卜玉菲，張元生，萬永革，劉旭宙，高 見

（1．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 73000；2．防災科技學院，河北 三河 065201）

0 引言

目前根據(jù)地震波資料求解地殼應力場主要有兩種思路：一是直接根據(jù)震源機制反演應力場；二是根據(jù)P波初動數(shù)據(jù)求解綜合震源機制進而確定應力場方向。由于單個地震的震源機制反映的是地震前后震源區(qū)的應力變化，震源機制節(jié)面與構(gòu)造應力主軸都成一定角度。當一組地震斷層面的取向比較隨機、地震分布于全區(qū)時，多個地震的震源機制解得到的平均P、B、T軸方向就能夠代表該區(qū)平均構(gòu)造應力場方向，但是求解的精確程度跟震源機制分布有直接關系。在大量中小地震在震源機制不能確定的情況下這種方法不適用。根據(jù)P波初動數(shù)據(jù)求解應力場的方法不需要先得到震源機制，所以可以更充分利用小震和微震資料。

上世紀70年代李欽祖等根據(jù)Aki［1］提出的基本思路給出了利用單臺小震資料的綜合初動解研究臺站所在區(qū)域應力場的方法求得了紅山臺和沙城臺附近的區(qū)域應力場［2］。該方法是假定研究區(qū)域應力場是均勻的，將同一個臺站的初動極性根據(jù)離源角和方位角投影到每個小地震的震源球上，并在此位置標明初動極性，然后將此臺所有地震的震源移動到同一點，疊加在同一個震源球上，得到單臺小震資料的綜合初動解。按照這種方法，許忠淮根據(jù)多個臺站多個地震推斷了多個地區(qū)地震應力場的方向特征，并對這種方法采用了模擬數(shù)據(jù)進行驗證，證明了該方法的可行性。許忠淮結(jié)合先前工作結(jié)果對個別地區(qū)補充數(shù)據(jù)后重新做了分析，總結(jié)了我國大陸地震構(gòu)造應力場的主要特征，編制完成中國大陸地震構(gòu)造應力方向圖［3－5］。

甘東南處于青藏高原東北緣，為西秦嶺北緣斷裂和東昆侖斷裂東段之間的區(qū)域，形成多條密集且平行具有弱走滑、強逆沖性質(zhì)的NWW及NEE晚更新世及全新世斷裂［6－7］。該地區(qū)長期受到印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓作用的影響，構(gòu)造活動劇烈，地震活動頻繁，歷史上曾發(fā)生過多次大震［8］。2009年起甘東南地區(qū)架設了大量地震流動臺網(wǎng)，記錄了大量近震地震資料，為我們采用這種方法求解該地區(qū)的綜合應力場提供了很好的機會。本文利用甘東南流動臺陣和固定臺網(wǎng)記錄的地震波形資料，采用萬永革等［9］提出的考慮不同地震距對網(wǎng)格點應力場方向影響的P波綜合震源機制法求解本區(qū)應力場，得到覆蓋甘東南全區(qū)的綜合震源機制解數(shù)據(jù)，以期能為以后該區(qū)的斷層活動和地震預測研究提供基礎資料。

1 資料來源

2009年11月，中國地震局地質(zhì)研究所和中國地震局蘭州地震研究所合作在甘東南地區(qū)架設了野外地震觀測流動臺陣，架設七條測線共150個流動臺站，平均臺站間距15km，到目前記錄了大量的地震波數(shù)據(jù)，為深入開展甘東南地區(qū)的地球物理研究提供了寶貴的資料（圖1）。密集的流動臺陣有較強的監(jiān)測能力和的較高的定位精度，震中分布更加集中，與斷層和地震區(qū)帶分布更加密切。

本文選取2010年11月1日—2011年11月30日期間甘東南流動臺陣的波形記錄，以及甘肅地震臺網(wǎng)和周邊省鄰近臺站的波形數(shù)據(jù)，共150個流動臺站和79個固定臺站記錄的同時段的波形數(shù)據(jù)。震中區(qū)域范圍為 N32．164°～35．999°，E102．745°～107．079°。

圖1 研究區(qū)臺站及震中分布Fig．1 Distribution of stations and earthquakes in the research area．

