武敏捷 林向東 徐 平

(北京市地震局，北京 100038)

華北北部地區(qū)震源機制解及構(gòu)造應(yīng)力場特征分析*

武敏捷 林向東 徐 平

(北京市地震局，北京 100038)

利用華北北部地區(qū)2002-01—2010-06月848個Ml≥2.0地震的震源機制解，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造活動特征將其劃分為4個研究區(qū)，分析各研究區(qū)震源機制解特征，并采用1°×1°的網(wǎng)格，0.5°滑動分區(qū)的方法對華北北部地區(qū)各研究區(qū)和空間滑動進行應(yīng)力場特征研究。結(jié)果表明，各研究區(qū)的最大主應(yīng)力的方位為NEE向，最小主應(yīng)力方位為NNW向，與華北地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向較一致。各研究區(qū)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)均為走滑型，水平應(yīng)力作用為華北北部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的主要特征，震源錯動方式以水平走滑為主。

華北地區(qū);震源機制解;構(gòu)造應(yīng)力場;最大主應(yīng)力方位;最小主應(yīng)力方位

1 引言

大量斷層面解的平均P、B、T軸可以推斷區(qū)域平均構(gòu)造應(yīng)力場的方向［1］。李瑞莎等［2］依據(jù)2002—2006年的中小地震資料，利用格點嘗試法分析計算了華北北部4個應(yīng)力小區(qū)的平均主應(yīng)力軸，討論了華北北部地區(qū)的現(xiàn)今應(yīng)力場特征。張紅艷等［3］依據(jù)活動構(gòu)造展布及震中分布等情況，將張家口-渤海斷裂帶陸地段及鄰近地區(qū)劃分為6個應(yīng)力區(qū)，利用格點嘗試法計算了1967—2006年間6個分區(qū)內(nèi)的震源機制解。結(jié)果顯示，6個分區(qū)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)較為一致，均為走滑型應(yīng)力結(jié)構(gòu)，但在應(yīng)力方向上有明顯不同。

本文將應(yīng)用Gephart的應(yīng)力張量反演方法［4］研究華北北部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力張量的變化特征，探討區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的發(fā)展變化。

2 資料選取與方法原理

資料來源于華北北部地區(qū)(37°～42°N，113°～119°E)2002-01—2010-06月848個Ml≥2.0以上地震的震源機制解。

對資料的處理采用層狀介質(zhì)中的點源位錯震源模型［5］，即計算綜合地震圖得到P、S波的最大振幅，通過其垂直向最大振幅比值與觀測資料擬合的方法，反演得到震源機制解。

根據(jù)震源機制解反演構(gòu)造應(yīng)力場時，只能確定應(yīng)力張量6個獨立參數(shù)中的4個量，即3個主應(yīng)力方向和主應(yīng)力的相對大小R(R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1))。其中，σ1、σ2和σ3分別為最大、中等、最小主應(yīng)力。

使用震源機制解P、T軸的傾角、方位等作為應(yīng)力張量反演的輸入數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)校正為相互正交的數(shù)據(jù)，反演過程中將震源機制解的兩個節(jié)面都考慮為可能的斷層面，并選擇最合適的斷層面，通過網(wǎng)格搜索法，將斷層滑動方向與最大剪應(yīng)力方向間的殘差最小作為目標(biāo)函數(shù)，尋找一個應(yīng)力張量，使得該應(yīng)力張量在這組地震的斷層面上的剪切應(yīng)力方向與滑動方向之差的總和為最小值。計算中采用5°網(wǎng)格進行搜索，并選擇最合適的斷層面。R值的范圍從0到1，步長選取為0.05，根據(jù)斷層滑動方向與最大剪應(yīng)力方向間殘差最小獲得最優(yōu)應(yīng)力模型，得到主應(yīng)力的方向和R值。

3 區(qū)域構(gòu)造背景和應(yīng)力分區(qū)劃分

根據(jù)華北北部區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動和震中分布特征，以山西斷陷帶、唐山-河間-磁縣斷裂帶和張家口-渤海斷裂帶的邊界［6］，將其劃分為A、B、C、D4個研究區(qū)(圖1)，分別對其進行應(yīng)力張量反演計算。

圖1 華北北部地區(qū)Ml≥2.0地震震中分布及研究分區(qū)圖Fig.1 Epicenters of Ml≥2.0 earthquakes and studied partitions in northern part of North China

4 震源機制解特征分析

對華北北部各研究區(qū)震源機制解類型的統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所示。

統(tǒng)計結(jié)果表明，4個研究分區(qū)的走滑斷層所占的比例分別為63.2%，63.3%，70.4%，66.0%，正斷層所占的比例分別為31.1%，20.0%，16.9%，22.4%，逆斷層所占的比例分別為5.7%，16.7%，12.7%，11.6%，逆斷層所占的比例相對較少。

