馮兵，王文濤

(中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710054)

0 前 言

遼寧省位于中國(guó)東北地區(qū)，一直以來(lái)是我國(guó)東部地震活動(dòng)比較頻繁的區(qū)域，是目前我國(guó)地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)。華北斷塊是在太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖和青藏地塊共同向東部擠壓運(yùn)動(dòng)的作用下所形成的。而遼寧斷塊地處于華北斷塊區(qū)北部，由遼東斷塊上隆帶區(qū)域、下遼河—遼東灣斷塊向下凹陷帶區(qū)域與遼西斷塊上隆帶區(qū)域三部分所構(gòu)成[1]。營(yíng)口、海城地區(qū)的特點(diǎn)和整個(gè)遼東半島是相同的，北北東—北東向斷裂帶是其主要構(gòu)造。區(qū)域具有“北東向成條狀，北西向成塊狀”的構(gòu)造格局框架[2]。由于現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)促使其表現(xiàn)為下遼河盆地向內(nèi)拉張性?xún)?nèi)陷和兩側(cè)山區(qū)相互擠壓向上隆起(圖1),所以在盆地地區(qū)與隆起地區(qū)交界的沿北東東向活動(dòng)的斷裂帶上應(yīng)力往往易于集中積累，而在活動(dòng)性沿北西向斷裂帶及東—西向斷裂帶與之交接的地區(qū)就成為應(yīng)力集中積累和爆發(fā)的地點(diǎn)。當(dāng)然也是遼寧省地震最主要發(fā)生的地區(qū)[3]。歷史上該地區(qū)地震活動(dòng)一直很強(qiáng)，震級(jí)最高可達(dá)7～8級(jí)左右。1970～2000年之間該地區(qū)曾出現(xiàn)過(guò)4次震群集中活動(dòng)的時(shí)間段[4]。其中研究最多的是1975年遼寧海城7.3級(jí)地震和1999年遼寧岫巖5.6級(jí)地震。營(yíng)口—海城—岫巖地區(qū)一直以來(lái)地震活動(dòng)頻繁，是遼寧省內(nèi)地震活動(dòng)性最為活躍的地區(qū)之一[5]。

地震的發(fā)生是由板塊的運(yùn)動(dòng)和破裂所造成的，由于大震所發(fā)生的數(shù)目有限，因而對(duì)某一地區(qū)地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究，小震往往有不可替代的優(yōu)勢(shì)。伴隨著數(shù)字模擬地震臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)與快速發(fā)展，小震震源機(jī)制解的求解也愈來(lái)愈精確和穩(wěn)定。小震的震源機(jī)制解可以很好地用來(lái)認(rèn)識(shí)地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，從而可以對(duì)地區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)的變化趨勢(shì)做出科學(xué)的預(yù)判，對(duì)地震預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)具有巨大的意義。構(gòu)造地震的震源機(jī)制解可以很好的用來(lái)反映某些應(yīng)力場(chǎng)和某些應(yīng)力的基本特征，因而是認(rèn)識(shí)和理解板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地殼應(yīng)力場(chǎng)變化狀況的重要資源。關(guān)于遼寧整體地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)研究，許忠淮等[6]從更為廣泛的地震資料著手，研究并給出了本區(qū)域的平均應(yīng)力場(chǎng)方向。高建理等[7]則從原地應(yīng)力測(cè)量資料分析的結(jié)果出發(fā)，給出了遼寧地區(qū)的最大主壓應(yīng)力方向。為了更為科學(xué)和有效地對(duì)遼寧營(yíng)口地區(qū)地震頻發(fā)地段進(jìn)行觀測(cè)與研究，本研究將通過(guò)小震的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)資料，從更為廣泛的角度反演給出了應(yīng)力場(chǎng)方向及其目前的變化狀況。

本文在前人的基礎(chǔ)上搜集了遼寧營(yíng)口地區(qū)2011～2013年期間共257個(gè)小震震源機(jī)制解數(shù)據(jù)資料，采取分區(qū)的形式利用震源機(jī)制解數(shù)據(jù)資料反演地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方法反演出了營(yíng)口地區(qū)的平均應(yīng)力場(chǎng)情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)反演后的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀況進(jìn)行了闡述和探討總結(jié)，并對(duì)其中出現(xiàn)的一些應(yīng)力分布狀況不一致進(jìn)行了分析與總結(jié)。為該地區(qū)的地球動(dòng)力學(xué)，地球運(yùn)動(dòng)孕育和地震預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域研究提供了值得參考的資料和資源。

