楊 穎 解朝娣 徐 彥 相傳芳 劉本玉

1 云南大學地球科學學院，昆明市東外環(huán)南路，650091 2 昭通市防震減災局漁洞地震監(jiān)測站，云南省昭通市楓園路19號，657000

地震是構造應力累積到一定程度的釋放，因此構造應力場可為研究孕震背景、地殼變形、斷層活化等地學問題提供依據[1]。青藏高原西部及鄰區(qū)地質背景復雜、活動斷裂分布廣泛、構造活動強烈[2]。在板塊運動過程中，印度板塊對青藏高原西部及鄰區(qū)的擠壓和碰撞使得該區(qū)域的應力場各具特點[3]，對該地區(qū)構造應力場進行反演對地質災害預測和地震活動性評估有特殊意義[3-7]。

本文使用中強地震震源機制解對青藏高原西部及鄰區(qū)進行構造應力場反演，獲取研究區(qū)3個主應力軸方向及應力形狀比φ值，并對研究區(qū)構造應力場的時空特征進行初步分析。在此基礎上，對新疆重點地區(qū)進行斷層滑動趨勢研究，探索該地區(qū)的應力狀態(tài)和相關斷層的活動情況。

1 研究方法

本文采用震源機制解數據和FMSI方法反演研究區(qū)域構造應力場[8-9]。首先對模型進行網格搜索，然后基于獲取到的震源機制解數據計算斷層產狀和滑移方向，由此得到最佳擬合區(qū)域的應力張量。該方法基于2個假設：1)應力張量在研究區(qū)域內是均勻分布的；2)斷層的滑移在剪切應力方向上[8-9]。

假設有兩組直角坐標系[10](圖1)，其中σ1、σ2、σ3為主應力軸，S為斷層面，x′1為S面的法線，x′2和x′3在S面上，x′2垂直于滑動方向，x′3與滑動方向一致。基于上述假設可知，垂直于斷層面滑移方向的平面(S面)存在零剪應力，可表示為：

σ′12=0=σ1β11β21+σ2β12β22+σ3β13β23

(1)

式中，βij為連接S面上坐標軸i與主應力軸j之間的夾角余弦。利用x′1和x′2之間的正交關系可得：

0=β11β21+β12β22+β13β23

(2)

結合式(1)和式(2)可得：

(3)

圖1 主應力直角坐標系與斷層面Fig.1 Principal stress cartesian coordinate system and fault plane

應力是一個具有6個獨立參數的二階張量，反演應力張量時，只需確定最佳擬合的4個參數來代表應力張量即可。將這4個參數描述為3個主應力方向σ1、σ2、σ3和主應力的相對大小R(即應力形因子)，其中σ1≥σ2≥σ3[8-9]，R介于0～1之間，決定著研究區(qū)域的應力狀態(tài)。應力形狀比φ與應力形因子R的關系式[8,11-12]為R=1-φ，R或φ均可用于描述反演結果的質量。

FMSI方法中，反演誤差會隨應力場的復雜程度發(fā)生變化，微小擾動會給反演結果帶來很大的不確定性。原始FMSI方法在求取應力張量最優(yōu)解的過程中，有可能會選擇錯誤的斷層面，進而使良好的應力模型分布發(fā)生扭曲，造成反演結果出現誤差[8]。因此，在反演應力場的過程中，斷層面的不確定性會影響整個反演結果的準確性。

為獲取更加精確的反演結果，本文采用隨機抽樣、采樣優(yōu)化的蒙特卡洛方法[13]來分析反演的不確定性。反演過程中對斷層面進行隨機搭配，減少不確定性造成的誤差，并確定震源機制解在反演過程中的誤差范圍。在反演過程中，采用Hardebeck等[14]提出的方法，在時間-空間上進行阻尼分析，選取恰當的阻尼因子作為反演約束，從而減少時間和空間分區(qū)產生的影響。

2 震源機制解數據

本文使用青藏高原西部及鄰區(qū)(65°～95°E，15°～55°N)1976-01-01～2015-12-31期間1 225個MW≥3.5地震的GCMT震源機制解數據(圖2)。按相關研究提出的標準[7]，基于震源機制解的P、B、T軸傾角大小，將其劃分為不同類型，具體結果見表1。

