戴盈磊，張文靜，王承偉，惠 楊

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地殼應(yīng)力場是導(dǎo)致構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造體系形成的地應(yīng)力分布狀態(tài)?？捎行Ы忉尠鍓K運(yùn)動(dòng)、地震成因、造山帶演化、斷裂活動(dòng)等地殼或巖石圈內(nèi)部現(xiàn)象。目前獲取構(gòu)造應(yīng)力場的途徑主要有三種：原地應(yīng)力測(cè)量、地質(zhì)斷層滑動(dòng)擦痕數(shù)據(jù)，震源機(jī)制資料。前者可直接得到絕對(duì)應(yīng)力量值，但測(cè)量深度和研究尺度有限；因時(shí)間流逝，受近地表各種復(fù)雜條件的影響，很難精確地量取斷層滑動(dòng)擦痕并確定其形成的地質(zhì)年代；我國測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字化早已完成，高質(zhì)量數(shù)據(jù)在不斷積累，這使得震源機(jī)制資料成為研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的主要手段。

遼寧位于中國東北地區(qū)南部，構(gòu)造背景上處在總體走向呈北東向的華北斷塊北部，中國東部巨型斷裂構(gòu)造帶郯廬斷裂帶北延帶貫穿全省，是中強(qiáng)地震較為活躍的地區(qū)。自上世紀(jì)90年代以來，學(xué)者們對(duì)該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了大量的研究工作[1-6]。主要采用的是原地應(yīng)力測(cè)量、有限元數(shù)值模擬，和對(duì)已有震源機(jī)制解資料的P、T 軸走向、傾伏角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而歸納出整個(gè)遼寧地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場特征。震源機(jī)制解與構(gòu)造應(yīng)力場有著密切的聯(lián)系，但給出震源機(jī)制解并不等于就得到了構(gòu)造應(yīng)力場。本次研究，擬使用應(yīng)力場反演軟件包MSATSI 和1971—2020 年遼寧及周邊319 個(gè)震源機(jī)制解資料，采用1°×1°的網(wǎng)格劃分，反演遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的空間分布特征，并結(jié)合得到的應(yīng)力形因子對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋。

1 數(shù)據(jù)資料

本文選取了遼寧和周邊地區(qū)（118°～126°E，38°～44°N） 1971—2020 年的震源機(jī)制解資料。其中，1971 年1 月至2007 年9 月的數(shù)據(jù)從國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心（http://data.eart hquake.cn/） 下載。因?yàn)槟甏^早，這部分資料并未給出各節(jié)面的滑動(dòng)角。我們使用pt2ds程序[7]（采用震源機(jī)制的PT 軸的走向和傾伏角求解震源機(jī)制的其他表示形式） 求取了每個(gè)震源機(jī)制的滑動(dòng)角，同時(shí)檢驗(yàn)并剔除了2 個(gè)節(jié)面互不垂直的震源機(jī)制數(shù)據(jù)。2008 年1 月至2015年11月遼寧省內(nèi)ML≥3.0 的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)使用王巖等[8]給出的結(jié)果。2010 年 1 月至 2014 年6月研究區(qū)內(nèi)2.5≤ML＜3.0 的震源機(jī)制資料來自林向東等[9]給出的結(jié)果。2016 年至2017 年遼寧地區(qū)3 次MW≥3.5 的震源機(jī)制解使用蘇培臻等[10]使用CAP 方法反演得到的結(jié)果。其余2016 至2020年遼寧ML≥3.0 地震的震源機(jī)制解使用許忠淮等[11]提出的格點(diǎn)嘗試法求取，結(jié)果如表1 所示。為保證結(jié)果的可靠性，計(jì)算每個(gè)震源機(jī)制使用的P 波初動(dòng)極性符號(hào)要滿足15 個(gè)及以上，且方位分布均勻，結(jié)果的矛盾比均小于0.2。

表1 使用格點(diǎn)嘗試法得到的2016—2020 年遼寧ML3.0 及以上地震震源機(jī)制解

續(xù)表

上述震源機(jī)制解數(shù)據(jù)共計(jì)319 個(gè)，參照世界應(yīng)力圖[12]的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表2），對(duì)它們進(jìn)行分類。各類型震源機(jī)制和遼寧及周邊地區(qū)主要控制斷裂的分布情況如圖1-2 所示。

表2 震源機(jī)制分類依據(jù)

圖1 遼寧及鄰區(qū)各類型震源機(jī)制分布Fig.1 The distribution of various focal mechanisms in Liaoning and its adjacent areas

據(jù)統(tǒng)計(jì)，正斷型和正斷兼走滑型震源機(jī)制67 個(gè)，占全部數(shù)據(jù)的21.00%；走滑型震源機(jī)制144 個(gè)，占全部數(shù)據(jù)的45.14%；逆斷型和逆斷兼走滑型震源機(jī)制51 個(gè)，占全部數(shù)據(jù)的15.99%；不確定型（過渡型） 震源機(jī)制57 個(gè)，占全部數(shù)據(jù)的17.87%。由此可斷定遼寧地區(qū)主要活動(dòng)斷裂以正斷層和走滑斷層為主[13]。

