川滇地区的震源机制解及应力场特征

张致伟 龙 锋 赵小艳 王 迪

1)四川省地震局， 成都 610041 2)成都理工大学， 地球物理学院， 成都 610059 3)云南省地震局， 昆明 650224

0 引言

川滇地区位于青藏高原东南缘， 第四纪时期以大规模水平剪切变形为主， 兼有强烈的隆升运动(邓起东等， 2002； 徐锡伟等， 2003)， 形成了一系列规模不等、 力学性质不同的活动断裂(带)。由于强烈的地壳形变特征， 川滇地区的地震活动十分强烈， 1900—2017年川滇及邻区(图1a 中的矩形区域)共记录到7级以上地震39次， 2008年以来先后发生了四川汶川8.0级、 青海玉树7.1级、 缅甸7.0级、 四川芦山7.0级和九寨沟7.0级地震。川滇及邻区被东昆仑断裂带(F1)、 龙门山断裂带(F2)、 鲜水河断裂带(F5)、 安宁河断裂带(F6)、 则木河断裂带(F7)、 小江断裂带(F11)、 丽江-小金河断裂带(F12)、 金沙江断裂带(F14)及红河断裂带(F17)等大规模活动断裂分割， 可划分为马尔康地块(Ⅰ)、 华南地块(Ⅱ)、 羌塘地块(Ⅲ)、 川西北地块(Ⅳ1)、 滇中地块(Ⅳ2)、 滇西地块(Ⅴ)及滇西南地块(Ⅵ)(图1b)(邓起东等， 2002； 徐锡伟等， 2003； 张培震等， 2003)。

图 1 1900年以来青藏高原M≥7.0地震(a)及川滇地区活动地块与断裂带分布(b)Fig. 1 Spatial distribution of M≥7.0 earthquakes in the Tibet Plateau since 1900(a)and active block and fault zones in Sichuan and Yunnan area(b).Ⅰ 马尔康地块； Ⅱ 华南地块(四川盆地)； Ⅲ 羌塘地块； Ⅳ 川滇菱形地块； Ⅳ1川西北地块； Ⅳ2滇中地块； Ⅴ 滇西地块； Ⅵ 滇西南地块。F1东昆仑断裂带； F2岷江-虎牙断裂带； F3龙门山断裂带； F4甘孜-玉树断裂带； F5鲜水河断裂带； F6安宁河断裂带； F7则木河断裂带； F8大凉山断裂带； F9马边-盐津断裂带； F10莲峰-昭通断裂带； F11小江断裂带； F12丽江-小金河断裂带； F13理塘断裂带； F14金沙江断裂带； F15德钦-中甸-大具断裂带； F16程海断裂带； F17红河断裂带； F18曲江断裂带； F19怒江断裂带； F20畹町断裂带； F21南汀河断裂带； F22龙陵-澜沧断裂带

20世纪70年代以来， 众多学者对川滇地区的震源机制和构造应力场开展了大量研究工作， 总体认为川滇地区的震源机制分区明显， 应力场自北向南呈现顺时针旋转的特征(阚荣举等， 1977； 钱洪等， 1980； 成尔林， 1981； 许忠淮等， 1987； 谢富仁等， 1993， 2004； 徐纪人等， 1995； 崔效锋等， 1999， 2005， 2006； 程万正等， 2003； 刘平江等， 2007； 马文涛等， 2008； Zhaoetal.， 2013； 罗钧等， 2014； 王晓山等， 2015； 孙业君等， 2017； Yangetal.， 2018； 李君等， 2019； Tianetal.， 2019)。阚荣举等(1977)依据震源机制解和破裂带资料， 提出川滇菱形地块相对外围区域有向SSE移动的趋势； 许忠淮等(1987)利用1975—1984年期间的小地震P波初动数据研究了川滇地区的地壳应力场特征， 认为主压应力方位由北向南呈现比较规则的转动， 倾角皆为水平； 谢富仁等(1993)研究认为中国西南地区的现代构造应力场自第四纪早更新世末期或中更新世以来是持续稳定的， 最大主应力轴方位由北到南呈规则转动的趋势； 徐纪人等(1995)基于1933—1991年的134次中强地震的震源机制解详细分析了南北地震带南段的区域应力场， 其压应力P轴在川滇西部地区呈NE-SW向， 东部地区则表现为NW-SE向， 空间上形成倒“V”形； 马文涛等(2008)基于美国哈佛大学1977—2008年124次地震的震源机制解研究认为川滇及邻区地壳变形的最新格局为川滇菱形块体东边界的断裂带上产生大的剪切位移和变形， 红河断裂带呈现大的右旋剪切运动， 金沙江至丽江-小金河断裂带之间形成了大面积的应力拉张区； Zhao等(2013)和Tian等(2019)认为云南地区不同时段的震源机制及应力场特征较为一致， 应力类型以走滑型为主， 最大主压应力呈现顺时针旋转； 罗钧等(2014)反演获得了川滇块体及周边2007—2013年75次3.5级以上地震的震源机制解， 分析认为川滇块体及周边地区应力场具有非均匀性， 破裂方式主要受到各个断裂带的构造活动及次级块体之间相互作用的控制。

