林向東 徐 平 葛洪魁 武敏捷 武安緒

1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

2）中國北京100080北京市地震局

小江斷裂中段及其鄰近地區(qū)應(yīng)力場時間變化分析

林向東1，2），徐 平2）葛洪魁1）武敏捷2）武安緒2）

1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

2）中國北京100080北京市地震局

研究地殼構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)及其時空分布特征，特別是應(yīng)力變化的信息，是探討地震成因、分析發(fā)震條件的重要有效途徑之一.本文利用1998年1月至2009年1月以來小江斷裂中段及其鄰區(qū)ML≥2.5的共計740個震源機制解，基于小江斷裂中段及其鄰近地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景，對研究區(qū)進行了分區(qū)；以該區(qū)域內(nèi)較大地震為界，結(jié)合余震時間序列特征，進行時間上的分段；去除較大地震后，采用最長距離聚類分析方法對各分區(qū)的地震進行了分類.在此基礎(chǔ)上，利用Gephart的應(yīng)力張量反演方法，根據(jù)震源機制解資料反演出了各分區(qū)的優(yōu)勢應(yīng)力場.結(jié)果表明，在觀測時段內(nèi)，根據(jù)構(gòu)造和震源機制，可將研究區(qū)域分為A和B兩個區(qū)域.A區(qū)最大主應(yīng)力σ1方位在4個時段內(nèi)大致為NNW向，B區(qū)北部在4個時段內(nèi)σ1方位大致為NNW向、WNW和ENE向.從應(yīng)力結(jié)構(gòu)看，A區(qū)和B區(qū)北部應(yīng)力以水平作用為主.B區(qū)南部σ1方位大致為NNW向，仍以水平作用為主；B區(qū)北部σ1方位變化較大，可能與B區(qū)北部地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)力調(diào)整活躍有關(guān).而A區(qū)主應(yīng)力方位相對穩(wěn)定，顯示了滇中塊體的穩(wěn)定性.

小江斷裂中段 震源機制解 應(yīng)力場變化

引言

一個地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場不是一成不變的，構(gòu)造應(yīng)力的變化與集中是孕震的關(guān)鍵.汶川MS8.0地震發(fā)生在一個意想不到的地方，給我們敲響了警鐘：我們研究應(yīng)力場的同時也應(yīng)該關(guān)注其隨時間的變化（Chenetal，2008）.研究地殼構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)及其時空分布特征，特別是應(yīng)力變化的信息，是探討地震成因，分析發(fā)震條件的重要有效途徑之一.雖然現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場的研究已經(jīng)取得了許多重要成果，但是在構(gòu)造應(yīng)力場隨時間變化的監(jiān)測與分析方面，研究成果較少.

小江斷裂地處川滇地區(qū)，是南北帶上著名的活動斷裂帶.小江斷裂及其鄰近地區(qū)構(gòu)造很復(fù)雜，應(yīng)力調(diào)整也比較激烈，歷史上曾發(fā)生過多次大地震，認清該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力在空間和時間上的變化具有重要的意義.在小江斷裂及其鄰近地區(qū)的應(yīng)力場研究方面，已經(jīng)取得了重要的研究成果.例如，闞榮舉等（1977，1980）、李坪和汪良謀（1975）依據(jù)強震震源機制解和地震地表破裂帶資料提出了“川滇菱形塊體”向SSE相對移動的結(jié)論.許忠淮等（1987）依據(jù)多次小震數(shù)據(jù)分析了川滇地區(qū)地殼應(yīng)力場的方向特征.程萬正等（2003）提出川滇地塊間運動的不均勻性，并得出滇中地塊的運動優(yōu)勢方向為SSE.謝富仁等（2001）利用斷層滑動資料反演構(gòu)造應(yīng)力張量的方法，獲得滇西南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場.崔效鋒等（2006）討論了川滇地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)及動力學(xué)意義.王紹晉等（2005）利用強震震源機制資料，對昆明及附近地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的空間分布、地震震源破裂特征進行了分析，認為昆明地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場以水平作用為主，主壓應(yīng)力優(yōu)勢方位為SSE－－SE，主張應(yīng)力優(yōu)勢方位為NE－－ENE.上述研究得到了有關(guān)小江斷裂及其鄰近地區(qū)的大地構(gòu)造和應(yīng)力場空間分布的重要信息，但在應(yīng)力場的時間變化上的探索較少.

