胡幸平， 崔效鋒*， 張廣偉， 王甘嬌， Arno Zang，史丙新， 姜大偉

1 應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院， 北京 100085 2 江西省地震局， 南昌 330039 3 GFZ German Research Centre for Geosciences, Telegrafenberg, 14473 Potsdam, Germany 4 四川省地震局， 成都 610041

0 引言

四川長(zhǎng)寧地區(qū)位于四川盆地南緣，揚(yáng)子板塊西緣，區(qū)域構(gòu)造包括四川盆地與蜀南低陡褶皺帶(王適擇等, 2013)，是我國(guó)主要的井礦鹽和頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)之一，存在多處采鹽、采氣及廢水回注井(阮祥等, 2008; 王玉滿等, 2016).長(zhǎng)寧地區(qū)地震頻發(fā)且近年來(lái)增幅顯著，據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)，該地區(qū)在2018年12月以前并沒(méi)有5級(jí)以上地震，而從2018年12月16日興文MS5.7地震發(fā)生以來(lái)，陸續(xù)發(fā)生了多次5級(jí)以上地震，包括2019年1月3日珙縣MS5.1地震，以及2019年6月17日長(zhǎng)寧MS6.0地震及其后20天內(nèi)的4次5級(jí)以上中強(qiáng)震(圖1).由于毗鄰鹽氣開采區(qū)，且注水誘發(fā)地震又是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期以來(lái)的研究熱點(diǎn)(Healy et al., 1968; 刁守中等, 1987; Segal, 1989; 張致偉等, 2012; Ellsworth, 2013; Bao and Eaton, 2016; Zang et al., 2019)，因此，長(zhǎng)寧地區(qū)的地震活動(dòng)及其成因機(jī)理引起了科學(xué)界乃至整個(gè)社會(huì)的廣泛關(guān)注(阮祥等, 2008; 朱航和何暢, 2014; Sun et al., 2017; Lei et al., 2017, 2019; Meng et al., 2019；何登發(fā)等, 2019; 易桂喜等, 2019; 劉敬光等, 2019; 胡曉輝等, 2020; 常祖峰等, 2020).

針對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)地震活動(dòng)的已有研究指出，2019年6月17日長(zhǎng)寧MS6.0地震及其余震序列發(fā)生于長(zhǎng)寧背斜這一當(dāng)?shù)刂饕刭|(zhì)構(gòu)造的軸部，其震源機(jī)制解的P軸主要沿北東東-南西西向，整體呈逆沖兼走滑的構(gòu)造特征(易桂喜等, 2019)；而2018年12月16日興文MS5.7地震和2019年1月3日珙縣MS5.1地震發(fā)生于長(zhǎng)寧背斜南邊的向斜區(qū)，其震源機(jī)制解的P軸沿北西西-南東東向，且呈現(xiàn)為走滑型的構(gòu)造特征(Lei et al., 2017, 2019).由此可見，這兩組位于長(zhǎng)寧背斜不同構(gòu)造部位的地震活動(dòng)，雖然其震源位置相距僅十幾公里，但中強(qiáng)震震源機(jī)制呈現(xiàn)出明顯不同的構(gòu)造活動(dòng)特征，表明長(zhǎng)寧地區(qū)的地震活動(dòng)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性(圖1).

震源理論認(rèn)為，地震是在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下巖體沿某一構(gòu)造面發(fā)生破裂的結(jié)果(Scholz, 2002)，而震源機(jī)制則反映了這一構(gòu)造活動(dòng)的具體形態(tài).震源機(jī)制解會(huì)受到區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的影響，但二者在本質(zhì)上是不同的，其形態(tài)還在很大程度上受到局部發(fā)震構(gòu)造面的影響.那么，長(zhǎng)寧地區(qū)地震活動(dòng)的復(fù)雜特征是在怎樣的力學(xué)成因下形成的呢？?jī)H僅是由于發(fā)震斷層構(gòu)造不同所造成的，還是孕育地震的應(yīng)力場(chǎng)本身也存在局部變化？這一問(wèn)題是研究長(zhǎng)寧地區(qū)地震成因機(jī)理的基礎(chǔ)，需要基于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的可靠結(jié)果開展力學(xué)分析才能加以解答；而這一應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果又需要滿足以下兩方面的條件.首先，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果需要有足夠的空間精細(xì)度，能夠?qū)﹂L(zhǎng)寧背斜軸部以及南部向斜區(qū)這兩個(gè)相距僅十幾公里的不同構(gòu)造部位之間可能存在的應(yīng)力場(chǎng)局部變化進(jìn)行甄別.再者，為了避免應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果與中強(qiáng)震震源機(jī)制解之間的力學(xué)對(duì)比分析出現(xiàn)自我比較的邏輯問(wèn)題(例如用中強(qiáng)震震源機(jī)制解反演得到的應(yīng)力場(chǎng)再反過(guò)來(lái)跟這些中強(qiáng)震震源機(jī)制解做力學(xué)對(duì)比分析)，用于反演區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)據(jù)與這些中強(qiáng)震震源機(jī)制解應(yīng)當(dāng)在數(shù)據(jù)方面是相對(duì)獨(dú)立的.目前我們尚未發(fā)現(xiàn)滿足上述條件的研究成果見刊，而推進(jìn)這一研究認(rèn)識(shí)正是本文工作的宗旨所在.

圖1 長(zhǎng)寧地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及中強(qiáng)震震源機(jī)制解 黑色圓點(diǎn)表示2014年5月1日至2019年7月10日0.5級(jí)以上地震，紅色五角星表示其中5級(jí)以上地震，藍(lán)色沙灘球表示本文采用gCAP方法反演得到的震源機(jī)制解.圖中地震定位結(jié)果來(lái)自國(guó)家地震數(shù)據(jù)中心的正式觀測(cè)報(bào)告；地層數(shù)據(jù)引用自 中華人民共和國(guó)地質(zhì)圖1∶2500000(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局, 2004).Fig.1 Geological map and focal mechanism solutions of moderate to strong earthquakes in Changning area Black dots represent the M≥0.5 earthquakes from May 1, 2014 to July 10, 2019, in which red stars mark those M>5.0 earthquakes. Blue beach balls represent the focal mechanism solutions from gCAP inversion in this paper. All the seismic locations in the figure are obtained from the official observation report of the National Seismic Data Center. Stratigraphic data is referred from the geological map of the People′s Republic of China (1∶2500000) (China Geological Survey, 2004).

1 研究方法

按照上述分析，本文選定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的反演方法需要考慮空間精細(xì)度以及與中強(qiáng)震震源機(jī)制相對(duì)獨(dú)立這兩方面需求.