以往的研究多利用少量的震源机制解分析川滇地区应力场的空间分布， 而未对强震前后川滇地区应力场的时间演化特征开展研究。本文拟在前人研究的基础上， 基于更加丰富的资料， 详细分析川滇地区各次级地块和不同断裂带的地震震源机制类型及应力场， 深入研究汶川8.0级和芦山7.0级强震前后川滇地区应力场的变化， 探讨川滇地区现今应力场的时空演化特征。

1 资料和方法

1.1 资料

川滇地区的震源机制集中分布在龙门山断裂带、 鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带、 马边-盐津断裂带、 莲峰-昭通断裂带、 丽江-小金河断裂带及其以南的滇中地块、 滇西地块和滇西南地块。从4级以上地震的震源机制类型(图2b)来看， 川滇地区总体以走滑型地震为主， 但又存在局部差异： 金沙江断裂北缘、 理塘断裂带、 德钦断裂带南段与丽江-小金河断裂带南西段的交会部位主要表现为正断型， 而龙门山断裂带和马边-盐津断裂带附近则较为复杂， 各种类型均存在。

图 2 川滇地区ML≥3.0(a)、 ML≥4.0(b)地震的震源机制分布(地块和断裂同图 1)Fig. 2 Spatial distribution of ML≥3.0(a)， ML≥4.0(b)focal mechanism in Sichuan and Yunnan area(Blocks and faults are same as Fig. 1).

1.2 方法

根据地震震源机制估计应力场的方向是理解地壳力学以及地震物理现象的一种相关方法。一般情况下， 各种方法是以假定应力场空间分布均匀为前提的(Angelier， 1979； Gephartetal.， 1984； Michael， 1984； 崔效锋等， 1999)。为了求解非均匀的空间应力场特征， Michael(1991)提出了叠加应力场反演方法(SSI， Superposition Stress Inversion)， 通过在均匀应力场上叠加扰动模拟非均匀应力场的分布， 可给出压应力轴S1、 中等应力轴S2和张应力轴S3的方向及相对应力大小：

(1)

其中， 相对应力大小φ是判断S2的值接近S1还是接近S3的度量， 有助于区分应力场的类型(万永革等， 2011； 万永革， 2015； 王晓山等， 2015)。

为了获得更精细的局部区域应力场特征， Hardebeck等(2006)参考其他地球物理领域中的阻尼最小二乘反演方法， 提出了区域尺度的应力张量阻尼反演方法。该方法的关键技术是在原有应力场反演的基础上引入阻尼参数， 以控制理论值与观测数据之间的错配值和模型复杂程度的相对权重， 通过两者拟合误差之间的折中曲线构建一组可调整的阻尼参数模型， 并采用平滑约束抑制相邻单元之间应力模式的差异， 然后使用最小二乘法得到稳定解， 具体的反演过程详见文献(Hardebecketal.， 2006)。

