引用本文
王辉, 曹建玲, 徐化超. 中小地震震源机制解在青藏高原东南缘地区断层稳定性分析中的初步应用[J]. 地震地质, 2019,41(3): 633-648.
WANG Hui, CAO Jian-ling, XU Hua-chao. PRELIMINARY APPLICATION OF FOCAL MECHANISM SOLUTIONS OF SMALL AND MEDIUM-SIZE EARTHQUAKES TO FAULT STABILITY ANALYSIS IN THE SOUTHEASTERN TIBETAN PLATEAU[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(3): 633-648.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.03.007
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中小地震震源机制解在青藏高原东南缘地区断层稳定性分析中的初步应用
王辉, 曹建玲, 徐化超
中国地震局地震预测研究所, 地震预测重点实验室, 北京 100036

〔作者简介〕 王辉, 男, 1976年生, 研究员, 主要研究方向为地球动力学与地壳形变, E-mail: wanghui500@gmail.com。

收稿日期: 2018-06-14
基金项目: 国家自然科学基金(41774111)和中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(2014IES010206)共同资助
摘要

对断层应力状态进行分析有助于理解断层力学性质及其上发生的地震活动。 文中搜集了青藏高原东南边缘地区的中小地震震源机制结果, 反演了区域地壳水平应力场, 并进一步基于摩尔-库仑准则分析了区域主要断裂带的稳定性。 结果表明: 青藏高原东南缘地区地壳水平应力场主要表现为剪切型应力状态, 龙门山地区表现为压缩型应力状态, 而川西高原地区主要表现为拉张型应力状态; 区域地壳最大主压应力方位近平行于地形高程梯度方向, 最大主张应力的方位近平行于地形高程等值线的切线方向, 反映了青藏高原重力扩展作用对区域水平应力场的控制作用; 基于应力的断裂带稳定性分析结果表明, 青藏高原东南缘地区的14条主要断裂带中, 莲峰-昭通断裂在2014年前后稳定性最低, 应力状态最接近于破裂状态。

关键词: 青藏高原东南缘地区; 震源机制解; 地壳应力场; 反演; 断层稳定性
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)03-0633-16
PRELIMINARY APPLICATION OF FOCAL MECHANISM SOLUTIONS OF SMALL AND MEDIUM-SIZE EARTHQUAKES TO FAULT STABILITY ANALYSIS IN THE SOUTHEASTERN TIBETAN PLATEAU
WANG Hui, CAO Jian-ling, XU Hua-chao
Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract

Analysis of stress state of faults is helpful to understand crustal mechanical properties and seismicity. In the paper, we invert the horizontal crustal stress field in the southeastern Tibetan plateau using focal mechanism solutions of small and medium-size earthquakes, and apply them to estimate the stability of regional major faults.
Firstly, we collect focal mechanism solutions of small and medium-sized earthquakes in the southeastern Tibetan plateau. The dataset includes more than 1 000 focal mechanism solutions in the past twenty years. Magnitudes of these earthquakes vary from M3.0 to M6.0. Most of the focal mechanism solutions were determined using waveform inversion technique. Although most of focal mechanism solutions in the southeastern Tibetan plateau are strike-slip faulting, their spatial pattern is different in sub-regions. Normal faulting earthquakes mainly occurred in the western Sichuan region, reverse faulting earthquakes mainly occurred in the boundary zone between the Tibetan plateau and the South China craton, and strike-slip faulting earthquakes mainly occurred in the central and southern Yunnan region.
Next, we settle on a mesh with grid spacing of 0.5° in longitude and latitude in the region and invert the horizontal crustal stress field at each grid point. Spatial variation of the maximum principal stress axis in the southeastern Tibetan plateau shows a clockwise rotation around the eastern Himalaya syntax. The azimuth of maximum compressional stress axis is about 88.1° in the western Sichuan region, about 124.6° in the South China craton, and about 21.6° in the western and southern Yunnan region. The azimuth of regional maximum compressional stress is nearly parallel to the direction of terrain elevation gradient, and that of the minimum compressional stress is nearly parallel to the tangential direction of the topographic elevation contours. The spatial pattern reflects the control role of gravity spreading of the Tibetan plateau on the regional horizontal stress field.
Finally, we analyzed regional fault stability based on these collected focal mechanism solutions. The fault instability parameter ( I) is defined based on the Mohr-Coulomb criterion and indicates the degree of fault approximating to rupture. The instability parameters on fourteen major faults in the southeastern Tibetan plateau were calculated. Our results show that the stability of the Lianfeng—Zhaotong Fault is the lowest before 2014 in the region, which indicates the fault zone is close to rupture at that time. Our results provide a new useful tool to assess regional seismic potential using dense focal mechanism solutions.