2 數(shù)據(jù)處理

本研究所選用的原始波形資料是以1小時為單位的EVT格式文件，借助edias軟件挑選出3個（包含3個以上）臺站記錄到的地震進行分析，用msdp軟件進行震相識別、P波初動標記和初定位，得到包含震相到時、初動信息在內(nèi)的定位結(jié)果文件。利用張元生等開發(fā)的t－D地震定位程序進行地震重新定位［10］，最終得到有初動記錄的地震2 373個，初動符號12 129個（圖1）。

重定位結(jié)果顯示：地震活動沿斷裂分布明顯，特別是青川附近地震活動頻繁（汶川地震余震），而華亭、平?jīng)龅貐^(qū)由于多有礦震，數(shù)據(jù)量也極為豐富。定位后震源深度主要集中在5～20km以內(nèi)，所以，我們在深度上不做分辨，只考慮二維情況下的應力情況。

我們采用萬永革的求解方法，將甘東南地區(qū)分為0．25°×0．25°的二維網(wǎng)格，依次求解了所用地震數(shù)據(jù)在平均震源深度（12km）上網(wǎng)格點處的應力場方向［9］。每個網(wǎng)格點選擇周圍地震在臺站上觀測的P波初動符號進行反演。由于每個地震距網(wǎng)格點的距離不同，對網(wǎng)格點應力方向確定的貢獻也不相同，因此我們根據(jù)網(wǎng)格點的距離給予不同地震的P波初動不同的權(quán)重。每個地震的P波初動權(quán)重w根據(jù)下式求?。?/p>

其中D為距離衰減常數(shù)，本研究D取為25km；r為折合距離，按照下式計算：

其中，x，y分別為地震的經(jīng)度和緯度；x0和y0分別為網(wǎng)格點的經(jīng)度和緯度。由于計算的二維結(jié)果，折合距離并沒有考慮深度的計算。經(jīng)過此種加權(quán)后，地震距離越遠權(quán)重越小，當r取為50km的時候，權(quán)重w僅為1．8%。為了增加計算速度，我們網(wǎng)格點只選取了r≤50km的P波初動資料。為了提高計算質(zhì)量，只計算P波數(shù)據(jù)≥100的網(wǎng)格點。每個格點在擬合綜合震源機制解的時候，我們采取1°×1°×1°的網(wǎng)格搜索P、B、T軸的方位。選擇最小矛盾比（矛盾的P波初動符號數(shù)與總的符號數(shù)之比）對應的P、B、T軸方位為該點的綜合震源機制解。

3 結(jié)果

我們對研究區(qū)進行空間掃描求解綜合震源機制，假定應力相對大小為0．5，根據(jù)選擇條件，共反演了261個小區(qū)域的應力場（圖2），最優(yōu)解個數(shù)控制在一個或者兩個，矛盾比最大不超過0．41。

圖2 應力場反演結(jié)果Fig．2 Mapview of stress field inversion．

圖2所給結(jié)果覆蓋了整個甘東南地區(qū)，細化的分區(qū)能更好地體現(xiàn)出甘東南地區(qū)應力場方向的變化。

從結(jié)果看，本區(qū)主壓應力軸方向空間上有明顯的不均勻性，整體上傾角很小且方向存在順時針旋轉(zhuǎn)特性，由北部的NEE向南部逐漸偏轉(zhuǎn)為近EW向和SEE向，越往東部這種趨勢愈明顯，本區(qū)東南部主壓應力軸呈SE向。整體上主張應力軸優(yōu)勢方向為近NS向，西部地區(qū)主張應力軸普遍為NNW向，東南部順時針轉(zhuǎn)換為NE向。虎牙斷裂以東文縣斷裂以南地區(qū)最大主張應力軸分布近直立，優(yōu)勢方向為NS－NNE向，與周邊最大主張應力軸方向上是連續(xù)變化的，傾角表現(xiàn)出明顯的區(qū)域不一致性，最大主壓應力軸方向和傾角一致性強。與研究區(qū)他處相比較，此處有計算所用數(shù)據(jù)量大、反演結(jié)果的最小矛盾比大的特點。禮縣—羅家堡斷裂、隴縣—寶雞斷裂和西秦嶺北緣斷裂交匯區(qū)最大主壓應力軸傾角較大近直立，方向和傾角不一致性明顯，最大主張應力軸表現(xiàn)穩(wěn)定、變化連續(xù)。