本文利用云南省數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的740次地震事件，基于震源機制解和地質(zhì)構(gòu)造，從時間尺度上反演了研究區(qū)的應(yīng)力場變化情況，并討論了汶川MS8.0地震對該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場變化的影響.

1 資料選取及研究方法

本文利用林向東（2009）測定的1998年1月至2009年1月以來小江斷裂中段及其鄰區(qū)（24.54°N—27.82°N；101.148°E—104.036°E）ML≥2.5（圖1）的共計740個震源機制解結(jié)果進行了應(yīng)力場變化研究.在此研究中，震源機制解的計算采用垂直向P波與SV波振幅比（梁尚鴻等，1984；刁桂苓等，1993）的方法，以廣義透射系數(shù)的快速算法，計算合成地震圖得到各自最大振幅，并通過其垂直向最大振幅比值與觀測資料擬合，反演出震源機制解，再結(jié)合P波初動方向分布選擇最佳解.在震源機制分類時采用最長距離聚類的分析方法（刁桂苓等，1992）.該方法將大量震源機制以各自的空間取向劃分出不同的類，并研究它們之間的親疏程度.其原理是將各自樣本自成一類，然后將距離最小的兩類合并，再將距離最近的兩類合并，直到把所有樣本全歸為一類.在計算應(yīng)力場時采用震源機制應(yīng)力場反演方法：FMSI（focal mechanism stress inversion）（Gephart，1990），該方法用斷層滑動方向與最大剪應(yīng)力方向間的殘差最小，即輔助軸的最小轉(zhuǎn)動值使得斷層面解與理論計算的斷層面解最接近時，獲得最優(yōu)應(yīng)力模型，得到主應(yīng)力方向.其基本假定是：① 在一定時空范圍內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場是均勻的；② 斷層滑動方向與斷層面上最大剪應(yīng)力方向一致.應(yīng)力是對稱的二階張量，有6個獨立的參數(shù)，由于只有偏應(yīng)力張量才能產(chǎn)生剪應(yīng)力，因此，在只考慮構(gòu)造應(yīng)力張量的偏應(yīng)力張量（對角線和為零）和人為規(guī)定八面體剪應(yīng)力大小的情況下，斷層面上的剪應(yīng)力方向只依賴于4個參量，即3個主應(yīng)力方向和1個應(yīng)力比R（指中間主應(yīng)力相對大小，令σ1，σ2，σ3分別為最大、中間和最小主應(yīng)力，取壓應(yīng)力為正，R＝（σ2－σ1）/（σ3－σ1））.上述4個應(yīng)力參數(shù)的任何一種組合都可作為一個應(yīng)力模型，與觀測數(shù)據(jù)擬合最好的模型則為最優(yōu)模型.

圖1 小江斷裂中段及其鄰近區(qū)1998年1月至2009年1月所選地震震中分布及分區(qū)F1：紅河斷裂；F2：楚雄—建水?dāng)嗔?；F3：元謀斷裂（又稱綠汁江斷裂）；F4：羅次斷裂；F5：普渡河斷裂；F6：小江斷裂（分東西支斷裂）；F7：文山斷裂（又稱彌勒—師宗斷裂）；F8：尋甸—來賓鋪斷裂；F9：巧家斷裂；F10：連鋒斷裂；F11：鮮水河斷裂；F12：則木河斷裂；F13：鹽源斷裂；F14：馬頭山斷裂（鄧起東，2007）Fig.1 Selected earthquake’s epicenter distribution during Jan.1998to Jan.2009and sub－region division in middle Xiaoiang fault area and its vicinity F1through F14denote faults（after Deng Qidong，2007）

