雷嘯宇， 聶曉紅， 馬學(xué)軍， 趙鵬畢， 沙木哈爾·葉爾肯

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局新源地震臺(tái)，新疆 新源 835800； 2. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震發(fā)生受到應(yīng)力場(chǎng)制約，地殼運(yùn)動(dòng)時(shí)地下介質(zhì)受到地應(yīng)力的作用，應(yīng)力積累到一定時(shí)期后能量釋放形成地震。對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究屬于地球科學(xué)的分支之一，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的獲取能夠?yàn)樵搮^(qū)域的受力情況、地震活動(dòng)及孕震環(huán)境提供良好背景資料?，F(xiàn)如今地應(yīng)力測(cè)量、斷層滑動(dòng)測(cè)量和震源機(jī)制解數(shù)據(jù)豐富，為中國地殼應(yīng)力場(chǎng)研究提供基礎(chǔ)資料。目前國內(nèi)學(xué)者在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方面的研究方法也比較多，如P波極性法、斷層滑動(dòng)方向擬合法、震源機(jī)制解法等。其中基于地震震源機(jī)制解反演構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是研究地球動(dòng)力的主要方法之一[1-2]，由于震源機(jī)制解能夠反映震源斷層的力學(xué)特征，揭示地震破裂的力學(xué)機(jī)制，反映出地震等效釋放應(yīng)力場(chǎng)；還可以提供斷層的走向、傾角、滑動(dòng)角及應(yīng)力釋放的定量信息；且隨著臺(tái)站密度增大和震源機(jī)制解解算方法的增多(P波初動(dòng)法，CAP方法，HASH方法等)，可以求解的震源機(jī)制解震級(jí)下限明顯減小，得到震源機(jī)制解結(jié)果明顯增多，又具有較好的準(zhǔn)確性，這使得運(yùn)用震源機(jī)制解反演構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)更為容易。高國英等利用新疆2003～2008年74次中強(qiáng)震震源機(jī)制解資料反演新疆構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基本特征；結(jié)果顯示新疆主要受近NNE向水平擠壓應(yīng)力制約[3]；龍海英等利用北天山地區(qū)2000～2006年27次中強(qiáng)地震震源機(jī)制解資料反演分析北天山中東段區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主要受NS向水平擠壓作用[4]；李金等利用天山地震帶2003～2014年306個(gè)震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，將天山地震帶劃分網(wǎng)格進(jìn)行應(yīng)力張量反演，得到天山地震帶主應(yīng)力軸為NS向，局部區(qū)域呈現(xiàn)NNW及NNE向[5]。與前人研究不同的是，本文中擬運(yùn)用更多數(shù)量的震源機(jī)制解資料對(duì)天山地震帶區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行長時(shí)間、整體范圍的反演，以期得到其空間分布特征。

1 資料與方法

1.1 構(gòu)造背景資料

新疆地區(qū)地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大，地震深度多為淺源，與地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造展布方向相一致呈條帶分布。其中天山地震帶活動(dòng)斷裂多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是新疆境內(nèi)主要的強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)域，1900年以來強(qiáng)震的活躍時(shí)段為1902～1914年，如1906年瑪納斯MS7.7地震、1914年巴里坤MS7.5地震等。地震發(fā)生的類型以主震―余震型為主，震群型地震較多。圖1顯示北天山地震帶地震構(gòu)造以近EW向逆沖斷裂為主，有大河沿―洛包泉、博格達(dá)弧、吐魯番盆地中央褶皺斷裂帶和清水河子、霍爾果斯―吐谷魯、庫西木楔克、喀什河、恰克布河、特克斯河等斷裂，以及NW向艾比湖―伊連哈比爾尕右旋逆走滑斷裂。南天山地震帶東段地震構(gòu)造主要是近EW向的逆沖斷裂，分布有洪水溝、北輪臺(tái)、拉山山前、卻勒塔格等斷裂。西段地震構(gòu)造為EW向逆沖斷裂帶，分布有柯坪、烏什、鐵列克巴什、托特拱拜孜―阿爾帕勒克等斷裂，以及NW向的塔拉什、費(fèi)爾干斷裂和NN向的皮羌斷裂[6]，歷史上中強(qiáng)地震大多在這些斷裂上發(fā)生。因此，獲取天山地震帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)其構(gòu)造變形和強(qiáng)震發(fā)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)制具有重要的意義。且隨著中國地震事業(yè)的發(fā)展，新疆地震臺(tái)網(wǎng)也更加密集，這些數(shù)量豐富的臺(tái)站為震源機(jī)制解的獲取提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),使記錄到可計(jì)算震源機(jī)制解結(jié)果的地震數(shù)量和質(zhì)量都得到很大的提高。

