小江断裂中段及其邻近地区应力场时间变化分析

林向东 徐 平 葛洪魁 武敏捷 武安绪

1）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

2）中国北京100080北京市地震局

小江断裂中段及其邻近地区应力场时间变化分析

林向东1，2），徐 平2）葛洪魁1）武敏捷2）武安绪2）

1）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

2）中国北京100080北京市地震局

研究地壳构造应力状态及其时空分布特征，特别是应力变化的信息，是探讨地震成因、分析发震条件的重要有效途径之一.本文利用1998年1月至2009年1月以来小江断裂中段及其邻区ML≥2.5的共计740个震源机制解，基于小江断裂中段及其邻近地区地质构造背景，对研究区进行了分区；以该区域内较大地震为界，结合余震时间序列特征，进行时间上的分段；去除较大地震后，采用最长距离聚类分析方法对各分区的地震进行了分类.在此基础上，利用Gephart的应力张量反演方法，根据震源机制解资料反演出了各分区的优势应力场.结果表明，在观测时段内，根据构造和震源机制，可将研究区域分为A和B两个区域.A区最大主应力σ1方位在4个时段内大致为NNW向，B区北部在4个时段内σ1方位大致为NNW向、WNW和ENE向.从应力结构看，A区和B区北部应力以水平作用为主.B区南部σ1方位大致为NNW向，仍以水平作用为主；B区北部σ1方位变化较大，可能与B区北部地质结构复杂、应力调整活跃有关.而A区主应力方位相对稳定，显示了滇中块体的稳定性.

小江断裂中段 震源机制解 应力场变化

引言

一个地区的构造应力场不是一成不变的，构造应力的变化与集中是孕震的关键.汶川MS8.0地震发生在一个意想不到的地方，给我们敲响了警钟：我们研究应力场的同时也应该关注其随时间的变化（Chenetal，2008）.研究地壳构造应力状态及其时空分布特征，特别是应力变化的信息，是探讨地震成因，分析发震条件的重要有效途径之一.虽然现今构造应力场的研究已经取得了许多重要成果，但是在构造应力场随时间变化的监测与分析方面，研究成果较少.

小江断裂地处川滇地区，是南北带上著名的活动断裂带.小江断裂及其邻近地区构造很复杂，应力调整也比较激烈，历史上曾发生过多次大地震，认清该区域的构造应力在空间和时间上的变化具有重要的意义.在小江断裂及其邻近地区的应力场研究方面，已经取得了重要的研究成果.例如，阚荣举等（1977，1980）、李坪和汪良谋（1975）依据强震震源机制解和地震地表破裂带资料提出了“川滇菱形块体”向SSE相对移动的结论.许忠淮等（1987）依据多次小震数据分析了川滇地区地壳应力场的方向特征.程万正等（2003）提出川滇地块间运动的不均匀性，并得出滇中地块的运动优势方向为SSE.谢富仁等（2001）利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法，获得滇西南地区现代构造应力场.崔效锋等（2006）讨论了川滇地区现代构造应力场分区及动力学意义.王绍晋等（2005）利用强震震源机制资料，对昆明及附近地区现代构造应力场的空间分布、地震震源破裂特征进行了分析，认为昆明地区现代构造应力场以水平作用为主，主压应力优势方位为SSE－－SE，主张应力优势方位为NE－－ENE.上述研究得到了有关小江断裂及其邻近地区的大地构造和应力场空间分布的重要信息，但在应力场的时间变化上的探索较少.

本文利用云南省数字地震台网记录到的740次地震事件，基于震源机制解和地质构造，从时间尺度上反演了研究区的应力场变化情况，并讨论了汶川MS8.0地震对该区的构造应力场变化的影响.

