缅甸弧强震对川滇地区主要断裂的应力影响*

臧 阳，韩颜颜，孟令媛

(1.中国地震局地球物理研究所，北京 100081；2.中国地震台网中心，北京 100045)

0 引言

缅甸弧俯冲带是印度板块与缅甸块体相互作用的地区，缅甸弧的形成以及周边两大板块间的运动和动力学模式历来是地学工作者的研究热点。Meade(2007)通过块体模型模拟了印度与亚洲碰撞区的运动模式，认为印度板块在NNE向运动的同时，呈现自西向东的俯冲；Liu和Bird(2008)利用大地测量结果、断层滑动速率和区域构造应力场建立了青藏高原东南部的运动与动力模式；张浪平等(2013)以地震活动参数为基础数据，准定量地给出了缅甸弧区域板块间接触的三维几何形态。前人的研究结果表明：印度板块向缅甸块体东侧强烈挤压俯冲作用导致了中源地震的频发，而东侧缝合带即实皆断裂的水平走滑运动则是缅甸弧大部分浅源强震发生的主要原因(Maurinetal，2010；Hurukawa，Maung，2011)。

印度板块与缅甸块体的相互作用不仅在缅甸弧俯冲带附近表现出剧烈的强震活动，其对我国川滇地区的构造环境和强震活动同样有着深远的影响。川滇地区位于印度板块向缅甸块体俯冲的前缘，是印度板块东向挤压作用直接影响的地区，同时受到青藏高原物质东向挤出作用的共同影响，构造上表现为一系列近似平行于缅甸弧的断裂，如鲜水河断裂、红河断裂等(苏有锦，秦嘉政，2001)。胡家富等(2008)联合地震活动与速度结构分析认为：印度板块从94°E附近开始俯冲，且缝合于实皆断裂，并且给出了印度板块向东俯冲的动力学模型，指出我国滇西附近地区是板块俯冲作用直接影响的区域。地震活动性方面，由于川滇地区的地形、地貌和地质构造格局均受到印度板块俯冲作用的影响和控制，因此2个区域的地震活动存在密切的相关性，刘建中(1992)认为川滇地区地震活跃期的开始与结束较缅甸弧附近地区相应的地震活跃期滞后，滞后时间为2～3年。

研究缅甸弧地区强震对川滇地区主要断裂的应力加载作用对于深入理解缅甸弧强震触发机制及其对川滇地区的应力影响具有重要意义。该研究现阶段仍以同震静态库仑应力触发为主要手段(孟令媛等，2015)，缺少对震后累积应力作用的系统研究。本文在前人研究的基础上，选取Burgers体构建粘弹性介质模型，分别研究缅甸弧俯冲带附近中、浅源强震在川滇地区主要断裂产生的同震及震后累积库仑应力，尝试通过缅甸弧地区震源机制解特征给出该地区中源地震可能的发震机制，并通过分析累积库仑应力计算结果，系统地描述缅甸弧地区强震对川滇地区的应力影响。

1 方法、数据及模型参数选取

1.1 计算方法

本文考虑缅甸弧地区强震应力触发作用对川滇地区的影响，建立粘弹性应力触发模型，该模型考虑到了上地幔物质对地震能量的运移作用。由于存在粘弹性松弛效应，这种应力传递作用存在时间上的延迟，可以适用于研究几百年尺度的长期应力累积影响(徐晶等，2013；孟令媛等，2016)。

地震的发生主要是由脆性岩石破裂后的摩擦运动造成的，假设地球介质为半无限空间，且空间内各向同性，若已知断层位错的几何参数和错动大小，可求得断层面上库仑破裂应力变化为：

ΔCFS=Δτ+f(Δσn+Δp)

(1)

式中：Δτ为剪切应力变化；Δσn为正应力变化；f为断层面介质摩擦系数；Δp为孔隙压力变化，调节着断层面上的有效正应力。Δp造成的摩擦系数的减少可用f′=f(1-B)表示，其中B为Skemptons系数，取值范围为0～1。当岩石应力改变远远快于岩石中Δp的扩散时，Δp可以通过B值在式(1)中得到体现，且转换为：

ΔCFS=Δτ+f′Δσn

(2)