Keyword: southeastern Tibetan plateau; focal mechanism; crustal stress field; inversion; fault stability
0 引言

地震活动是地壳应力积累-释放过程的表现, 地震发生的主要成因是地壳岩石积累的应力超过其强度从而导致岩石破裂(Scholz, 2002)。 因此, 对地壳应力场的准确分析是确定未来地震危险性的重要基础。 尽管孕震成核区应力的绝对大小难以准确观测(Aki et al., 2002), 但是地壳应力方位的时空分布可能蕴含了一些孕震信息。 地壳应力方位与区域平均应力场存在较大差异的位置往往是应力集中区, 也是地震容易发生的区域(Zoback et al., 1996)。 另外, 一些研究表明, 大地震发生前存在小震震源机制趋近于主震震源机制的趋势(Kagan, 2000; 王凯英等, 2003; 王俊国等, 2005; 万永革, 2008; 刁桂苓等, 2011)。 由于震源机制解资料数量和质量所限, 这些由前人给出的可能的孕震信息往往是偏于定性的结果。

青藏高原东南缘地区地震活动频繁。 该地区是青藏高原地壳物质侧向挤出的重要通道之一(Royden et al., 2008), 区域构造活动和地震活动可能与印度板块深俯冲至地幔转换带形成大地幔楔结构的动力学密切相关(Lei et al., 2014; 雷建设等, 2018)。 自1970年以来, 该地区记录的6级以上地震的年频次大约为2次/a, 特别是2008年汶川M8.0地震就发生在该区域的龙门山断裂带上。 随着数字地震台网的不断完善和新处理技术的不断发展, 许多研究者得到了青藏高原东南缘地区不同时间段、 不同区域的中小地震震源机制结果(王凯英等, 2003; 吴建平等, 2004; 王勤彩等, 2009; Xu et al., 2010, 2016; Zhao et al., 2013; 罗艳等, 2015; Luo et al., 2016; 张会苑等, 2016)。 这些数据为利用震源机制资料开展区域地震危险性的定量化分析提供了重要的基础资料。

图 1 川滇地区主要活动构造及强震分布
空心圆圈代表1970年前的地震, 实心圆圈代表1970年后的地震, 正方形代表城市。 断层资料据文献(邓起东等, 2002)Fig. 1 Simplified distribution map of active faults and major earthquakes in the southeastern Tibetan plateau.

为了研究青藏高原东南缘地区现今地壳应力场与强震活动的关系, 本文首先搜集了区域已有的中小地震震源机制结果, 利用这些数据反演区域地壳水平应力场的基本特征。 在此基础上, 基于摩尔-库仑破裂准则, 采用蒙特· 卡罗方法(Monte Carlo method)反演主要断裂带的应力状态, 分析青藏高原东南缘地区主要断裂带的稳定性。

1 数据与方法
1.1 区域震源机制解

本文搜集和整理了前人发表的青藏高原东南缘地区中小地震震源结果(表1, 图2)。 这些震源机制结果大致可分为3类。 第一类是1999年以来青藏高原东南缘地区的中小地震震源结果(吴建平等, 2004; Xu et al., 2010, 2016; Zhao et al., 2013; Luo et al., 2016; 张会苑等, 2016)。 这些中小地震的震级绝大部分为M3.0~6.0, 震源机制的反演方法也大多是基于宽频带数字记录的地震波形反演方法, 得到的震源机制解节面误差通常< 15° , 具有较高的可信度。 第二类是川滇地区1976— 2016年部分5.0级以上地震的全球中心矩张量反演结果。 由于全球中心矩张量结果主要采用有限的全球地震台网资料, 这些数据的质量略差(Zoback, 1992)。 第三类是主要采用P波初动和振幅比方法计算的震源机制解, 此类结果基本上是基于模拟地震记录得到的, 精度不高(阚荣举等, 1977, 1983; 成尔林, 1981)。 虽然后2类结果的误差相对较大, 但是综合分析的结果能够为波形反演结果提供对比和约束。

