天山地震带应力状态分析①

雷啸宇， 聂晓红， 马学军， 赵鹏毕， 沙木哈尔·叶尔肯

(1. 新疆维吾尔自治区地震局新源地震台，新疆 新源 835800； 2. 新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震发生受到应力场制约，地壳运动时地下介质受到地应力的作用，应力积累到一定时期后能量释放形成地震。对构造应力场的研究属于地球科学的分支之一，区域构造应力场的获取能够为该区域的受力情况、地震活动及孕震环境提供良好背景资料。现如今地应力测量、断层滑动测量和震源机制解数据丰富，为中国地壳应力场研究提供基础资料。目前国内学者在构造应力场方面的研究方法也比较多，如P波极性法、断层滑动方向拟合法、震源机制解法等。其中基于地震震源机制解反演构造应力场是研究地球动力的主要方法之一[1-2]，由于震源机制解能够反映震源断层的力学特征，揭示地震破裂的力学机制，反映出地震等效释放应力场；还可以提供断层的走向、倾角、滑动角及应力释放的定量信息；且随着台站密度增大和震源机制解解算方法的增多(P波初动法，CAP方法，HASH方法等)，可以求解的震源机制解震级下限明显减小，得到震源机制解结果明显增多，又具有较好的准确性，这使得运用震源机制解反演构造应力场更为容易。高国英等利用新疆2003～2008年74次中强震震源机制解资料反演新疆构造应力场的基本特征；结果显示新疆主要受近NNE向水平挤压应力制约[3]；龙海英等利用北天山地区2000～2006年27次中强地震震源机制解资料反演分析北天山中东段区域构造应力场主要受NS向水平挤压作用[4]；李金等利用天山地震带2003～2014年306个震源机制解数据，将天山地震带划分网格进行应力张量反演，得到天山地震带主应力轴为NS向，局部区域呈现NNW及NNE向[5]。与前人研究不同的是，本文中拟运用更多数量的震源机制解资料对天山地震带区域构造应力场进行长时间、整体范围的反演，以期得到其空间分布特征。

1 资料与方法

1.1 构造背景资料

新疆地区地震活动频度高、强度大，地震深度多为浅源，与地区地质构造展布方向相一致呈条带分布。其中天山地震带活动断裂多，结构复杂，是新疆境内主要的强震活动区域，1900年以来强震的活跃时段为1902～1914年，如1906年玛纳斯MS7.7地震、1914年巴里坤MS7.5地震等。地震发生的类型以主震―余震型为主，震群型地震较多。图1显示北天山地震带地震构造以近EW向逆冲断裂为主，有大河沿―洛包泉、博格达弧、吐鲁番盆地中央褶皱断裂带和清水河子、霍尔果斯―吐谷鲁、库西木楔克、喀什河、恰克布河、特克斯河等断裂，以及NW向艾比湖―伊连哈比尔尕右旋逆走滑断裂。南天山地震带东段地震构造主要是近EW向的逆冲断裂，分布有洪水沟、北轮台、拉山山前、却勒塔格等断裂。西段地震构造为EW向逆冲断裂带，分布有柯坪、乌什、铁列克巴什、托特拱拜孜―阿尔帕勒克等断裂，以及NW向的塔拉什、费尔干断裂和NN向的皮羌断裂[6]，历史上中强地震大多在这些断裂上发生。因此，获取天山地震带的构造应力场，对其构造变形和强震发生的动力学机制具有重要的意义。且随着中国地震事业的发展，新疆地震台网也更加密集，这些数量丰富的台站为震源机制解的获取提供坚实基础,使记录到可计算震源机制解结果的地震数量和质量都得到很大的提高。

1.2 震源机制解数据

本文中所用震源机制解包括2个部分:新疆地震局提供的由高国英[7]、龙海英[8]、聂晓红[9]等利用已很成熟的P波初动法，求解得到的天山地震带2003～2013年MS≥3.5地震震源机制解；以及1976～2018年震级为4≤MW≤7、震源深度≤70 km精度较高的全球矩心矩张量[10-11]震源机制结果作为研究的基础数据资料，共得到符合要求的震源机制解数据520个，两部分重复地震的震源机制解以GCMT为准。

参照Zoback[12]世界应力图的划分标准(表1)，把震源机制解划分为6种类型。图2显示上述520个震源机制解的分布情况，正断型及正断兼走滑型的地震共56个，占总比例11%；过渡型(不确定型)地震共25个，占总比例5%；走滑型的地震共227个，占总比例43%；逆冲型及逆冲兼走滑型的地震共212个，占总比例41%。图中蓝色为正断型，绿色为不确定型，黑色为逆冲型，紫色为走滑型。图3显示震源机制解震级的分布情况，从各类型震源机制解具体数据和分布特征可以看出，天山地震带发生的地震多为逆走滑错动，其压力轴由NS到NE向。北天山地震带地震活动呈现西强东弱的特点，强震活动主要集中于乌鲁木齐以西[13]，其地震构造以近EW向逆冲断裂为主；南天山地震带地震活动整体强度较大，东段主要沿近EW向逆冲断裂发生，地震震级大且活动频度高，西段发生在EW向逆冲断裂带和NE―NEE向逆走滑断裂带上，类型大多为中强地震。

