交角约90°共轭断裂的现今形变及对构造应力场的指示意义——以2019年MW≥6.4菲律宾地震序列为例

王雨晴 冯万鹏* 张培震

1)中山大学，地球科学与工程学院，广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，珠海 519082

2)南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，珠海 519082

0 引言

共轭断裂是在同一区域构造应力场作用下形成的一组交叉展布、剪切方向相反、大体同时发育的共轭剪切带。共轭系统的展布方向是恢复区域古构造应力场的主要地质学证据之一(万天丰，1984)，而2支共轭断层的二面角可以反映其形成过程中的地壳力学状态。研究共轭断裂的现今运动，有助于理解区域古应力状态，为进一步分析可能存在的地应力时空变化提供科学依据。

在野外地质调查中，交角为锐角的共轭构造系统较为常见。Anderson(1905)对该地质现象开展了研究，以库仑破裂准则为基础，认为区域主压应力方向为交角约60°的共轭角的平分线所指方向。后续研究发现存在另一类共轭系统，呈现钝角(约110°)的平分线对应区域最大主应力方向的现象(Watterson，1999)。结合大量野外观测和岩石力学试验，Zheng等(2004)提出“最大有效力矩”准则，认为约110°剪裂的共轭破裂可能与当地的韧性剪切环境相关。此外，仍存在一类近正交的共轭系统(交角约为90°)，不断被地震学和空间测量学方法所揭示(Robinsonetal.，2001； Yueetal.，2012； Fengetal.，2020)，但至今对其形成的力学背景仍未有定论。

不同学者已广泛地采用传统地质学方法(侯泉林等，2018)与物理力学实验(曾佐勋，1991； Bensonetal.，2008)对共轭断裂这一典型的地质现象开展研究。近年来，干涉合成孔径雷达(InSAR)技术因其覆盖范围大、测量精度高、受天气影响小的成像特点，已发展成为区域地表形变监测的重要工具，其观测结果已成为恢复断层三维几何结构不可或缺的数据源(Burgmannetal.，2000； 屈春燕等，2014； Biggsetal.，2020)。如针对具有正交特征的1994年与2004年摩洛哥地震序列(Biggsetal.，2006)和2019年加州地区地震序列(Fengetal.，2020)等，均可有效借助InSAR形变场实现断层三维结构的恢复。因此，借助InSAR形变结果复原现今共轭系统的形变过程是切实可行的技术方法，并有望在定量化交叉断层的三维结构方面提供独一无二的近场约束。

2019年10—12月间，菲律宾棉兰老岛相继发生了4次MW≥6.4地震。基于InSAR干涉测量数据，该序列被认为破裂了正交共轭断裂(Lietal.，2020a； Zhaoetal.，2021)。Li等(2020a)利用Sentinel-1升、降轨SAR数据获取了4次地震的同震形变场，并反演了断层参数与滑动分布，指出4次地震可能破裂了2条相互垂直的断层系统，并认为菲律宾海板块的W向挤压被菲律宾断层系和该共轭断层的左旋与右旋走滑运动所调节。Zhao等(2021)基于Sentinel-1和ALOS-2卫星的InSAR数据联合反演约束了该地震序列相关的发震断层的几何和破裂特征，所得断层结构与前者基本一致。然而，对于该共轭断裂序列的构造指示意义与其形成的力学环境仍有待进一步探讨。本文以此次共轭地震序列为例，开展以下研究：

