馮兵 胡亞軒 柴旭超 李楊 靳源 劉偉 宋亮 王闖 王文青

[摘要] ?通過收集1957—2022年以來日本東北至中國東北地區(qū)的不同深度的地震震源機(jī)制解，采用聯(lián)合迭代應(yīng)力反演的方法，計(jì)算俯沖帶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及中國東北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。研究結(jié)果顯示：日本海溝淺部區(qū)域不僅受到太平洋板塊的俯沖擠壓，也與北美板塊的推擠作用有關(guān)；中國東北區(qū)域的深源地震與海溝俯沖帶的長期作用存在密切的聯(lián)系。長白山火山區(qū)的形成與俯沖帶的逆沖存在巨大的聯(lián)系，俯沖帶的地震活動(dòng)間接控制著東北亞火山區(qū)的形成與活動(dòng)。遼寧營口地區(qū)主壓應(yīng)力軸分布于NEE-SWW方向，主張應(yīng)力軸分布于NNW-SSE方向。結(jié)合火山區(qū)及周邊淺源地震震源機(jī)制的結(jié)果，認(rèn)為東北火山區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)延續(xù)了東北區(qū)域應(yīng)力的整體結(jié)構(gòu)，主壓應(yīng)力軸呈NEE-SWW向，主張應(yīng)力軸呈NNW-SSE向。

[關(guān)鍵詞] 震源機(jī)制解; 長白山火山區(qū); 板塊俯沖; 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng); 動(dòng)力學(xué)

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-058

0 ?引言

太平洋板塊以北西方向俯沖至日本島下，引發(fā)了日本海溝許多7級(jí)以上板內(nèi)地震的發(fā)生。板塊以30°左右的傾角，約80～90 mm/a的速度向歐亞板塊俯沖^[1]，從東到西依次經(jīng)日本島弧東部海域—日本列島—日本?！L白山—松遼盆地，以一個(gè)復(fù)雜的海溝—島弧—弧后系統(tǒng)作用于中國大陸東北部（圖1）。自晚中生代以來太平洋板塊不斷地向西俯沖，中國東北地區(qū)巖石圈經(jīng)歷過多次擠壓和拉張的演化過程，引發(fā)了不同時(shí)期的地震及火山活動(dòng)，生成了一系列裂谷帶、盆地、火山帶等。中國東北地區(qū)新構(gòu)造變形及板內(nèi)運(yùn)動(dòng)明顯地受到地幔上隆/火山活動(dòng)與裂谷盆地?cái)U(kuò)張等弧后活動(dòng)的強(qiáng)烈影響。現(xiàn)今板塊運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造決定了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化及地震發(fā)生的時(shí)空分布特征，也對(duì)火山活動(dòng)產(chǎn)生了影響。而板塊俯沖方向、速度和角度也隨著時(shí)間發(fā)生了較大的變化，俯沖帶傾角的大小影響著俯沖帶速度的大小^[1]。太平洋板塊俯沖延伸至中國東北長白山區(qū)域附近650～700 km的深度，形成了一系列的俯沖帶深震群，俯沖帶控制著中國東北地區(qū)的深源強(qiáng)震^[2-3]。中國東北深震與板塊的俯沖、火山活動(dòng)、淺震的發(fā)生等有著密不可分的關(guān)系。對(duì)1999年以來火山觀測(cè)站記錄到的火山地震活動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，在西北太平洋5.0級(jí)以上中深源地震發(fā)生前后，均有火山地震活動(dòng)發(fā)生變化^[4]。2011年日本3 · 11（M9.0）大震后中國東北松遼盆地和大興安嶺地區(qū)發(fā)生多次地震^[5-7]。

圖中日本地區(qū)震源分布來源于NIED（2022年1月—2023年2月）及部分搜集到的東北亞深源地震目錄（ISC）

Source distribution in Japan in the figure is from NIED （2022-01—2023-02） and part of the deep-source earthquake catalog collected in Northeast Asia

