張致偉 龍 鋒 趙小艷 王 迪

1)四川省地震局， 成都 610041 2)成都理工大學， 地球物理學院， 成都 610059 3)云南省地震局， 昆明 650224

0 引言

川滇地區(qū)位于青藏高原東南緣， 第四紀時期以大規(guī)模水平剪切變形為主， 兼有強烈的隆升運動(鄧起東等， 2002； 徐錫偉等， 2003)， 形成了一系列規(guī)模不等、 力學性質不同的活動斷裂(帶)。由于強烈的地殼形變特征， 川滇地區(qū)的地震活動十分強烈， 1900—2017年川滇及鄰區(qū)(圖1a 中的矩形區(qū)域)共記錄到7級以上地震39次， 2008年以來先后發(fā)生了四川汶川8.0級、 青海玉樹7.1級、 緬甸7.0級、 四川蘆山7.0級和九寨溝7.0級地震。川滇及鄰區(qū)被東昆侖斷裂帶(F1)、 龍門山斷裂帶(F2)、 鮮水河斷裂帶(F5)、 安寧河斷裂帶(F6)、 則木河斷裂帶(F7)、 小江斷裂帶(F11)、 麗江-小金河斷裂帶(F12)、 金沙江斷裂帶(F14)及紅河斷裂帶(F17)等大規(guī)模活動斷裂分割， 可劃分為馬爾康地塊(Ⅰ)、 華南地塊(Ⅱ)、 羌塘地塊(Ⅲ)、 川西北地塊(Ⅳ1)、 滇中地塊(Ⅳ2)、 滇西地塊(Ⅴ)及滇西南地塊(Ⅵ)(圖1b)(鄧起東等， 2002； 徐錫偉等， 2003； 張培震等， 2003)。

圖 1 1900年以來青藏高原M≥7.0地震(a)及川滇地區(qū)活動地塊與斷裂帶分布(b)Fig. 1 Spatial distribution of M≥7.0 earthquakes in the Tibet Plateau since 1900(a)and active block and fault zones in Sichuan and Yunnan area(b).Ⅰ 馬爾康地塊； Ⅱ 華南地塊(四川盆地)； Ⅲ 羌塘地塊； Ⅳ 川滇菱形地塊； Ⅳ1川西北地塊； Ⅳ2滇中地塊； Ⅴ 滇西地塊； Ⅵ 滇西南地塊。F1東昆侖斷裂帶； F2岷江-虎牙斷裂帶； F3龍門山斷裂帶； F4甘孜-玉樹斷裂帶； F5鮮水河斷裂帶； F6安寧河斷裂帶； F7則木河斷裂帶； F8大涼山斷裂帶； F9馬邊-鹽津斷裂帶； F10蓮峰-昭通斷裂帶； F11小江斷裂帶； F12麗江-小金河斷裂帶； F13理塘斷裂帶； F14金沙江斷裂帶； F15德欽-中甸-大具斷裂帶； F16程海斷裂帶； F17紅河斷裂帶； F18曲江斷裂帶； F19怒江斷裂帶； F20畹町斷裂帶； F21南汀河斷裂帶； F22龍陵-瀾滄斷裂帶