(1)基于Sentinel-1 TOPS和ALOS-2雷达数据的干涉处理得到InSAR同震形变场，并联合反演该系统的断层参数及滑动分布特征。

(2)搜集菲律宾棉兰老岛地震目录、当地区域应力场及GPS速度场等资料，综合解译当地的构造应力特征。

(3)根据余震的空间展布信息，分析该正交共轭断裂系统潜在的力学形成环境； 基于上述断层滑动模型模拟共轭断裂间的库仑应力触发作用。

(4)汇总全球范围内其他近正交共轭断层系统，分析其几何展布及变形特征。

1 共轭构造研究现状及研究区概况

1.1 共轭构造研究现状

在实际野外地质调查中也发现了钝角共轭角的现象，如青藏高原中部一系列呈110°～115°交角的共轭走滑断裂(Tayloretal.，2003； Kappetal.，2008； Yinetal.，2011)。Lee(1948)与Lee等(1948)根据剪裂隙的泥巴实验，发现在压缩实验中剪裂隙对着主压力方向的角度可以从锐角变成钝角，并认为这种情况主要发生在塑性变形环境下，或者与长期受压过程或强烈压力作用条件有关。Paterson等(1966)进行的千枚岩力学实验揭示千枚岩的缩短量由10%增加到50%，共轭膝褶带最大值均出现于共轭角为110°的情况下。曾佐勋(1991)采用黏土材料进行的剪切角实验在持续加载条件下共轭角逐渐变大，最大平均值为109.8°，从而认为在区域应力场持续作用下，地质体逐渐表现出流变特征，共轭角可转变为钝角。Watterson(1999)提出零伸长假设，预测单轴挤压情况下共轭剪切角为109.4°。在整合前人的研究结果的基础上，Zheng等(2004)与郑亚东等(2007a，b，2009)根据在镜下对岩石和区域构造等不同构造尺度上的深入分析，提出“最大有效力矩”准则，认为共轭断层系统的钝角对应区域主压应力方向，其共轭角约为110°，并认为可能与当地韧性剪切环境相关。童亨茂等(2011)认为该准则适用于先存面理与最大主压应力平行的条件下，并在此基础上提出可以判定任意方向先存面理的泛最大有效力矩准则。张逸昆(2007)提出最大侧向位移速率假设，认为无论在压应力或张应力条件下剪切带总是易于沿着使得被剪开块体的侧向位移速率最大的方向发育，并给出剪切带共轭角的预测值在90°～120°范围内。

本文搜集并整理了全球范围内近年来活跃的共轭断层系统，发现相当比例的共轭断层2支出现近正交的现象(交角约为90°)(图 1)。所收集到的共轭实例不仅发育于陆壳内，如2014年云南鲁甸MW6.1 地震序列(张勇等，2015)，2019年7月东加利福尼亚MW6.4 与MW7.1 地震序列(Fengetal.，2020)，摩洛哥里夫山1994年MW6.0 地震与2004年MW6.4 地震(Biggsetal.，2006)； 同时也存在于洋壳内，如Wharton盆地内的2001年地震序列(Robinsonetal.，2001)和2012年地震序列(Mengetal.，2012； Yueetal.，2012； Hilletal.，2015)(表1)。

图 1 本研究搜集到的共轭断层系统活动序列的全球分布Fig. 1 Global coseismic conjugate faults collected in this study.CF12006年土耳其西部地震； CF22010—2011年伊朗东南部地震； CF32008年巴基斯坦Ziarat地震； CF42015年塔吉克斯坦与2016年中国新疆木吉地震； CF52014年中国云南鲁甸地震； CF61997年日本鹿儿岛地震； CF72019年菲律宾Mindanao地震； CF81987年阿拉斯加湾地震； CF91994年内华达州Double Spring平原地震； CF102019年加州Ridgecrest地震； CF111987年加州迷信山地震； CF121994年与2004年摩洛哥胡塞马地震； CF132001年Wharton盆地地震； CF142012年苏门答腊地震