利用大量小震P波初動(dòng)極性求取綜合震源機(jī)制解是研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的重要途徑(Aki, 1966;許忠淮等, 1987; 萬(wàn)永革等, 2011a).該方法可以利用大量無(wú)法計(jì)算出單個(gè)震源機(jī)制解的小震P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)推斷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的主要特征，因此，其所用數(shù)據(jù)與中強(qiáng)震震源機(jī)制解在數(shù)據(jù)方面是相對(duì)獨(dú)立的.同時(shí)，小震P波初動(dòng)極性在數(shù)據(jù)量和空間分布上優(yōu)勢(shì)顯著，且小震震源尺度小，對(duì)局部應(yīng)力場(chǎng)的變化敏感，使得該方法具有研究應(yīng)力場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的潛力.鑒于這些原因，本文選用小震綜合震源機(jī)制解方法作為開展區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)反演的基礎(chǔ).

然而，如果僅單純地通過(guò)小震綜合震源機(jī)制解方法進(jìn)行區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)反演，也難以獲取能夠滿足本文區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)精細(xì)程度的可靠結(jié)果，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面.首先，傳統(tǒng)定位方法給出的小震定位誤差往往有幾公里(張國(guó)民等, 2002)，這一誤差直接影響著能否正確合理地區(qū)分出不同構(gòu)造部位的小震數(shù)據(jù)來(lái)研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的精細(xì)變化.再者，地震定位和P波速度結(jié)構(gòu)的誤差還會(huì)造成P波初動(dòng)數(shù)據(jù)的射線方向誤差，這一射線誤差對(duì)于近震數(shù)據(jù)尤為顯著(Hardebeck and Shearer, 2002)；而小震綜合震源機(jī)制解方法所用的數(shù)據(jù)由于震級(jí)小，往往正是以近震數(shù)據(jù)為主(許忠淮等, 1987; 萬(wàn)永革等, 2011a).雖然有學(xué)者認(rèn)為，在數(shù)據(jù)十分充足的情況下，數(shù)據(jù)之間的誤差可能會(huì)相互抑制，使得應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定(盛書中等, 2015)；但對(duì)于精細(xì)尺度的應(yīng)力場(chǎng)反演，需要將反演區(qū)域限制在比較小的范圍內(nèi)，此時(shí)P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)的充足性難以保證，而數(shù)據(jù)誤差的影響就難以忽視(胡幸平, 2018).鑒于上述原因，在利用小震綜合震源機(jī)制解方法開展區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的精細(xì)反演之前，有必要對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)的小震定位以及波速結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，而雙差層析成像方法(Zhang and Thurber, 2003)能夠很好地契合這一研究需求.該方法是將雙差定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)和傳統(tǒng)走時(shí)層析成像方法相結(jié)合，利用鄰近地震之間相對(duì)走時(shí)差和地震到臺(tái)站之間的絕對(duì)走時(shí)進(jìn)行震源位置和波速結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演，能夠得到更為準(zhǔn)確的地震定位和波速結(jié)構(gòu)(Zhang and Thurber, 2006; 王長(zhǎng)在等, 2018).因此，本文將引入雙差層析成像的聯(lián)合反演，來(lái)改進(jìn)利用小震綜合震源機(jī)制解方法開展的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)精細(xì)研究.

2 雙差層析成像聯(lián)合反演

本文從國(guó)家地震數(shù)據(jù)中心搜集了2014年5月1日至2019年7月10日發(fā)生在27.84°N—28.84°N、114.40°E—115.40°E范圍內(nèi)0.5級(jí)以上地震事件的正式觀測(cè)報(bào)告，從中提取P波和S波走時(shí)，以及P波初動(dòng)極性.為了保證每個(gè)地震事件定位結(jié)果的可靠性，我們只選取300 km震中距以內(nèi)有9條以上走時(shí)數(shù)據(jù)的地震，最終篩選出158個(gè)臺(tái)站記錄的19886個(gè)地震事件的P波走時(shí)數(shù)據(jù)139109條以及S波走時(shí)數(shù)據(jù)137322條(圖2a,b).我們參考Lei等(2017)在長(zhǎng)寧地區(qū)的研究中所給出的模型設(shè)定初始速度模型(圖2c)，基于該初始模型利用TauP軟件(Crotwell et al., 1999)計(jì)算出的理論時(shí)距曲線與篩選出的走時(shí)數(shù)據(jù)具有良好的一致性(圖2b)，表明本文的初始模型以及篩選出的走時(shí)數(shù)據(jù)均比較合理.利用這些絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)，并設(shè)定鄰近地震事件對(duì)的最大間隔為15 km，我們又得到了P波和S波相對(duì)走時(shí)差數(shù)據(jù)分別為808954條和806272條.

基于上述絕對(duì)走時(shí)以及相對(duì)走時(shí)差數(shù)據(jù)，本文利用Zhang和Thurber(2003)開發(fā)的tomoDD程序?qū)﹂L(zhǎng)寧地區(qū)的地殼波速結(jié)構(gòu)和震源位置進(jìn)行了聯(lián)合反演.反演采用帶阻尼的LQSR算法，阻尼因子和光滑權(quán)重因子通過(guò)繪制數(shù)據(jù)方差和模型方差的均衡曲線來(lái)確定其最優(yōu)值(Aster et al., 2012; 王長(zhǎng)在等, 2018)，分別為500和40.此外，通過(guò)棋盤格檢測(cè)板測(cè)試(Humphreys and Clayton, 1988)，我們發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)寧背斜區(qū)波速結(jié)構(gòu)的橫向反演分辨率能夠達(dá)到0.1°×0.1°，因此將這一核心區(qū)域的反演分辨率設(shè)定為0.1°×0.1°(圖3).

通過(guò)反演，本文得到了15762個(gè)地震的重定位結(jié)果(圖4)，其橫向及深度的平均相對(duì)誤差分別為422 m和534 m.相比于初始定位結(jié)果(圖1)，重定位結(jié)果在平面上更為集中，長(zhǎng)寧MS6.0地震及其5級(jí)以上中強(qiáng)余震更清晰地呈現(xiàn)出沿西北方向線性分布的特征.在震源深度上，重定位后的地震主要集中在2～6 km，與Meng等(2019)對(duì)2015年2月至2017年12月發(fā)生在28°N—28.25°N、104.6°E—105°E范圍內(nèi)的地震所做的定位結(jié)果在總體上是一致的.如果進(jìn)一步區(qū)分震級(jí)，本文結(jié)果還顯示出M<4的小震震源深度仍集中在2～6 km，但M≥4的中強(qiáng)震則更多地分布在6～9 km.對(duì)照何登發(fā)等(2019)基于反射地震剖面給出的地層結(jié)構(gòu)，可以看出，前者主要分布在基底之上的震旦系及以上地層，而后者主要分布在震旦系以下的基底中.

