茅山断裂带及邻区地震震源机制解计算及应力场反演

孙业君 黄耘 江昊琳 詹小艳 叶碧文 丁烨

江苏省地震局，南京市卫岗3号 210014

0 引言

地震的孕育和发生除与深部介质结构有关（范小平等，2009a、2009b、2011）外，与区域作用力的方式、震源区内断面的几何学和力学性质等亦密切相关（徐锡伟等，2002）。研究小震震源机制解有助于了解断层的构造特性及震源区的应力状态，是理解中强震孕育过程的重要途径。

20世纪 80年代以来，一些学者（Kisslinger et al，1981；Snoke et al，1984；梁尚鸿等，1984）提出了利用P波、S波振幅比资料反演中小地震震源机制解的方法，进一步发展了震源机制解的求解技术。Snoke在2002年国际地震学和地球内部物理学协会（International Association of Seismology and Physics of the Earth）百年纪念时推出的利用P波、SV波、SH波的初动和振幅比联合计算震源机制解的程序，由于其广泛的实用性而受到了诸多学者的关注（于海英等，2003；刘杰等，2004；胡新亮等，2004；刘丽芳等，2009；屠泓为等，2012；孙长虹等，2012）。Snoke方法在 P波初动方向数据基础上加入 SH波、SV波初动方向和 SV/P、SH/P或SV/SH振幅比数据后，能使震源机制解得到更有效的约束，提高了解的可信度（孙长虹等，2012）。该方法也成为目前较为常用的中小地震震源机制求解方法。

单次地震震源机制解中的P、T、B轴方向只与该地震的释放应力有关系，而不能表征实际的构造应力方向（许忠淮，1985），而多个地震的 P、T、B轴方向却可反映某区域构造应力场的平均最大、中等和最小主压应力方向。国内外学者已经提出了多种经典的利用震源机制解资料反演应力场方法（Angelier，1979；Ellsworth et al，1980；Michael，1984、1987a、1987b；Gephart et al，1984；Gephart，1990；许忠淮，1985；杜兴信等，1999；崔效锋等，2006；钟继茂等，2006），这些方法的共同之处是以多个断层面作为反演资料，因而能剔除局部介质的不均匀性，突出区域应力场信息，较单个地震更能代表应力分析结果。

本文利用2001年1月～2014年4月江苏及邻近省市数字地震台网的地震波形资料，采用P波、S波初动和振幅比联合求解的方法（Snoke et al，1984；Snoke，1989）计算了茅山断裂带及附近地区中小地震的震源机制解，并利用震源机制解资料，采用自助线性应力反演（Linear Stress Inversion with Bootstrapping）方法（Michael，1984、1987a、1987b、1991；Michael et al，1990）反演了研究区应力张量。

1 构造背景

图1 研究区及外围历史地震及断裂分布

研究区位于中国东部地区，主要受太平洋板块向欧亚板块俯冲而形成的方位为70°的挤压应力以及从贝加尔经大华北直到琉球海沟的大范围的方位为170°的引张应力场的共同控制，地震发生类型多为右旋走滑型或右旋走滑正断层型地震（徐纪人等，2006a、2006b、2007）。

茅山断裂带及附近地区位于苏南隆起的北部（图1），区内构造复杂，发育数条切割深度达下地壳的大断裂，且沿断裂发育了多个古近纪盆地。其中茅山断裂带是该区域最为大型的断裂，对该地区构造活动有控制作用。该断裂带北起金坛市石门塘，向SSW经金坛致和、陶家洼，溧阳竹箦煤矿、曹山林场、芳山林场、溧水陆家、高淳种桃山、茨山头，继而进入安徽郑村和宣城的敬亭山东麓。该断裂是由一系列相互平行且呈阶梯状错落的断层组成，其长度约134km，总体走向NNE，倾向 SE，倾角35°～85°，局部向 NW陡倾。地震地质、测量及物探资料均显示茅山东缘断裂属第四纪晚更新世活动断裂。断裂对中、新生代地层和构造的形成和发展具明显的控制作用，在地貌上构成了不同地貌单元的分界线，为丘陵山区与平原区的分界断裂。断裂带东西两侧为句容盆地和直溪桥盆地，且被NW走向的板桥-南渡断裂所切割（胡连英等，1997）。另外，研究区还包括NW走向的无锡-苏州断裂、NE走向的陈家堡-小海断裂等。