表1 青藏高原东南缘地区中小地震震源机制解 Table1 Collected focal mechanism solutions in the southeastern Tibetan plateau

图 2 青藏高原东南缘地区震源机制解空间分布
a 震源机制解分布及其类型; b 震源机制解的数据来源Fig. 2 Spatial distribution of focal mechanism solutions in the southeastern Tibetan plateau.

1.2 地壳应力场反演方法

单个地震震源机制解可能受到局部构造活动的影响, 只有采用多个震源机制解结果才能更好地确定区域地壳应力场。 Michael(1984, 1987)提出了利用震源机制解反演区域地壳应力场的线性反演方法。 基于地壳应力场在时间和空间上连续的假设, Hardebeck等(2006)提出了时间和空间平滑的SATSI算法, 通过加入阻尼因子, 使得计算的地壳应力场在时间和空间上具有一定的连续性, 从而很好地剔除了构造活动所造成的局部应力集中。 Martí nez-Garzó n等(2014)开发了用于反演区域地壳平均应力场的MSATSI工具包。 该工具包将研究区划分为多个分区, 通过求解相邻分区应力变化最小时的分区应力场, 来同时获取研究区的所有分区应力场。 Vavrycuk(2014)改进了Michael的算法, 在迭代联合反演方法中引入了新的参数描述断层不稳定性, 利用该参数选择更趋近于破裂的断层节面来进行迭代反演(Vavrycuk et al., 2013)。 断层不稳定参数I的定义为

I=τ-μ(σ-σ1)τc-μ(σc-σ1)(1)

其中, μ 为摩擦系数, τc、σc分别为沿最易破裂的断层面上的剪应力和有效正应力, τ 、 σ 分别为沿给定断层面的剪应力和正应力。 事实上, 断层不稳定参数I的定义基于摩尔-库仑破裂准则, 代表了区域任意方向上应力状态距离岩石破裂状态的逼近程度(图3)。

Vavrycuk et al., 2013).'>图 3 基于摩尔-库仑破裂准则的断层不稳定参数I的定义示意图(据Vavrycuk et al., 2013)Fig. 3 Concept of the fault instability in the Mohr's diagram(after Vavrycuk et al., 2013).

黑点代表岩石的破裂状态时的应力状态, 灰点代表给定方向的断层上的应力状态

计算断层不稳定参数I的具体公式如下:

假设归一化的主应力值为

σ1=-1, σ2=2R-1, σ3=1(2)

那么

则

其中,

上述公式表明, I值是一个介于0~1之间的数值, 它由摩擦系数μ 、形状因子R(R=(σ 1-σ 2)/(σ 1-σ 3))和给定断层面的方向向量(n1, n2, n3)确定, 其值与主应力值的绝对值无关。当I=0时, 给定的断层面处于最稳定的状态; 当I=1时, 给定的断层面与最易破裂面平行, 断层稳定性最差。

2 青藏高原东南缘地区地壳应力场特征

首先基于表1中收集的1 086个震源机制解, 研究青藏高原东南缘地区的地壳应力场基本特征。

2.1 震源机制解反映的区域应力场特征

图 2给出了青藏高原东南缘地区不同类型震源机制的空间分布。 图中显示, 该地区地壳应力场较复杂, 正断、 走滑、 逆冲型地震均广泛分布, 且不同类型的断层存在分区集中的特征。 正断型地震主要发生在川西高原及其周边地区; 逆断层型地震主要发生在青藏高原与华南块体接触的边界带上, 包括龙门山-马边断裂带一线; 而走滑型地震则主要集中分布于滇中和滇南地区。

对所有震源机制解给出的应力主轴方位和倾角的统计结果显示, 青藏高原东南缘地区大约80%的震源机制解的P轴倾角(图4a)和T轴倾角(图4b)都不超过40° 。 P轴和T轴倾角的平均值分别为(23.0° ± 22.6° )和(22.1° ± 20.9° ), 说明整个区域的地壳应力状态以水平应力为主。 对区域内所有震源机制解类型进行统计(Frohlich, 1992)则发现青藏高原东南缘地区的地震主要以走滑型地震为主, 逆断和正断型地震的数量大致相当(图4c)。

图 4 青藏高原东南缘地区震源机制解P轴倾角分布(a)、 T轴倾角分布(b)和震源机制解分类的三角形表示(c)Fig. 4 Histograms of distribution of plunges of P-axis(a), T-axis(b) and the triangle diagram displaying the focal mechanism types(c).