1 资料选取及研究方法

本文利用林向东（2009）测定的1998年1月至2009年1月以来小江断裂中段及其邻区（24.54°N—27.82°N；101.148°E—104.036°E）ML≥2.5（图1）的共计740个震源机制解结果进行了应力场变化研究.在此研究中，震源机制解的计算采用垂直向P波与SV波振幅比（梁尚鸿等，1984；刁桂苓等，1993）的方法，以广义透射系数的快速算法，计算合成地震图得到各自最大振幅，并通过其垂直向最大振幅比值与观测资料拟合，反演出震源机制解，再结合P波初动方向分布选择最佳解.在震源机制分类时采用最长距离聚类的分析方法（刁桂苓等，1992）.该方法将大量震源机制以各自的空间取向划分出不同的类，并研究它们之间的亲疏程度.其原理是将各自样本自成一类，然后将距离最小的两类合并，再将距离最近的两类合并，直到把所有样本全归为一类.在计算应力场时采用震源机制应力场反演方法：FMSI（focal mechanism stress inversion）（Gephart，1990），该方法用断层滑动方向与最大剪应力方向间的残差最小，即辅助轴的最小转动值使得断层面解与理论计算的断层面解最接近时，获得最优应力模型，得到主应力方向.其基本假定是：① 在一定时空范围内，研究区内的应力场是均匀的；② 断层滑动方向与断层面上最大剪应力方向一致.应力是对称的二阶张量，有6个独立的参数，由于只有偏应力张量才能产生剪应力，因此，在只考虑构造应力张量的偏应力张量（对角线和为零）和人为规定八面体剪应力大小的情况下，断层面上的剪应力方向只依赖于4个参量，即3个主应力方向和1个应力比R（指中间主应力相对大小，令σ1，σ2，σ3分别为最大、中间和最小主应力，取压应力为正，R＝（σ2－σ1）/（σ3－σ1））.上述4个应力参数的任何一种组合都可作为一个应力模型，与观测数据拟合最好的模型则为最优模型.

图1 小江断裂中段及其邻近区1998年1月至2009年1月所选地震震中分布及分区F1：红河断裂；F2：楚雄—建水断裂；F3：元谋断裂（又称绿汁江断裂）；F4：罗次断裂；F5：普渡河断裂；F6：小江断裂（分东西支断裂）；F7：文山断裂（又称弥勒—师宗断裂）；F8：寻甸—来宾铺断裂；F9：巧家断裂；F10：连锋断裂；F11：鲜水河断裂；F12：则木河断裂；F13：盐源断裂；F14：马头山断裂（邓起东，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）

为了系统地研究小江断裂及其邻近地区应力的时间变化特征，我们首先将研究区进行空间分区.根据研究区地质构造上主要包括以小江断裂为界的滇中块体和滇东块体，本文以小江断裂为界，将小江断裂中段及其邻区分为A和B（包含小江断裂带）两个区（林向东，2009；林向东等，2010）.同时为了研究应力场在中强地震前后的变化，我们在空间分区的基础上，以该区域内较大地震为界并去除较大地震的情况下，结合余震时间序列特征，进行了时间上的分段（表1—表3），计算时去除较大地震是为了消除它们本身对地震前后时段应力场反演结果的影响.在去除2003年7月4日大姚ML6.7和2003年10月16日大姚ML6.2地震的情况下，将A区分为4个时间段，分别为大姚ML6.7地震前、大姚两次地震之间、余震密集和余震衰减4个阶段.由于B区在时间分布上，北部地震比较集中，而在南部地震较少，根据地震分布将B区分为北部和南部两个子分区进行分析.在去除2003年11月15日鲁甸ML5.4，2004年8月10日鲁甸ML5.9和2005年8月5日会泽ML5.7地震的情况下，将B区北部进行时间分段：分为鲁甸ML5.4地震前、鲁甸ML5.9地震之前、会泽ML5.7地震之前和会泽ML5.7地震之后；在B区南部，由于地震较少，在时间尺度上无法进行分段，所以本文对该区域的所有地震进行集中分类.