從P、T、B軸方位及斷層走向和滑動角來看(圖2，表2)，4個分區(qū)P軸方位的優(yōu)勢分布為NNE-NEE向，T軸方位的優(yōu)勢分布為NNW-NWW向，節(jié)面走向和B軸方位分布較散亂，看不出較好的優(yōu)勢分布方向。

從各研究區(qū)兩個節(jié)面和P、T、B軸的傾角分布來看(圖3，表3)，4個研究區(qū)節(jié)面的傾角≥45°所占的比例較大，P、T軸傾角＜30°則占絕大多數(shù)，B軸傾角≥45°的比例較大。結(jié)果表明，4個研究區(qū)中絕大多數(shù)地震震源處的應(yīng)力場以水平作用為主，破裂以水平走滑為主。

表1 各研究區(qū)斷層類型Tab.1 Fault type of the partitions in northern part of North China

圖2 各分區(qū)斷層走向、滑動角及P、T、B軸方位Fig.2 Strike，slip of fault and the orientation of P，T，B-axis in each partition

圖3 各研究區(qū)兩個節(jié)面及P、T、B軸傾角的分布Fig.3 Dip of two nodal planes and P，T，B-axis in each partition

5 應(yīng)力場反演

5.1 各研究區(qū)應(yīng)力場反演結(jié)果

對華北北部4個研究區(qū)分別進行了應(yīng)力場反演，反演結(jié)果見表4。

由圖4和表4可以看出，4個研究區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位為NEE向，傾角為0°～18°，最小主壓應(yīng)力方位為NNW向，傾角為0°～34°，傾角均接近水平，中間主應(yīng)力軸傾角為56°～79°，傾角較為陡峭或接近直立，應(yīng)力所反映的斷層性質(zhì)均為走滑型。其中，D區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位為268°，近EW向，最小主壓應(yīng)力方位為178°，近NS向。由表4可以看出，華北北部4個研究區(qū)的R值較接近。其結(jié)果與文獻［2］得到的結(jié)果較一致。

表2 各研究區(qū)斷層走向及P、T、B軸方位統(tǒng)計(單位：%)Tab.2 Strike of fault and the orientation of P，T，B-axis in each partition(unit：%)

表3 各研究區(qū)兩個節(jié)面及P、T、B軸傾角的統(tǒng)計(單位：%)Tab.3 Dip of two nodal planes and P，T，B-axis in each partition(unit：%)

表4 各研究區(qū)應(yīng)力張量反演結(jié)果Tab.4 Results of stress tensor inversion in the studied partitions

圖4 華北北部各研究區(qū)震源機制解分布圖Fig.4 Distribution of P-axis orientation

5.2 網(wǎng)格滑動分區(qū)應(yīng)力場反演結(jié)果

采用1°×1°的網(wǎng)格，0.5°滑動分區(qū)的方法對華北北部地區(qū)進行空間滑動應(yīng)力場反演(共劃分為99個網(wǎng)格)。其中有32個網(wǎng)格范圍的地震個數(shù)不足5個，不滿足空間滑動應(yīng)力場反演條件而沒有反演，因此只有67個網(wǎng)格參與應(yīng)力場反演計算，其反演結(jié)果見圖5。反演計算得到54個分區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位為NEE向，13個分區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位為NWW向。

由滑動應(yīng)力張量反演結(jié)果可以看出，各構(gòu)造分區(qū)滑動應(yīng)力分區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位大部分為NEE向，最小主壓應(yīng)力方位大部分為NNW向。其中，有部分應(yīng)力分區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位近EW向，如陽泉、石家莊附近地區(qū)，安新斷裂、滄西斷裂附近，寧河-昌黎斷裂、灤縣-樂亭斷裂、豐臺-野雞坨斷裂和薊運河斷裂所圍限的菱形區(qū)域及附近地區(qū)各分區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位為近EW向。另外，河北興隆附近區(qū)域的最小主壓應(yīng)力方位為NWW向。

圖5 各滑動區(qū)應(yīng)力場方位圖Fig.5 Orientation of stress field in the sliding partitions