式中：f′包含了孔隙流体和断层面上介质的特性，一般取值为0.2～0.8(Kingetal，1994)，本文取值为0.7。

1.2 地震数据

本文收集了1969—2018年缅甸弧附近、缅甸弧俯冲带及东侧实皆断裂附近地区，在全球矩心矩张量工程(Global Centroid Moment Tensor Project，简称GCMT，)有震源机制解记录的所有浅源及中源地震。包括MW4.0～4.9地震24次(浅源12次，中源12次)，MW5.0～5.9地震127次(浅源72次，中源55次)，MW6.0～6.9地震17次(浅源10次，中源7次)，MW7.0～7.9地震2次(浅源0次，中源2次)，共170次(浅源94次，中源76次)地震。总体地震震级范围为MW4.7～7.2，震源深度范围为6～157 km(图1)，中源地震数量从70～100 km随震源深度的增加逐渐增多，在100～110 km深度达到峰值，随后数量逐渐减少。其中，MW≥6.0地震信息列于表1。

表1 1969—2018年缅甸弧地区MW≥6.0地震信息

图1 1969—2018年缅甸弧地区MW≥4.7地震震源深度分布图Fig.1 Distribution of MW≥4.7 events along depth near Burma arc from 1969 to 2018

1.3 缅甸弧至川滇地区粘弹介质模型参数

以Crust1.0模型为基础计算得到川滇地区上、中、下地壳的平均厚度分别为20，15和10 km。考虑地壳及上地幔介质的滞弹性，根据杨强和党亚民(2010)利用GPS速度场估算的青藏高原地壳韧性层等效粘滞系数分布的研究，青藏高原及周边区域脆性-韧性转换面一般位于中地壳，等效粘滞系数范围在中地壳为1019～1022Pa·s，在下地壳为1017～1020Pa·s，在Moho面则降至1016～1018Pa·s，该结果与刘代志(1992)、Flesch等(2005)、石耀霖和曹建玲(2008)以及张晁军等(2008)的研究基本一致。考虑到粘滞松弛存在短期和长期效应，采用Burgers体模型，取杨强和党亚民(2010)研究结果中各层粘滞系数范围的低值赋值为η1，高值赋值为η2，并结合Crust1.0的速度和密度模型，最终建立研究区简化分层模型，如表2所示。

表2 研究区介质模型参数

本文以邓起东(2007)汇总的中国活动构造数据作为基础，将川滇地区共51条主要断裂、129个断层段、2 112个断层离散点作为接收断层模型，使用Wang等(2006)的PSGRN/PSCMP程序，计算格林函数以及水平分层粘弹性介质中同震和震后库仑应力。由于川滇地区强震多为浅源地震，本文主要考虑缅甸弧强震对川滇地区主要活动断裂浅部的应力影响，在计算格林函数的过程中，将观测深度统一设置为地下10 km。

2 缅甸弧地区震源机制特征及中源地震的破裂机制

研究表明：中、深源地震的成因明显区别于浅源地震，即随着震源深度的增加，地下温度和压力不断增加使得脆性和摩擦行为被强烈抑制，岩石表现为可抑制地震的韧性行为(David，John，1960)。中源地震的诱发机制主要是脱水或与流体相关的致脆以及塑性剪切失稳(邵同宾，嵇少丞，2015)，而其破裂机制是利用传统岩石破裂模型计算中源地震库仑应力的理论基础。

缅甸弧地区震源机制解资料显示(图2)，沿其东侧实皆断裂主要分布着一系列浅源地震，其中实皆断裂中段以纯走滑型地震为主，与实皆断裂右旋走滑的运动性质相符合；实皆断裂北侧和南侧则分布着一系列逆冲型地震，震源机制解P轴方向整体为NE向，反映了实皆断裂南北两侧的应力环境以NE向的挤压为主。缅甸弧俯冲带西侧分布着一系列浅源地震，震源机制解类型较为复杂，总体上以21.5°N附近为分割线，其北侧震源机制以走滑为主，南侧以正断为主，反映了该区域浅部较为复杂的应力环境(图3)。缅甸弧地区中源地震震源机制以逆冲型为主，随着震源深度的增加，这一特征更为明显。