為了系統(tǒng)地研究小江斷裂及其鄰近地區(qū)應(yīng)力的時間變化特征，我們首先將研究區(qū)進行空間分區(qū).根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上主要包括以小江斷裂為界的滇中塊體和滇東塊體，本文以小江斷裂為界，將小江斷裂中段及其鄰區(qū)分為A和B（包含小江斷裂帶）兩個區(qū)（林向東，2009；林向東等，2010）.同時為了研究應(yīng)力場在中強地震前后的變化，我們在空間分區(qū)的基礎(chǔ)上，以該區(qū)域內(nèi)較大地震為界并去除較大地震的情況下，結(jié)合余震時間序列特征，進行了時間上的分段（表1—表3），計算時去除較大地震是為了消除它們本身對地震前后時段應(yīng)力場反演結(jié)果的影響.在去除2003年7月4日大姚ML6.7和2003年10月16日大姚ML6.2地震的情況下，將A區(qū)分為4個時間段，分別為大姚ML6.7地震前、大姚兩次地震之間、余震密集和余震衰減4個階段.由于B區(qū)在時間分布上，北部地震比較集中，而在南部地震較少，根據(jù)地震分布將B區(qū)分為北部和南部兩個子分區(qū)進行分析.在去除2003年11月15日魯?shù)镸L5.4，2004年8月10日魯?shù)镸L5.9和2005年8月5日會澤ML5.7地震的情況下，將B區(qū)北部進行時間分段：分為魯?shù)镸L5.4地震前、魯?shù)镸L5.9地震之前、會澤ML5.7地震之前和會澤ML5.7地震之后；在B區(qū)南部，由于地震較少，在時間尺度上無法進行分段，所以本文對該區(qū)域的所有地震進行集中分類.

表1 A區(qū)時間分段表（目錄挑選時去除了大姚兩次6級以上主震）Table 1 Temporal phase division of sub－region A

表2 B區(qū)北部時間分段表（目錄挑選時去除了3次5.4級以上地震）Table 2 Temporal phase division of northern sub－region B （with 3 ML≥5.4earthquakes removed）

表3 B區(qū)南部地震目錄Table 3 Earthquake catalog for southern sub－region B

進行應(yīng)力場反演時，為了保證其計算結(jié)果的可信度，要求震源機制資料P和T軸要有較好的一致性.計算時通常將一些與P和T軸總體優(yōu)勢方向相矛盾的數(shù)據(jù)略去，不參與反演.通過對所有震源機制解進行聚類，可以將震源機制分成一致性較好的幾個類別，能較好地避免矛盾地震參與反演引起誤差的問題.

本文利用最長距離聚類分析方法（刁桂苓等，1992），對A區(qū)和B區(qū)北部各個時間段的地震進行了分類，同時對B區(qū)南部所有地震也進行了聚類分析（表4）.結(jié)果表明，A區(qū)和B區(qū)分類最多為5類，最少為2類.我們將震源機制解個數(shù)最多的一類視為主類.A區(qū)1—4時段主類震源機制解個數(shù)分別為76，48，137，58；B區(qū)北部1—4時段主類震源機制解個數(shù)分別為17，17，12，45；B區(qū)南部的主類震源機制解個數(shù)為44個.

表4 聚類分析結(jié)果Table 4 Cluster analysis result

2 反演結(jié)果

在應(yīng)力反演過程中，本文選取各分區(qū)震源機制聚類結(jié)果的主類進行應(yīng)力場反演.A區(qū)1，2，3和B區(qū)北1時段，以及B區(qū)南的主類事件的比率超過了60%；而A區(qū)4和B區(qū)北2，3，4時段主類事件并沒有達到60%，表明這些時段震源機制的特性比較復(fù)雜.從某種意義上說，通過聚類主類反演出的應(yīng)力場只能代表該區(qū)的優(yōu)勢應(yīng)力場，而不是總的應(yīng)力場，該問題將在下一節(jié)討論.

利用主類震源機制進行應(yīng)力反演結(jié)果表明（表5，圖2），各個時段和分區(qū)的誤差都控制在10°以內(nèi)，誤差范圍在2.9°—8.3°之間，說明結(jié)果的可信度比較高.

A區(qū).在大姚ML6.7地震前、大姚兩次地震之間、余震密集、余震衰減4個時間段主壓應(yīng)力傾角在12°—21°之間變化，R值在0.35—0.65之間變化，應(yīng)力場作用方式在4個時段中主要以水平作用為主 .

B區(qū)北部.在魯?shù)镸L5.4地震、ML5.9地震、會澤ML5.7地震前后時段之間，主壓應(yīng)力傾角在7°—14°之間變化，R值在0.45—0.50之間變化，應(yīng)力場作用方式在4個時段均以水平作用為主.

B區(qū)南部.主壓應(yīng)力傾角為24°，R值為0.40，應(yīng)力場作用方式仍以水平為主.

鑒于在B區(qū)北部的第2時段主類a與輔類b震源機制解數(shù)據(jù)個數(shù)基本相當(dāng)，分別為17和12個，我們在利用主類進行應(yīng)力場反演的同時，也用了b類進行反演（表5中序號2b，圖2）.結(jié)果表明，主壓應(yīng)力傾角為35°，但其方位與主類反演結(jié)果（表5中序號2a，圖2）相比相差77°.這一現(xiàn)象表明了該區(qū)應(yīng)力的復(fù)雜性且仍以水平作用為主.