從表1和圖2可以看出，青藏高原西部及鄰區(qū)地震的震源機制解主要為走滑型和逆沖型，而青藏高原內部以走滑型為主，板塊邊界以逆沖型為主，少量的正斷型地震分布在青藏高原內部。

圖2 青藏高原西部及鄰區(qū)震源機制解類型與空間分布Fig.2 Types and spatial distribution of focal mechanism solutions used western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

表1 震源機制解類型劃分結果

3 反演結果

將青藏高原西部及鄰區(qū)劃分為2°×2°網格，得到150個區(qū)塊，使用FMSI方法反演該地區(qū)的應力場。圖3為應力場反演擬合殘差-阻尼因子-模型長度的折中曲線，由圖可見，阻尼因子越大，擬合殘差越小，模型長度越長；當阻尼因子介于3～4之間時，擬合殘差和模型長度恰好匹配，因此本文選取3作為反演過程中的阻尼因子。

圖3 應力場反演擬合殘差-阻尼因子-模型長度的折中曲線Fig.3 Trade-off curve between data fitting misfit、damping parameter and model length in the stress field inversion model

為了確保反演過程中使用的震源機制解數據穩(wěn)定可靠，需要保證每個網格至少含有3個震源機制解。本文采用隨機抽樣的方法進行FMSI反演，但不同的采樣次數會對反演結果造成不同的影響，采樣次數太少會使結果的可信度降低，采樣次數過多則會增加時間運算成本。由于反演應力場中一般需要68%～95%的信噪區(qū)間[15]，本文進行1 000次反演，統計標準方差和信噪區(qū)間的分析結果，設置95%信噪區(qū)間以保證能夠提取到足夠的地震數據。圖4和5為青藏高原西部及鄰區(qū)應力場的反演結果。

由圖4可見，青藏高原西部及鄰區(qū)最大主壓應力軸σ1呈NNE-SSW向，最小主壓應力軸σ3呈NWW-SEE向，最大主壓應力軸σ1傾角約為5°～9°，說明該地區(qū)的構造應力場以水平運動為主。結合表1和圖5可知，新疆西部的φ值約為0.15，R值約為0.85，說明該地區(qū)應力場以水平擠壓應力為主；青藏高原內部φ值約為0.43，R值約為0.57，說明該區(qū)域應力場以水平剪切應力為主；青藏高原板塊邊緣φ值約為0.36，R值約為0.64，說明青藏高原板塊邊緣構造應力場以水平擠壓應力為主。

圖4 青藏高原西部及鄰區(qū)應力場Fig.4 Stress field of western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

圖5 青藏高原西部及鄰區(qū)2°×2°的φ值反演結果Fig.5 Results of φ value inversion on 2°×2° grid of the Tibetan plateau and its adjacent areas

4 斷層滑動趨勢分析

4.1 新疆皮山地區(qū)

新疆皮山(74°～80°E，35°～40°N)位于青藏高原西北緣，該地區(qū)地震活動頻繁，發(fā)育有多條斷裂，斷裂以南為青藏高原，以北為塔里木盆地，其中2001年西昆侖斷裂帶上曾發(fā)生過8.1級大地震。該斷裂特有的地質環(huán)境為揭示青藏高原陸-陸碰撞過程提供了地球動力學依據。

基于新疆皮山1976-01-01～2015-12-31期間61個MW≥3.5地震的震源機制解進行區(qū)域應力場反演(圖6和7)，結果表明，φ值范圍為0.01～0.44，R值范圍為0.56～0.99，此處取R值為0.88。

圖6 新疆皮山主應力軸傾角結果Fig.6 Dip of the principal stress axis results in the Pishan, Xinjiang

圖7 新疆皮山應力場反演結果Fig.7 Stress field inversion results in the Pishan, Xinjiang

由圖7可見，具有較強滑動趨勢的斷層走向為60°～120°或240°～300°，傾角為20°～60°。結合圖6可知，σ1軸近水平，σ2軸和σ3軸傾角大小分布不均勻，這是該地區(qū)復雜的發(fā)震類型所致。

4.2 新疆于田地區(qū)

新疆于田(76°～85°E，31°～38°N)位于青藏高原北部，該區(qū)域構造運動復雜，伴生有阿爾金斷裂帶。該斷裂帶地震活動頻繁，是我國最活躍的走滑斷裂之一。