圖2 (a)地震射線分布圖; (b)震相走時(shí)曲線; (c)初始速度模型Fig.2 (a) Distribution map of seismic rays; (b) Travel-time curve; (c) Initial velocity model

圖3 長(zhǎng)寧背斜區(qū)棋盤格檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果(預(yù)設(shè)的速度擾動(dòng)幅度為±5%)Fig.3 Results of checkerboard test with ±5% velocity perturbation around Changning anticline

與此同時(shí)，反演也給出了長(zhǎng)寧地區(qū)的地殼波速結(jié)構(gòu).基于檢測(cè)板測(cè)試的恢復(fù)分辨率大于0.6的反演結(jié)果，本文通過(guò)插值得到了長(zhǎng)寧背斜區(qū)0.01°×0.01°的地殼波速結(jié)構(gòu)(圖5).由這一結(jié)果我們注意到，長(zhǎng)寧背斜區(qū)在7 km以上主要表現(xiàn)為明顯的S波高速異常.對(duì)此，本文整理前人對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)地層構(gòu)造所做的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧背斜區(qū)的地層厚度可達(dá)9 km(郭正吾等, 1996; 何登發(fā)等, 2019)；在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中，由于受到來(lái)自西南方向的擠壓應(yīng)力，長(zhǎng)寧背斜區(qū)的地層發(fā)生了褶皺、抬升，后又經(jīng)歷地表的風(fēng)化剝蝕，形成了長(zhǎng)寧背斜現(xiàn)今的構(gòu)造面貌(何登發(fā)等, 2019).據(jù)此本文推測(cè)，正是由于地層的前期抬升和后期剝蝕，造成了長(zhǎng)寧背斜區(qū)7 km以上的地層與周邊區(qū)域更深部的地層相對(duì)應(yīng)；由于S波速度一般會(huì)隨著深度增加，那么這種橫向上的地層差異就導(dǎo)致了在同一深度上長(zhǎng)寧背斜區(qū)的S波速度相比于周邊區(qū)域呈現(xiàn)為相對(duì)的高速異常.雖說(shuō)由于鹽氣開采長(zhǎng)寧地區(qū)存在大量的注水現(xiàn)象(Sun et al., 2017; Lei et al., 2019)，可能會(huì)造成S波低速異常(Roland et al., 2012; Guo et al., 2018)，但從本文結(jié)果來(lái)看，這些注水作用對(duì)于當(dāng)?shù)豐波速度結(jié)構(gòu)的影響并不顯著，并沒(méi)有顛覆不同地層S波速度的高低差異.

圖4 長(zhǎng)寧地區(qū)地震重定位平面(a)及深度分布(b)Fig.4 Horizontal (a) and vertical (b) distribution of the relocated earthquakes in Changning area

圖5 不同深度反演結(jié)果與初始模型的相對(duì)差異 黑色圓點(diǎn)表示臨近深度內(nèi)的地震重定位結(jié)果，紅色五角星表示其中5級(jí)以上地震.Fig.5 Relative differences between inversion result and initial model at different depths Black dots indicate the relocated epicenters close to each depth, in which red stars indicate M>5.0 earthquakes.

此外，我們也嘗試了其他的初始速度模型(趙珠等, 1997)進(jìn)行反演，得到了非常相似的地震定位和波速結(jié)構(gòu)的反演結(jié)果，表明本文的雙差層析成像反演結(jié)果對(duì)于不同的初始速度模型來(lái)說(shuō)是比較穩(wěn)定的.

3 區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)反演

在上述反演結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文僅選取長(zhǎng)寧MS6.0地震發(fā)生前的M<4.0小震初動(dòng)極性數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)反演，這一方面是為了保證應(yīng)力場(chǎng)反演所用的數(shù)據(jù)與中強(qiáng)地震震源機(jī)制解的獨(dú)立性，另一方面則是為了排除長(zhǎng)寧MS6.0地震可能造成的局部應(yīng)力調(diào)整.依據(jù)雙差層析成像得到的P波速度結(jié)構(gòu)及地震重定位結(jié)果，本文采用偽彎曲法(Um and Thurber, 1987)計(jì)算了這些極性數(shù)據(jù)的射線方向，獲得了6936條修正后的P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù).

本文首先采用網(wǎng)格掃描的方法對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的橫向不均勻性進(jìn)行了掃描.我們將長(zhǎng)寧背斜區(qū)劃分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格；對(duì)于每一網(wǎng)格點(diǎn)，出于對(duì)應(yīng)力場(chǎng)反演的區(qū)域平滑度和局部保真度的雙重考慮，選取橫向距離(DL)小于20 km的極性數(shù)據(jù)，并對(duì)其設(shè)定三次衰減函數(shù)的距離權(quán)重因子(WD)：

WD=(1-(DL/DL0)3)3,

(1)

式中DL0為橫向距離的閾值，等于20 km.此外，考慮到清晰和不清晰的初動(dòng)極性通常具有不同的拾取誤差(Hardebeck and Shearer, 2002)，我們?cè)O(shè)定其清晰度權(quán)重因子分別為1和0.5.本文采用格點(diǎn)嘗試方法(許忠淮等, 1983; 俞春泉等, 2009)來(lái)求取小震綜合震源機(jī)制解，搜索步長(zhǎng)為2°×2°×2°，選取加權(quán)矛盾比最小的200個(gè)解作為可選解.通過(guò)對(duì)這些可選解的三個(gè)主應(yīng)力軸構(gòu)成的張量進(jìn)行張量平均，然后求解平均張量的主向量，本文最終確定出網(wǎng)格點(diǎn)上每個(gè)主應(yīng)力軸的平均方向；此外，通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)上每個(gè)主應(yīng)力軸與可選解的對(duì)應(yīng)主應(yīng)力軸之間的空間夾角的均方根，本文得出網(wǎng)格點(diǎn)上每個(gè)主應(yīng)力軸的方向離散度.為了保證結(jié)果可靠性，本文只對(duì)極性數(shù)據(jù)超過(guò)500條的應(yīng)力反演結(jié)果進(jìn)行展示和分析(圖6).

從圖6可以看出，除了少數(shù)邊緣網(wǎng)格點(diǎn)之外，大部分結(jié)果的主應(yīng)力軸的方向離散度都在15°以內(nèi)，表明這些反演結(jié)果是相當(dāng)穩(wěn)定的.區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的網(wǎng)格掃描結(jié)果顯示出，長(zhǎng)寧地區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力軸(σ1)在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)基本都呈現(xiàn)為低傾角的近水平狀態(tài)，其方位大體沿著近東西向，但在長(zhǎng)寧背斜軸部往北以及南部向斜區(qū)這兩個(gè)區(qū)域之間存在不太明顯的分叉現(xiàn)象——前者偏向北東東-南西西向，而后者偏向北西西-南東東向.相比之下，這兩個(gè)局部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在構(gòu)造應(yīng)力類型上的差異更為顯著，其中長(zhǎng)寧背斜軸部主要呈現(xiàn)為中等主應(yīng)力軸(σ2)低傾角、最小主應(yīng)力軸(σ3)高傾角的逆沖型應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而南邊的向斜區(qū)則主要呈現(xiàn)為σ2高傾角、σ3低傾角的走滑型應(yīng)力結(jié)構(gòu).

