 青藏高原在持续隆升过程中物质流向东推挤川滇块体, 由于川滇菱形块体的东面有较为稳定的华南块体, 受到华南块体的阻挡作用, 并且在印度板块缅甸弧深部的NEE向低角度俯冲作用下(刘建中, 1992；Zhang et al, 2017), 使得浅部地壳物质具有NEE-SWW向的拉张分量, 导致川滇菱形块体整体向SE移动, 亦使得该区域呈走滑应力状态。Wan(2010)把中国大陆分成多个子区, 得到2°×2°的应力分布图, 其中, 该区域呈NE向拉张, NW向压缩, 也验证了本文结果的正确性。

4 结论与讨论

川滇菱形块体及周边地区每年发生的中小地震较多且该地区数字台网十分密集, 这为本文研究提供了该区域详细的数据资料。本文收集该区域1976~2015年间的Global CMT数据和前人资料中1973~1977年间的中小地震震源机制解共34条, 对不同震级的地震进行加权处理, 采用网格搜索法来反演该地区的现今构造应力场, 分析该区域现今构造应力场特征。通过研究中小地震的震源机制并对该区域进行应力场反演发现, 该地区地震大多以走滑为主, 西部哈巴雪山和玉龙雪山周缘分布有少量兼具走滑型的正断层地震及极少的逆断层地震。由图 2可知, 该地区的应力场受到近NW向挤压, NE向拉张, 压轴和拉轴倾伏角较小。压轴方位角为322.7°, 倾伏角为4.1°；张轴方位角为231.3°, 倾伏角为19.5°。整个应力场以水平为主, 表明有横向的拉张作用, 应力状态与前人的对较大区域的研究结果(许忠淮等, 1989；杜兴信等, 1999；Wan, 2010；Gao et al, 2012)基本吻合。这说明川滇菱形块体的运动主要有2个方面的作用力：①在印度板块对亚欧板块NE向挤压下, 青藏高原在持续隆升过程中地壳物质向东扩张推挤川滇块体；②印度板块向东经缅甸弧对川滇菱形块体NE向低角度俯冲作用；同时在东部遇到稳定华南块体的阻挡作用。川滇菱形块体中部多条断裂相互交汇, 地壳岩层极度破坏, 不利于大量应变能的储存, 在向SE运动过程中与周缘多个块体相互碰撞, 导致该区域中小地震频发。与前人研究相比, 本文采用的数据更全面, 加入权重因子处理后得到的结果更加准确, 这对今后该地区活动断层、区域动力学和大震预测等地球科学研究具有重要的意义。

本文采用加入权重因子的反演方法并对估算出的R值进行分析, 得到的结果与前人对比有很大的相似性, 但仍有一些不足之处：本文虽考虑到不同地震震源机制对应力场求解的贡献差异, 采用对震级加权的方法进行应力场反演, 但没有计算地震发生距离对应力场求解的影响, 若能获得前人文献中的震源深度数据就可进一步约束反演结果所在的深度。其次, 川滇菱形块体中部及断裂带区域构造复杂, 地质体活动剧烈, 小区域应力场特征可能会发生变化。本研究是假定研究区域应力场均匀进行反演的, 得到了整个区域总体应力场状态, 并未获得更加细节的应力场变化特征。但随着地震观测水平的提高、台站密度的增加以及地震资料的积累, 在以后的研究中可能会得到更为精确的应力场。

致谢: 非常感谢两位审稿专家对本研究提出的宝贵意见。文中震源机制解分布图采用GMT软件(Wessel et al, 1995)绘制。