1 構(gòu)造背景

自板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)提出以來(lái)，環(huán)太平洋地震帶一直是地震學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家研究的焦點(diǎn)區(qū)域。中國(guó)東北處于日本俯沖帶地震的影響之下。尤其在“3·11”日本東部大地震后，中國(guó)東北地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)也發(fā)生了某些變化與異動(dòng)。本文研究的營(yíng)口地區(qū)就處于該背景之下。遼寧營(yíng)口地區(qū)的地震活動(dòng)性與華北地區(qū)的地震活動(dòng)性具有整體的一致性，區(qū)內(nèi)存在多數(shù)地震展布于隆起與凹陷的邊界，活動(dòng)斷裂帶的強(qiáng)烈活動(dòng)地區(qū)以及中、新生代斷陷盆地的邊界和深部斷裂帶構(gòu)造的變異帶上。區(qū)內(nèi)斷裂帶活動(dòng)劇烈，地殼應(yīng)力場(chǎng)易于集中，是目前我國(guó)知道的地震最為活躍的地區(qū)之一。

遼寧地區(qū)主要由三部分組成：遼西上升區(qū)、下遼河沉降區(qū)、遼東上升區(qū)(圖1)。區(qū)域內(nèi)存在有北東—北北東、東西與北西—北西西三組不同方向的斷裂帶。其中北東—北北東向是本區(qū)的控制性構(gòu)造斷裂帶，它將本區(qū)分割成了許多長(zhǎng)條狀斷塊，并控制了整個(gè)地區(qū)的地形，地貌的發(fā)展?；顒?dòng)性比較強(qiáng)的北西—北西西向斷裂帶則橫切了原有的其他方向的斷裂帶，從而使本區(qū)構(gòu)造面貌進(jìn)一步復(fù)雜化。奠定遼寧地區(qū)斷裂帶存在“北東向成條，北西向成塊”的構(gòu)造框架狀況。為了分析和研究該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，下面對(duì)本區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的主要斷裂帶進(jìn)行介紹與分析。

金州斷裂帶(F5):金州斷裂帶位于岫巖—海城地區(qū)西部區(qū)域，距離岫巖震中大約30 km，斷裂帶南起大連灣，北達(dá)鞍山南部地域，走向15°～30°，全長(zhǎng)200多公里。經(jīng)高常波等[8]論證，金州斷裂帶是一條活動(dòng)斷裂帶，這不僅在航、衛(wèi)片解譯，地貌、第四紀(jì)變化，溫泉的分布以及斷裂帶剖面發(fā)育特征等方面有所表現(xiàn)，更有利的證據(jù)是斷層破碎帶內(nèi)采集的樣品經(jīng)TL年齡測(cè)定在4～40萬(wàn)年。

圖1 遼寧營(yíng)口地區(qū)構(gòu)造斷裂帶及震中分布

海城—營(yíng)口斷裂帶(F4)：地處下遼河—遼東灣斷塊凹陷帶區(qū)域及遼西斷塊隆起帶區(qū)域的交界處，沿北東向分布，海城—營(yíng)口斷裂帶屬于中國(guó)東部最大的斷裂帶，即郯廬斷裂帶。

海城河斷裂帶(F6)：延展于海城—岫巖地區(qū)，長(zhǎng)70 km左右，走向?yàn)楸蔽魑飨?，是海城地震和岫巖地震的發(fā)震構(gòu)造。據(jù)高常波等[8]進(jìn)行的水準(zhǔn)資料表明，在孤山、析木、他山和虎莊圍限的地段，地面沉降變形最大值為143 mm，沉降形變帶軸向?yàn)楸蔽魑飨?，與地震表面的裂縫帶走向大致相同。盧造勛等[9]研究表明，海城河北西向斷裂帶在地殼上地幔介質(zhì)速度、電性、密度、溫度等結(jié)構(gòu)和重力、地?zé)岬犬惓Ｌ卣鞣矫嬗忻黠@的表現(xiàn)。目前海城河斷裂帶是一條正在逐漸形成和發(fā)育的斷裂帶，在晚更新世到全新世時(shí)期曾有過(guò)顯著的活動(dòng)發(fā)生過(guò)。在岫巖地震的震中附近，斷裂帶發(fā)育在下元古界遼河群片巖、片麻巖、大理巖中，有時(shí)作為兩種巖性的接觸帶[5]。