江苏陆地有记载以来共发生MS≥5.0地震19次，其中茅山断裂带及附近地区（图1中的虚线框内）共12次，包括2次6级地震，分别是1624年2月10日扬州6.0级、1979年7月9日溧阳6.0级地震，这2次6.0级地震是有记载以来江苏陆地所发生的最大地震，可见，茅山断裂带及其附近地区是江苏陆地中强地震最为活跃的区域。1970年以来该区域共记录到ML≥3.0的中小地震124次，中小地震的发生与局部构造关系明显。

2 方法及资料处理

2.1 震源机制计算方法

本文采用 focmec程序（Snoke et al，1984；Snoke，1989），使用 P波、S波的初动方向以及振幅比联合搜索震源机制解。在震源球极坐标系中，双力偶震源辐射的远场地震波位移在观测点P（γ，θ，φ）处的分量为（笠原庆一，1984）

式中，ρ为岩石密度；vP和vS分别为P波、S波传播速度；γ为表达位移的点至震源的距离；t为时间，t=0为力矩开始作用的时间（即断层开始错动的时间）；为双力偶中一个力偶强度随时间变化的微商；uγ为P波的表达式；uθ、uφ分别为SV、SH波的表达式。

根据P、S波辐射花样的固有特征：愈靠近节面，P波的振幅越接近零，初动方向愈难以辨认，断层面和辅助面45°夹角处最大；S波在节面附近能量最大，振幅最大，在断层面和辅助面45°夹角处最小（屠泓为等，2006）。由此可看出，震源球面上分布的初动方向数据只能显示该点应处在P波的正象限或负象限，但不能提供节面与此观测点间的角距离的信息。震源球面上某点观测到的波的振幅大小含有节面距该点远近的信息，因而振幅数据比初动方向数据对2个节面的约束作用更显著；所以，如果在计算震源机制解时附加SV、SH波的初动资料以及振幅比资料，则更能精确地确定节面的空间位置。

2.2 资料及处理

江苏数字地震台网经历了“九五”、“十五”期间的改造和建设，目前共有41个观测台站，遍布全省，平均台距为40～50km，苏南地区平均台距为20～30km，同时共享山东、安徽、浙江及上海数字地震台网30个台站的记录数据。图2给出了研究区地震及研究区外围台站分布，研究区及外围共有台站57个，台站密度较大且分布较为均匀。相对于江苏中、北部地区而言，研究区地震监测能力相对较强，一般而言，研究区内发生ML≥2.0地震均会有15个以上的台站记录到。为了增大方位角范围，除了使用共享的邻省台站资料外，还进一步收集了安徽、浙江和上海的一些波形资料，良好的台站分布及波形记录状况为准确地计算震源机制解奠定了基础。

图2 研究区地震及台站分布

一些研究者（刘丽芳等，2009；屠泓为等，2006）在使用 Snoke方法时均采用了国际地震学与地球内部物理学协会于1991年推荐的IASPEI91地壳速度结构模型。但倪红玉等（2011）在对比了分别采用IASPEI91与研究区域地壳速度结构模型计算所得的震源机制解结果后发现，地壳速度结构模型对结果影响较大，使用区域地壳速度模型可以得到更为准确的震源机制解。因此，本文计算过程中使用的分层速度模型为黄耘等（2011）给出的区域模型。该模型分为 7层，每层的顶界面深度分别为 0、2、5、10、15、20、25km，对应的层速度分别为 3.70、5.10、5.44、6.03、6.34、6.52、7.02km/s。

4）对2股渗沥液进行中试试验，结果表明，当进水氨氮为1 700 mg/L时，塔釜液最终出水氨氮浓度低于75 mg/L，满足设计值；塔顶出料浓度最高为67 875 mg/L，未达到设计值。当进水氨氮浓度为3 500 mg/L时，最终出水氨氮浓度低于45 mg/L，满足设计值，塔顶出料浓度最高为138 830 mg/L，未达到设计值。分析原因，主要为原水浓度未满足要求，2股渗沥液均为项目现场新鲜渗沥液，未额外添加氮源调配至5 500 mg/L的设计浓度。然而塔釜液浓度随着原水氨氮浓度的升高反而降低，说明该中试装置设计实际运行中可达到设计值。