侯泉林等(2018)系统研究了不同破裂和剪切变形情况及其共轭交角，认为地壳浅层以张性破裂(共轭角θ约为0°)和张剪性破裂(θ为0°～60°)为主； 上地壳以锐夹角共轭剪破裂(θ约为60°)为主； 中地壳以锐夹角脆韧性剪切变形带(θ为60°～90°)为主； 下地壳及以下以钝夹角韧性剪切变形带(θ约为110°)为主，同时指出共轭角为90°所代表的物理含义还尚不明确。Thatcher等(1991)认为正交共轭断裂可能由脆性地壳中断裂发育、旋转到观测方向并失活而形成，或者可由地壳脆韧性转换带下方形成的剪切带来解释。Liang等(2021)认为当脆性层厚度不超过断层韧性根部的深度时，脆性岩石圈中的近正交走滑断层可起源于深部韧性剪切带。Fialko等(2021)以2019年加州Ridgecrest地震为例，认为正交共轭断层也可能由后期构造旋转所导致。可见，正交共轭断裂系统的成因存在多种可能的解释，目前的认知仍未统一。

表 1 本研究搜集到的现今共轭断层系统的活动序列Table1 Recent coseismic conjugate events collected in this study

图 2 菲律宾地震序列的构造背景图Fig. 2 Tectonic background of the 2019 Philippines earthquake sequence.红色沙滩球代表此次地震序列的GCMT震源机制解； 蓝色沙滩球代表近代地震(1992年至此次地震序列前)的GCMT震源机制解； 黄色五角星代表此次地震序列的震中位置； 红点代表余震； 黑色箭头代表菲律宾海板块和巽他板块之间的相对板块运动

1.2 菲律宾地震活动性背景

2019年10—12月，菲律宾棉兰老岛发生4次MW≥6.4地震。根据全球矩心矩张量目录(GCMT)(1)https： ∥www.globalcmt.org/。(Dziewonskietal.，1981; Ekströmetal.，2012)的震源机制解可知，4次地震均以走滑性质为主，分别为10月16日MW6.4 (EQ1)、10月29日MW6.6 (EQ2)、10月31日MW6.5 (EQ3)和12月15日MW6.7 (EQ4)(图 2)。震中位于菲律宾海板块，其地处欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块的交界处，受3面俯冲影响，构造活跃，地震和火山活动频繁(Smoczyketal.，2013； 谭皓原等，2019)。大地测量数据表明，菲律宾海板块以约10cm/a的速度向NW俯冲，巽他板块的运动方向与欧亚板块大致相同(速度约为1cm/a)(Bautistaetal.，2001)。一条长约1250km、呈NNW-SSE向展布的菲律宾左旋走滑断裂系统自吕宋岛北端延伸到棉兰老岛，几乎平行于菲律宾海沟，是岛内最大的边界构造(图 2)(Barrieretal.，1991)。同时，岛内广泛分部规模不一的走滑断裂，2019年MW≥6.4地震序列即发生在棉兰老岛内部(图 2)。

菲律宾海板块和巽他板块间的会聚作用是当地构造变形的主控机制，部分应变能被菲律宾断层系与菲律宾海沟的俯冲所消耗，部分被棉兰老岛上发育的走滑断裂所调节(Hammarstrometal.，2014)。根据GCMT地震目录数据库可知，1992年至此次地震序列前，研究区曾发生8次MW≥5.0走滑型地震，其中2019年7月4次MW≥5.0地震均发生在此次地震序列的震中附近(图 2)。2019年10—12月间的MW≥6.4地震序列(EQ1—EQ4)与当地近代地震具有相似的震源机制，本文的研究结果也将对当地的力学背景具有一定启示意义。因此，该地震序列所处构造环境的力学性质相对明确，为研究地震破裂的现今形变与几何特征，及其对当地构造应力的意义提供了有力的基础条件。

表 2 2019年菲律宾地震序列所用的InSAR数据与LOS向形变Table2 InSAR data and LOS deformation of the 2019 Philippines earthquake sequence