2 结果

2.1 震源机制特征

基于川滇地区ML≥3.0地震震源机制解(图2a)， 按照Frohlich(2001)提出的震源机制评估方法对震源机制相对密集的次级地块和断裂带(分区见图2a)进行量化分类(图 3)， 震源机制类型的个数及所占比例详见表1。结果显示， 川滇地区总体以走滑型地震为主， 但又存在局部差异。鲜水河-安宁河-则木河-小江、 莲峰-昭通、 丽江-小金河、 红河等断裂带和川西北、 滇中、 滇西和滇西南等地块的走滑型地震所占比例均超过50%， 最高可达60%(表1)。罗钧等(2014)和李君等(2019)的研究结果与本文较为一致， 同样认为川滇菱形块体东边界及其以东的大凉山、 莲峰-昭通等断裂带以走滑型地震为主。众多学者通过研究均认为滇中、 滇西和滇西南等地块所在的云南地区震源机制也以走滑型为主(Zhaoetal.， 2013； 孙业君等， 2017； Tianetal.， 2019)。青藏高原物质东移， 受华南块体阻挡， 导致川滇菱形块体上部地壳沿断层滑移(Liuetal.， 2014)， 是造成川滇菱形地块内部及其东边界以走滑型地震为主的根本动力学原因。龙门山断裂带的地震主要为逆冲型， 所占比例为45%， 其次为走滑型， 占29%。该带参与统计的地震主要为汶川余震序列， 已有学者研究发现， 沿着汶川主破裂带方向自西南向东北， 震源机制类型由开始的以逆冲为主逐渐转变为以右旋走滑为主(王勤彩等， 2009； 郑勇等， 2009)； 马边-盐津断裂带的地震类型则较为复杂， 走滑型和逆冲型地震相对较多， 这与已有的研究结果较为一致(程万正等， 2006； 李君等， 2019)。对于马边-盐津断裂带南端与马边以北的断裂带， 震源机制显示逆冲分量明显大于走滑分量， 而马边-盐津断裂带中段则以走滑为主， 逆冲分量减小(易桂喜等， 2010)； 四川盆地的地震类型最为复杂， 没有明显的优势类型， 且不确定型地震所占比例均高于其他区域， 表明四川盆地的地震成因复杂。分析认为， 该现象一方面可能受汶川和芦山强震的影响， 另一方面也与当地工业活动有一定关系。总体来看， 除了龙门山断裂带和四川盆地受强震和其他因素影响外， 川滇地区震源机制类型特征具有较好的继承性。

图 3 川滇地区各次级地块及断裂带地震的震源机制分类图Fig. 3 Classification map of focal mechanisms of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area.

表 1 川滇地区各次级地块及断裂带地震震源机制类型的个数及比例Table1 Number and proportion of focal mechanism types of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area

图 4 川滇地区各次级块体及断裂带的应力主轴球面投影图Fig. 4 Projection of principal stress axis of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area.

2.2 应力场特征

本文基于川滇地区ML≥3.0地震震源机制解(图2a)， 采用Michael(1991)提出的叠加应力场反演方法(SSI)， 计算获得了川滇地区震源机制相对密集的次级地块和断裂带(分区见图2a)的主应力轴S1、S2、S3、 应力形因子(R)、 方差(Var)和应力类型， 其空间分布如图 4 所示， 应力参数详见表2。同时， 我们也收集了其他研究人员的结果(表2)， 并进行了对比分析。

表 2 川滇地区各次级地块及断裂带的应力主轴参数Table2 Parameters of principal stress axis of sub blocks and fault zones in Sichuan and Yunnan area

川滇地区复杂的应力场揭示出青藏高原东南缘这个特殊部位的应力场具有非均匀性， 自北向南压应力方向有顺时针旋转的特征： 龙门山断裂带的压应力近EW向， 经川滇菱形地块以东的NWW向和川滇菱形块体内部的NNW向， 转为川滇菱形地块以西的NNE向。本文获得的川滇地区的应力场特征与已有的研究结果一致(阚荣举等， 1977； 成尔林， 1981； 许忠淮等， 1987； 谢富仁等， 1993， 2004； 徐纪人等， 1995； 程万正等， 2003； 罗钧等， 2014； 王晓山等， 2015)。分析认为， 在印度板块向N推挤、 青藏高原物质E向移动并被稳定的华南地块阻挡及缅甸板块拖拽的共同作用影响下， 川滇菱形地块东、 西存在2条应力转换带， 川滇地块以东压应力以NW向为主， 川滇地块以西压应力以NNE向为主。