1.2 震源機(jī)制解數(shù)據(jù)

本文中所用震源機(jī)制解包括2個(gè)部分:新疆地震局提供的由高國英[7]、龍海英[8]、聶曉紅[9]等利用已很成熟的P波初動(dòng)法，求解得到的天山地震帶2003～2013年MS≥3.5地震震源機(jī)制解；以及1976～2018年震級(jí)為4≤MW≤7、震源深度≤70 km精度較高的全球矩心矩張量[10-11]震源機(jī)制結(jié)果作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，共得到符合要求的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)520個(gè)，兩部分重復(fù)地震的震源機(jī)制解以GCMT為準(zhǔn)。

參照Zoback[12]世界應(yīng)力圖的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，把震源機(jī)制解劃分為6種類型。圖2顯示上述520個(gè)震源機(jī)制解的分布情況，正斷型及正斷兼走滑型的地震共56個(gè)，占總比例11%；過渡型(不確定型)地震共25個(gè)，占總比例5%；走滑型的地震共227個(gè)，占總比例43%；逆沖型及逆沖兼走滑型的地震共212個(gè)，占總比例41%。圖中藍(lán)色為正斷型，綠色為不確定型，黑色為逆沖型，紫色為走滑型。圖3顯示震源機(jī)制解震級(jí)的分布情況，從各類型震源機(jī)制解具體數(shù)據(jù)和分布特征可以看出，天山地震帶發(fā)生的地震多為逆走滑錯(cuò)動(dòng)，其壓力軸由NS到NE向。北天山地震帶地震活動(dòng)呈現(xiàn)西強(qiáng)東弱的特點(diǎn)，強(qiáng)震活動(dòng)主要集中于烏魯木齊以西[13]，其地震構(gòu)造以近EW向逆沖斷裂為主；南天山地震帶地震活動(dòng)整體強(qiáng)度較大，東段主要沿近EW向逆沖斷裂發(fā)生，地震震級(jí)大且活動(dòng)頻度高，西段發(fā)生在EW向逆沖斷裂帶和NE―NEE向逆走滑斷裂帶上，類型大多為中強(qiáng)地震。

圖3 天山地震帶震源機(jī)制解震級(jí)分布圖Fig.3 Magnitude distribution map of focal mechanism solution in Tianshan seismic belt

表1 震源機(jī)制解分類表

1.3 方法

大多數(shù)應(yīng)力反演方法都有2個(gè)主要假設(shè)：① 斷層的滑動(dòng)方向與應(yīng)力張量投影在斷層面上的剪切應(yīng)力的方向一致。② 研究區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)是均勻的。應(yīng)力場(chǎng)的反演屬于非線性反演問題，可采用網(wǎng)格搜索法得到一組與震源機(jī)制達(dá)到最優(yōu)擬合的應(yīng)力張量來反映應(yīng)力場(chǎng)方向；線性化求解時(shí)也可以通過最小二乘法求得[14]。