上述局部應(yīng)力差異大致以28.3°N的緯度線為界，為了更清晰地對(duì)比這兩個(gè)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)差異，本文將修正后的P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)分成28.3°N以南和以北兩組(簡(jiǎn)稱為南組和北組)，對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)組內(nèi)不考慮距離權(quán)重，同樣采用上述格點(diǎn)嘗試法和參數(shù)設(shè)定求解小震綜合震源機(jī)制解(圖7).分組結(jié)果顯示出，南北兩組的最大主應(yīng)力軸(σ1)的平均傾角都較低(南組10.1°，北組12.9°)，接近水平狀態(tài)，其平均方位雖然從北向南顯示有17°左右的順時(shí)針偏轉(zhuǎn)(北組79.4°，南組276.6°)，但從二者可能解的σ1方位分布來(lái)看，兩組σ1方位差別并不顯著，可以說(shuō)都大致沿著近東西向.與σ1軸相比，σ2和σ3軸呈現(xiàn)出的分組差異明顯超出了其可選解的分布范圍，其中北組表現(xiàn)為σ2低傾角、σ3高傾角的逆沖型應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而南組則表現(xiàn)為σ2高傾角、σ3低傾角的走滑型應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而且這種構(gòu)造應(yīng)力類型的差異是相當(dāng)顯著的.

本文反演得到的南部向斜區(qū)內(nèi)的最大主應(yīng)力方位與Lei等(2017, 2019)利用該地區(qū)震源機(jī)制解的反演結(jié)果以及王玉滿等(2016)整理長(zhǎng)寧氣田區(qū)地應(yīng)力測(cè)量資料得到的最大水平主應(yīng)力方位比較一致，而長(zhǎng)寧背斜軸部的最大主應(yīng)力方位則與Zheng等(2018)和石玉濤等(2013)給出的該地區(qū)北東-南西向快波方向比較接近.

圖6 長(zhǎng)寧地區(qū)網(wǎng)格點(diǎn)上主應(yīng)力方向及其離散度 黑線代表主應(yīng)力方向，其長(zhǎng)度與主應(yīng)力軸的傾角成反比，色階表示每個(gè)主應(yīng)力軸的方向離散度. 黑色圓點(diǎn)表示提供P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)的M<4.0小震重定位結(jié)果.Fig.6 Orientations of principal stress axes and their direction dispersions determined by grid-scanning in Changning area Black bars indicate the orientations of principal stress axes, and their lengths are inversely proportional with the plunges of the principal stress axes. The direction dispersion of each principal stress axis is color coded. Black dots indicate the relocated M<4.0 earthquakes providing initial motion data of P wave.

圖7 長(zhǎng)寧地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分組反演結(jié)果 左圖中圓點(diǎn)表示提供P波初動(dòng)極性數(shù)據(jù)的M<4.0小震重定位結(jié)果；右圖中-、o、+分別表示可選解的σ1、σ2、σ3軸，平均解的 σ1、σ2、σ3軸的方位角和傾角標(biāo)注在對(duì)應(yīng)應(yīng)力軸符號(hào)之下.北組和南組的地震和應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果由紅色和綠色加以區(qū)分.Fig.7 Stress inversion results determined by discriminating seismicity groups in Changning area Dots in the left map indicate the relocated M<4.0 earthquakes providing initial motion data of P wave. -, o, + in the right polar graph indicate optional σ1,σ2, and σ3 axes respectively; the average σ1,σ2, and σ3 axes are marked namely by the symbols of σ1,σ2, and σ3, and their azimuth and plunge are written below. Red/green color discriminate the relocated earthquakes and stress inversion results of north/south seismicity group.

4 區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及中強(qiáng)震震源機(jī)制解的力學(xué)擬合分析

為了研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)與中強(qiáng)地震的力學(xué)一致性，同時(shí)也為了進(jìn)一步驗(yàn)證局部應(yīng)力差異，本文將上述兩個(gè)局部區(qū)域的應(yīng)力結(jié)構(gòu)與中強(qiáng)震震源機(jī)制解進(jìn)行了力學(xué)對(duì)比分析.對(duì)此，本文采用的是計(jì)算歸一化剪滑分量(Angelier, 2002)的方法.歸一化剪滑分量(ω)同時(shí)考慮兩個(gè)參數(shù)，一是相對(duì)剪應(yīng)力大小，即區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)(應(yīng)力張量)在震源機(jī)制解節(jié)面上的計(jì)算剪應(yīng)力除以最大剪應(yīng)力(胡幸平, 2018; 萬(wàn)永革, 2020)，二是剪滑角，即實(shí)際震源機(jī)制解節(jié)面上的滑動(dòng)方向和計(jì)算得到的剪應(yīng)力方向之間的角度(Gephart and Forsyth, 1984; 許忠淮, 1985; Michael, 1987).歸一化剪滑分量(ω)的變化范圍為-1～1，值越小，表明很難用區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)解釋實(shí)際震源機(jī)制解所指示的巖體滑動(dòng)，若為負(fù)值，則表明區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際震源機(jī)制解在力學(xué)上是相抵觸的.本文之所以使用歸一化剪滑分量來(lái)衡量區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)與震源機(jī)制解的一致性，而不是單純使用剪滑角，是因?yàn)楹笳邇H考慮了如果巖石在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)下發(fā)生滑動(dòng)，那么這種滑動(dòng)與實(shí)際震源機(jī)制解之間的差異，而前者還同時(shí)從剪應(yīng)力量值的角度考慮了巖石在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)下發(fā)生滑動(dòng)的能力或者說(shuō)概率.如果區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用在震源機(jī)制解節(jié)面上的相對(duì)剪應(yīng)力很小，說(shuō)明巖石滑動(dòng)很難被驅(qū)動(dòng)，那么即便是剪滑角很小，也難以認(rèn)為區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)與震源機(jī)制解在力學(xué)上是一致的.另外，歸一化剪滑分量的計(jì)算對(duì)于震源機(jī)制解兩個(gè)節(jié)面中的任意一個(gè)，其結(jié)果都是相等的，這也避免了從震源機(jī)制解兩個(gè)節(jié)面中判斷發(fā)震斷層面的難題.