對(duì)中國東北深震震源機(jī)制及應(yīng)力狀態(tài)等的深入研究具有重要的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制探討意義。具體而言，通過地震震源機(jī)制解可求取不同區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化時(shí)空特征，而科學(xué)地認(rèn)識(shí)日本海溝俯沖帶的應(yīng)力場(chǎng)變化及中國板塊應(yīng)力轉(zhuǎn)換的過程，探討海溝俯沖帶的具體分布情況，同時(shí)分析日本海溝俯沖帶與中國東北的貝尼奧夫帶（Benioff）地下構(gòu)造的相互作用，更宏觀地認(rèn)識(shí)板塊運(yùn)動(dòng)特征與應(yīng)力狀態(tài)。本文通過收集1957—2022年以來日本東北至中國東北地區(qū)的不同深度的地震震源機(jī)制解，采用聯(lián)合迭代應(yīng)力反演方法，計(jì)算俯沖帶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及中國東北地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空變化特征。通過區(qū)域應(yīng)力分布及其變化、區(qū)域地震活動(dòng)的可能孕震環(huán)境與發(fā)震機(jī)理、地震可能造成的應(yīng)力遷移，以及震源破裂的物理機(jī)制等的分析研究，認(rèn)識(shí)中國東北地區(qū)地震、火山活動(dòng)與板塊俯沖的關(guān)系，火山活動(dòng)與深震的關(guān)系等。

1 ?數(shù)據(jù)與方法

1.1 ?震源機(jī)制解數(shù)據(jù)

本研究所用震源數(shù)據(jù)來源于多個(gè)研究成果及機(jī)構(gòu)^[5-7]。其中深震目錄時(shí)間介于1957—2022年，共搜集到震源深度大于150 km的震源機(jī)制解127個(gè)，研究將這127個(gè)深震震源機(jī)制按100～350 km、350～500 km、500～700 km的深度劃分為3個(gè)區(qū)，分區(qū)反演了各區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（圖2）。淺震目錄有2個(gè)：一個(gè)是東北地區(qū)地震震源機(jī)制解目錄，時(shí)間介于2008—2021年，共計(jì)66個(gè)；同時(shí)為了更好的對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行分析，本文搜集到遼寧地區(qū)含京津冀周邊地區(qū)震源機(jī)制解402個(gè)。

紅點(diǎn)代表σ₁（最大主壓應(yīng)力軸）散點(diǎn)分布，綠點(diǎn)代表σ₂（中間主應(yīng)力軸）散點(diǎn)分布，藍(lán)點(diǎn)代表σ₃（最小主張應(yīng)力軸）散點(diǎn)分布

The red dot represents theσ₁（maximum principal compressive stress axis） scatter， the green represents theσ₂（middle principal stress axis） scatter， and the blue represents theσ₃（minimum principal stress axis） scatter

1.2 ?研究方法

本研究采用聯(lián)合迭代應(yīng)力反演計(jì)算區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。該方法是在Michael方法^[8-9]的基礎(chǔ)上，引入斷層的不穩(wěn)定性約束條件，它的主要過程是通過迭代的方式進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，這種迭代的過程能提高斷層的識(shí)別能力。該方法已被Vavry?uk^[10]成功應(yīng)用于克里特島和捷克共和國的波西米亞地區(qū)進(jìn)行研究。聯(lián)合迭代應(yīng)力反演的過程主要有3點(diǎn)： ① 采用Michael方法，在不考慮約束條件和斷層面取向的信息下，反演得到主應(yīng)力軸和應(yīng)力形因子R； ② 用反演得到的主應(yīng)力軸和應(yīng)力形因子R確定所有震源機(jī)制解節(jié)面的不穩(wěn)定性，然后找到最不穩(wěn)定的節(jié)面即判定其為發(fā)震斷層面； ③ 將第一次迭代過程中的發(fā)震斷層面用在第二次迭代的Michael方法中，持續(xù)這種迭代通過3～4次就可收斂，從而可反演得到較為準(zhǔn)確的應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果^[11-12]。