图 5给出了根据单个震源机制解计算得到的青藏高原东南缘地区的P轴、 T轴方位。 可以看出, 在主要活动断裂带上的主应力轴方位一致性较差, 而块体内部的主应力轴方位存在相对较好的一致性。 在华南块体内部, 主压应力方位主要为SE向。 在青藏高原东南缘地区, 主压应力轴的方位则具有绕喜马拉雅东构造结旋转的特征。 川西高原地区的主压应力轴方位近EW向; 滇南块体地区的主压应力轴方位近SN向; 滇中地区的主压应力轴方位呈现出从近EW向向近SN向旋转的模式。 与主压应力轴方位的空间分布相比, 主张应力轴的方位变化更加离散。 川西高原地区的主张应力轴方位近SN向, 滇南地区的主张应力轴方位近EW向。 滇中地区的主张应力轴则表现为从近SN向向近EW向转变的过渡。

图 5 青藏高原东南缘地区震源机制解得到的主压应力轴方位(a)和主张应力轴方位(b)Fig. 5 Orientation of P-axis(a)and T-axis(b)of the focal mechanism solutions shown in Fig. 2.

2.2 区域地壳水平应力场反演结果

为了剔除局部构造活动对单个震源机制解的影响, 我们反演了青藏高原东南缘地区0.5° × 0.5° 均匀网格上的地壳应力场, 每个网格点的应力主轴方位代表了周围0.7° 半径范围内所有震源机制解的平均结果。 图6a给出了青藏高原东南缘地区平均水平应力主轴方位。 可以看到, 在川西高原地区, 地壳水平最大主压应力轴的方位平均约88.1° , 近EW向。 华南块体地区地壳水平最大主压应力轴的方位平均为124.6° 。 滇西南地区地壳水平最大主压应力轴的方位平均约21.6° , 近SN向。 其它地区的地壳水平最大主压应力轴的方位呈现为由近EW向向近SN向转换的模式。 总体而言, 青藏高原东南缘地区地壳水平最大主压应力轴方位与区域地形变化的梯度方向较为接近, 而最大主张应力轴方位与区域地形等值线的切线方向较接近(图6a)。 上述结果与前人的研究基本一致(Luo et al., 2016; Xu et al., 2016), 但空间分辨率有所提高。

图 6 青藏高原东南缘地区平均应力场(a)和形状因子(b)的空间分布
a 中灰线为地形高程(单位: m)等值线, 蓝色代表压应力为主, 红色代表张应力为主, 绿色代表剪切应力为主Fig. 6 Gridded orientation of crustal stress field in the southeastern Tibetan plateau(a)and shape ratio(b).

形状因子R的空间分布给出了区域地壳应力场主应力的相对大小分布。 图6b显示, 在四川盆地西边缘的龙门山-马边断裂带一线, R的均值达到0.70, 表明这些区域地壳应力以压应力为主。 而在川西高原地区, R的均值为0.27, 表明这些区域地壳应力以张应力为主。 青藏高原东南缘地区另外一个以张应力为主的区域是滇西地区, 该区域位于红河断裂带的西段, 拉张效应明显。 该地区其它区域的R均在0.5左右波动。

3 区域主要断裂带稳定性分析

由于青藏高原东南缘地区的强震大多集中发生于主要断裂带上, 故这些断裂带的潜在地震危险性值得关注。 我们进一步采用Vavrycuk(2014)提出的方法计算区域主要断裂带的断层稳定性参数I, 进而研究这些断裂带的稳定性。