4 結(jié)論和討論

甘東南地區(qū)屬于青藏高原東北緣的東南部，地質(zhì)構(gòu)造和地球物理特征復雜。前人通過GPS觀測［11－13］，震源 機 制［14－16］，各 向 異 性［17－19］等 對 青 藏 高原東北緣應力場和動力環(huán)境曾有過研究，取得了一系列重要成果。以上研究普遍認為，青藏高原東北緣主壓應力軸存在順時針偏轉(zhuǎn)，由北側(cè)的NE向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹胁康腅W向和南側(cè)的SEE向。這與我們的結(jié)果一致，表明了我們處理方法的正確性，另外由于我們資料相當豐富，可以給出更多該區(qū)應力場的細部特征，主要闡述如下：

（1）全區(qū)應力場主要受NEE向至SEE向壓應力控制，最大主壓應力軸表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)特性。本區(qū)水平作用明顯，最大主壓應力軸普遍傾角較小，主張應力軸傾角近水平，在此作用下，更有利于發(fā)生走滑錯動，并且表現(xiàn)出一定的逆沖性質(zhì)。

（2）本區(qū)從西到東應力場存在明顯的橫向不均勻性，這可能由于青藏高原塊體向北東方向運動遇到鄂爾多斯塊體的阻擋，越往東受到的擠壓越明顯，而華南地塊向東南方向運動，所以物質(zhì)向東南方向擠出。從圖2（a）能看出在本區(qū)越往東部主壓應力軸方向順時針偏轉(zhuǎn)越明顯（圖3）。GPS觀測數(shù)據(jù)也證實青藏高原東北緣越往東滑動速率越快［20］。

圖3 本區(qū)應力場反映的構(gòu)造運動示意圖Fig．3 Chart of tectonic movement in the research area from stress field inversion．

（3）虎牙斷裂以東文縣斷裂以南地區(qū)最大主張應力軸傾角近直立，不一致性明顯。但是最大主張應力軸方向與全區(qū)優(yōu)勢方向保持一致，最大主壓應力軸受大環(huán)境控制，變化連續(xù)。本區(qū)矛盾比普遍大于0．35，在整個研究區(qū)屬于高值區(qū)。特別是104度以西，地震數(shù)目較少，地震相對也較?。▓D1），因此這部分應力場主要源于其他地區(qū)的地震，因此主要為地殼應力場平滑的結(jié)果，從主壓應力方向連續(xù)也說明了這一點。這里的主壓應力軸較陡的現(xiàn)象還需要結(jié)合其他資料進行進一步解釋。

（4）禮縣－羅家堡斷裂、隴縣－寶雞斷裂和西秦嶺北緣斷裂交匯區(qū)最大主壓應力軸不一致性明顯，此處處于鄂爾多斯地塊西南緣，是不同走向的斷裂交匯區(qū)。結(jié)果似乎表明了主壓應力向北東的應力環(huán)境受到較硬的鄂爾多斯塊體的阻擋致使該地區(qū)物質(zhì)沿著西秦嶺斷裂方向向東流動，導致此處主張應力方向向東，從而鄂爾多斯地塊西南部向東旋轉(zhuǎn)導致這里的物質(zhì)有拉張分量（GPS也明顯表現(xiàn)為這種運動），致使該地區(qū)主壓應力軸較陡。

甘東南流動臺陣在本區(qū)覆蓋密度大，故對綜合震源機制解的約束較好。結(jié)果中綜合震源機制解表現(xiàn)出較好的連續(xù)性，也表明反演結(jié)果可靠性較高。跟前人研究相比，本次研究使用大量的P波初動數(shù)據(jù)，資料豐富，對模型的約束性較好。摩擦系數(shù)與應力相對大小均對P波綜合輻射花樣具有影響，但是并不能靠P波初動符號完全確定這兩個參數(shù)，所以我們研究中假定應力相對大小為0．5［21］。甘東南地區(qū)處于三大板塊交匯的區(qū)域，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復雜，本文首次給出了遍布全區(qū)0．25°×0．25°的應力場分布，這對于分析甘東南地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境和構(gòu)造運動具有一定的參考價值。區(qū)域內(nèi)有不一致明顯的區(qū)域，可能的原因可以進行進一步探討。

甘東南地區(qū)是青藏高原東北緣的重要組成部分，是青藏塊體向北東向推擠的前緣，過去由于資料的缺少，對本區(qū)地殼應力場的研究比較籠統(tǒng)，本文得到的本區(qū)應力場細化的分區(qū)計算結(jié)果能夠為分析青藏高原板塊的推擠對東北邊界造成的動力環(huán)境提供更為詳細的基礎資料，也為本區(qū)構(gòu)造活動和地震預測提供動力學背景參考。

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