表1 A区时间分段表（目录挑选时去除了大姚两次6级以上主震）Table 1 Temporal phase division of sub－region A

表2 B区北部时间分段表（目录挑选时去除了3次5.4级以上地震）Table 2 Temporal phase division of northern sub－region B （with 3 ML≥5.4earthquakes removed）

表3 B区南部地震目录Table 3 Earthquake catalog for southern sub－region B

进行应力场反演时，为了保证其计算结果的可信度，要求震源机制资料P和T轴要有较好的一致性.计算时通常将一些与P和T轴总体优势方向相矛盾的数据略去，不参与反演.通过对所有震源机制解进行聚类，可以将震源机制分成一致性较好的几个类别，能较好地避免矛盾地震参与反演引起误差的问题.

本文利用最长距离聚类分析方法（刁桂苓等，1992），对A区和B区北部各个时间段的地震进行了分类，同时对B区南部所有地震也进行了聚类分析（表4）.结果表明，A区和B区分类最多为5类，最少为2类.我们将震源机制解个数最多的一类视为主类.A区1—4时段主类震源机制解个数分别为76，48，137，58；B区北部1—4时段主类震源机制解个数分别为17，17，12，45；B区南部的主类震源机制解个数为44个.

表4 聚类分析结果Table 4 Cluster analysis result

2 反演结果

在应力反演过程中，本文选取各分区震源机制聚类结果的主类进行应力场反演.A区1，2，3和B区北1时段，以及B区南的主类事件的比率超过了60%；而A区4和B区北2，3，4时段主类事件并没有达到60%，表明这些时段震源机制的特性比较复杂.从某种意义上说，通过聚类主类反演出的应力场只能代表该区的优势应力场，而不是总的应力场，该问题将在下一节讨论.

利用主类震源机制进行应力反演结果表明（表5，图2），各个时段和分区的误差都控制在10°以内，误差范围在2.9°—8.3°之间，说明结果的可信度比较高.

A区.在大姚ML6.7地震前、大姚两次地震之间、余震密集、余震衰减4个时间段主压应力倾角在12°—21°之间变化，R值在0.35—0.65之间变化，应力场作用方式在4个时段中主要以水平作用为主 .

B区北部.在鲁甸ML5.4地震、ML5.9地震、会泽ML5.7地震前后时段之间，主压应力倾角在7°—14°之间变化，R值在0.45—0.50之间变化，应力场作用方式在4个时段均以水平作用为主.

B区南部.主压应力倾角为24°，R值为0.40，应力场作用方式仍以水平为主.

鉴于在B区北部的第2时段主类a与辅类b震源机制解数据个数基本相当，分别为17和12个，我们在利用主类进行应力场反演的同时，也用了b类进行反演（表5中序号2b，图2）.结果表明，主压应力倾角为35°，但其方位与主类反演结果（表5中序号2a，图2）相比相差77°.这一现象表明了该区应力的复杂性且仍以水平作用为主.

表5 小江断裂中段及其邻近地区各分区时间域应力场反演结果Table 5 Temporal stress variation in each sub－region of the studied region

图2 小江断裂中段及其邻近地区各分区时间域应力场反演结果及聚类主类震源机制分布（图中断裂名称同图1）Fig.2 Temporal stress variation in each sub－region of the study region （the fault name see in Fig.1）

总体来说，在时间上，A区的应力场在两次大地震前后主压应力方位与空间反演的滇中块体的主压应力场基本一致.而B区北部震源机制解特性复杂，由聚类主类反演得到优势应力场的主压应力方位在鲁甸ML5.9地震前相对ML5.4地震前的应力场方位改变了142°，而在鲁甸ML5.9地震后会泽ML5.7地震前主压应力偏转较大，方位改变了120°，而会泽地震后主压应力方位又偏转了22°；B区南部地震数目少，主压应力方位为332°.