20世紀70年代以來， 眾多學者對川滇地區(qū)的震源機制和構造應力場開展了大量研究工作， 總體認為川滇地區(qū)的震源機制分區(qū)明顯， 應力場自北向南呈現順時針旋轉的特征(闞榮舉等， 1977； 錢洪等， 1980； 成爾林， 1981； 許忠淮等， 1987； 謝富仁等， 1993， 2004； 徐紀人等， 1995； 崔效鋒等， 1999， 2005， 2006； 程萬正等， 2003； 劉平江等， 2007； 馬文濤等， 2008； Zhaoetal.， 2013； 羅鈞等， 2014； 王曉山等， 2015； 孫業(yè)君等， 2017； Yangetal.， 2018； 李君等， 2019； Tianetal.， 2019)。闞榮舉等(1977)依據震源機制解和破裂帶資料， 提出川滇菱形地塊相對外圍區(qū)域有向SSE移動的趨勢； 許忠淮等(1987)利用1975—1984年期間的小地震P波初動數據研究了川滇地區(qū)的地殼應力場特征， 認為主壓應力方位由北向南呈現比較規(guī)則的轉動， 傾角皆為水平； 謝富仁等(1993)研究認為中國西南地區(qū)的現代構造應力場自第四紀早更新世末期或中更新世以來是持續(xù)穩(wěn)定的， 最大主應力軸方位由北到南呈規(guī)則轉動的趨勢； 徐紀人等(1995)基于1933—1991年的134次中強地震的震源機制解詳細分析了南北地震帶南段的區(qū)域應力場， 其壓應力P軸在川滇西部地區(qū)呈NE-SW向， 東部地區(qū)則表現為NW-SE向， 空間上形成倒“V”形； 馬文濤等(2008)基于美國哈佛大學1977—2008年124次地震的震源機制解研究認為川滇及鄰區(qū)地殼變形的最新格局為川滇菱形塊體東邊界的斷裂帶上產生大的剪切位移和變形， 紅河斷裂帶呈現大的右旋剪切運動， 金沙江至麗江-小金河斷裂帶之間形成了大面積的應力拉張區(qū)； Zhao等(2013)和Tian等(2019)認為云南地區(qū)不同時段的震源機制及應力場特征較為一致， 應力類型以走滑型為主， 最大主壓應力呈現順時針旋轉； 羅鈞等(2014)反演獲得了川滇塊體及周邊2007—2013年75次3.5級以上地震的震源機制解， 分析認為川滇塊體及周邊地區(qū)應力場具有非均勻性， 破裂方式主要受到各個斷裂帶的構造活動及次級塊體之間相互作用的控制。

以往的研究多利用少量的震源機制解分析川滇地區(qū)應力場的空間分布， 而未對強震前后川滇地區(qū)應力場的時間演化特征開展研究。本文擬在前人研究的基礎上， 基于更加豐富的資料， 詳細分析川滇地區(qū)各次級地塊和不同斷裂帶的地震震源機制類型及應力場， 深入研究汶川8.0級和蘆山7.0級強震前后川滇地區(qū)應力場的變化， 探討川滇地區(qū)現今應力場的時空演化特征。

1 資料和方法

1.1 資料

川滇地區(qū)的震源機制集中分布在龍門山斷裂帶、 鮮水河-安寧河-則木河-小江斷裂帶、 馬邊-鹽津斷裂帶、 蓮峰-昭通斷裂帶、 麗江-小金河斷裂帶及其以南的滇中地塊、 滇西地塊和滇西南地塊。從4級以上地震的震源機制類型(圖2b)來看， 川滇地區(qū)總體以走滑型地震為主， 但又存在局部差異： 金沙江斷裂北緣、 理塘斷裂帶、 德欽斷裂帶南段與麗江-小金河斷裂帶南西段的交會部位主要表現為正斷型， 而龍門山斷裂帶和馬邊-鹽津斷裂帶附近則較為復雜， 各種類型均存在。

圖 2 川滇地區(qū)ML≥3.0(a)、 ML≥4.0(b)地震的震源機制分布(地塊和斷裂同圖 1)Fig. 2 Spatial distribution of ML≥3.0(a)， ML≥4.0(b)focal mechanism in Sichuan and Yunnan area(Blocks and faults are same as Fig. 1).