6 結(jié)論與討論

1)反演結(jié)果顯示，4個研究區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位為NEE向，傾角為0°～18°，最小主壓應(yīng)力方位為NNW向，傾角為0°～34°，最大和最小主應(yīng)力的傾角均接近水平，中間主應(yīng)力軸傾角為56°～79°，傾角較為陡峭或接近直立。其中，B、C兩個區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位相一致，為62°，D區(qū)的最大主壓應(yīng)力方位為268°，近EW向，最小主壓應(yīng)力方位為178°，近NS向，總體來看，4個研究區(qū)的應(yīng)力場方向與華北地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向較為一致，水平應(yīng)力作用為華北北部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的主要特征。

2)由震源機制解類型來看，各研究區(qū)內(nèi)均以走滑型斷層為主，正斷層次之，逆斷層所占的比例相對較少。各研究區(qū)震源機制解參數(shù)特征表明，4個區(qū)P軸的優(yōu)勢方位分布為NNE-NEE向，T軸的優(yōu)勢分布為NNW-NWW向，節(jié)面走向和B軸方位分布較散亂，看不出較好的優(yōu)勢分布方向。4個區(qū)節(jié)面的傾角≥45°所占的比例較大，P、T軸傾角＜30°則占絕大多數(shù)，B軸傾角≥45°的比例較大。4個研究區(qū)中絕大多數(shù)地震震源處的應(yīng)力場以水平作用為主，破裂則以水平走滑為主。

致謝 感謝刁桂苓研究員提供震源機制解數(shù)據(jù)及給予的指導(dǎo)和幫助，感謝與張紅艷討論得到有益幫助!

1 許忠淮，閻明，趙仲和.由多個小地震推斷的華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的方向［J］.地震學(xué)報，1983，(3)：268-279.(Xu Zhonghuai，et al.Evaluation of the direction of tectonic stress in north china from recorded data of a large number of small earthquakes［J］.Acta Seismologica sinica，1983，(3)：268-279)

2 李瑞莎，等.華北北部地區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場時空變化特征研究［J］.地震學(xué)報，2008，(6)：570-580.(Li Ruisha，et al.Temporal and spatial variation of the present crustal stress in northern part of North China［J］.Acta Seismologica sinica，2008，(6)：570-580)

3 張紅艷，等.張渤帶陸地段現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的非均勻特征［J］.中國地震，2009，(3)：314-324.(Zhang Hongyan，et al.Research on Heterogeneity of the Present Tectonic Stress Field at the Overland Part of the Zhangjiakou-Bohai Fault Zone［J］.Earthquake Research In China，2009，(3)：314-324)

4 Gephart J W.FMSI：A FORTRAN program for inverting fault/slickenside and earthquake focal mechanism data to obtain the regional stress tensor［J］.Comput.＆Geosci，1990，(7)：953-989.

5 粱尚鴻，等.利用區(qū)域地震臺網(wǎng)P、S振幅比資料測定小震震源參數(shù)［J］.地球物理學(xué)報，1984，(3)：249-257.(Liang Shanghong，et al.On the determining of source parameters of small earthquakes by using amplitude ratios of P and S from regional network observations［J］.Chinese Journal of Geophysics，1984，(3)：249-257)

6 徐杰，宋長青，楚全芝.張家口-蓬萊斷裂帶地震構(gòu)造序列的初步探討［J］.地震地質(zhì)，1998，(2)：146-154.(Xu Jie，Song Changqing，Chu Quanzhi.Preliminary study on the seismotectonic characters of the Zhangjiakou-penglai fault zone［J］.Seismology and Geology，1998，(2)：146-154)

ANALYSIS OF FOCAL MECHNISM AND TECTONIC STRESS FIELD FEATURES IN NORTHERN PART OF NORTH CHINA

Wu Minjie，Lin Xiangdong and Xu Ping
(Earthquake Administration of Beijing Municipality，Beijing 100038)

With 848 Ml≥2.0 focal mechanisms which occurred during in January，2002 to June 2010 in northern part of North China，and according to regional tectonic feature，the area is divided into four studied regions to analyze the focal mechanism features of each partitions and to research stress field feature parted by 1°×1°and with 0.5°slip trapeze zone.The results show that the maximum principle stress orientation of various studied partitions all is NEE，the minimum principle stress orientation is NNW，they are basically consistent with the direction of tectonic stress field in North China.The stress structures of various partitions all are of strike-slip type，the principle feature of tectonic stress field in northern part of North China is horizontal stress action，the way of focal strain-slip way is strike-slip mainly.

North China;focal mechanism;tectonic stress field;maximum principle stress orientation;minimum principle stress orientation

1671-5942(2011)05-0039-05

2011-04-14

北京市地震局任務(wù)性科技專項(JZX-201103)

武敏捷，女，1977年生，工程師，主要從事數(shù)字地震學(xué)與地震預(yù)測等研究.E-mail：wmj1977@163.com

P315.72+7

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