图2 缅甸弧地区MW≥5.0(a)、MW≥6.0(b)地震震源机制解

图3 缅甸弧地区MW≥5.0地震震源机制解随震源深度和纬度分布

值得关注的现象是，缅甸弧地区中源地震震源机制解B轴方向沿纬度具有一定的分布规律，北侧B轴在水平面上投影方向以NWW-SEE方向为主，南侧转为SWW-NEE方向。假设缅甸弧板块俯冲方向垂直于俯冲带边界，且整体自西向东俯冲，单元俯冲板片俯冲方向在水平面上的投影见图4a。由图可见，缅甸弧俯冲边界整体呈半圆弧状，向东侧弯曲，在24°N以北区域(图4a中粉色区域)，板块整体俯冲方向为NW-SE向，在23°N以南区域(图4a中蓝色区域)为SW-NE向，23～24°N区域(图4a中绿色区域)为近W-E向。由于俯冲边界的弧形弯曲，致使相邻单元板片俯冲方向出现多处相交，以23°～24°N区域最为显著。假设俯冲到70～160 km以下的板片仍为脆性岩石结构，随着俯冲深度的增加，俯冲方向所在延长线相交，意味着相邻单元板片之间在垂直于俯冲方向上的相互挤压作用力逐渐增强，最终可能导致脆性板片内部形成以俯冲方向为走向的逆冲型破裂，理论上逆冲地震震源机制解B轴方向或断层面走向应与俯冲方向一致。

出现上述破裂机制的可能性随着俯冲深度的增加不断增大，以位于缅甸弧俯冲带上震源深度≥100 km的所有MW≥5.0地震为样本，对断裂面走向进行分区域统计。如图4b所示，在24°N以北区域，地震破裂面走向以SE向为主，在23°N以南区域则以SW向为主导，在23～24°N区域则多为近EW方向。该统计结果表明：断层面走向与俯冲方向存在高度一致性，支持上述关于俯冲带中源地震破裂机制的假设，这些中源地震仍为脆性板片内部岩石的挤压破裂，在计算库仑应力时可沿用常规浅源地震的计算方法。

图4 缅甸弧俯冲带边界及单元板片俯冲方向在水平面的投影(a)和不同纬度范围中源地震断裂面走向比例分布图(b)

另外，在震源稍浅的区域还发育有P轴方向与俯冲方向一致的逆冲型地震，倾角一般较小，这些地震与发生在俯冲带的大多数浅源地震类似，可能是由上驮板块与下伏板片之间摩擦运动所导致，如2011年3月11日日本MW9.0地震(李圣强等，2013)以及2015年4月25日尼泊尔MW7.8地震(刘静等，2015)，主震震源机制解均表现出相似的特征，尽管2次地震分别为洋-陆碰撞和陆-陆碰撞模式形成的大型逆冲型地震，但二者的震源机制解均揭示了俯冲板片克服上驮板块一侧的挤压力导致地震发生的物理机制。

3 库仑应力计算结果及分析

通过理论模型实验考察不同类型单次强震对川滇地区主要断裂的影响。实验需要建立理论地震模型，计算川滇地区主要断裂的同震库仑应力大小。计算时，地震震级统一取为MW7.0，破裂尺寸及位移距离根据Wells和Coppersmith(1994)研究中的经验公式，在已知矩震级和震源机制解的前提下进行换算，破裂方式均假设为双侧均匀破裂。

根据前文对缅甸弧地区强震震源机制解特征以及推测的中源地震发震机制的分析，首先考察典型中源强震对川滇地区的影响，震源模型经纬度、深度以及震源机制解均参考真实发生在缅甸弧的MW≥6.0地震。测试的中源地震模型分别为：B轴沿俯冲方向的逆冲型地震，P轴沿俯冲方向的逆冲型地震其参数见表3。同震库仑应力计算结果如图5a，b所示，2次中源地震对川滇地区的应力加载作用量级均较小，最大仅为0.001～0.01 bar，其中1号地震模型应力加载区主要集中在小滇西地区(图5a)，2号地震模型集中在滇西南地区(图5b)，由于中源地震模型具有较深的震源深度，因此对川滇地区的应力加载作用十分有限。

实皆断裂运动性质较明确，区域构造环境相对简单，其上发生的浅源强震震源机制较为稳定，且与川滇地区距离最近。选取发生在实皆断裂中段的右旋走滑型浅源地震以及实皆断裂北段逆冲型浅源地震(表3)作为地震模型，计算得到川滇地区同震库仑应力如图5c，d所示。由于震源深度的差异，且与川滇地区距离更近，3，4号地震模型对川滇地区的应力加载作用明显较中源地震强，最高值达0.01～0.1 bar，其中3号地震模型对云南西部地区存在明显加载作用，库仑应力最高值位于小滇西附近(图5c)，4号地震模型对小滇西大部分区域则为应力卸载，但对滇东北地区至鲜水河断裂带均有较显著的应力加载作用，且明显强于3号地震模型(图5d)。