2 ?結(jié)果與分析

分析應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果（表1，圖2和圖3）可看出，最大主壓應(yīng)力軸整體呈現(xiàn)NWW-SEE向，與板塊俯沖的方向基本一致，但走向仍然出現(xiàn)了輕微的改變，從反演結(jié)果可看出，σ₁（最大主壓應(yīng)力軸）走向隨深度的增大出現(xiàn)了由NWW-SEE向西偏轉(zhuǎn)再恢復(fù)的結(jié)果。出現(xiàn)這種情況可能與日本海溝淺部區(qū)域不僅受到太平洋板塊的俯沖擠壓，也受到北美板塊的推擠有關(guān)，在100～350 km與350～500 km的俯沖變化中，應(yīng)力軸受到太平洋板塊與北美板塊的俯沖與推擠，從而迫使σ₁走向出現(xiàn)向西偏轉(zhuǎn)。但到了500～700 km的深度，由于北美板塊的斜插與消亡，此時(shí)受到的作用主要來源于太平洋板塊的俯沖，因而σ₁方向出現(xiàn)了恢復(fù)。俯沖帶的σ₁主應(yīng)力軸的傾伏角變化不大，基本在30°～40°左右，這與板塊俯沖的角度幾乎一致。最小主張應(yīng)力軸（σ₃）的方位角也出現(xiàn)了從50.90°→69.24°→63.99°偏移又恢復(fù)的情況，這與σ₁走向出現(xiàn)情況分析的原因一致。其傾伏角變化較大，在350～500 km，甚至出現(xiàn)了傾伏角55.59°，這也反映了北美板塊的俯沖迫使應(yīng)力軸的張性性質(zhì)向下傾伏。R值反映了張應(yīng)力軸、壓應(yīng)力軸、中間應(yīng)力軸在空間位置的穩(wěn)定狀態(tài)^[13-14]。如表1所示，不同深度的R值都比較大，這反映出壓應(yīng)力軸相對(duì)穩(wěn)定，張應(yīng)力軸和中間應(yīng)力軸在壓應(yīng)力軸近似垂直的平面內(nèi)呈拉張狀態(tài)。

反演的應(yīng)力軸結(jié)果在水平投影中，紅色代表最大主壓應(yīng)力軸，綠色代表中間應(yīng)力軸，藍(lán)色代表最小主張應(yīng)力軸

In the horizontal projection of the inverted stress axis results， red represents the maximum principal compressive stress axis， green represents the intermediate stress axis， and blue represents the minimum principal stress axis

由圖3可看出，長白山火山區(qū)位于東北深震集中發(fā)生區(qū)的西南部，500～700 km的最大主壓應(yīng)力軸幾乎與海岸線垂直分布，如果俯沖帶繼續(xù)延伸，則可到達(dá)長白山深部，但由于長白山火山區(qū)已形成巖漿柱，很難形成規(guī)模地震，到目前為止，已有許多研究人員及機(jī)構(gòu)對(duì)長白山的地殼和地幔進(jìn)行了研究，長白山火山下地殼、地幔顯示低震速及高導(dǎo)電率可能反映了巖漿柱^[15-17]。地震層析成像顯示，在長白山火山下方的殼幔轉(zhuǎn)換帶存在明顯的連續(xù)性高速異常區(qū)，這一現(xiàn)象被解釋為俯沖于歐亞板塊下方的太平洋板塊滯留區(qū)^[18-19]。王振宇等^[20]利用重力資料分析研究顯示，長白山地區(qū)的巖石圈較為柔軟，長白山的隆升動(dòng)力源主要來自于地幔物質(zhì)的上涌。胡亞軒等^[21]利用大地測(cè)量資料分析認(rèn)為中國東北的深震并未結(jié)束，這些深震的影響仍將對(duì)殼幔巖漿及地殼形變產(chǎn)生一定的作用。為了探究俯沖帶地震與淺源地震的關(guān)系，特別是沿火山區(qū)NE向一線的渤海遼東歷史上多次發(fā)生大型地震（如1975年海城7.3級(jí)地震，1976年唐山7.8級(jí)地震）的區(qū)域。

研究又搜集到遼寧地區(qū)的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)402個(gè)，反演了該區(qū)域的淺部整體構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，所用震源機(jī)制解分布如圖4所示，應(yīng)力反演結(jié)果σ₁走向?yàn)?8.22°，傾伏角為87.15°；σ₂走向?yàn)?47.55°，傾伏角為2.67°；σ₃走向?yàn)?37.60°，傾伏角為1.00°?？梢钥闯?，營口地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力軸水平投影主要分布于NEE-SWW方向，主張應(yīng)力軸水平投影主要分布于NNW-SSE方向。主壓應(yīng)力軸傾伏角較大，主張應(yīng)力軸傾伏角較小，反映出營口地區(qū)現(xiàn)今的應(yīng)力場(chǎng)方向仍以水平方向展布。長白山火山區(qū)正好沿著構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)展布的方向分布，因而從某種意義上講，營口地區(qū)地震的活動(dòng)間接的也在影響著火山區(qū)地殼結(jié)構(gòu)。R值為0.45，這反映出營口地區(qū)淺部應(yīng)力場(chǎng)各軸在空間分布相對(duì)較穩(wěn)定。