本文中采用Hardebeck和Michael[15]提出的基于震源機(jī)制解來反演應(yīng)力場(chǎng)的方法。Hardebeck和Michael對(duì)數(shù)據(jù)選取方法以及選取不同數(shù)據(jù)反演后對(duì)結(jié)果的影響做過大量的分析研究。確定應(yīng)力張量反演的準(zhǔn)則有2個(gè)：① 使每個(gè)小區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力和震源機(jī)制的殘差達(dá)到最小。② 反演過程中加入合理的阻尼系數(shù)消除傳統(tǒng)應(yīng)力場(chǎng)反演方法中應(yīng)力旋轉(zhuǎn)的人為因素，使反演的相鄰區(qū)域的應(yīng)力張量變化最小。Lund和Townend從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出由應(yīng)力張量嚴(yán)格計(jì)算最大水平主應(yīng)力方向的公式和方法[16]，可以得到“真實(shí)的”最大水平主應(yīng)力方向。識(shí)別最大水平應(yīng)力的常規(guī)方法是簡(jiǎn)單地采用最大近水平主應(yīng)力的水平投影方向，但該情況只有當(dāng)應(yīng)力張量中的其中一個(gè)主應(yīng)力軸嚴(yán)格垂直時(shí)才是適用的。本文中使用Martínez-Garzón等[17]采用MATLAB編寫的MSATSI程序，計(jì)算出天山地震帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。該程序是在大量的、分散的震源機(jī)制解資料的基礎(chǔ)上，在反演之前將這些震源機(jī)制解分配到許多子區(qū)，進(jìn)行小區(qū)域精細(xì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究。另外通過阻尼最小二乘反演[18]，在反演過程中加入阻尼系數(shù)對(duì)空間相鄰應(yīng)力場(chǎng)增加平滑約束來得到應(yīng)力場(chǎng)整體的空間分布特征。所以為了更好的約束反演結(jié)果，選取一個(gè)最優(yōu)阻尼系數(shù)十分重要，可以更好地在反演過程中分配觀測(cè)值與理論值誤差項(xiàng)和模型長度項(xiàng)的相對(duì)權(quán)重。阻尼系數(shù)選取越大，造成平滑約束越緊，隨模型的簡(jiǎn)化，誤差會(huì)越大；阻尼系數(shù)選取越小，模型復(fù)雜程度提高，誤差雖然改善但觀測(cè)值與理論值的匹配度降低[14-15]。根據(jù)MSATSI軟件包提供的方法，得到應(yīng)力場(chǎng)反演的模型長度及擬合誤差的折中曲線(圖4)。折中曲線上所標(biāo)注數(shù)字為阻尼系數(shù)，曲線拐點(diǎn)處取得λ=1.1即為最佳阻尼系數(shù)。

圖4 擬合誤差和模型長度之間的折中曲線圖Fig.4 Compromise curve between fitting error and model length

2 應(yīng)力場(chǎng)反演

2.1 反演過程

將天山地震帶劃分為1°×1°的網(wǎng)格，運(yùn)用MSATSI軟件對(duì)每個(gè)網(wǎng)格反演得到最佳擬合應(yīng)力張量，反演過程中每個(gè)網(wǎng)格的震源機(jī)制解≥1個(gè)，但程序會(huì)利用鄰近網(wǎng)格點(diǎn)及其周圍一定范圍內(nèi)的多個(gè)震源機(jī)制解進(jìn)行應(yīng)力張量平滑約束。反演應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)的不確定度采用重采樣的方法進(jìn)行評(píng)估，即對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣評(píng)估，計(jì)算中重采樣的默認(rèn)范圍為1 000～5 000次，置信水平的可設(shè)定范圍為68%～95%，其中采樣的迭代次數(shù)對(duì)于解的不確定度評(píng)價(jià)至關(guān)重要，重采樣次數(shù)過少會(huì)導(dǎo)致結(jié)果沒有可信度，次數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量很大，且計(jì)算時(shí)間冗長[17]。本文中設(shè)置為2 000次，并在95%置信度下進(jìn)行。經(jīng)過計(jì)算可得出4個(gè)參數(shù)，分別是最優(yōu)狀態(tài)下3個(gè)主應(yīng)力軸σ1、σ2、σ3(最大、中間、最小主壓應(yīng)力)的傾角和方位角，以及應(yīng)力形因子R值，

(1)

R值表示中間主應(yīng)力軸(σ2)接近最大主應(yīng)力軸(σ1)或者接近最小主應(yīng)力軸(σ3)的一個(gè)度量，可以表示應(yīng)力的空間形態(tài)。當(dāng)R值接近于1.0時(shí)，表示最小主壓應(yīng)力(σ3)和中間主應(yīng)力(σ2)大小接近，即中間主應(yīng)力也表現(xiàn)出一定的拉張成分，處于雙軸拉張狀態(tài)；當(dāng)R值接近于0時(shí)，表示最大主壓應(yīng)力(σ1)和中間主應(yīng)力(σ2)大小接近，處于雙軸壓縮狀態(tài)[19-20]。