1.2 方法

根據地震震源機制估計應力場的方向是理解地殼力學以及地震物理現象的一種相關方法。一般情況下， 各種方法是以假定應力場空間分布均勻為前提的(Angelier， 1979； Gephartetal.， 1984； Michael， 1984； 崔效鋒等， 1999)。為了求解非均勻的空間應力場特征， Michael(1991)提出了疊加應力場反演方法(SSI， Superposition Stress Inversion)， 通過在均勻應力場上疊加擾動模擬非均勻應力場的分布， 可給出壓應力軸S1、 中等應力軸S2和張應力軸S3的方向及相對應力大?。?/p>

(1)

其中， 相對應力大小φ是判斷S2的值接近S1還是接近S3的度量， 有助于區(qū)分應力場的類型(萬永革等， 2011； 萬永革， 2015； 王曉山等， 2015)。

為了獲得更精細的局部區(qū)域應力場特征， Hardebeck等(2006)參考其他地球物理領域中的阻尼最小二乘反演方法， 提出了區(qū)域尺度的應力張量阻尼反演方法。該方法的關鍵技術是在原有應力場反演的基礎上引入阻尼參數， 以控制理論值與觀測數據之間的錯配值和模型復雜程度的相對權重， 通過兩者擬合誤差之間的折中曲線構建一組可調整的阻尼參數模型， 并采用平滑約束抑制相鄰單元之間應力模式的差異， 然后使用最小二乘法得到穩(wěn)定解， 具體的反演過程詳見文獻(Hardebecketal.， 2006)。

2 結果

2.1 震源機制特征

基于川滇地區(qū)ML≥3.0地震震源機制解(圖2a)， 按照Frohlich(2001)提出的震源機制評估方法對震源機制相對密集的次級地塊和斷裂帶(分區(qū)見圖2a)進行量化分類(圖 3)， 震源機制類型的個數及所占比例詳見表1。結果顯示， 川滇地區(qū)總體以走滑型地震為主， 但又存在局部差異。鮮水河-安寧河-則木河-小江、 蓮峰-昭通、 麗江-小金河、 紅河等斷裂帶和川西北、 滇中、 滇西和滇西南等地塊的走滑型地震所占比例均超過50%， 最高可達60%(表1)。羅鈞等(2014)和李君等(2019)的研究結果與本文較為一致， 同樣認為川滇菱形塊體東邊界及其以東的大涼山、 蓮峰-昭通等斷裂帶以走滑型地震為主。眾多學者通過研究均認為滇中、 滇西和滇西南等地塊所在的云南地區(qū)震源機制也以走滑型為主(Zhaoetal.， 2013； 孫業(yè)君等， 2017； Tianetal.， 2019)。青藏高原物質東移， 受華南塊體阻擋， 導致川滇菱形塊體上部地殼沿斷層滑移(Liuetal.， 2014)， 是造成川滇菱形地塊內部及其東邊界以走滑型地震為主的根本動力學原因。龍門山斷裂帶的地震主要為逆沖型， 所占比例為45%， 其次為走滑型， 占29%。該帶參與統計的地震主要為汶川余震序列， 已有學者研究發(fā)現， 沿著汶川主破裂帶方向自西南向東北， 震源機制類型由開始的以逆沖為主逐漸轉變?yōu)橐杂倚呋瑸橹?王勤彩等， 2009； 鄭勇等， 2009)； 馬邊-鹽津斷裂帶的地震類型則較為復雜， 走滑型和逆沖型地震相對較多， 這與已有的研究結果較為一致(程萬正等， 2006； 李君等， 2019)。對于馬邊-鹽津斷裂帶南端與馬邊以北的斷裂帶， 震源機制顯示逆沖分量明顯大于走滑分量， 而馬邊-鹽津斷裂帶中段則以走滑為主， 逆沖分量減小(易桂喜等， 2010)； 四川盆地的地震類型最為復雜， 沒有明顯的優(yōu)勢類型， 且不確定型地震所占比例均高于其他區(qū)域， 表明四川盆地的地震成因復雜。分析認為， 該現象一方面可能受汶川和蘆山強震的影響， 另一方面也與當地工業(yè)活動有一定關系?？傮w來看， 除了龍門山斷裂帶和四川盆地受強震和其他因素影響外， 川滇地區(qū)震源機制類型特征具有較好的繼承性。

圖 3 川滇地區(qū)各次級地塊及斷裂帶地震的震源機制分類圖Fig. 3 Classification map of focal mechanisms of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area.