图3 天山地震带震源机制解震级分布图Fig.3 Magnitude distribution map of focal mechanism solution in Tianshan seismic belt

表1 震源机制解分类表

1.3 方法

大多数应力反演方法都有2个主要假设：① 断层的滑动方向与应力张量投影在断层面上的剪切应力的方向一致。② 研究区域内的应力场是均匀的。应力场的反演属于非线性反演问题，可采用网格搜索法得到一组与震源机制达到最优拟合的应力张量来反映应力场方向；线性化求解时也可以通过最小二乘法求得[14]。

本文中采用Hardebeck和Michael[15]提出的基于震源机制解来反演应力场的方法。Hardebeck和Michael对数据选取方法以及选取不同数据反演后对结果的影响做过大量的分析研究。确定应力张量反演的准则有2个：① 使每个小区域的构造应力和震源机制的残差达到最小。② 反演过程中加入合理的阻尼系数消除传统应力场反演方法中应力旋转的人为因素，使反演的相邻区域的应力张量变化最小。Lund和Townend从数学上推导出由应力张量严格计算最大水平主应力方向的公式和方法[16]，可以得到“真实的”最大水平主应力方向。识别最大水平应力的常规方法是简单地采用最大近水平主应力的水平投影方向，但该情况只有当应力张量中的其中一个主应力轴严格垂直时才是适用的。本文中使用Martínez-Garzón等[17]采用MATLAB编写的MSATSI程序，计算出天山地震带的构造应力场。该程序是在大量的、分散的震源机制解资料的基础上，在反演之前将这些震源机制解分配到许多子区，进行小区域精细构造应力场的研究。另外通过阻尼最小二乘反演[18]，在反演过程中加入阻尼系数对空间相邻应力场增加平滑约束来得到应力场整体的空间分布特征。所以为了更好的约束反演结果，选取一个最优阻尼系数十分重要，可以更好地在反演过程中分配观测值与理论值误差项和模型长度项的相对权重。阻尼系数选取越大，造成平滑约束越紧，随模型的简化，误差会越大；阻尼系数选取越小，模型复杂程度提高，误差虽然改善但观测值与理论值的匹配度降低[14-15]。根据MSATSI软件包提供的方法，得到应力场反演的模型长度及拟合误差的折中曲线(图4)。折中曲线上所标注数字为阻尼系数，曲线拐点处取得λ=1.1即为最佳阻尼系数。

图4 拟合误差和模型长度之间的折中曲线图Fig.4 Compromise curve between fitting error and model length

2 应力场反演

2.1 反演过程

将天山地震带划分为1°×1°的网格，运用MSATSI软件对每个网格反演得到最佳拟合应力张量，反演过程中每个网格的震源机制解≥1个，但程序会利用邻近网格点及其周围一定范围内的多个震源机制解进行应力张量平滑约束。反演应力场参数的不确定度采用重采样的方法进行评估，即对全部数据进行抽样评估，计算中重采样的默认范围为1 000～5 000次，置信水平的可设定范围为68%～95%，其中采样的迭代次数对于解的不确定度评价至关重要，重采样次数过少会导致结果没有可信度，次数过多会导致计算量很大，且计算时间冗长[17]。本文中设置为2 000次，并在95%置信度下进行。经过计算可得出4个参数，分别是最优状态下3个主应力轴σ1、σ2、σ3(最大、中间、最小主压应力)的倾角和方位角，以及应力形因子R值，

(1)

R值表示中间主应力轴(σ2)接近最大主应力轴(σ1)或者接近最小主应力轴(σ3)的一个度量，可以表示应力的空间形态。当R值接近于1.0时，表示最小主压应力(σ3)和中间主应力(σ2)大小接近，即中间主应力也表现出一定的拉张成分，处于双轴拉张状态；当R值接近于0时，表示最大主压应力(σ1)和中间主应力(σ2)大小接近，处于双轴压缩状态[19-20]。

2.2 结果分析

图5显示，天山地震带主应力方向表现出近NS向的挤压占优势，反映出印度板块向北移动并向欧亚板块碰撞以及由此产生对塔里木、准噶尔块体的挤压运动状态。研究区域内最大主应力σ1轴的方位由东到西呈现NNE―NS―NNW的渐变过程，其中少量局部区域方向不同。整体区域内应力场的主压应力倾伏角普遍较小，0.7°～40.48°，处于近水平的挤压状态。该反演结果与前人研究所得也较为一致[21]。图中最大主应力和最小主应力方向为三维空间矢量投影到水平面的结果，红色箭头代表主张应力轴最优方向，黑色箭头代表主压应力轴最优方向，投影线段越长表明该矢量越水平，反之越垂直。