青藏高原东南缘地区历史上发生过强震的活动断裂带主要包括鲜水河断裂带、 理塘断裂带、 小金河断裂带南段、 安宁河断裂带、 马边断裂带、 莲峰断裂带、 昭通断裂带、 磨盘山-绿汁江断裂、 小江断裂带、 红河断裂带北段、 建水-曲江断裂带和澜沧江断裂带。 除了上述断裂带, 大凉山断裂带和程海断裂带也被认为具备潜在发震可能性(易桂喜等, 2016)。 这些活动断裂带的几何参数和强震活动见表2。

表2 青藏高原东南缘地区主要活动断裂带的几何特征和强震活动 Table2 Geometric parameters of major active faults and seismicity in the southeastern Tibetan plateau

青藏高原东南缘地区最近一次发生的强震是2014年8月3日的鲁甸M6.5地震。 由于闭锁断层对区域变形造成的影响主要集中在断层两侧相当于断层闭锁深度的范围内(Savage et al., 1973), 因此我们对主要断裂带附近15km的范围进行分析, 以2014年之前波形反演的中小地震震源机制解作为基础资料, 研究这些主要断裂带在2014年的应力状态。

首先采用Vavrycuk(2014)的方法反演了每条断裂带上的摩擦系数μ 和形状因子R, 然后再利用公式(4)、 (5)计算主要活动断裂带上的断层不稳定性参数I。 由于活动断裂带的几何参数存在一定不确定性, 故采用蒙特· 卡罗方法, 假设走向的变化范围为[-10° , 10° ], 倾向的变化范围为[-10° , 10° ], 以及走向、 倾向的变化范围均为[-10° , 10° ]的情况, 分别计算不稳定性参数I的不确定性分布。 蒙特· 卡罗算法的迭代次数为10 000次。

表3给出了利用蒙特· 卡罗方法计算得到的断层不稳定参数I及其不确定性分布。 可以看出, 断层走向和倾向变化对断层不稳定参数I的影响并不相同。 变化范围同样是[-10° , 10° ], 倾向的变化对断层不稳定性参数I的影响相对较大。 另外, 青藏高原东南缘地区川滇块体东边界带的断层稳定性相差较大。 例如, 大凉山断裂带、 马边断裂带、 莲峰断裂带和昭通断裂带的不稳定性参数I≥ 0.50, 而其他大多数的断层不稳定性参数I< 0.4。 特别要注意的是, 根据2014年前震源机制结果计算的应力状态显示昭通断裂是该区域断层稳定性最差的断层, 其不稳定性参数I达到了(0.70± 0.03)。

表3 青藏高原东南缘地区主要活动断裂的断层不稳定性参数I Table3 Fault instability I on the major faults in the southeastern Tibetan plateau

图 7 青藏高原东南缘地区主要活动断裂带的不稳定性分析结果
红色圆点代表2014年鲁甸M6.5地震震中Fig. 7 Fault instability in the southeastern Tibetan plateau.

4 讨论
4.1 青藏高原东南缘地区地壳应力场的稳定性

20世纪80— 90年代, 前人利用断层滑动方向(谢富仁等, 1993; 崔效锋等, 1999)和小震综合节面解(许忠淮等, 1987)等给出了青藏高原东南缘地区地壳应力场的基本特征。 随后, 基于中小地震震源机制资料的分析结果进一步给出了不同地区的地壳应力状态(吴建平等, 2004; Xu et al., 2010, 2016; Zhao et al., 2013; Luo et al., 2016; 张会苑等, 2016)。 例如, Zhao等(2013)给出了云南及其邻区的地壳应力场特征; Luo等(2016)给出了青藏高原东南缘地区各个子块体的平均地壳应力特征; Xu等(2016)利用震源机制资料研究了云南地区地壳-地幔应力场的耦合特征。 这些结果在不同的时间和空间尺度上给出了青藏高原东南缘地区地壳水平主压应力轴方位围绕喜马拉雅东构造节顺时针旋转的基本图像。 前人的数值模型研究显示, 青藏高原周边地区陡峭的地形梯度反映了高原地区重力扩张作用所导致的巨大侧向压力。 在超过岩石圈弯曲长度的尺度上, 地形梯度将对地壳应力场起主要的控制作用(Shen et al., 2001; Liu et al., 2003; Li et al., 2015)。 因此, 青藏高原东南缘地区地壳应力场应力主轴的空间分布特征表明重力作用导致的青藏高原扩展对区域地壳应力场具有控制作用。