震源机制反演过程中，我们首先计算台站的方位角、离源角和出射角；其次根据地震与台站间的方位角，对水平记录的2个方向进行旋转，得到径向和切向分量；最后分别在垂直向、径向和切向上，读取P波、SV波与SH波振幅，主要读取初动及初动后1～2s内的最大振幅。为了保证计算结果的稳定性及可靠性，尽量选取初动清晰的所有台站的P、S波初动资料，同时量取近台直达P、S波初动的振幅，尽可能从地震波形资料中获取更多的震源信息，以对震源机制解加以限制。实际计算过程中，ML2.0地震一般会用到10个P波初动、5个SH初动和振幅、3个SV波的初动和振幅数据。

Snoke方法虽然已经得到了众多研究者的认可（刘杰等，2004；屠泓为等，2006；孙长虹等，2012），但在实用中也存在一些困难，主要是直达S波的识别和结构影响的校正。这是因为对于近震而言，确定初至S波振幅常常比较困难，特别是当使用垂直向的SV波初动振幅时，测量更困难些。从实际操作来看，P波、SH波受自由表面反射影响较小，SV波受影响较大（特别是在出射角大于全反射角时）。因此，在实际计算过程中设定矛盾数时，P波、SH波矛盾符号应尽可能小，而SV波的则应相对宽泛一些。另外，振幅比受介质影响程度比较大，因此从约束机制解上看，初动比振幅比的矛盾数要少。

3 震源机制结果及分析

通过以上计算方法，共得到研究区 2001～2014年 149次地震的震源机制解，其中ML2.0～2.9地震129次，ML3.0～3.9地震17次，ML≥4.0地震3次。震级最大的为 2012年7月20日高邮-宝应4.9级地震。不同的地震破裂方式显示了不同的应力状态。根据破裂方式的不同，地震可以分为NF型（正断层型）、TF型（逆冲断层型）和SS型（走滑断层型）等3个主要类型以及NS型（正断层为主兼走滑型）、TS型（逆冲断层为主兼走滑型）等复合类型。本文根据Zoback（1992）研究全球应力场的分类标准进行了震源机制解的分类，统计结果显示（表1），149次地震的震源机制中，NF或NS型为 30次，TF或 TS型为 18次，SS型为 101次。可见，研究区域内主要以走滑型地震为主，正断层型也占一定比例，逆断层型相对较少。将分类结果绘于图3中，可以看出各类型的分布较为离散，未见集中分布。

基于所得震源机制解，给出了P、T轴参数玫瑰图（图4）。由图4可见，震源机制P轴方位一致性较好，以NEE-SWW为优势方向，T轴的优势方向则主要集中在NNW-SSE向。研究区呈现出NEE-SWW向主压、NNW-SSE向主张的应力格局。

表1 震源机制解类型统计表

4 应力场特征分析

为了进一步分析研究区应力场特征，我们利用149次地震的震源机制解作为输入数据，采用自助线性应力反演（LSIB）方法（Michael，1984、1987a、1987b、1991；Michael et al，1990）反演了应力张量。自助线性应力反演（LSIB）方法不仅可以确定最佳应力张量，而且采用自助（bootstrap）方法通过重复采样模拟原始数据来估计最佳解的置信度，反演过程是在2000次重复采样迭代条件下进行，置信度为95%，结果如图5（a）所示。结果显示，研究区最大主应力S1方位角为254.2°，俯角为 2.6°；最小主应力S3方位角为 163.9°，俯角为 9.5°；中间主应力S2方位角为347.7°，俯角为80.4°。

图3 茅山断裂带及附近地区地震震源机制解空间分布

图4 震源机制解应力轴参数玫瑰图

图5 茅山断裂带及附近地区应力张量

图6 茅山断裂带及附近地区M L≥3.5地震震源机制解空间分布

区域内较大地震更为明显地受控于区域应力场，较大地震震源机制从一定程度上反映了区域应力场特征。本文进一步收集整理了研究区1970年以来22次ML≥3.5地震震源机制解（图6），这22次地震的时间跨度为1972～2013年，最大地震为1979年7月 9日溧阳6.0级地震，其中还包括了1974年4月22日溧阳5.5级地震和2012年7月20日高邮-宝应4.9级等地震。统计结果表明，22次地震的震源机制解中，SS型18次，TF或TS型2次，NF或NS型2次。利用22次ML≥3.5地震震源机制解，采用自助线性应力反演（LSIB）方法再次反演了研究区应力张量（图5（b））。结果显示，最大主应力S1方位角为252.4°，俯角为8.4°；最小主应力S3方位角为 160.4°，俯角为 12°；中间主应力S2方位角为 16.4°，俯角为75.3°。