图5 构造应力场反演结果Fig.5 Inversion results of tectonic stress field

将天山地震带划分为北天山地震带和南天山地震带，前者东起哈密地区呈近EW向沿至昭苏以西的哈萨克斯坦境内，后者东起库尔勒沿西向至阿克苏，在乌恰以西地段向西至吉尔吉斯斯坦境内，并且南天山地震带可分为东西两段，库尔勒以东至阿克苏为东段，乌什至阿图什、乌恰―带为西段[6]。本文中反演后得出北天山地震带主压应力方向以NNE向为主，北天山西段为NS向。这与蒋靖祥等运用1985～2012年新疆地震区钻孔应力、应变连续观测资料研究得到的北天山相对应力场为NNE向的结果[22]及李金等利用地震震源机制解进行应力张量反演得到北天山主压应力方向由西到东呈现NS―NNE的结果相一致[5]。乌鲁木齐周边及其以东地区为NNE向，与高国英等运用乌鲁木齐周边中强震震源机制解反演得到的结论一致[23]。南天山西段以NNW向为主的结果，与李德东等利用岩墙雁列段判断区域最大压应力方法，得出南天山西段主压应方向为NNW向的结论基本一致[24]。但喀什―乌恰交汇区最大主应力方向与其他地区略有不同，呈现出NNE向，研究结果认为，这种现象是块体与断裂的相互作用而导致应力非均匀分布的原因。构造应力的非均匀分布具有层次性和相关联性，它既反映了地壳动力作用空间和时间尺度上的统一性，同时也反映了区域构造作用的差异[3]；在南天山地震带西段西南方向的帕米尔弧形构造[25]，其近EW走向的顶部主压应力方向为NNW向，而NW走向的东侧主压应力方向为NNE向，显示出帕米尔弧形构造在受到印度板块向欧亚板块碰撞产生的NS向挤压作用的同时，其东侧也很大程度上受到塔里木块体顺时针旋转作用的影响。南天山东段最大主应力方向以NNE向为主，并保持良好的一致性。该应力场的反演结果表明，研究区内的主压应力虽然发生轻微变化，整体还是受到印度板块向北移动并向欧亚板块碰撞形成的NS向挤压。在这样的挤压背景下，主压应力由南天山西段的NNW向逐渐偏向NNE向，与天山山脉的走向较为一致，也说明其挤压造山的背景构造应力状态。

从主要几条分布于天山地区各处断裂带的应力状态来看，都受很强的NS向压应力作用，张应力作用较弱，且张应力大多与构造走向一致或者相近。如斜切天山，从哈萨克斯坦萨赛科利湖和阿拉湖西岸向南东延伸，经艾比湖西岸，一直延伸到新疆吐鲁番盆地南缘1 260 km的博罗科努活动断裂带，其主压应力轴由东向西呈NNE―NS向的渐变过程，北西段为近NS向，东南段为NNE向；250 km的喀什河活动断裂带，断裂走向近EW向，其主压应力为近NS向的垂直挤压；走向NWW向的霍拉山前活动断裂，其主压应力轴整体呈近NNE向；220 km的克萨勒活动断裂带，其主压应力轴整体呈NNW向；走向NEE向的柯坪活动断裂带，其主压应力轴整体呈NNW向；220 km的马尔坎苏―乌衣塔克活动断裂带，其北西段主压应力轴方向为NNW向，东南段为NNE向。这些断裂带的主压应力方向与其走向及延展方向的交角较大，表明天山地区构造主要受挤压应力作用。

表2显示，天山地震带除个别区域外，R值普遍高于0.5，整体数值偏大，表明最小主压应力轴与中间应力轴表现的张应力状态一致，即中间应力轴也表现出一定的拉张成分，只是他们的量值较最大主压应力仍然偏小。 天山地震带主要受印度板块向北推挤所产生的近NS向的挤压应力作用而产生强烈隆升变形，而较大的R值表明区域的主张应力轴与中间应力轴较接近，可能是形成其山脉东西向展布的原因。一般R值较大区域的隆升程度大多会低于R值较小的区域，如乌恰以北的塔吉克盆地，北天山中段的伊犁盆地、尤鲁都斯盆地周围均有较大的R值分布。而南天山西段的小R值区域，是帕米尔弧形构造向北推挤南天山造成的显著差异应力作用。另外需要说明的是，本文中推断天山地震带周围中小型盆地因R值大，其隆升程度不如其他地区是在假设挤压运动分量一致的情况下推测的。

表2 应力场反演结果

续表2

3 结 语

基于1976～2018年天山地震带520个符合要求的地震震源机制解数据，运用阻尼最小二乘反演得到研究区内的应力场的空间分布特征，分析其应力状态及应力形因子的分布情况，结果表明：(1) 天山地震带主压应力方向主要表现为近NS向，但由于印度板块向北的挤压应力分布并不均匀，其最大主压应力轴在不同地区发生偏转，最优方向从东到西呈NNE―N―NNW向的渐变过程。(2) 北天山地震带西段主压应力方向为NS向，东段及乌鲁木齐周边为NNE向；南天山地震带西段主应力方向为NNW向，东段为NNE向，其中西段中喀什―乌恰地区周围主压应力方向为NNE向的情况，是块体与断裂的相互作用而导致应力非均匀分布的原因。(3) 研究区R值普遍较大，表明区域的主张应力轴与中间应力轴较接近，表现一定张性成分，但相对NS向挤压来说这两者均较小。