本文通过收集前人数据, 获取了青藏高原东南缘地区1 000多个震源机制解资料。 这些震源机制解在时间上大约跨越了过去20a, 空间上则基本覆盖了整个青藏高原东南缘地区。 由于这些震源机制解大多数是通过波形反演得到的, 相对质量较高, 由此得到的青藏高原东南缘地区的地壳应力场结果更加可靠, 与前人结果的一致性也反映了区域地壳应力场的稳定性特征。 除此之外, 由于震源机制解资料相对较丰富, 反演的地壳应力场还可以更清晰地显示区域局部构造上应力状态的非均匀性特征。 例如, 应力场反演结果显示了龙门山断裂带的分段应力状态差异: 龙门山断裂带中段和南段的形状因子R平均为0.8, 断层附近以压应力为主; 北段的形状因子R平均为0.44, 断层附近以剪切应力为主。 这种认识也与前人利用2018年汶川M8地震后短时间内的余震震源机制解得到的结果一致(王勤彩等, 2009; 易桂喜等, 2012)。

4.2 断层稳定性与区域地震危险性

地震活动发生的原因是地壳岩石积累的应力超过其强度从而发生破裂。 因此, 对地壳应力状态的分析应该能够为研究地震活动提供更直接的科学依据。 板块运动和构造活动控制了背景地壳应力场, 局部的构造活动所导致的应力集中则使其附近的地壳主应力方位发生偏转(Zoback, 1992)。 当断层附近的应力状态更加有利于断层滑动时, 断层上发震的可能性更高。

2008年汶川M8.0地震之前的近10a, 青藏高原东南缘地区的主要断裂带上均没有发生M6以上中强地震。 除1996年的丽江M7.0地震外, 青藏高原东南缘地区的各条主要断裂带基本上都处于强震间的平静期, 断裂带上应力不断积累。 在此期间的地壳应力状态变化可能指示了下一次地震的发生。 前人研究表明, 1996年丽江M7.0地震之前, 川滇地区应力场可能发生了一次转向(王凯英等, 2003)。 而其它的震例研究表明, 大地震前震源附近的地壳应力状态会发生变化, 应力状态趋向一致(王俊国等, 2005; 万永革, 2008; 刁桂苓等, 2011)。 这些定性研究指出了大地震前可能存在的地壳应力异常现象。

断层的不稳定性参数I也被称为断层滑动趋势(Slip-tendency)(Morris et al., 1996; Moecka et al., 2009)。 该参数基于摩尔-库仑破裂准则, 物理含义明确, 表达简洁, 可以用中小地震震源机制解资料进行反演, 并在2008年捷克波西米亚震群研究中得到应用(Vavrycuk, 2011, 2013)。 本文利用不稳定性参数I研究青藏高原东南缘主要断裂带的稳定性, 给出的区域主要断层稳定性结果也与2014年的鲁甸M6.5地震相对应。 尽管地震震例样本数有限, 该方法的有效性仍然值得进一步的研究和检验。

5 结论

本文基于收集的中小地震震源机制解结果, 反演了青藏高原东南缘地区水平地壳应力状态, 并且分析了区域主要活动断裂带的断层稳定性, 得到了如下主要结论:

青藏高原东南缘地区震源机制解的空间分布表现出区域水平应力的分区性特征。 整个区域主要表现为剪切型应力状态, 龙门山地区表现为压缩型应力状态, 而川西高原地区主要表现为拉张型应力状态。

青藏高原东南缘地区水平应力的最大主压应力方位近平行于区域地形的梯度方向, 最大主张应力的方位近平行于地形的等值线方向, 反映了青藏高原重力扩展作用对该区域地壳水平应力场的控制作用。

基于地壳应力场的分析结果表明, 2004年前青藏高原东南缘地区莲峰-昭通断裂上的最优应力方位最接近断层破裂方向, 该断裂带的稳定性最低。 随着地震资料的进一步积累, 利用震源机制资料分析断层稳定性的方法值得进一步探讨与应用。

致谢 审稿专家对完善本文提供了宝贵意见; 闻学泽教授提供了部分区域震源机制解资料。 在此一并表示感谢!

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