表3 地震模型震源参数

图5 1号(a)，2号(b)，3号(c)和4号(d)地震模型对川滇地区主要断裂同震库仑应力计算结果

考虑1969—2018年缅甸弧地区MW≥6.0的9次中源地震对川滇地区的影响，从1969年10月17日第1次中源地震开始(表1)，以每一次中源地震的发震时刻作为时间切片计算该时刻在川滇地区累积的库仑应力，终止时间为2018年12月31日。如图6所示，1988年8月6日MW7.2地震由于震级大且震源深度相对较浅(92 km)，震后造成川滇地区应力出现大幅变化，最大累积库仑应力达0.01～0.1 bar，位于小滇西—滇西北附近地区(图6c)。该地震发生后，缅甸弧地区陆续发生多次MW≥6.0中源强震，但由于震级均小于MW7.0，单次地震影响有限(参考1，2号模型地震计算结果)，随着时间的推移，川滇地区累积库仑应力整体呈现减小趋势。截至2018年底，最大累积库仑应力仅在小滇西和滇西北局部地区达到0.001～0.01 bar，其余地区均小于0.001 bar(图6d～j)。因此，仅当在缅甸弧地区发生的中源地震的震级较强(MW≥7.0)，且震源深度较浅(<100 km时)，才可能在川滇地区产生一定程度的应力加载，一般情况下，缅甸弧地区中源强震的发生在川滇地区累积的库仑应力量级不会超过0.01 bar。

图6 缅甸弧地区中源强震对川滇地区主要断裂累积库仑应力时间进程(以9次中源地震发生后第1天及2018年12月31日作为时间切片)

图7为1969—2018年缅甸弧地区浅源地震在川滇地区累积的库仑应力计算结果，计算方法同中源地震。尽管缅甸弧地区浅源地震震级整体低于中源地震(表1)，但由于距离优势，对川滇地区的影响明显强于中源地震。1992年6月15日一次MW6.3地震就能够造成小滇西地区累计库仑应力的明显增强(图7d)，随后1994年5月29日MW6.5地震的发生，使小滇西地区最大累积库仑应力达到0.01～0.1 bar(图7e)。此后缅甸弧地区发生的浅源地震震级均≤MW6.8，但与中源地震结果相反，浅源地震所造成的累积库仑应力在不断增强，截至2018年12月31日，尽管最大累积库仑应力始终未能超过0.1 bar，但小滇西大范围地区库仑应力大小达到0.01～0.1 bar。

图7 缅甸弧地区浅源强震对川滇地区主要断裂累积库仑应力时间进程(以9次浅源地震发生后第1天及2018年12月31日作为时间切片)

图8为1969—2018年缅甸弧地区19次MW≥6.0地震在川滇地区的累积库仑应力，由于中源地震的影响较小，截至2018年12月31日与单纯考虑浅源强震的结果基本一致，说明从应力触发的角度来看，缅甸弧地区强震对川滇地区主要断裂的应力加载作用以浅源地震占主导，中源地震除震级≥MW7.0，且震源深度较浅等特殊情况外，在川滇地区所造成的库仑应力变化一般可忽略不计。

图8 1969—2018年缅甸弧地区所有MW≥6.0强震对川滇地区主要断裂累积库仑应力计算结果(截至2018年12月31日)

4 缅甸弧中源地震与川滇地区强震统计关系

根据中国地震台网中心全球7级强震目录，1900—2000年缅甸弧俯冲带共发生5次MS≥7.0地震，统计川滇地区在后续1年以及1～2年内发生的所有MS≥6.0地震，发现这些地震的震中位置在空间上形成明显分界：震后1年内地震分布在滇西南—小滇西—川滇藏交界附近，距缅甸弧相对较近；而震后1～2年地震分布在龙门山断裂—川滇交界中部—滇南附近地区，距缅甸弧相对较远(图9)。缅甸弧地区中源强震的发生，对川滇地区的地震活动性似乎存在一定影响，且随时间的推移影响的距离逐渐增大，因此，从地震活动性的统计学角度来看，缅甸弧中源地震与川滇地区强震在时空上具有明显相关性。另外，川滇地区在缅甸弧地区中源强震后1年内发生的MS≥6.0地震的空间位置，与图5a，b中累积库仑应力超过0.001 bar的区域具有一定的一致性，可能反映了中源地震的应力影响在其中发挥着一定的作用。