表 1 川滇地區(qū)各次級地塊及斷裂帶地震震源機制類型的個數及比例Table1 Number and proportion of focal mechanism types of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area

圖 4 川滇地區(qū)各次級塊體及斷裂帶的應力主軸球面投影圖Fig. 4 Projection of principal stress axis of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area.

2.2 應力場特征

本文基于川滇地區(qū)ML≥3.0地震震源機制解(圖2a)， 采用Michael(1991)提出的疊加應力場反演方法(SSI)， 計算獲得了川滇地區(qū)震源機制相對密集的次級地塊和斷裂帶(分區(qū)見圖2a)的主應力軸S1、S2、S3、 應力形因子(R)、 方差(Var)和應力類型， 其空間分布如圖 4 所示， 應力參數詳見表2。同時， 我們也收集了其他研究人員的結果(表2)， 并進行了對比分析。

表 2 川滇地區(qū)各次級地塊及斷裂帶的應力主軸參數Table2 Parameters of principal stress axis of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area

川滇地區(qū)復雜的應力場揭示出青藏高原東南緣這個特殊部位的應力場具有非均勻性， 自北向南壓應力方向有順時針旋轉的特征： 龍門山斷裂帶的壓應力近EW向， 經川滇菱形地塊以東的NWW向和川滇菱形塊體內部的NNW向， 轉為川滇菱形地塊以西的NNE向。本文獲得的川滇地區(qū)的應力場特征與已有的研究結果一致(闞榮舉等， 1977； 成爾林， 1981； 許忠淮等， 1987； 謝富仁等， 1993， 2004； 徐紀人等， 1995； 程萬正等， 2003； 羅鈞等， 2014； 王曉山等， 2015)。分析認為， 在印度板塊向N推擠、 青藏高原物質E向移動并被穩(wěn)定的華南地塊阻擋及緬甸板塊拖拽的共同作用影響下， 川滇菱形地塊東、 西存在2條應力轉換帶， 川滇地塊以東壓應力以NW向為主， 川滇地塊以西壓應力以NNE向為主。

2.3 主壓應力特征

區(qū)域應力張量阻尼反演方法中， 阻尼參數e的取值對反演結果起著重要的作用， 該參數控制著理論值與觀測數據之間錯配值和模型長度(即模型復雜程度)的相對權重。根據如圖 5 所示的折中曲線， 選擇阻尼參數e=1.1作為反演過程中的相對權重系數。

圖 5 模型長度與數據擬合誤差之間的折中曲線圖Fig. 5 Trade-off curve between model length and data variance for the full range of possible values of damping parameter e.

基于1970年1月—2017年3月川滇地區(qū)727次ML≥4.0地震震源機制解(圖2b)， 以0.5°×0.5°的網格進行劃分， 按照全球應力圖的分類標準(Heidbachetal.， 2010)精細刻畫了川滇地區(qū)主壓應力空間分布(圖6a)。

圖 6 川滇地區(qū)應力場的時空演化特征Fig. 6 Spatial-temporal evolution of stress field in Sichuan and Yunnan area.a 1970年1月1日—2017年3月31日； b 1970年1月1日—2008年5月11日； c 2008年5月12日—2013年4月19日； d 2013年4月20日—2017年3月31日