2 方法簡(jiǎn)介

對(duì)于應(yīng)力張量的獨(dú)立參數(shù)描述有6個(gè)，但由于應(yīng)力的絕對(duì)值是不能通過(guò)地質(zhì)斷層滑動(dòng)資料約束，以及造成地質(zhì)斷層錯(cuò)動(dòng)的膨脹分量約束為零，因此應(yīng)力場(chǎng)的獨(dú)立參數(shù)描述簡(jiǎn)化為4個(gè)，包括主應(yīng)力方向的三個(gè)參數(shù)和應(yīng)力相對(duì)比值。隨著對(duì)地震震源機(jī)制解越來(lái)越深入的研究與發(fā)展，目前應(yīng)用震源機(jī)制解數(shù)據(jù)求解地殼應(yīng)力場(chǎng)的方法已經(jīng)形成了很多種。Gephart和Forsyth[10-11]根據(jù)網(wǎng)格搜索得到了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的6個(gè)獨(dú)立參數(shù)。但該方法目前存在步長(zhǎng)選取比較大，精準(zhǔn)度比較低的缺點(diǎn)。Michael[10-12]的方法在歸一化過(guò)程中使用使用了同一參數(shù)，很難客觀的體現(xiàn)出應(yīng)力場(chǎng)的特征。許忠淮等的滑動(dòng)方向擬合法則適合于少量地震的反演，而且該方法也無(wú)法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理。本文采用網(wǎng)格搜索應(yīng)力反演程序(ISFM-ftest程序)—一種能夠采用不同精度的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)資料，采用更精準(zhǔn)的應(yīng)力網(wǎng)格(1°×1°)來(lái)搜索應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)的最優(yōu)解[10]。應(yīng)用該方法可以反演了營(yíng)口地區(qū)的主應(yīng)力的基本參數(shù)及應(yīng)力相對(duì)比值。該方法與其他方法相比有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用全局的網(wǎng)格搜索得到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最優(yōu)解值，避免進(jìn)入局部極值的狀況；

(2)根據(jù)具體的情況輸入震源機(jī)制解在構(gòu)造應(yīng)力反演時(shí)的權(quán)重比重；

(3)可以查看解的穩(wěn)定性，除了輸出最優(yōu)應(yīng)力解外，還可以輸出擬合殘差比較小的10組應(yīng)力解的結(jié)果。

3 基礎(chǔ)資料與分區(qū)概況

3.1 震源機(jī)制解數(shù)據(jù)資料

本文的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)資料為遼寧營(yíng)口地區(qū)2011～2013年期間的小震震源機(jī)制解數(shù)據(jù)。震源機(jī)制解資料采用基于P波初動(dòng)極性和S/P振幅比(HASH)方法反演所得。

圖2 震級(jí)分布(a)和震源深度頻度分布(b)

研究中所用的257個(gè)小震震源機(jī)制解震級(jí)范圍為級(jí)2.0≤ML≤4.0，震級(jí)分布見(jiàn)圖2(a)。其中2.0≤ML≤2.9地震228個(gè)，約占總數(shù)的88.7%；3.0≤ML≤3.9地震26個(gè)，約占總數(shù)的10.1%；4.0≤ML≤4.9地震3個(gè)，約占總數(shù)的2.2%。本次地震的震源深度數(shù)值處于4≤h≤11 km，見(jiàn)圖2(b)。地震主要分布于遼東斷塊隆起帶、下遼河—遼東灣斷塊凹陷帶及遼西斷塊隆起帶的斷裂帶交界處。

圖3 遼寧營(yíng)口地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分區(qū)示意

3.2 營(yíng)口地區(qū)分區(qū)情況

為了更為細(xì)致和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼J(rèn)識(shí)本區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)情況。本文將采取總體和分區(qū)相結(jié)合的方式方法來(lái)研究應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。根據(jù)斷裂帶的分布情況，結(jié)合以地震高發(fā)地塊為重點(diǎn)監(jiān)視的原則，將遼寧營(yíng)口地區(qū)劃分為3個(gè)研究區(qū)域(圖3)，各個(gè)地區(qū)的地震相關(guān)資料見(jiàn)表1。

其中A區(qū)主要有雙臺(tái)子斷裂帶—二界溝斷裂帶，該斷裂帶處于下遼河沉降區(qū)域內(nèi)。B區(qū)有海城—營(yíng)口斷裂帶與海城河斷裂帶，該斷裂帶處于下遼河沉降區(qū)與遼東上升區(qū)交界處，1975年的遼寧海城地震與1999的岫巖地震就發(fā)生于該區(qū)域，也是本次研究的主要區(qū)域。C區(qū)主要有金州斷裂帶，該斷裂帶處于下遼河下降區(qū)與遼東上升區(qū)的交界地帶上。