2.3 主压应力特征

区域应力张量阻尼反演方法中， 阻尼参数e的取值对反演结果起着重要的作用， 该参数控制着理论值与观测数据之间错配值和模型长度(即模型复杂程度)的相对权重。根据如图 5 所示的折中曲线， 选择阻尼参数e=1.1作为反演过程中的相对权重系数。

图 5 模型长度与数据拟合误差之间的折中曲线图Fig. 5 Trade-off curve between model length and data variance for the full range of possible values of damping parameter e.

基于1970年1月—2017年3月川滇地区727次ML≥4.0地震震源机制解(图2b)， 以0.5°×0.5°的网格进行划分， 按照全球应力图的分类标准(Heidbachetal.， 2010)精细刻画了川滇地区主压应力空间分布(图6a)。

图 6 川滇地区应力场的时空演化特征Fig. 6 Spatial-temporal evolution of stress field in Sichuan and Yunnan area.a 1970年1月1日—2017年3月31日； b 1970年1月1日—2008年5月11日； c 2008年5月12日—2013年4月19日； d 2013年4月20日—2017年3月31日

川滇地区的主压应力存在明显的空间差异， 川西北地块的金沙江断裂北缘与理塘断裂带交会处、 德钦断裂带南段与丽江-小金河断裂带南西段交会部位的主压应力优势方向为近EW向， 属倾角较陡的正断应力类型， 钟继茂等(2006)计算得到金沙江、 理塘一带的主压应力方位同样近EW向， 该区域的地震主要受近SN向强烈的拉张作用控制(罗钧等， 2014)。龙门山断裂中北段及其西侧局部区域的主压应力方位近EW向， 而龙门山断裂南段和四川盆地的主压应力优势方位主要表现为NWW向， 属倾角平缓的逆冲应力类型。李君等(2019)获得了与本文相同的认识， 即龙门山断裂带主压应力方向从北段到南段经历了由近EW向至NW向的转变， 与早期认为的龙门山断裂带主压应力方向存在分段差异较为一致(阚荣举等， 1977； 成尔林， 1981)； 鲜水河断裂南段、 安宁河-则木河-小江断裂、 大凉山断裂、 马边-盐津断裂和莲峰-昭通断裂的主压应力方向为近NW向， 与罗钧等(2014)反演的结果一致； 丽江-小金河断裂及以南的滇中地块的主压应力方向为NNW向， 滇南地块的主压应力方向为近SN向， 滇西地块的主压应力方向则逐渐转变为近NNE向， 谢富仁等(2001)也认为滇西南地区的最大主压应力方向主要表现为NNE和SN向。Zhao等(2013)也通过研究发现云南地区的主压应力方向经历了从华南地块的NW-SE向滇西地块的NE-SW的逐渐转变。总体来看， 不同研究者采用不同时段的震源机制解反演获得的川滇地区主压应力方向较为一致， 说明应力场状态具有持续稳定性。谢富仁等(2004)研究发现中国大陆及邻区现代构造应力场在时间上同样具有相对的稳定性。

3 讨论

为了进一步讨论强震发生前后川滇地区的主压应力时空演化特征， 我们以汶川8.0级和芦山7.0级地震为界， 反演给出了3个时段的主压应力空间分布(图6b—d)。其中第Ⅰ时段为1970年1月1日—2008年5月11日、 第Ⅱ时段为2008年5月12日—2013年4月19日、 第Ⅲ时段为2013年4月20日—2017年3月31日。