川滇地區(qū)的主壓應力存在明顯的空間差異， 川西北地塊的金沙江斷裂北緣與理塘斷裂帶交會處、 德欽斷裂帶南段與麗江-小金河斷裂帶南西段交會部位的主壓應力優(yōu)勢方向為近EW向， 屬傾角較陡的正斷應力類型， 鐘繼茂等(2006)計算得到金沙江、 理塘一帶的主壓應力方位同樣近EW向， 該區(qū)域的地震主要受近SN向強烈的拉張作用控制(羅鈞等， 2014)。龍門山斷裂中北段及其西側局部區(qū)域的主壓應力方位近EW向， 而龍門山斷裂南段和四川盆地的主壓應力優(yōu)勢方位主要表現為NWW向， 屬傾角平緩的逆沖應力類型。李君等(2019)獲得了與本文相同的認識， 即龍門山斷裂帶主壓應力方向從北段到南段經歷了由近EW向至NW向的轉變， 與早期認為的龍門山斷裂帶主壓應力方向存在分段差異較為一致(闞榮舉等， 1977； 成爾林， 1981)； 鮮水河斷裂南段、 安寧河-則木河-小江斷裂、 大涼山斷裂、 馬邊-鹽津斷裂和蓮峰-昭通斷裂的主壓應力方向為近NW向， 與羅鈞等(2014)反演的結果一致； 麗江-小金河斷裂及以南的滇中地塊的主壓應力方向為NNW向， 滇南地塊的主壓應力方向為近SN向， 滇西地塊的主壓應力方向則逐漸轉變?yōu)榻麼NE向， 謝富仁等(2001)也認為滇西南地區(qū)的最大主壓應力方向主要表現為NNE和SN向。Zhao等(2013)也通過研究發(fā)現云南地區(qū)的主壓應力方向經歷了從華南地塊的NW-SE向滇西地塊的NE-SW的逐漸轉變?？傮w來看， 不同研究者采用不同時段的震源機制解反演獲得的川滇地區(qū)主壓應力方向較為一致， 說明應力場狀態(tài)具有持續(xù)穩(wěn)定性。謝富仁等(2004)研究發(fā)現中國大陸及鄰區(qū)現代構造應力場在時間上同樣具有相對的穩(wěn)定性。

3 討論

為了進一步討論強震發(fā)生前后川滇地區(qū)的主壓應力時空演化特征， 我們以汶川8.0級和蘆山7.0級地震為界， 反演給出了3個時段的主壓應力空間分布(圖6b—d)。其中第Ⅰ時段為1970年1月1日—2008年5月11日、 第Ⅱ時段為2008年5月12日—2013年4月19日、 第Ⅲ時段為2013年4月20日—2017年3月31日。

第Ⅰ時段反演獲得的川滇地區(qū)主壓應力空間分布(圖6b)顯示， 汶川8.0級地震前， 除了龍門山斷裂帶及四川盆地周緣區(qū)域外， 其他區(qū)域的主壓應力特征與整個時段反演的結果(圖6a)一致， 龍門山斷裂帶及四川盆地南緣的主壓應力方向為NWW向， 應力類型為走滑型， 這與刁桂苓等(2011)的認識類似， 汶川地震前基于不同時間范圍與震級下限數據得到的震區(qū)應力場雖然均為走滑類型， 但主壓應力方向與構造應力場一致。第Ⅱ時段反演的川滇地區(qū)主壓應力空間分布(圖6c)顯示， 受汶川8.0級地震的影響， 震源所在的龍門山斷裂帶及四川盆地周緣的主壓應力發(fā)生了較大變化， 龍門山斷裂帶的主壓應力方向由NWW向轉為近EW向， 應力類型由走滑型轉為逆沖型， 四川盆地及其南緣的主壓應力方向未發(fā)生改變， 但應力類型轉變?yōu)槟鏇_， 其他區(qū)域的主壓應力沒有發(fā)生變化。第Ⅲ時段反演的川滇地區(qū)主壓應力空間分布(圖6d)顯示， 蘆山7.0級地震后， 除龍門山斷裂帶外， 其他區(qū)域的主壓應力特征未發(fā)生明顯變化， 龍門山斷裂帶及鄰區(qū)的主壓應力方向又轉變?yōu)镹W向， 與區(qū)域應力場的方向(闞榮舉等， 1977)一致。總體來看， 汶川8.0級、 蘆山7.0級地震發(fā)生前后， 震中所在的龍門山斷裂帶應力場完成了從基本應力場—變化應力場—基本應力場的一次完整變動過程， 刁桂苓等(2005)研究伽師強震系列應力場演化時， 同樣發(fā)現1997年3月1日—2003年1月4日期間新疆伽師地區(qū)的應力場發(fā)生變化， 2003年2月24日起又恢復為基本應力場方向。