本文用于對(duì)比分析的中強(qiáng)震震源機(jī)制解是我們采用國(guó)際上常用的gCAP方法(Zhu and Ben-Zion, 2013)反演得到的，所用的波形數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心.在震源機(jī)制反演中，Pnl和S波截取波形窗長(zhǎng)分別為35 s和70 s，相應(yīng)濾波范圍為0.02～0.2 Hz和0.02～0.1 Hz；走向、傾角和滑動(dòng)角的搜索步長(zhǎng)為10°，深度為1 km.格林函數(shù)采用頻率-波數(shù)法(FK)來(lái)計(jì)算(Zhu and Rivera, 2002)，其中采樣間隔設(shè)為0.1 s，采樣點(diǎn)為1024個(gè).震源機(jī)制解的反演結(jié)果見圖1及表1.

表1 長(zhǎng)寧地區(qū)中強(qiáng)震震源機(jī)制解反演結(jié)果Table 1 Focal mechanism solutions of moderate to strong earthquakes in Changning area

計(jì)算歸一化剪滑分量需要用到相對(duì)應(yīng)力大小R；按照Gephart和Forsyth(1984)以及萬(wàn)永革等(2011b)的定義，其表達(dá)式為

R=(σ2-σ3)/(σ1-σ3),

(2)

R的變化范圍為0～1，但利用小震綜合解的反演并不能確定出其具體參數(shù)(許忠淮等, 1983; 萬(wàn)永革等, 2011b).對(duì)此，本文首先將其設(shè)定為0.5這一中間值來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析(圖8).結(jié)果顯示出，對(duì)于對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)和中強(qiáng)震震源機(jī)制解(例如同樣是長(zhǎng)寧背斜軸部的應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果和中強(qiáng)震震源機(jī)制解)，計(jì)算得到的歸一化剪滑分量都比較大(13個(gè)震源機(jī)制解中有10個(gè)的ω值大于0.6，ω最小值為0.29)，這就表明二者之間在力學(xué)上具有良好的一致性，同時(shí)這也意味著驅(qū)動(dòng)小震和中強(qiáng)震的應(yīng)力場(chǎng)是幾乎同一的；與之相比，對(duì)于非對(duì)應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)和中強(qiáng)震震源機(jī)制解(例如長(zhǎng)寧背斜軸部的應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果和南部向斜區(qū)內(nèi)的中強(qiáng)震震源機(jī)制解)，計(jì)算得到的歸一化剪滑分量明顯偏小(13個(gè)震源機(jī)制解中有12個(gè)的ω值小于0.3，甚至有6個(gè)ω值為負(fù)值)，這就表明二者之間在力學(xué)上的吻合度較低，甚至是相抵觸的.這一強(qiáng)烈的對(duì)比結(jié)果表明，長(zhǎng)寧背斜區(qū)的地殼應(yīng)力場(chǎng)確實(shí)存在比較明顯的局部差異，而這種應(yīng)力場(chǎng)的局部改變是造成背斜軸部和南部向斜區(qū)內(nèi)的中強(qiáng)震活動(dòng)機(jī)制存在差異的必要力學(xué)基礎(chǔ).

圖8 長(zhǎng)寧地區(qū)中強(qiáng)震震源機(jī)制解與 區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)一致性Fig.8 Results of mechanical fitting between the stress fields and focal mechanism solutions of moderate to strong earthquakes in Changning area

從圖8中也能發(fā)現(xiàn)第11號(hào)震源機(jī)制解在非對(duì)應(yīng)計(jì)算中反而會(huì)得到更大的歸一化剪滑分量.本文認(rèn)為此個(gè)別力學(xué)擬合結(jié)果的反置可能由于震源機(jī)制解反演誤差或者其反映的是應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整等原因?qū)е碌模@種極個(gè)別現(xiàn)象并不能顛覆應(yīng)力場(chǎng)與中強(qiáng)震震源機(jī)制的對(duì)比分析認(rèn)識(shí).

對(duì)于長(zhǎng)寧地區(qū)的相對(duì)應(yīng)力大小R，Lei等(2019)以及劉敬光等(2019)通過(guò)震源機(jī)制解反演給出了相對(duì)較低的取值：前者結(jié)果為0.15；后者在R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1)的定義下的結(jié)果為0.7，如果按照本文R的定義，其結(jié)果為0.3.因此，本文也將R設(shè)為0.15、0.3等低值，以及試算了0.8這一高值，此外還采用其他學(xué)者的震源機(jī)制結(jié)果(易桂喜等, 2019)進(jìn)行了多組計(jì)算分析.這些設(shè)定不同相對(duì)應(yīng)力大小以及采用不同來(lái)源的震源機(jī)制數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果都表現(xiàn)出統(tǒng)一的對(duì)比趨勢(shì)，即利用小震綜合震源機(jī)制解反演得到的應(yīng)力場(chǎng)和中強(qiáng)震震源機(jī)制解在對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)一致性較好，但在非對(duì)應(yīng)區(qū)域之間一致性明顯降低.因此，可以認(rèn)為本文的對(duì)比分析是相當(dāng)穩(wěn)定的，而且這一力學(xué)分析能夠說(shuō)明長(zhǎng)寧背斜軸部和南部向斜區(qū)之間確實(shí)存在局部應(yīng)力場(chǎng)的改變.

5 討論

5.1 長(zhǎng)寧地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)局部變化的成因

通過(guò)長(zhǎng)寧背斜區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的精細(xì)反演及其與中強(qiáng)震震源機(jī)制解的力學(xué)對(duì)比分析，本文發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧地區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)存在顯著的局部變化，長(zhǎng)寧背斜軸部表現(xiàn)為最大主應(yīng)力軸北東東-南西西向的逆沖型應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而南部向斜區(qū)則表現(xiàn)為最大主應(yīng)力軸北西西-南東東向的走滑型應(yīng)力結(jié)構(gòu).那么在相距僅十幾公里的兩個(gè)構(gòu)造部位，應(yīng)力場(chǎng)為何會(huì)表現(xiàn)出這樣的差別？