表5 小江斷裂中段及其鄰近地區(qū)各分區(qū)時間域應(yīng)力場反演結(jié)果Table 5 Temporal stress variation in each sub－region of the studied region

圖2 小江斷裂中段及其鄰近地區(qū)各分區(qū)時間域應(yīng)力場反演結(jié)果及聚類主類震源機制分布（圖中斷裂名稱同圖1）Fig.2 Temporal stress variation in each sub－region of the study region （the fault name see in Fig.1）

總體來說，在時間上，A區(qū)的應(yīng)力場在兩次大地震前后主壓應(yīng)力方位與空間反演的滇中塊體的主壓應(yīng)力場基本一致.而B區(qū)北部震源機制解特性復(fù)雜，由聚類主類反演得到優(yōu)勢應(yīng)力場的主壓應(yīng)力方位在魯?shù)镸L5.9地震前相對ML5.4地震前的應(yīng)力場方位改變了142°，而在魯?shù)镸L5.9地震后會澤ML5.7地震前主壓應(yīng)力偏轉(zhuǎn)較大，方位改變了120°，而會澤地震后主壓應(yīng)力方位又偏轉(zhuǎn)了22°；B區(qū)南部地震數(shù)目少，主壓應(yīng)力方位為332°.

在應(yīng)力場的反演過程中，震源機制解的可靠性是一個不可忽視的問題，本文中所用震源機制資料由梁尚鴻等（1984）提出的最大振幅比方法解出，基于P波初動方向測定震源機制解的格點嘗試法（許忠淮等，1983）所給出的解空間比其它方法要好，胡新亮等（2004）比較了由格點嘗試法和直達P波和S波垂直向振幅比方法分別測定了2個首都圈4級地震的震源機制解，二者基本一致.刁桂苓等（1993）對梁尚鴻等（1984）的方法進行了完善，編寫了新的選解程序，使得更好地結(jié)合P波初動方向來選擇最優(yōu)解.鑒于中小地震的隨機性，反演方法上的局限，以及地震分布的不均勻性.本文應(yīng)力場時間尺度上的變化精度不是非常高，但是反演結(jié)果能反映出研究區(qū)時間上的應(yīng)力的局部變化.在B區(qū)北各個時段應(yīng)力場反演結(jié)果變化相對較大.特別是在B區(qū)2時段，2a和2b兩類地震空間分布在大致相同的地點，根據(jù)兩類地震反演應(yīng)力場結(jié)果的不同，表明了應(yīng)力場可能有變化.將B區(qū)南部與北部比較可以看出，小江斷裂南部構(gòu)造活動性相對北部較弱.

3 討論與結(jié)論

通過在空間分區(qū)的基礎(chǔ)上分時間段進行的應(yīng)力反演結(jié)果表明，小江斷裂及其鄰近地區(qū)主壓應(yīng)力方位主要為NNW向，與崔效鋒等（2006）、王紹晉等（2005）和Lin等（2011）的計算結(jié)果有一致性，說明本研究結(jié)果是合理性的.在A區(qū)，滇中塊體內(nèi)兩次中強地震前后應(yīng)力場在時間上主壓應(yīng)力場方位變化都不大；而在B區(qū)北部，優(yōu)勢應(yīng)力場的主壓應(yīng)力場方位可能隨時間變化，而且該區(qū)域震源機制特性復(fù)雜，顯示了B區(qū)北部應(yīng)力調(diào)整明顯，而滇中塊體則相對穩(wěn)定.B區(qū)南部地震活動相對較少，也表明了小江斷裂南部構(gòu)造活動比北部弱.