2.2 結(jié)果分析

圖5顯示，天山地震帶主應(yīng)力方向表現(xiàn)出近NS向的擠壓占優(yōu)勢(shì)，反映出印度板塊向北移動(dòng)并向歐亞板塊碰撞以及由此產(chǎn)生對(duì)塔里木、準(zhǔn)噶爾塊體的擠壓運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。研究區(qū)域內(nèi)最大主應(yīng)力σ1軸的方位由東到西呈現(xiàn)NNE―NS―NNW的漸變過程，其中少量局部區(qū)域方向不同。整體區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力傾伏角普遍較小，0.7°～40.48°，處于近水平的擠壓狀態(tài)。該反演結(jié)果與前人研究所得也較為一致[21]。圖中最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向?yàn)槿S空間矢量投影到水平面的結(jié)果，紅色箭頭代表主張應(yīng)力軸最優(yōu)方向，黑色箭頭代表主壓應(yīng)力軸最優(yōu)方向，投影線段越長表明該矢量越水平，反之越垂直。

圖5 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果Fig.5 Inversion results of tectonic stress field

將天山地震帶劃分為北天山地震帶和南天山地震帶，前者東起哈密地區(qū)呈近EW向沿至昭蘇以西的哈薩克斯坦境內(nèi)，后者東起庫爾勒沿西向至阿克蘇，在烏恰以西地段向西至吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，并且南天山地震帶可分為東西兩段，庫爾勒以東至阿克蘇為東段，烏什至阿圖什、烏恰―帶為西段[6]。本文中反演后得出北天山地震帶主壓應(yīng)力方向以NNE向?yàn)橹鳎碧焐轿鞫螢镹S向。這與蔣靖祥等運(yùn)用1985～2012年新疆地震區(qū)鉆孔應(yīng)力、應(yīng)變連續(xù)觀測(cè)資料研究得到的北天山相對(duì)應(yīng)力場(chǎng)為NNE向的結(jié)果[22]及李金等利用地震震源機(jī)制解進(jìn)行應(yīng)力張量反演得到北天山主壓應(yīng)力方向由西到東呈現(xiàn)NS―NNE的結(jié)果相一致[5]。烏魯木齊周邊及其以東地區(qū)為NNE向，與高國英等運(yùn)用烏魯木齊周邊中強(qiáng)震震源機(jī)制解反演得到的結(jié)論一致[23]。南天山西段以NNW向?yàn)橹鞯慕Y(jié)果，與李德東等利用巖墻雁列段判斷區(qū)域最大壓應(yīng)力方法，得出南天山西段主壓應(yīng)方向?yàn)镹NW向的結(jié)論基本一致[24]。但喀什―烏恰交匯區(qū)最大主應(yīng)力方向與其他地區(qū)略有不同，呈現(xiàn)出NNE向，研究結(jié)果認(rèn)為，這種現(xiàn)象是塊體與斷裂的相互作用而導(dǎo)致應(yīng)力非均勻分布的原因。構(gòu)造應(yīng)力的非均勻分布具有層次性和相關(guān)聯(lián)性，它既反映了地殼動(dòng)力作用空間和時(shí)間尺度上的統(tǒng)一性，同時(shí)也反映了區(qū)域構(gòu)造作用的差異[3]；在南天山地震帶西段西南方向的帕米爾弧形構(gòu)造[25]，其近EW走向的頂部主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NW向，而NW走向的東側(cè)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE向，顯示出帕米爾弧形構(gòu)造在受到印度板塊向歐亞板塊碰撞產(chǎn)生的NS向擠壓作用的同時(shí)，其東側(cè)也很大程度上受到塔里木塊體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)作用的影響。南天山東段最大主應(yīng)力方向以NNE向?yàn)橹?，并保持良好的一致性。該?yīng)力場(chǎng)的反演結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的主壓應(yīng)力雖然發(fā)生輕微變化，整體還是受到印度板塊向北移動(dòng)并向歐亞板塊碰撞形成的NS向擠壓。在這樣的擠壓背景下，主壓應(yīng)力由南天山西段的NNW向逐漸偏向NNE向，與天山山脈的走向較為一致，也說明其擠壓造山的背景構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)。