表2 应力张量结果

比较2组不同震源机制解资料的反演结果可以看出（表2），最大和最小主应力方位角分别相差1.8°、3.5°，最大和最小主应力俯角分别相差 5.8°、2.5°，中等主应力方位角相差28.7°，而俯角相差5.1°。可见，2组不同震源机制解资料得到的应力张量结果十分接近，这也在一定程度上印证了所得应力张量结果的可靠性。

由应力方向看，研究区最大主应力呈NEE-SWW向，而最小主应力呈SSE-NNW向。从应力结构看，研究区中间主应力俯角大，近直立，而最大、最小主应力俯角小，近水平。应力张量反演结果表明，茅山断裂带及附近地区处于NEE-SWW向水平压应力和SSE-NNW向水平张应力为主的现代构造应力场中。

张绍治等（1989）分析了1973～1987年苏、鲁、皖地区43个中小地震的震源机制解特征后发现，苏南地区最大主应力的优势方位为NEE向，最大与最小主应力轴的仰角一般小于30°，其中P轴平均值为27.3°，T轴平均值为 20.4°，中间主应力轴一般大于 50°。徐鸣洁等（1996）利用1980～1991年江苏及邻区地震的P波初动计算了平均节面解，并发现应力场主压应力方向为NEE-SWW向，主张应力为NNW-SSE向；周翠英等（2005）利用1970～2001年华东地区143次地震的震源机制解资料统计分析了现代构造应力场特征后认为，华东地区现今处在NEE向（80°左右）主压、NNW向（350°左右）主张应力场的控制下，主应力作用方式以水平和近水平为主。另外，汪素云等（1985）、许忠淮等（1989）、谢富仁等（2004、2011）、徐纪人等（2006a、2006b、2007）和 Wan（2010）等利用不同的资料对中国大陆应力场进行研究，所得结果不同程度上对本文研究区有所涉及，给出的应力场方向主要以 NE、NEE和近EW向为主。

比较以往及本文的研究可以发现，前者使用的资料时间较早（多为数字化观测之前的资料），资料数量较少（位于本文研究区内地震的震源机制解数量不超过10个），研究范围较大，应力场特征也主要基于统计得出。而本文重点针对茅山断裂带及附近地区开展研究，在获得研究区多次震源机制解的基础上，系统地反演了应力张量，给出了应力轴的具体参数，这对我们进一步了解该区域作用力的方式，认识地震孕育和发生的过程提供了依据。

5 结论

本文利用江苏及邻区数字地震台网记录的地震波形资料，采用P波、S波初动和振幅比联合求解的方法计算了茅山断裂带及邻区2001年1月～2014年4月149次中小地震的震源机制解，分析了震源机制特征，并采用自助线性应力反演（LSIB）方法反演了研究区应力张量，得到了如下结论：

（1）茅山断裂带及邻区149次地震的震源机制中，NF或NS型30次，TF或TS型18次，SS型为101次。研究区域内主要以走滑型错动为主，倾滑型错动比例较小。震源机制P、T轴方位一致性较好，分别呈NEE-SWW、NNW-SSE向。

（2）用149次地震的震源机制解反演所得的应力张量结果显示，研究区最大主应力S1方位角为254.2°，俯角为2.6°；最小主应力S3方位角为 163.9°，俯角为9.5°；中间主应力S2方位角为347.7°，俯角为80.4°。为了进一步印证所得应力张量的可靠性，又利用1970年以来ML≥3.5地震的震源机制解进行了反演，结果与利用149次中小地震的震源机制解所得结果十分接近。

（3）应力张量结果显示，茅山断裂带及附近地区处于以NEE-SWW向水平压应力和SSENNW向水平张应力为主的现代构造应力场中。

致谢：在本文成文过程中得到了刘红桂研究员，刘泽民、屠泓为副研究员，阮祥、赵小艳助理研究员的指导和帮助；数字地震波形由江苏及邻近省市数字地震台网提供，审稿人提出诸多建设性的修改意见，在此一并表示感谢！