綜上所述， 汶川和蘆山2次強震發(fā)生前后， 震中所在的龍門山斷裂帶的應力場變化較大， 其東南側的四川盆地應力場變化次之， 其他區(qū)域的應力場未發(fā)生明顯變化。已有研究表明， 汶川、 蘆山強震可能是巴顏喀拉塊體向SE運動在龍門山構造帶附近與穩(wěn)定的華南地塊碰撞、 擠壓引起地殼縮短的產物(徐錫偉等， 2013)。因此， 從動力學的角度分析， 龍門山斷裂帶及東南側的四川盆地受到了巴顏喀拉塊體運動的直接和間接作用。

4 結論

本文基于豐富的震源機制解， 分析了川滇地區(qū)各次級地塊和不同斷裂帶的震源機制類型及整體應力場， 深入研究了汶川8.0級和蘆山7.0級強震前后川滇地區(qū)應力場的變化， 探討川滇地區(qū)現今應力場的時空演化特征， 獲得的主要認識如下：

(1)川滇地區(qū)的震源機制總體以走滑型為主， 但也存在局部差異。龍門山斷裂帶以逆沖型地震為主， 馬邊-鹽津斷裂帶的走滑型和逆沖型地震相對較多， 四川盆地地震類型復雜， 沒有明顯的優(yōu)勢類型。

(2)川滇地區(qū)整體應力場存在明顯的分區(qū)特征， 自北向南總體呈現順時針旋轉。壓應力在龍門山斷裂帶和四川盆地表現為近EW向， 川滇菱形塊體東邊界呈NWW向， 菱形塊體內部為NNW向， 滇西地塊和滇西南地塊則為NNE向。除龍門山斷裂帶、 馬邊-鹽津斷裂帶和四川盆地的應力類型為逆沖型， 其他次級塊體和斷裂帶的應力類型均為走滑型。

(3)四川地區(qū)的主壓應力較云南地區(qū)復雜， 四川地區(qū)主壓應力方向從西到東經歷了EW—NW—EW的轉變， 傾角表現為西陡東緩， 應力類型也經歷了正斷—走滑—逆沖的轉變。云南地區(qū)的應力類型主要表現為走滑型， 且傾角水平， 主壓應力方向存在差異， 在西部地區(qū)呈NNE向， 東部地區(qū)則表現為NNW向， 空間上形成倒“V”形。

(4)汶川8.0級和蘆山7.0級強震發(fā)生前后， 應力場在龍門山斷裂帶變化較大， 四川盆地及其周緣變化次之， 其他區(qū)域未發(fā)生明顯變化。龍門山斷裂帶的主壓應力方向經歷了NWW—EW—NW的轉變， 完成了基本應力場—變化應力場—基本應力場的一次完整轉變過程。

致謝四川省地震監(jiān)測中心、 云南省地震監(jiān)測中心為本研究提供了地震波形數據； CAP波形反演程序來源于美國圣路易斯大學的朱露培教授， 部分圖件采用GMT軟件(Wesseletal.， 1991)繪制； 河北省地震局王曉山高級工程師、 陜西省地震局楊宜海博士和中國地震局第一監(jiān)測中心占偉研究員為本研究提供了諸多幫助； 審稿專家為本文提出了中肯的修改意見。在此一并表示感謝！