細(xì)致觀察上述局部應(yīng)力結(jié)構(gòu)(圖7)可以看出，雖然二者在最大主應(yīng)力方位上也有一定的差異，但更顯著的差異在于前者的中間主應(yīng)力軸近水平、最小主應(yīng)力軸近直立，而后者與之相反.這就表明相比于南邊的向斜區(qū)，長(zhǎng)寧背斜軸部在橫向上受到的擠壓作用更強(qiáng).本文認(rèn)為這種橫向擠壓作用的差異可能是由于巖體重力在橫向上產(chǎn)生的圍壓不同而帶來(lái)的.根據(jù)何登發(fā)等(2019)對(duì)長(zhǎng)寧背斜區(qū)地層系統(tǒng)的研究，長(zhǎng)寧背斜軸部10 km以上的地殼主要由寒武系、震旦系以及更老的結(jié)晶基底構(gòu)成，巖體中包含相當(dāng)比例的震旦系白云巖和基底變質(zhì)雜巖；而南部向斜區(qū)10 km以上的地殼巖層中有3 km以上厚度的奧陶系至侏羅系沉積巖，巖層組成中頁(yè)巖所占比例高于前者，而也正是如此，南部向斜區(qū)成為長(zhǎng)寧氣田的集中開采區(qū)(王玉滿等, 2016).在巖石的力學(xué)性質(zhì)上，一般頁(yè)巖的泊松比明顯低于白云巖和變質(zhì)雜巖，因此有理由認(rèn)為，長(zhǎng)寧背斜軸部巖體的重力由于泊松效應(yīng)會(huì)在橫向上產(chǎn)生更大的圍壓，而這一橫向圍壓疊加在周邊構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的橫向推擠作用后，使得水平方向上的最大和最小主應(yīng)力(SH、Sh)增加從而成為最大及中等主應(yīng)力(σ1、σ2)，而垂向應(yīng)力(SV，可能主要由上覆巖體重力產(chǎn)生)成為最小主應(yīng)力(σ3)；相比之下，在南部向斜區(qū)，巖體重力由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生的橫向圍壓較前者明顯更小，垂向應(yīng)力(SV)仍為三個(gè)主應(yīng)力中的中等主應(yīng)力(σ2).于是這種由于巖石泊松比差異帶來(lái)的橫向圍壓差異就導(dǎo)致了長(zhǎng)寧背斜軸部和南部向斜區(qū)這兩個(gè)局部區(qū)域之間存在逆沖型(SH>Sh>SV)和走滑型(SH>SV>Sh)的應(yīng)力類型轉(zhuǎn)變.

為了檢驗(yàn)上述成因的可能性，本文依據(jù)雙差層析成像反演的波速結(jié)構(gòu)計(jì)算波速比(VP/VS)，然后依據(jù)波速比與泊松比(μ)的關(guān)系，即

μ=(0.5×(VP/VS)2-1)/((VP/VS)2-1),

(3)

計(jì)算了長(zhǎng)寧背斜區(qū)的地殼泊松比分布(圖9).

從圖9可以看出，長(zhǎng)寧背斜區(qū)的巖石泊松比具有明顯的橫向差異；這種差異在7～10 km的深度上表現(xiàn)得尤為顯著，長(zhǎng)寧背斜軸部的泊松比明顯高于南部向斜區(qū)，差值甚至可以達(dá)到0.15左右，而這種巖石力學(xué)性質(zhì)的強(qiáng)烈差異很可能就是由地層的橫向差異所造成的.另一方面，王玉滿等(2016)通過(guò)整理長(zhǎng)寧氣田的地應(yīng)力數(shù)據(jù)指出，氣田區(qū)2300～3200 m深度上的橫向差應(yīng)力值(SH-Sh)為21.4～22.3 MPa，垂向應(yīng)力(SV)為56～66 MPa.依據(jù)上述這些數(shù)據(jù)，本文對(duì)長(zhǎng)寧背斜區(qū)的地應(yīng)力量值以及橫向圍壓差異的影響進(jìn)行估算.

吳珍漢和白加啟(1997)根據(jù)多種應(yīng)力資料的統(tǒng)計(jì)分析指出，上地殼的最大差應(yīng)力在25 MPa左右；由此看來(lái)，長(zhǎng)寧氣田區(qū)深度3 km左右的橫向差應(yīng)力值(22 MPa)已經(jīng)處于超高壓狀態(tài).因此，有理由認(rèn)為該地區(qū)上地殼內(nèi)的橫向差應(yīng)力不會(huì)再隨深度明顯增加，于是我們將深度7 km左右的橫向差應(yīng)力按25 MPa估計(jì).選擇長(zhǎng)寧氣田所在的南部向斜區(qū)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)作為區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的參考基準(zhǔn)，根據(jù)反演結(jié)果，該區(qū)應(yīng)力結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為走滑型，那么這種橫向差應(yīng)力(SH-Sh)與(σ1-σ3)接近.垂向應(yīng)力(SV)在深度3 km左右約為60 MPa，與上覆巖體的重力相當(dāng)，據(jù)此，我們將深度7 km左右的垂向應(yīng)力(SV)估算為140 MPa.背斜軸部和南部向斜區(qū)的泊松比差值按0.1估算，那么前者由于泊松效應(yīng)在橫向上產(chǎn)生的圍壓比后者高出14 MPa左右.如果相對(duì)應(yīng)力大小R按0.5估算，則σ2-σ3=(σ1-σ3)×R≈12.5 MPa，可以看出這一由于泊松比不同導(dǎo)致的～14 MPa的橫向圍壓差別具備了造成σ2和σ3在Sh和SV之間轉(zhuǎn)換的量值需求；而如果相對(duì)應(yīng)力大小按照0.15(Lei et al., 2019)或者0.3(劉敬光等, 2019)來(lái)估算，則σ2-σ3等于3.75 MPa或者7.5 MPa，那么橫向圍壓差別更是明顯超出該值，就更有可能導(dǎo)致σ2和σ3在Sh和SV之間的轉(zhuǎn)換.

圖9 長(zhǎng)寧背斜區(qū)波速比及泊松比分布 黑色圓點(diǎn)表示臨近深度內(nèi)的地震重定位結(jié)果，紅色五角星表示其中5級(jí)以上地震.Fig.9 Poisson′s ratio and velocity ratio at different depths around Changning anticline Black dots indicate the relocated epicenters close to each depth, in which red stars indicate M>5.0 earthquakes.

通過(guò)上述應(yīng)力量值的估算，可以看出，背斜軸部和向斜的巖體在泊松比這一力學(xué)性質(zhì)上的差異，確實(shí)能夠造成這兩個(gè)局部應(yīng)力場(chǎng)具有不同的應(yīng)力類型.同時(shí)，這種巖石泊松比差異造成的圍壓差在長(zhǎng)寧背斜軸部到向斜之間的橫向作用，很難說(shuō)能夠與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在水平面上的任一主應(yīng)力(SH或Sh)方向一致，于是也會(huì)導(dǎo)致局部最大主應(yīng)力方向發(fā)生一定程度的改變(Zoback，1992).前人的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬研究也證明了巖石介質(zhì)差異具備造成應(yīng)力類型和應(yīng)力方向發(fā)生改變的這種可能性(劉平江等, 2007).