圖2 遼寧及周邊地區(qū)主要斷裂分布Fig.2 Distribution of faults in Liaoning and its surrounding areas

2 應(yīng)力場反演

本次研究使用 Martínez-Garzón 等[14]根據(jù)Hardebeck 和Michael[15]提出的區(qū)域尺度應(yīng)力場反演方法SATSI（Spatial And Temporal Stress Inversion） 在 MATLAB 環(huán)境下開發(fā)的 MSATSI程序進(jìn)行反演計(jì)算。SATSI 方法依照應(yīng)力張量在震源機(jī)制解節(jié)面上的剪應(yīng)力與斷層的滑動(dòng)方向最為一致的原則進(jìn)行反演。在計(jì)算過程中加入一個(gè)合適的阻尼參數(shù)使相鄰區(qū)域的應(yīng)力張量變化最小。這樣可以消除因人為劃分反演區(qū)域而造成的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)假象，以便更好地呈現(xiàn)應(yīng)力場的整體特征。故而選取最優(yōu)的阻尼參數(shù)至關(guān)重要，在反演過程中它可更好地控制觀測(cè)值與理論值誤差項(xiàng)和模型長度項(xiàng)的相對(duì)權(quán)重。圖3為模型長度和數(shù)據(jù)擬合殘差之間的折中曲線，其拐點(diǎn)出現(xiàn)在0.9，所以取最佳阻尼參數(shù)e=0.9。

圖3 模型長度和數(shù)據(jù)擬合殘差的折中曲線Fig.3 Trade-off curve between model length and data fitting misfit

本次研究以1°×1°的網(wǎng)格將遼寧及周邊地區(qū) （118°～126°E，38°～44°N） 劃分為 48 個(gè)應(yīng)力單元。為了使盡可能多的網(wǎng)格得到應(yīng)力場反演結(jié)果，我們將每個(gè)網(wǎng)格最少存在的震源機(jī)制解數(shù)目參數(shù)設(shè)置為1。由于反演目標(biāo)函數(shù)的求解至少需要4 個(gè)震源機(jī)制數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)較少的網(wǎng)格點(diǎn)MSATSI 程序采用的阻尼最小二乘反演會(huì)進(jìn)行平滑處理，即利用鄰近網(wǎng)格點(diǎn)及其周邊一定范圍內(nèi)的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力張量平滑約束。因?yàn)槭请S機(jī)選取一個(gè)節(jié)面進(jìn)行反演計(jì)算，所以重采樣的迭代次數(shù)對(duì)于解的不確定性評(píng)價(jià)比較重要。重采樣次數(shù)太少，會(huì)使評(píng)估結(jié)果的統(tǒng)計(jì)意義降低，重采樣次數(shù)過多，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增大。于是，我們?cè)?5%的置信度水平下，對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行2000 次抽樣估計(jì)。

經(jīng)過計(jì)算可得到最優(yōu)狀態(tài)下3 個(gè)應(yīng)力主軸方向及應(yīng)力形因子R[16]：

其中，σ1、σ2、σ3分別表示最大、中間，和最小主壓應(yīng)力；R 是應(yīng)力形因子，用來表征相對(duì)應(yīng)力大小。其意義是：當(dāng)R 值接近于1.0時(shí)，最小主壓應(yīng)力 （σ）3與中間主應(yīng)力（σ）2表現(xiàn)為一致的張應(yīng)力狀態(tài)，即中間主應(yīng)力也呈現(xiàn)出拉張成分，處于雙軸拉張的應(yīng)力狀態(tài)，兩軸無法區(qū)分；當(dāng)R 值接近0.5 時(shí)，最大主壓應(yīng)力軸和最小主壓應(yīng)力軸均確定；當(dāng)R 值接近于0 時(shí)，表示主壓應(yīng)力（σ）1，與中間主應(yīng)力（σ）2表現(xiàn)出一致的壓應(yīng)力狀態(tài)，處于雙軸壓縮狀態(tài)，兩軸無法區(qū)分[17]。