2 形变观测与建模

2.1 InSAR数据

为恢复同震形变场，本研究收集了欧洲空间局2014年发射的Sentinel-1卫星升轨(T69)和降轨(T163)数据各4景，日本宇航局2016年发射的ALOS-2卫星升轨(T136)数据2景和降轨(T23)数据3景，利用InSAR开源程序包GMTSAR进行干涉处理(Sandwelletal.，2016)。在处理InSAR数据时，采用30m分辨率的SRTM DEM数据用于数据配准和去除地形相位(Farretal.，2007)，最终获得4幅Sentinel-1与3幅ALOS-2干涉图(表2)。同时，利用改良后的TRAIN软件(Bekaertetal.，2015； Wangetal.，2021)，根据欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的全球大气模型ERA5模拟干涉图的大气相位并进行改正处理(Hersbachetal.，2020)。所用的Sentinel-1与ALOS-2干涉图改正前、后的标准差分别由1.94cm与3.55cm降至1.93cm与3.46cm，但小时级分辨率的ERA5数据对沿海地区的精度仍显不足，本研究中大气改正的整体效果较为有限。考虑到此次同震视线向(Light-of-Sight，LOS)形变为近60cm的水平，远高于大气成分(约2～3cm)，改正后的残余大气噪声不会对后续反演造成显著影响。

2.2 InSAR同震形变场

图 3 InSAR观测与最佳滑动模型的InSAR拟合的比较Fig. 3 Comparison of the observed and predicted coseismic InSAR results based on the best-fit earthquake slip models.a、b、c F1累积滑移同震干涉图(Intf4)、模拟及残差； d、e、f F2累积滑移同震干涉图(Intf6)、模拟及残差。 Azi表示卫星飞行方向，LOS表示卫星视线方向

2.3 最优断层几何和滑动分布

根据所有干涉图像的形变特征及数据时间特征(表2)，以干涉图Intf3与Intf4为数据依托，联合确定与EQ2和EQ3事件相关的NE-SW向断层(F1)的几何参数以及滑动分布，同时以干涉图Intf5—Intf7为基础确定与EQ4相关的NW-SE向断层(F2)的参数和滑动分布。反演中，采用均匀采样法降低上述5幅解缠干涉图的分辨率并提取观测信息，分别得到8136、3430、2627、2647和1105个采样点。反演中采用非线性方法搜索断层的几何参数，并开展线性滑动的非均匀分布反演。非线性搜索阶段中，利用多峰值颗粒群最优搜索算法自动确定断层的非线性几何参数； 在滑动非均匀阶段，采用深度约束算法将上一阶段得到的断层划分为若干子断层作为输入，为了防止空间上滑动的异常跳跃，在线性反演时引入拉普拉斯方程进行光滑约束(Harrisetal.，1987)。上述全部反演过程借助PSOKINV反演程序完成(Fengetal.，2013，2019)，其中地表理论位移场的前向模拟部分采用Okada弹性半空间位错模型(Okada，1985)。根据得到的断层参数进行InSAR同震形变场模拟(图3b，e)，与原始的ALOS-2和Sentinel-1干涉图相减后的标准偏差分别为1.55cm与3.36cm，低于原始InSAR数据的噪声水平(1.93cm与3.46cm)(图3c，f)，说明反演获取的断层模型极有可能符合地震的实际情况。

表 3 不同来源的震源机制结果Table3 Focal mechanism results from different sources

图 4 断层滑动的空间分布Fig. 4 Distributed models of the accumulated slip during the four events.EW向和SN向坐标为经纬度对应的墨卡托投影

3 区域应力场分析

借助震源机制进行构造应力场反演的过程中，通常假设地震滑动矢量是区域构造应力场在该断层面上的最大投影方位。整合区域内发生在不同走向断层上的地震，是回溯可靠区域应力场的重要方法。根据从GCMT搜集到的研究区1992年以来约50次MW≥4.7地震的震源机制解，采用lvarez-Gómez(2019)开发的FMC震源机制解聚类分析程序，计算得到压缩轴(P)、拉张轴(T)、中间轴(B)的倾伏角空间分布(图 5)，结果显示目标地震均以走滑性质为主，与其他8次MW≥5.0走滑地震确定的力轴方位基本吻合(图 2)。