另外，結(jié)合圖6和圖9還可以發(fā)現(xiàn)，南部向斜區(qū)內(nèi)部也依然存在更小尺度的局部應(yīng)力結(jié)構(gòu)和巖石泊松比的對(duì)應(yīng)差異.例如，興文MS5.7地震和珙縣MS5.1地震附近呈現(xiàn)為走滑型應(yīng)力結(jié)構(gòu)和低泊松比，而其西南邊(104.7°E、28.1°N附近)呈現(xiàn)為逆沖型應(yīng)力結(jié)構(gòu)和高泊松比.由此可見，在長(zhǎng)寧背斜軸部與南部向斜區(qū)之間、以及南部向斜區(qū)內(nèi)的更小尺度上，局部應(yīng)力結(jié)構(gòu)和巖石泊松比之間都表現(xiàn)出很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就進(jìn)一步支持巖石泊松比的橫向差異很可能就是局部應(yīng)力結(jié)構(gòu)差異的主要成因.

除了巖石泊松比的橫向差異外，其他更為復(fù)雜的因素也有可能在一定程度上引起或者說(shuō)加劇了長(zhǎng)寧背斜區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)局部變化.例如，長(zhǎng)寧背斜區(qū)由于鹽氣開采不斷發(fā)生的高壓流體注入.鑒于背斜軸部采鹽和南部向斜區(qū)采氣的注水工藝可能不同、流體滲透可能受裂隙發(fā)育方向的影響、以及注水過(guò)程的持續(xù)動(dòng)態(tài)性，該地區(qū)的流體注入過(guò)程造成的地應(yīng)力變化很可能不是靜水壓力那樣的各向同性，就有可能導(dǎo)致這兩個(gè)區(qū)域的應(yīng)力方向和結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生差異.再如，現(xiàn)今構(gòu)造作用以及巖體中殘留的古應(yīng)力場(chǎng)釋放在長(zhǎng)寧背斜這一古褶皺構(gòu)造的不同部位是否也存在局部變化(常祖峰等, 2020)，從而導(dǎo)致了現(xiàn)今應(yīng)力結(jié)構(gòu)的不同，而這種因素的影響也不能完全排除.

上述這些都是造成區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)局部改變的可能因素；同時(shí)，另一方面，無(wú)論是用小震極性還是震源機(jī)制解反演得到的都是地震釋放的應(yīng)力，其主應(yīng)力軸會(huì)受局部斷層構(gòu)造影響，可能與實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力軸有所差別(Tian et al., 2013).雖說(shuō)通過(guò)大量不同走向和傾角的斷層上的地震數(shù)據(jù)能夠有效地推斷出區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的方向特征(許忠淮等, 1983)，且本文所用的小震數(shù)據(jù)豐富，可以認(rèn)為上述條件大致成立，但仍難以保證本文反演結(jié)果是對(duì)實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)的“完美”恢復(fù).這種地震釋放應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)的可能差異也是目前所有基于地震學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)反演方法無(wú)法完全消除的問(wèn)題，而這也有可能是造成應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果出現(xiàn)南北差異的部分原因.

通過(guò)上述分析可以得出，巖石泊松比的橫向差異具備造成長(zhǎng)寧背斜區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)的局部變化的可能性，因此，這種局部應(yīng)力變化是可以理解的.但與此同時(shí)，這種局部應(yīng)力變化也有可能是多方面的復(fù)雜因素共同作用的產(chǎn)物，甚至還可能包含了少量由于地震學(xué)反演造成的“假象”，因此，需要我們結(jié)合多種數(shù)據(jù)和手段、開展更為全面和深入的研究工作才能徹底解答.

5.2 長(zhǎng)寧地震發(fā)震構(gòu)造

基于上述雙差層析成像聯(lián)合反演結(jié)果、震源機(jī)制解、以及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果，本文也對(duì)長(zhǎng)寧地震的發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行了探討.

從重定位和震源機(jī)制解的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧地震序列的中強(qiáng)震沿著北西方向線性分布，其震源機(jī)制解也幾乎都具有北西向的節(jié)面，因此，本文選取了2條穿過(guò)長(zhǎng)寧MS6.0地震的剖面來(lái)討論這一地震的發(fā)震斷層構(gòu)造.其中一條剖面沿著長(zhǎng)寧地震序列線性分布的北西方向(圖4中的AA′，走向NE130°)，另一條與之正交(圖4中的BB′，走向NE40°)；開展剖面分析的底圖數(shù)據(jù)包括2個(gè)，一是地震相對(duì)密度(圖10)，另一則是波速結(jié)構(gòu)(圖11).

本文地震相對(duì)密度的計(jì)算方法為：將整個(gè)研究區(qū)劃分為0.01°(經(jīng)度)×0.01°(緯度)×1 km(深度)的三維網(wǎng)格，對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其周邊2 km范圍內(nèi)不同震級(jí)區(qū)間的地震數(shù)量，然后通過(guò)除以所有網(wǎng)格點(diǎn)周圍對(duì)應(yīng)震級(jí)區(qū)間地震數(shù)量的最大值進(jìn)行歸一化，得出各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的不同震級(jí)區(qū)間的地震相對(duì)密度. 從圖10的AA′剖面可以看出，震源深度整體上向北西方向逐漸加深，且不同震級(jí)地震的總體震源深度存在分離現(xiàn)象，中強(qiáng)震主要分布在小震底部.對(duì)照何登發(fā)等(2019)給出的地層結(jié)果，可以看出4級(jí)以上的中強(qiáng)震主要分布在基底中.由于這些中強(qiáng)震的破裂長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)公里(Wells and Coppersmith，1994)，且它們的發(fā)震節(jié)面和空間位置具有一定的連貫性，因此，本文認(rèn)為在長(zhǎng)寧背斜軸部可能存在北西走向的基底斷層，控制著4級(jí)以上中強(qiáng)震的活動(dòng).這種基底斷層可能是一條較大規(guī)模(長(zhǎng)度超過(guò)15 km)的斷層，又或是多條中等規(guī)模(長(zhǎng)度數(shù)公里)的斷層組合而成；但無(wú)論哪種方式，其總體上都基本貫通(或者說(shuō)組合貫通)了長(zhǎng)寧背斜的軸部.依據(jù)AA′剖面上的地震相對(duì)密度和中強(qiáng)震震源機(jī)制解(圖10)，并結(jié)合該剖面的S波速度結(jié)構(gòu)(圖11)，本文勾畫了這種基底斷層沿著北西向AA′剖面的構(gòu)造特征，認(rèn)為其主要分布在6～9 km深度內(nèi)，且從長(zhǎng)寧MS6.0地震處往西北方向略微加深.相比之下，小震幾乎都分布在中強(qiáng)震震源以上的地殼淺部，其優(yōu)勢(shì)分布深度與中強(qiáng)震存在一定程度的分離，且小震破裂尺度小，因此本文認(rèn)為這些淺部小震可能并不對(duì)應(yīng)著規(guī)模較大的基底斷層的活動(dòng)，而是上覆地層中的裂隙或者微小斷層活動(dòng)而產(chǎn)生的.