在应力场的反演过程中，震源机制解的可靠性是一个不可忽视的问题，本文中所用震源机制资料由梁尚鸿等（1984）提出的最大振幅比方法解出，基于P波初动方向测定震源机制解的格点尝试法（许忠淮等，1983）所给出的解空间比其它方法要好，胡新亮等（2004）比较了由格点尝试法和直达P波和S波垂直向振幅比方法分别测定了2个首都圈4级地震的震源机制解，二者基本一致.刁桂苓等（1993）对梁尚鸿等（1984）的方法进行了完善，编写了新的选解程序，使得更好地结合P波初动方向来选择最优解.鉴于中小地震的随机性，反演方法上的局限，以及地震分布的不均匀性.本文应力场时间尺度上的变化精度不是非常高，但是反演结果能反映出研究区时间上的应力的局部变化.在B区北各个时段应力场反演结果变化相对较大.特别是在B区2时段，2a和2b两类地震空间分布在大致相同的地点，根据两类地震反演应力场结果的不同，表明了应力场可能有变化.将B区南部与北部比较可以看出，小江断裂南部构造活动性相对北部较弱.

3 讨论与结论

通过在空间分区的基础上分时间段进行的应力反演结果表明，小江断裂及其邻近地区主压应力方位主要为NNW向，与崔效锋等（2006）、王绍晋等（2005）和Lin等（2011）的计算结果有一致性，说明本研究结果是合理性的.在A区，滇中块体内两次中强地震前后应力场在时间上主压应力场方位变化都不大；而在B区北部，优势应力场的主压应力场方位可能随时间变化，而且该区域震源机制特性复杂，显示了B区北部应力调整明显，而滇中块体则相对稳定.B区南部地震活动相对较少，也表明了小江断裂南部构造活动比北部弱.

在本研究中，在时间段分区上，聚类分析结果的主类数据除了A区1，2，3和B区北部1时段，以及B区南部主类事件的比率超过了60%；而A区4和B区北2，3，4时段主类事件并没有达到60%.主类数据大于60% 基本代表了各个分区各时段的主应力场.对于主类数据占总数比率小于60%的区域，从另一个方面显示了这些区域震源机制解的复杂多样性，反映了该区应力调整明显.应力场的反演结果并不能代表总的应力场，但鉴于主类事件在数量上的优势，反演结果可以视为该区的优势应力场.根据Oppenheimer（1990）、Hauksson等（1995）、以及Dreger和Savege（1999）等人的研究，在大地震发生后，观测到了余震的震源机制的复杂性及多样性，Castillo和Zoback（1995）认为这个现象是主震引起的应力释放几乎达到了完全释放的证据，并且说明了该区域内的断层的摩擦强度较小.在小江断裂带区，地质构造复杂、地震活动强烈，小震呈现的多样性，可能是地质构造复杂性和由中强震引起的应力释放比较充分的综合反映.

另一有意义的问题是，本文研究的数据刚好覆盖了2008年5月12日汶川MS8.0大地震前、后的时段.汶川地震后，研究区并没有呈现显著的地震活跃性，各分区主压应力方位在包含汶川地震时段并没有显著的调整.受震源机制计算应力场的分辨率的影响，从震源机制方面还不能够明确地判定汶川地震对小江断裂及邻近地区的影响及其大小.

河北省地震局刁桂苓研究员为本研究提供了计算震源机制解的程序，中国地震局地球物理研究所许忠淮研究员及几位评审专家对本文提出了修改意见和建议.在此一并表示感谢.

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林向东 北京市地震局工程师，中国地震局地球物理研究所在读博士研究生.2003年云南大学毕业，获地球物理学学士学位；2009年中国地震局兰州地震研究所毕业，获固体地球物理硕士学位.曾从事地震预报电磁学科方面的研究工作.现主要从事数字地震学及综合预报研究工作.

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

林向东，徐平，葛洪魁，武敏捷，武安绪.2011.小江断裂中段及其邻近地区应力场时间变化分析.地震学报，33（6）：755－－762.

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“十一五”国家科技支撑项目“构造变形动力过程的野外观测与物理解释（2006BAC01B03－03－01）”资助.中国地震局地球物理研究所论著11AC1017.

2010－09－29收到初稿，2011－10－11决定采用修改稿.

e－mail：lxdongd＠163.com

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.006

P315.72＋7

A