卜玉菲，張?jiān)f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(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

0 引言

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

上世紀(jì)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(dòng)解研究臺站所在區(qū)域應(yīng)力場的方法求得了紅山臺和沙城臺附近的區(qū)域應(yīng)力場［2］。該方法是假定研究區(qū)域應(yīng)力場是均勻的，將同一個(gè)臺站的初動(dòng)極性根據(jù)離源角和方位角投影到每個(gè)小地震的震源球上，并在此位置標(biāo)明初動(dòng)極性，然后將此臺所有地震的震源移動(dòng)到同一點(diǎn)，疊加在同一個(gè)震源球上，得到單臺小震資料的綜合初動(dòng)解。按照這種方法，許忠淮根據(jù)多個(gè)臺站多個(gè)地震推斷了多個(gè)地區(qū)地震應(yīng)力場的方向特征，并對這種方法采用了模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)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(gè)別地區(qū)補(bǔ)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(yīng)力場的主要特征，編制完成中國大陸地震構(gòu)造應(yīng)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(qiáng)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(dòng)劇烈，地震活動(dòng)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(shè)了大量地震流動(dòng)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(yīng)力場提供了很好的機(jī)會(huì)。本文利用甘東南流動(dòng)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(diǎn)應(yīng)力場方向影響的P波綜合震源機(jī)制法求解本區(qū)應(yīng)力場，得到覆蓋甘東南全區(qū)的綜合震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，以期能為以后該區(qū)的斷層活動(dòng)和地震預(yù)測研究提供基礎(chǔ)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(shè)了野外地震觀測流動(dòng)臺陣，架設(shè)七條測線共150個(gè)流動(dòng)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(dòng)臺陣有較強(qiáng)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(dòng)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(gè)流動(dòng)臺站和79個(gè)固定臺站記錄的同時(shí)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(shí)為單位的EVT格式文件，借助edias軟件挑選出3個(gè)（包含3個(gè)以上）臺站記錄到的地震進(jìn)行分析，用msdp軟件進(jìn)行震相識別、P波初動(dòng)標(biāo)記和初定位，得到包含震相到時(shí)、初動(dòng)信息在內(nèi)的定位結(jié)果文件。利用張?jiān)乳_發(fā)的t－D地震定位程序進(jìn)行地震重新定位［10］，最終得到有初動(dòng)記錄的地震2 373個(gè)，初動(dòng)符號12 129個(gè)（圖1）。

重定位結(jié)果顯示：地震活動(dòng)沿?cái)嗔逊植济黠@，特別是青川附近地震活動(dòng)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(yīng)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(diǎn)處的應(yīng)力場方向［9］。每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)選擇周圍地震在臺站上觀測的P波初動(dòng)符號進(jìn)行反演。由于每個(gè)地震距網(wǎng)格點(diǎn)的距離不同，對網(wǎng)格點(diǎn)應(yīng)力方向確定的貢獻(xiàn)也不相同，因此我們根據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)的距離給予不同地震的P波初動(dòng)不同的權(quán)重。每個(gè)地震的P波初動(dòng)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(jì)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(diǎn)的經(jīng)度和緯度。由于計(jì)算的二維結(jié)果，折合距離并沒有考慮深度的計(jì)算。經(jīng)過此種加權(quán)后，地震距離越遠(yuǎn)權(quán)重越小，當(dāng)r取為50km的時(shí)候，權(quán)重w僅為1．8%。為了增加計(jì)算速度，我們網(wǎng)格點(diǎn)只選取了r≤50km的P波初動(dòng)資料。為了提高計(jì)算質(zhì)量，只計(jì)算P波數(shù)據(jù)≥100的網(wǎng)格點(diǎn)。每個(gè)格點(diǎn)在擬合綜合震源機(jī)制解的時(shí)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(dòng)符號數(shù)與總的符號數(shù)之比）對應(yīng)的P、B、T軸方位為該點(diǎn)的綜合震源機(jī)制解。

3 結(jié)果

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

圖2 應(yīng)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(gè)甘東南地區(qū)，細(xì)化的分區(qū)能更好地體現(xiàn)出甘東南地區(qū)應(yīng)力場方向的變化。