圖10 垂直剖面上的地震相對(duì)密度及震源機(jī)制投影 AA′和BB′剖面位置見圖4；紅色虛線表示推斷的斷層構(gòu)造.Fig.10 Relative density of seismicity and projection of focal mechanism solutions on vertical profiles The locations of profiles AA′ and BB′ are sketched in Fig.4. Dashed red lines indicate the inferred seismogenic fault.

圖11 垂直剖面上的波速結(jié)構(gòu)及震源機(jī)制投影 AA′和BB′剖面位置見圖4；黑點(diǎn)表示剖面兩側(cè)2 km以內(nèi)的地震，紅點(diǎn)表示4級(jí)以上地震；紅色虛線表示推斷的斷層構(gòu)造.Fig.11 Seismic velocity and projection of focal mechanism solutions on vertical profiles The locations of profiles AA′ and BB′ are sketched in Fig.4. Black dots indicate the relocated earthquakes within 2 km on both sides of each vertical profile, while larger red dots indicates those M≥4.0 events. Dashed red lines indicate the inferred seismogenic fault.

另外，BB′剖面的波速結(jié)構(gòu)似乎呈現(xiàn)出向西南緩傾的低波速異常(圖11)，有可能指示著斷層附近的巖體破碎.因此，本文猜想長(zhǎng)寧背斜軸部的基底斷層可能是傾向西南，傾角較緩，在40°左右，而這種傾角的推測(cè)也與本文以及易桂喜等(2019)的震源機(jī)制解節(jié)面的統(tǒng)計(jì)特征基本相符.

基于上述斷層構(gòu)造推測(cè)(走向130°，傾角40°)，利用長(zhǎng)寧背斜軸部的應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果，分別將相對(duì)應(yīng)力大小R取為0.15、0.3、0.5以及0.8，可以計(jì)算出該斷層構(gòu)造上的理論滑動(dòng)角和相對(duì)剪應(yīng)力大小(胡幸平, 2018; 萬(wàn)永革, 2020).這些計(jì)算結(jié)果(表2)表明，對(duì)于上述R的任一不同取值，計(jì)算出的斷層面上的相對(duì)剪應(yīng)力大小都超過(guò)0.9，表明本文推測(cè)的斷層構(gòu)造在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)下具有很強(qiáng)的錯(cuò)動(dòng)能力.另外，隨著R取值的增加，計(jì)算出的斷層錯(cuò)動(dòng)的逆沖分量逐漸增加；對(duì)于R≤0.5的三個(gè)取值，其斷層錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)都是左旋走滑與逆沖比例相當(dāng)，與實(shí)際長(zhǎng)寧地震序列中強(qiáng)震震源機(jī)制解的總體特征相當(dāng)吻合；而即使是R取為0.8，計(jì)算出的斷層錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)與實(shí)際情況相比也沒(méi)有本質(zhì)差別.因此，本文認(rèn)為長(zhǎng)寧地震的發(fā)生正是由于背斜軸部存在的基底斷層在局部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果.

表2 采用不同相對(duì)應(yīng)力大小計(jì)算出的推斷斷層構(gòu)造面上的 理論滑動(dòng)角和相對(duì)剪應(yīng)力大小Table 2 Theoretical rakes and relative shear stresses calculated by using different relative stress ratios on the inferred fault structure

6 結(jié)論

本文通過(guò)雙差層析成像聯(lián)合反演獲取了長(zhǎng)寧地區(qū)的小震定位和波速結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上利用小震綜合震源機(jī)制解方法反演了長(zhǎng)寧地區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu).結(jié)果顯示出，長(zhǎng)寧地區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力軸在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)基本都呈現(xiàn)為近水平狀態(tài)，其方位雖然由北向南發(fā)生了一定角度的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但也基本保持在近東西向；構(gòu)造應(yīng)力類型在長(zhǎng)寧背斜軸部和南部向斜區(qū)之間存在顯著差異，前者表現(xiàn)為逆沖型應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而后者表現(xiàn)為走滑型應(yīng)力結(jié)構(gòu).

通過(guò)上述應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果與gCAP反演得到的中強(qiáng)震震源機(jī)制解做力學(xué)對(duì)比分析，本文發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)寧背斜軸部與南部向斜區(qū)的局部應(yīng)力結(jié)構(gòu)與其各自對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的中強(qiáng)震震源機(jī)制解的吻合度較高，但與非對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的中強(qiáng)震震源機(jī)制解的吻合度較低，甚至在力學(xué)上是相抵觸的.據(jù)此本文認(rèn)為，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的局部改變是長(zhǎng)寧地區(qū)中強(qiáng)震震源機(jī)制在十幾公里范圍內(nèi)就發(fā)生顯著變化的必要力學(xué)基礎(chǔ).而通過(guò)巖石力學(xué)估算分析，本文認(rèn)為長(zhǎng)寧地區(qū)的局部應(yīng)力變化很可能主要是由巖石泊松比的橫向差異造成的，但也有可能是多方面因素的共同產(chǎn)物.

最后，依據(jù)小震精定位和波速結(jié)構(gòu)的剖面投影以及基于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的估算分析，本文推斷了長(zhǎng)寧地震的發(fā)震構(gòu)造，認(rèn)為長(zhǎng)寧背斜軸部可能存在基底斷層，控制著包括長(zhǎng)寧MS6.0地震在內(nèi)的中強(qiáng)地震的活動(dòng)；而長(zhǎng)寧地區(qū)地殼淺部的小震活動(dòng)與中強(qiáng)震在深度上存在比較明顯的分離，可能是由于上覆地層中的裂隙或者微小斷層活動(dòng)而產(chǎn)生的，而與軸部基底的較大規(guī)模的斷層的關(guān)系較弱.

本文對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)的地殼應(yīng)力場(chǎng)及地震活動(dòng)的研究分析側(cè)重在空間差異上，而在不同的時(shí)間段，例如，在鹽氣開采的不同時(shí)期、以及長(zhǎng)寧MS6.0地震等重要地震事件前后，是否也存在變化，由于資料所限并沒(méi)有展開研究.然而，這種時(shí)間上的變化對(duì)于該地區(qū)地震成因機(jī)理研究和活動(dòng)趨勢(shì)預(yù)判都是相當(dāng)重要的，值得繼續(xù)深入研究.

致謝本文研究中所用的地震觀測(cè)報(bào)告來(lái)自國(guó)家地震數(shù)據(jù)中心，波形數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心，繪圖通過(guò)GMT軟件包(Wessel and Luis, 2017)完成；應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院的徐錫偉研究員和雷建設(shè)研究員對(duì)本文工作提供指導(dǎo)意見；匿名專家對(duì)本文提出修改意見.在此感謝上述機(jī)構(gòu)和個(gè)人對(duì)本文工作的支持.