在本研究中，在時間段分區(qū)上，聚類分析結(jié)果的主類數(shù)據(jù)除了A區(qū)1，2，3和B區(qū)北部1時段，以及B區(qū)南部主類事件的比率超過了60%；而A區(qū)4和B區(qū)北2，3，4時段主類事件并沒有達到60%.主類數(shù)據(jù)大于60% 基本代表了各個分區(qū)各時段的主應(yīng)力場.對于主類數(shù)據(jù)占總數(shù)比率小于60%的區(qū)域，從另一個方面顯示了這些區(qū)域震源機制解的復(fù)雜多樣性，反映了該區(qū)應(yīng)力調(diào)整明顯.應(yīng)力場的反演結(jié)果并不能代表總的應(yīng)力場，但鑒于主類事件在數(shù)量上的優(yōu)勢，反演結(jié)果可以視為該區(qū)的優(yōu)勢應(yīng)力場.根據(jù)Oppenheimer（1990）、Hauksson等（1995）、以及Dreger和Savege（1999）等人的研究，在大地震發(fā)生后，觀測到了余震的震源機制的復(fù)雜性及多樣性，Castillo和Zoback（1995）認為這個現(xiàn)象是主震引起的應(yīng)力釋放幾乎達到了完全釋放的證據(jù)，并且說明了該區(qū)域內(nèi)的斷層的摩擦強度較小.在小江斷裂帶區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震活動強烈，小震呈現(xiàn)的多樣性，可能是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性和由中強震引起的應(yīng)力釋放比較充分的綜合反映.

另一有意義的問題是，本文研究的數(shù)據(jù)剛好覆蓋了2008年5月12日汶川MS8.0大地震前、后的時段.汶川地震后，研究區(qū)并沒有呈現(xiàn)顯著的地震活躍性，各分區(qū)主壓應(yīng)力方位在包含汶川地震時段并沒有顯著的調(diào)整.受震源機制計算應(yīng)力場的分辨率的影響，從震源機制方面還不能夠明確地判定汶川地震對小江斷裂及鄰近地區(qū)的影響及其大小.

河北省地震局刁桂苓研究員為本研究提供了計算震源機制解的程序，中國地震局地球物理研究所許忠淮研究員及幾位評審專家對本文提出了修改意見和建議.在此一并表示感謝.

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林向東 北京市地震局工程師，中國地震局地球物理研究所在讀博士研究生.2003年云南大學(xué)畢業(yè)，獲地球物理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2009年中國地震局蘭州地震研究所畢業(yè)，獲固體地球物理碩士學(xué)位.曾從事地震預(yù)報電磁學(xué)科方面的研究工作.現(xiàn)主要從事數(shù)字地震學(xué)及綜合預(yù)報研究工作.

Possible crustal stress change in middle section of Xiaojiang fault and its adjacent area

Lin Xiangdong1，2），Xu Ping2）Ge Hongkui1）Wu Minjie2）Wu Anxu2）
1）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China
2）EarthquakeAdministrationofBeijingMunicipality，Beijing100080，China

The study on temporal and spatial crustal stress change is important for exploring earthquake origin and seismogenic condition.Based on 740focal mechanism solutions ofML≥2.5earthquakes occurred during Jan.1998to Jan.2009in middle Xiaojiang fault and its adjacent area，the studied region was divided into sub－regions，and temporally further divided into phases with the lar－ger earthquakes as boundary of the sub－regions.After removal of the larger earthquakes this paper inverted the focal mechanism data with the method of Gephart for the stress in main phase of each sub－region.The result indicates that the azimuth of maximum principal stressσ1in 4temporal phases of the sub－regionAis approximately NNW－－SSE，and in northern part of sub－regionBare approximately NNW－－SSE，WNW－－ESE and ENE－－WSW.The azimuth ofσ1in southern part of sub－regionBis approximately NNW－SSE.The azimuth ofσ1in northern part of sub－region B changed significantly，while the azimuth ofσ1in sub－regionAis relatively stable.This result may be related to the complicated structure and possible stress adjusting in northern sub－regionB.Theσ1directions in sub－regionAmay indicate seismically relative stability of the central Yunnan crustal block.

middle section of Xiaojiang fault；focal mechanism；stress change

林向東，徐平，葛洪魁，武敏捷，武安緒.2011.小江斷裂中段及其鄰近地區(qū)應(yīng)力場時間變化分析.地震學(xué)報，33（6）：755－－762.

Lin Xiangdong，Xu Ping，Ge Hongkui，Wu Minjie，Wu Anxu.2011.Possible crustal stress change in middle section of Xiaojiang fault and its adjacent area.ActaSeismologicaSinica，33（6）：755－－762.

“十一五”國家科技支撐項目“構(gòu)造變形動力過程的野外觀測與物理解釋（2006BAC01B03－03－01）”資助.中國地震局地球物理研究所論著11AC1017.

2010－09－29收到初稿，2011－10－11決定采用修改稿.

e－mail：lxdongd＠163.com

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.006

P315.72＋7

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