基于新疆于田1976-01-01～2015-12-31期間65個MW≥3.5地震的震源機制解進行區(qū)域應力場反演(圖8和9)，結果表明，φ值范圍為0.52～0.92，R值范圍為0.08～0.48，此處取R值為0.38。

圖8 新疆于田主應力軸傾角結果Fig.8 Dip of the principal stress axis results in the Yutian, Xinjiang

圖9 新疆于田應力場反演結果Fig.9 Stress field inversion results in the Yutian, Xinjiang

由圖9可見，具有較強滑動趨勢的斷層走向為0°～90°或180°～240°，傾角為40°～70°。結合圖8可知，σ1軸和σ3軸近水平，σ2軸近直立。

分析新疆皮山和于田地區(qū)的應力場反演結果可知，大多數斷層具有較大的滑動趨勢，易于破裂，易滑動的斷裂走向任意，不同情況下的傾角范圍不一樣。斷層失穩(wěn)不僅與應力擾動相關，還與斷層的物理性質及背景地震活動率相關。為增強斷層滑動趨勢分析的可靠性，需要從斷層滑動速率、穩(wěn)定性及破裂性等方面來論證斷層失穩(wěn)。劉代芹等[16]研究了天山地震帶附近主要斷層的滑動速率發(fā)現，西昆侖斷裂帶走滑速率為10.2±2.81 mm/a，阿爾金斷裂帶走滑速率為7.6±1.4 mm/a，具備發(fā)生地震的可能；李瑩甄等[17]通過研究新疆地區(qū)地震破裂特征，得到西昆侖斷裂帶及阿爾金斷裂帶處在破裂強度大、應力狀態(tài)較強區(qū)域的結論；吳傳勇等[18]研究了新疆皮山地區(qū)的發(fā)震情況，認為西昆侖斷裂帶的破裂風險性值得關注。

5 討 論

本文利用Global CMT提供的震源機制解數據，反演得到青藏高原西部及鄰區(qū)構造應力場，考慮到數據本身誤差的不確定性可能會對計算結果產生影響，本文對結果進行了進一步的誤差分析。選用同一時段同一研究區(qū)域的國際地震中心共計1 671個震源機制解數據再次進行應力場反演計算(圖10和11)，并將結果與使用Global CMT震源機制解數據得到的反演結果進行對比分析。

圖10 青藏高原西部及鄰區(qū)應力場Fig.10 Stress field of western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

圖11 青藏高原西部及鄰區(qū)2°×2°的φ值反演結果Fig.11 Results of φ value inversion on 2°×2° grid of the Tibetan plateau and its adjacent areas

由圖10可見，青藏高原西部及鄰區(qū)最大主壓應力軸σ1呈NNE-SSW向，最小主壓應力軸σ3呈NWW-SEE向。結合圖4可知，使用國際地震中心提供的震源機制解數據得到的區(qū)域φ值大小分布及構造應力場方向和用Global CMT震源機制解數據反演的結果基本一致，表明不同震源機制解數據對該地區(qū)應力場反演結果的影響較小。為了解不同機構收錄的震源機制解之間的差異，Helffrich[19]比較了Global CMT、USGS和ERI三個機構收錄數據的可靠性和不確定性，結果表明，Global CMT震源機制解數據的完整性是最好的，同時也驗證了Global CMT震源機制解數據的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結 語

本文基于震源機制解數據，反演青藏高原西部及鄰區(qū)的構造應力場狀態(tài)，并對新疆皮山及于田地區(qū)進行斷層滑動趨勢分析，得出以下結論：

1)青藏高原西部及鄰區(qū)最大主壓應力軸σ1整體呈NNE-SSW向，自西向東順時針旋轉，反映了印度板塊向青藏高原NE向碰撞、擠壓的動力學過程；研究區(qū)最小主壓應力軸σ3整體呈NWW-SEE向。最大應力軸σ1的傾角大小約為5°～9°，結合震源機制解分布特征可知，該地區(qū)構造應力場以水平運動為主。

2)為評估青藏高原西部及鄰區(qū)斷層再活化的可能性，結合構造應力場及動力學特征對該區(qū)域進行滑動趨勢分析，結果表明，新疆皮山的西昆侖斷裂帶和于田的阿爾金斷裂帶具有較強的滑動趨勢(Ts≥0.5)，發(fā)生地震的可能性較大。