從結(jié)果看，本區(qū)主壓應(yīng)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(shí)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(yīng)力軸呈SE向。整體上主張應(yīng)力軸優(yōu)勢方向?yàn)榻麼S向，西部地區(qū)主張應(yīng)力軸普遍為NNW向，東南部順時(shí)針轉(zhuǎn)換為NE向?；⒀罃嗔岩詵|文縣斷裂以南地區(qū)最大主張應(yīng)力軸分布近直立，優(yōu)勢方向?yàn)镹S－NNE向，與周邊最大主張應(yīng)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(yīng)力軸方向和傾角一致性強(qiáng)。與研究區(qū)他處相比較，此處有計(jì)算所用數(shù)據(jù)量大、反演結(jié)果的最小矛盾比大的特點(diǎn)。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(yīng)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(yīng)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(fù)雜。前人通過GPS觀測［11－13］，震源 機(jī) 制［14－16］，各 向 異 性［17－19］等 對 青 藏 高原東北緣應(yīng)力場和動(dòng)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(rèn)為，青藏高原東北緣主壓應(yīng)力軸存在順時(shí)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(dāng)豐富，可以給出更多該區(qū)應(yīng)力場的細(xì)部特征，主要闡述如下：

（1）全區(qū)應(yīng)力場主要受NEE向至SEE向壓應(yīng)力控制，最大主壓應(yīng)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(yīng)力軸普遍傾角較小，主張應(yīng)力軸傾角近水平，在此作用下，更有利于發(fā)生走滑錯(cuò)動(dòng)，并且表現(xiàn)出一定的逆沖性質(zhì)。

（2）本區(qū)從西到東應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(yīng)力軸方向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)越明顯（圖3）。GPS觀測數(shù)據(jù)也證實(shí)青藏高原東北緣越往東滑動(dòng)速率越快［20］。

圖3 本區(qū)應(yīng)力場反映的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(yīng)力軸傾角近直立，不一致性明顯。但是最大主張應(yīng)力軸方向與全區(qū)優(yōu)勢方向保持一致，最大主壓應(yīng)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(gè)研究區(qū)屬于高值區(qū)。特別是104度以西，地震數(shù)目較少，地震相對也較小（圖1），因此這部分應(yīng)力場主要源于其他地區(qū)的地震，因此主要為地殼應(yīng)力場平滑的結(jié)果，從主壓應(yīng)力方向連續(xù)也說明了這一點(diǎn)。這里的主壓應(yīng)力軸較陡的現(xiàn)象還需要結(jié)合其他資料進(jìn)行進(jìn)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(yīng)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(yīng)力向北東的應(yīng)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(dòng)，導(dǎo)致此處主張應(yīng)力方向向東，從而鄂爾多斯地塊西南部向東旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致這里的物質(zhì)有拉張分量（GPS也明顯表現(xiàn)為這種運(yùn)動(dòng)），致使該地區(qū)主壓應(yīng)力軸較陡。

甘東南流動(dòng)臺陣在本區(qū)覆蓋密度大，故對綜合震源機(jī)制解的約束較好。結(jié)果中綜合震源機(jī)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(dòng)數(shù)據(jù)，資料豐富，對模型的約束性較好。摩擦系數(shù)與應(yīng)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(dòng)符號完全確定這兩個(gè)參數(shù)，所以我們研究中假定應(yīng)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(fù)雜，本文首次給出了遍布全區(qū)0．25°×0．25°的應(yīng)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(yùn)動(dòng)具有一定的參考價(jià)值。區(qū)域內(nèi)有不一致明顯的區(qū)域，可能的原因可以進(jìn)行進(jìn)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(yīng)力場的研究比較籠統(tǒng)，本文得到的本區(qū)應(yīng)力場細(xì)化的分區(qū)計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)榉治銮嗖馗咴鍓K的推擠對東北邊界造成的動(dòng)力環(huán)境提供更為詳細(xì)的基礎(chǔ)資料，也為本區(qū)構(gòu)造活動(dòng)和地震預(yù)測提供動(dòng)力學(xué)背景參考。

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