從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)和考慮本次研究的重點(diǎn)出發(fā)來(lái)看，由于A區(qū)的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)量較少，且與應(yīng)力場(chǎng)研究地區(qū)相距較遠(yuǎn)，對(duì)整體研究結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，因此重點(diǎn)研究討論總區(qū)、B區(qū)及C區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)情況。

表1 各區(qū)數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)

4 分析與結(jié)論

4.1 應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果

表2 各應(yīng)力主軸參數(shù)90%置信度區(qū)間的變化范圍

表3 各分區(qū)應(yīng)力反演結(jié)果

圖4 震源機(jī)制解P軸、T軸方位玫瑰圖

由反演結(jié)果可知，C區(qū)(金州斷裂帶區(qū)域)的P軸方向?yàn)楸?209.36°～272.40°)東，最優(yōu)解P軸走向?yàn)?46.00°，傾角為82.00°；B軸的最優(yōu)解軸走向?yàn)?56.00°，傾角0°；T軸的方向?yàn)楸?35.00°～88.00°)東，最優(yōu)解T軸走向?yàn)楸睎|東—南南西向 66.00 °，傾角為8.00°。在置信區(qū)間為90%的情況下，總區(qū)(遼寧營(yíng)口地區(qū))的P軸方向?yàn)楸?35.85°～68.00°)東，最優(yōu)解P軸走向?yàn)?3.91°，傾角為81.76°；B軸的最優(yōu)解軸走向?yàn)?48.00°，傾角8.00°；T軸方向?yàn)楸?148.72°～171.72°)西，最優(yōu)解T軸走向?yàn)楸北蔽鳌夏蠔|向157.72°，傾角為1.98°。B區(qū)(營(yíng)口—海城斷裂帶和海城河斷裂帶區(qū)域)的P軸為北(80.68°～95.68°)東，最優(yōu)解的P軸走向88.68°，傾角為81.06°；B軸的最優(yōu)解軸走向?yàn)?42.00°，傾角為8.00°；T軸的方向?yàn)楸?324.56°～339.56°)西，最優(yōu)解T軸走向?yàn)楸北蔽鳌夏蠔|向332.56°，傾角為3.96°。

表4 震級(jí)ML≥3.0各應(yīng)力主軸參數(shù)在90%置信度區(qū)間的變化范圍

為確保本研究的準(zhǔn)確性和合理性，根據(jù)震級(jí)越大，數(shù)據(jù)的可靠性越大的原則，本文重新整理了ML≥3.0的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)。在置信區(qū)間為90%的情況下B區(qū)(海城—營(yíng)口斷裂帶與海城河斷裂帶區(qū)域的P軸方向?yàn)楸?200.88°～238.20°)東，最優(yōu)P軸走向?yàn)?13.88°，傾角為8.49°；B軸的最優(yōu)軸走向?yàn)?14.00°，傾角為49.00°；T軸方向?yàn)楸?298.01°～356.17°)西，最優(yōu)P軸走向北北西—南南東向311.01°，傾角為39.74°；C區(qū)(金州斷裂帶區(qū)域)的P軸方向?yàn)楸?3.61°～65.00°)東，最優(yōu)P軸走向?yàn)?7.00°，傾角為52.00°；B軸的最優(yōu)軸走向?yàn)?07.00°，傾角0°；T軸主張力軸方向?yàn)楸?204°～245.00°)東，最優(yōu)T軸走向北東東—南南西向 217.00°，傾角為38°。結(jié)果顯示C區(qū)明顯存在與總區(qū)整體構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不同的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布區(qū)域。

表5 震級(jí)ML≥3.0各分區(qū)應(yīng)力反演結(jié)果

4.2 分析與討論

本文收集了2011～2013年期間記錄到的營(yíng)口地區(qū)257個(gè)小震震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，將營(yíng)口地區(qū)分為了A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，并對(duì)總區(qū)也進(jìn)行了反演應(yīng)力場(chǎng)，由于A區(qū)只有7個(gè)震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，數(shù)量偏少，不能真實(shí)反映應(yīng)力場(chǎng)特征，故將A區(qū)的反演結(jié)果舍去。通過(guò)對(duì)本次遼寧營(yíng)口地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)反演，結(jié)果顯示總區(qū)域(營(yíng)口地區(qū))的主壓應(yīng)力軸方向(P軸)為北(35.85°～68.00°)東，主張力軸方向(T軸)為北(148.72°～171.72°)西。說(shuō)明日本東部大地震后，營(yíng)口區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)總的變化不大，局部可能出現(xiàn)異常變化。