第Ⅰ时段反演获得的川滇地区主压应力空间分布(图6b)显示， 汶川8.0级地震前， 除了龙门山断裂带及四川盆地周缘区域外， 其他区域的主压应力特征与整个时段反演的结果(图6a)一致， 龙门山断裂带及四川盆地南缘的主压应力方向为NWW向， 应力类型为走滑型， 这与刁桂苓等(2011)的认识类似， 汶川地震前基于不同时间范围与震级下限数据得到的震区应力场虽然均为走滑类型， 但主压应力方向与构造应力场一致。第Ⅱ时段反演的川滇地区主压应力空间分布(图6c)显示， 受汶川8.0级地震的影响， 震源所在的龙门山断裂带及四川盆地周缘的主压应力发生了较大变化， 龙门山断裂带的主压应力方向由NWW向转为近EW向， 应力类型由走滑型转为逆冲型， 四川盆地及其南缘的主压应力方向未发生改变， 但应力类型转变为逆冲， 其他区域的主压应力没有发生变化。第Ⅲ时段反演的川滇地区主压应力空间分布(图6d)显示， 芦山7.0级地震后， 除龙门山断裂带外， 其他区域的主压应力特征未发生明显变化， 龙门山断裂带及邻区的主压应力方向又转变为NW向， 与区域应力场的方向(阚荣举等， 1977)一致。总体来看， 汶川8.0级、 芦山7.0级地震发生前后， 震中所在的龙门山断裂带应力场完成了从基本应力场—变化应力场—基本应力场的一次完整变动过程， 刁桂苓等(2005)研究伽师强震系列应力场演化时， 同样发现1997年3月1日—2003年1月4日期间新疆伽师地区的应力场发生变化， 2003年2月24日起又恢复为基本应力场方向。

综上所述， 汶川和芦山2次强震发生前后， 震中所在的龙门山断裂带的应力场变化较大， 其东南侧的四川盆地应力场变化次之， 其他区域的应力场未发生明显变化。已有研究表明， 汶川、 芦山强震可能是巴颜喀拉块体向SE运动在龙门山构造带附近与稳定的华南地块碰撞、 挤压引起地壳缩短的产物(徐锡伟等， 2013)。因此， 从动力学的角度分析， 龙门山断裂带及东南侧的四川盆地受到了巴颜喀拉块体运动的直接和间接作用。

4 结论

本文基于丰富的震源机制解， 分析了川滇地区各次级地块和不同断裂带的震源机制类型及整体应力场， 深入研究了汶川8.0级和芦山7.0级强震前后川滇地区应力场的变化， 探讨川滇地区现今应力场的时空演化特征， 获得的主要认识如下：

(1)川滇地区的震源机制总体以走滑型为主， 但也存在局部差异。龙门山断裂带以逆冲型地震为主， 马边-盐津断裂带的走滑型和逆冲型地震相对较多， 四川盆地地震类型复杂， 没有明显的优势类型。

(2)川滇地区整体应力场存在明显的分区特征， 自北向南总体呈现顺时针旋转。压应力在龙门山断裂带和四川盆地表现为近EW向， 川滇菱形块体东边界呈NWW向， 菱形块体内部为NNW向， 滇西地块和滇西南地块则为NNE向。除龙门山断裂带、 马边-盐津断裂带和四川盆地的应力类型为逆冲型， 其他次级块体和断裂带的应力类型均为走滑型。

(3)四川地区的主压应力较云南地区复杂， 四川地区主压应力方向从西到东经历了EW—NW—EW的转变， 倾角表现为西陡东缓， 应力类型也经历了正断—走滑—逆冲的转变。云南地区的应力类型主要表现为走滑型， 且倾角水平， 主压应力方向存在差异， 在西部地区呈NNE向， 东部地区则表现为NNW向， 空间上形成倒“V”形。

(4)汶川8.0级和芦山7.0级强震发生前后， 应力场在龙门山断裂带变化较大， 四川盆地及其周缘变化次之， 其他区域未发生明显变化。龙门山断裂带的主压应力方向经历了NWW—EW—NW的转变， 完成了基本应力场—变化应力场—基本应力场的一次完整转变过程。

致谢四川省地震监测中心、 云南省地震监测中心为本研究提供了地震波形数据； CAP波形反演程序来源于美国圣路易斯大学的朱露培教授， 部分图件采用GMT软件(Wesseletal.， 1991)绘制； 河北省地震局王晓山高级工程师、 陕西省地震局杨宜海博士和中国地震局第一监测中心占伟研究员为本研究提供了诸多帮助； 审稿专家为本文提出了中肯的修改意见。在此一并表示感谢！