采用上述的反演方法和所設(shè)定的參數(shù)，以及震源機(jī)制解資料，進(jìn)行應(yīng)力場反演，共得到29 個(gè)網(wǎng)格的應(yīng)力場最優(yōu)方向和不確定范圍如圖4、表3 所示。可以明顯看到整個(gè)遼寧地區(qū)最大主壓應(yīng)力軸（σ）1的最優(yōu)解集中分布在N（64°～106°） E，以NEE 向?yàn)橹鳎谂c鄰省交界的局部有EW 向分布。中間應(yīng)力軸（σ）2的不確定范圍較大，傾伏角較陡。最小主壓應(yīng)力軸（σ）3的最優(yōu)解在遼西地區(qū)和遼寧東北部地區(qū)呈現(xiàn)近NS 向分布，在省內(nèi)其他地區(qū)以NNW 向?yàn)橹?。?1 個(gè)網(wǎng)格的應(yīng)力形因子R 大于0.5，占全部所得結(jié)果的72.41%。說明遼寧地區(qū)整體上處于拉張的應(yīng)力狀態(tài)。除去與鄰省交界的網(wǎng)格，14號(hào)網(wǎng)格的R 值最小，為0.21，該網(wǎng)格處在2 個(gè)二級(jí)地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)[18]的過渡地帶，局部構(gòu)造應(yīng)力場比較復(fù)雜，不均勻性明顯，此處反演得到的是一個(gè)平均結(jié)果[19]。反演結(jié)果中有21 個(gè)網(wǎng)格的應(yīng)力場類型是走滑型，亦占到整體的72.41%，這與萬波等[20]遼寧地區(qū)NE—NNE 向斷層為右旋走滑，NW 向斷層為左旋走滑，幾乎所有地震都是以走滑型斷層作為發(fā)震構(gòu)造的論斷相一致。有5 個(gè)逆斷型網(wǎng)格，3 個(gè)在遼寧省內(nèi)。其中9號(hào)網(wǎng)格、體現(xiàn)出朝陽—北票斷裂中段和北段為逆斷層的活動(dòng)性質(zhì)[13]。21、22 號(hào)網(wǎng)格的逆斷型應(yīng)力場反演結(jié)果與對(duì)應(yīng)位置的莊河斷裂、紅旗營子斷裂，雞冠山—青堆子斷裂的正斷層性質(zhì)[13]并不一致。1999 年岫巖MS5.4 級(jí)地震就發(fā)生在17 與22 號(hào)網(wǎng)格鄰界部位。王鳳琴和王久明[21]在研究這一區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)性時(shí)認(rèn)為在岫巖滿族自治縣的其他區(qū)域有控制中、小地震活動(dòng)的其他斷裂發(fā)育，且分布零散，與已有斷裂的關(guān)系并不明顯。從圖1 中也可看到21、22 號(hào)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)位置有逆斷型和過渡型震源機(jī)制分布。經(jīng)分析，我們認(rèn)為在遼寧東南部地區(qū)局部可能有隱伏逆斷層展布。16 號(hào)和25 號(hào)2 個(gè)網(wǎng)格的應(yīng)力場屬于過渡型，它們鄰近海陸交界和省界邊緣，正是構(gòu)造變化明顯和受觀測(cè)臺(tái)站分布不均勻限制所導(dǎo)致。

表3 1°×1°網(wǎng)格劃分反演得到的應(yīng)力場參數(shù)

圖4 應(yīng)力場反演結(jié)果Fig.4 Results of stress field inversion

3 結(jié)論

為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行更好的約束，本次研究根據(jù)搜集整理和求取到的1971—2020 年遼寧及周邊地區(qū)共319 個(gè)震源機(jī)制解資料，使用MSATSI 程序反演得到遼寧地區(qū) 1°×1°精細(xì)程度的構(gòu)造應(yīng)力場分布特征。其中，最大主壓應(yīng)力軸（σ1） 的最優(yōu)解優(yōu)勢(shì)分布以NEE 向?yàn)橹鳎钚≈鲏簯?yīng)力軸（σ3） 的最優(yōu)解優(yōu)勢(shì)分布以NNW向?yàn)橹?。遼寧地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場主要呈現(xiàn)出走滑特點(diǎn)，局部有逆斷型分布，且整體上處在拉張的應(yīng)力狀態(tài)。這與之前一些學(xué)者使用剪切波分裂、有限元數(shù)值模擬等方法的研究結(jié)果較為一致[22-25]。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景上看，遼寧位于中國東北地區(qū)南部、亞歐板塊東部、西太平洋板塊通過日本海溝對(duì)其形成NWW 向的高速俯沖是促使一系列NE—NNE 向隆起和坳陷形成及地震發(fā)生的主要?jiǎng)恿碓?，并?dǎo)致上地幔軟流圈物質(zhì)上涌[26]，使淺部地殼呈現(xiàn)NW—NNW 向的拉張分量。本文采用的應(yīng)力場反演方法非常適合遼寧地區(qū)地震活動(dòng)空間分布明顯不均勻的特點(diǎn)，也證明使用中小地震的震源機(jī)制進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場反演的可行性，同時(shí)對(duì)結(jié)果的解釋和分析可以為今后遼寧地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)研究等工作提供參考。

致謝：本文圖件采用GMT 軟件繪制，求取震源機(jī)制用到的P 波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)來自遼寧省地震臺(tái)正式觀測(cè)報(bào)告，斷層數(shù)據(jù)來自遼寧省地震應(yīng)急服務(wù)中心地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，在此一并表示衷心感謝。