張先澤等[13]利用遼寧地區(qū)現(xiàn)今宏觀與微觀地震資料及遼河油田井壁崩落的方法、套芯法及有限元計(jì)算的成果反演應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果顯示遼寧地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)之主壓應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—南西西向，主張構(gòu)造應(yīng)力方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向。萬(wàn)波[5]研究顯示遼寧及周邊地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力軸為北東東與北東向。張萍等[14]根據(jù)震源錯(cuò)動(dòng)的性質(zhì)，得出了遼寧地區(qū)主壓應(yīng)力軸 P 軸集中于北東東—南西西方向，主張應(yīng)力軸 T 軸集中于北北西—南南東方向。本文研究結(jié)果與上述研究基本一致，說(shuō)明本文研究部的結(jié)果較為可靠。

圖5 平均快剪切波偏振方向分布[15](a)與P應(yīng)力軸分布(b)

盡管本次研究的整體結(jié)果與前人的結(jié)果比較基本一致，但仍然會(huì)有一些不同之處，如張萍等[14]研究結(jié)果表明P 軸傾角主要集中在10°～30°之間，占70.7%，B軸傾角主要集中于61°～80°之間，占58.5%；而本次應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果顯示P軸的傾角為79.80°～82.72°；B軸的傾角為7.00°～10.00°。特別是本次研究的C區(qū)域，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果明顯與總區(qū)、B區(qū)的不同，應(yīng)力主軸方向都產(chǎn)生了變化。

由于C位于海城—營(yíng)口斷裂帶與金州斷裂帶的交界處，地區(qū)內(nèi)的P軸，T軸分布雜亂，無(wú)規(guī)律可尋。究其原因，認(rèn)為目前有兩種可能：第一種該地區(qū)可能受到日本大地震的影響，Vidale與Shearer[16]曾歸納了三種常見(jiàn)的震群活動(dòng)發(fā)震原理，即級(jí)聯(lián)觸發(fā)模式、斷層慢滑模式和流體入侵模式。聯(lián)級(jí)觸發(fā)模式認(rèn)為震群發(fā)震機(jī)理與主震觸發(fā)余震的機(jī)理相同。當(dāng)日本大地震發(fā)生后，中國(guó)東北地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)由靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植繎?yīng)力場(chǎng)失穩(wěn)狀態(tài)，并由此出現(xiàn)級(jí)聯(lián)無(wú)規(guī)則的小型地震。另一種該地區(qū)存在斷裂帶，據(jù)太齡雪等[15]研究發(fā)現(xiàn)遼寧各臺(tái)站的快剪切波優(yōu)勢(shì)偏振方向與主壓應(yīng)力方向是一致的，YK臺(tái)位于海城一營(yíng)口斷裂帶東側(cè)，處于金州斷裂帶的前方，沒(méi)有直接位于大的斷裂帶上，但小地震活動(dòng)近東西方向空間分布顯示出YK臺(tái)下方有可能存在近東西方向的活動(dòng)斷裂帶，那么如果該地區(qū)存在一個(gè)東西向的活動(dòng)斷裂帶，與金州斷裂帶相互切割，從而出現(xiàn)雜亂無(wú)章的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域完全是有可能的。

此外，由于應(yīng)力集中區(qū)域位于金州斷裂帶的上部，處于斷裂帶的頂端，因此可以用斷裂力學(xué)[17]和應(yīng)力腐蝕機(jī)制的觀點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行解釋分析。如果金州斷裂帶頂部有某些化學(xué)物質(zhì)和應(yīng)力場(chǎng)的整體作用，產(chǎn)生不同方向的應(yīng)力場(chǎng)分布完全是有可能存在的。

研究遼寧營(yíng)口地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)意義重大，日本MW9.0地震后，中國(guó)東北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)了一定的變化。有的斷層至今仍然很活躍，希望通過(guò)本次的研究可以為該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究提供參考資料。

致謝：本次研究得到了盛書(shū)中副教授的細(xì)心指導(dǎo)，感謝萬(wàn)永革教授為研究提供了計(jì)算機(jī)程序，感謝郭祥云高級(jí)工程師為研究提供了震源機(jī)制解數(shù)據(jù)。