根據(jù)上述研究結(jié)果，東北的深震和長白山火山的形成可能存在一定的聯(lián)系，這些超深地震的發(fā)生使太平洋板塊俯沖釋放的流體可能成為長白山火山巖漿的動(dòng)力源泉（圖3）；盛儉等^[22]通過熱力學(xué)耦合的數(shù)值模型模擬了海洋板塊俯沖的動(dòng)力學(xué)過程，研究分析認(rèn)為板塊深部脫水量和部分熔融量可以影響巖漿系統(tǒng)的巖漿容量，是影響長白山火山活動(dòng)的主要因素，這與本研究結(jié)果一致。另外，還發(fā)現(xiàn)東北深震的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與淺部的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)存在巨大的差異（圖3～圖5）：深震的主壓應(yīng)力為NWW-SEE，而淺部的主壓應(yīng)力卻為NEE-SWW向，與其他研究人員的發(fā)現(xiàn)^[23-25]相符合；分析認(rèn)為東北地區(qū)的淺部地殼作用力主要受歐亞板塊的運(yùn)動(dòng)控制，但其深部卻受到了太平洋板塊的強(qiáng)烈俯沖與推擠，正是在這兩股不同甚至相反的作用力控制下，才形成了長白山地區(qū)火山獨(dú)特的地形地貌。

3 ?結(jié)論

（1）日本海溝淺部區(qū)域不僅受到太平洋板塊的俯沖擠壓，也受到北美板塊的推擠，中國東北區(qū)域的深源地震與海溝俯沖帶的長期作用存在密切的聯(lián)系。

（2）俯沖帶應(yīng)力場(chǎng)方向以NWW-SEE向?yàn)橹鳎L白山火山區(qū)的形成與俯沖帶的逆沖存在巨大的聯(lián)系，俯沖帶的地震活動(dòng)間接控制著東北亞火山區(qū)的形成與活動(dòng)。

（3）遼寧營口地區(qū)主壓應(yīng)力軸分布于NEE-SWW方向，主張應(yīng)力軸分布于NNW-SSE方向。結(jié)合火山區(qū)及周邊淺源地震震源機(jī)制的結(jié)果，認(rèn)為東北火山區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)延續(xù)了東北區(qū)域應(yīng)力的整體結(jié)構(gòu)，主壓應(yīng)力軸呈NEE-SWW向，主張應(yīng)力軸呈NNW-SSE向，這與俯沖帶深震的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)完全不同，這也說明長白山火山區(qū)是在兩股不同甚至相反的作用力控制下產(chǎn)生和形成的。

??致謝

ISC國際地震中心，NIED F-net寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)中心矩張量解，國家地震數(shù)據(jù)共享中心為本文提供了相關(guān)地震研究資料，在此一并表示感謝。

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Analysis of present tectonic dynamic background in Northeast China based on focal mechanism

Feng Bing， Hu Yaxuan， Chai Xuchao^*， Li Yang， Jin Yuan， Liu Wei， Song Liang， Wang Chuang， Wang Wenqing

The Second Monitoring and Application Center， CEA， Shaanxi Xian 710054， China

[Abstract] ?By collecting focal mechanism solutions of earthquakes at different depths from Northeast Japan to Northeast China during 1957 to 2022， the joint iterative stress inversion method is used to calculate the tectonic stress field in the subduction zone and the tectonic stress field state in Northeast China. The results show that the shallow area of the Japan trench is not only affected by the subduction and extrusion of the Pacific plate， but also related to the extrusion of the North American plate. The deep source earthquakes in Northeast China are closely related to the long-term action of the trench subduction zone. The formation of the Changbaishan volcanic area has a great relationship with the thrust of the subduction zone. The seismicity of the subduction zone indirectly controls the formation and activity of the volcanic area in Northeast Asia. The principal compressive stress axis distributes in the NEE-SWW direction in the Yingkou area of Liaoning， while the principal tensile stress axis distributes in the NNW-SSE direction. Based on the results of the focal mechanism of shallow earthquakes in the volcanic area and its surrounding areas， it is believed that the current tectonic stress field in the northeastern volcanic area continues the overall structure of stress in the northeastern region， with the principal compressive stress axis in the NEE-SWW direction and the principal tensile stress axis in the NNW-SSE direction.

[Keywords] focal mechanism; Changbaishan volcanic area; plate subduction; tectonic stress field; dynamics