從主要幾條分布于天山地區(qū)各處斷裂帶的應(yīng)力狀態(tài)來看，都受很強(qiáng)的NS向壓應(yīng)力作用，張應(yīng)力作用較弱，且張應(yīng)力大多與構(gòu)造走向一致或者相近。如斜切天山，從哈薩克斯坦薩賽科利湖和阿拉湖西岸向南東延伸，經(jīng)艾比湖西岸，一直延伸到新疆吐魯番盆地南緣1 260 km的博羅科努活動(dòng)斷裂帶，其主壓應(yīng)力軸由東向西呈NNE―NS向的漸變過程，北西段為近NS向，東南段為NNE向；250 km的喀什河活動(dòng)斷裂帶，斷裂走向近EW向，其主壓應(yīng)力為近NS向的垂直擠壓；走向NWW向的霍拉山前活動(dòng)斷裂，其主壓應(yīng)力軸整體呈近NNE向；220 km的克薩勒活動(dòng)斷裂帶，其主壓應(yīng)力軸整體呈NNW向；走向NEE向的柯坪活動(dòng)斷裂帶，其主壓應(yīng)力軸整體呈NNW向；220 km的馬爾坎蘇―烏衣塔克活動(dòng)斷裂帶，其北西段主壓應(yīng)力軸方向?yàn)镹NW向，東南段為NNE向。這些斷裂帶的主壓應(yīng)力方向與其走向及延展方向的交角較大，表明天山地區(qū)構(gòu)造主要受擠壓應(yīng)力作用。

表2顯示，天山地震帶除個(gè)別區(qū)域外，R值普遍高于0.5，整體數(shù)值偏大，表明最小主壓應(yīng)力軸與中間應(yīng)力軸表現(xiàn)的張應(yīng)力狀態(tài)一致，即中間應(yīng)力軸也表現(xiàn)出一定的拉張成分，只是他們的量值較最大主壓應(yīng)力仍然偏小。 天山地震帶主要受印度板塊向北推擠所產(chǎn)生的近NS向的擠壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生強(qiáng)烈隆升變形，而較大的R值表明區(qū)域的主張應(yīng)力軸與中間應(yīng)力軸較接近，可能是形成其山脈東西向展布的原因。一般R值較大區(qū)域的隆升程度大多會(huì)低于R值較小的區(qū)域，如烏恰以北的塔吉克盆地，北天山中段的伊犁盆地、尤魯都斯盆地周圍均有較大的R值分布。而南天山西段的小R值區(qū)域，是帕米爾弧形構(gòu)造向北推擠南天山造成的顯著差異應(yīng)力作用。另外需要說明的是，本文中推斷天山地震帶周圍中小型盆地因R值大，其隆升程度不如其他地區(qū)是在假設(shè)擠壓運(yùn)動(dòng)分量一致的情況下推測(cè)的。

表2 應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果

續(xù)表2

3 結(jié) 語

基于1976～2018年天山地震帶520個(gè)符合要求的地震震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，運(yùn)用阻尼最小二乘反演得到研究區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)的空間分布特征，分析其應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力形因子的分布情況，結(jié)果表明：(1) 天山地震帶主壓應(yīng)力方向主要表現(xiàn)為近NS向，但由于印度板塊向北的擠壓應(yīng)力分布并不均勻，其最大主壓應(yīng)力軸在不同地區(qū)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最優(yōu)方向從東到西呈NNE―N―NNW向的漸變過程。(2) 北天山地震帶西段主壓應(yīng)力方向?yàn)镹S向，東段及烏魯木齊周邊為NNE向；南天山地震帶西段主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向，東段為NNE向，其中西段中喀什―烏恰地區(qū)周圍主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE向的情況，是塊體與斷裂的相互作用而導(dǎo)致應(yīng)力非均勻分布的原因。(3) 研究區(qū)R值普遍較大，表明區(qū)域的主張應(yīng)力軸與中間應(yīng)力軸較接近，表現(xiàn)一定張性成分，但相對(duì)NS向擠壓來說這兩者均較小。