图9 1900—2018年缅甸弧附近MS≥7.0中源地震与后续2年内川滇地区MS≥6.0地震统计关系Fig.9 Statistical relationship between intermediateMS≥7.0 earthquakes near Burma arc and theMS≥6.0 earthquakes in the Sichuan-Yunnan region occurred within the subsequent 2 years from 1900 to 2018

5 结论及讨论

本文收集了1969—2018年缅甸弧附近地区共170次(浅源94次、中源76次)地震的震源机制解，通过分析这些地震的空间位置及震源机制解特征，得到以下结论：

(1)缅甸弧东侧实皆断裂中段，地震震源机制以右旋走滑型为主，与断裂运动性质相符，实皆断裂南北两侧多发逆冲型地震，主压应力方向为近NE向。

(2)缅甸弧中部多为发生在俯冲板片上的逆冲型中源地震，震源深度较深时，震源机制解B轴方向与单元板片俯冲方向一致，可能是相邻单元板片之间相互挤压导致的脆性破裂；震源深度较浅时，部分地震P轴方向与俯冲方向一致，且倾角较小，可能反映了下伏板片与上驮板块之间的摩擦运动。

(3)缅甸弧西侧浅源地震震源机制解以走滑及正断型为主，总体上以21.5°N附近为分割线，其北侧走滑型占主导，南侧正断型占主导，反映了该区浅部较为复杂的应力环境。

在对缅甸弧地区中源地震发震机制进行合理假设的基础上，通过建立缅甸弧至川滇地区粘弹性介质模型，以川滇地区51条主要断裂、129个断层段、2 112个断层离散点作为接收断层模型，分别计算了单次地震模型，缅甸弧地区中源、浅源及19次MW≥6.0地震对川滇地区的累积库仑应力，根据计算结果得到以下结论：

(1)缅甸弧地区单次中源地震对川滇地区应力加载作用主要集中在小滇西及滇西南地区，MW7.0地震引起的最大同震库仑应力范围为0.001～0.01 bar。

(2)实皆断裂单次浅源地震对川滇地区的应力加载作用主要集中在小滇西及滇西北地区，MW7.0地震引起的最大同震库仑应力范围为0.01～0.1 bar。

(3)缅甸弧地区中源地震对川滇地区累积库仑应力影响较小，仅当地震震级较强(MW≥7.0)，且震源深度较浅(<100 km)时，才可能产生一定应力加载作用，一般情况下，中源地震在川滇地区的累积库仑应力不超过0.01 bar。

(4)缅甸弧地区浅源地震在川滇地区累积的库仑应力明显强于中源地震，从应力触发角度来看，缅甸弧地区强震对川滇地区的应力加载作用以浅源地震占主导，中源地震一般可忽略不计。

(5)截至2018年12月31日，1969—2018年缅甸弧地区所有MW≥6.0地震对川滇地区的最大累积库仑应力小于0.1 bar，应力加载作用最强的区域集中在小滇西—滇西北附近地区。

尽管缅甸弧地区中源强震在统计上对后续川滇地区地震活动具有某种程度的影响，但正如前面所提到的，其对川滇地区的应力加载作用非常有限，一般不会超过0.01 bar。根据以往研究，当库仑应力超过0.1 bar时，才会对断裂具有明显的加载作用，引发强震(Stein，Lisowski，1983)，而即使考虑1969—2018年所有浅源和中源地震的影响，对川滇地区的累积库仑应力最大值依然小于0.1 bar。因此，缅甸弧地区中源强震的应力加载作用，可能是后续在川滇地区地震活动的影响因素之一，当同时满足较高的背景应力等其他因素时才会导致地震的最终发生。另外，中源地震的发生可能反应了更大尺度上印度板块向欧亚板块推挤作用的增强，这可能是促进川滇地区后续强震活动的一个重要因素。对比缅甸弧地区中源、浅源强震对川滇地区的应力影响，表明浅源地震要显著强于中源地震，因此在关注缅甸弧地区中源地震对川滇地区影响的同时，还应对浅源强震给予足够的重视。