空间上2个二面角可通过一次旋转实现重叠，旋转角度称作最小空间旋转角(Kagan，2007)。2个滑动矢量间的最小旋转角度越小，表示2个滑动矢量越接近地震学意义上的共轭关系。双力偶机制解中的2个节面间的最小旋转角度理论上为0。可见，该变量可用来评估2条交叉断层的滑动矢量是否共轭。采用Kagan(2007)提出的最小空间旋转角的计算方法，得到2019年菲律宾地震序列中断层F1与F2滑动矢量间的最小空间旋转角为29.28°，表明其在地震学意义上并不完全共轭。类似地，针对在地表约呈90°正交的2019年MW6.4 和MW7.1 加州Ridgecrest地震序列，基于同震InSAR最佳拟合断层模型(Fengetal.，2020)，2次事件滑动矢量之间的最小空间旋转角也达52.88°。可见，近垂直相交的断层间可能普遍不具有地震学意义上的共轭关系。

图 5 研究区1992年以来地震的震源机制解根据P、T、B轴倾伏角的分类Fig. 5 Plunge angles of P，T and B axes derived from the focal mechanism solutions of the earthquakes since 1992 in the study area.

根据当地的GPS速度场(Lietal.，2020a)资料可知，共轭断层F1、F2附近的GPS台站(PDDN、PDAV和DVAO)明显向W运动(图6a 中的蓝色箭头)。德国波茨坦地学研究中心(GFZ)发布的全球应力统计结果(Heidbachetal.，2018)显示，研究区内38组应力的平均压应力方向为N(86.4°±18.7°)E(图6b)，与F1(走向48.8°)和F2(走向318.2°)的角平分线方向基本一致(图6b)。显然，菲律宾海板块沿菲律宾海沟向巽他板块NW斜向俯冲(图 2)，到棉兰老岛内则呈近EW向挤压，区域应力场发生了显著转变。考虑到菲律宾走滑断层系对区域构造的控制作用，其很可能是当地区域应力场旋转的主要机制(图 2)，这与苏门答腊斜俯冲系统背景下的岛内构造应力场旋转的形成机制具有可比性(McCaffreyetal.，2000)。

图 6 研究区的区域应力分析Fig. 6 Analysis of the regional stress fields in the study area.a 地震矩张量反演的研究区区域应力图(应力数据来自GFZ全球应力统计结果(Heidbach et al.，2018))； b 应力数据玫瑰图

图 7 余震的分布情况Fig. 7 Aftershocks following the earthquake sequence.a EQ1与EQ2之间的余震； b EQ3与EQ4之间的余震； c EQ4之后的余震； d 4次地震的所有余震。 彩色点代表不同时间的余震

4 讨论

4.1 交角约90°共轭结构的力学环境解译

从菲律宾火山与地震研究所(PHIVOLSC)(2)https： ∥www.phivolcs.dost.gov.ph/。搜集到研究区2019年10—12月期间的4790次余震数据，4次地震间的余震分布情况如图 7 所示。尽管无法确定EQ1余震的展布方向(图7a)，但EQ2与EQ3的余震主要呈NE-SW向展布(图7b)，而EQ4的余震主要呈NW-SE向展布(图7c)，该地震序列的所有余震分别沿NE-SW与NW-SE 2个方向展开，呈现正交的“L”型分布(图7d)，与InSAR干涉图的同震形变一致。

根据余震信息，我们沿F1与F2的走向分别提取剖面AA′与BB′(图7d)。2条剖面显示(图 8)，余震自地表近乎均匀地分布至31km深的区域，并在深约31km处出现较为明显的余震分界线。参考其他地球物理学结果，这一深度恰好与当地的莫霍面深度相符(Laskeetal.，2013)(图 8)。基于速度摩擦本构关系，余震极有可能是断层蠕化的直接结果，因此余震的扩展深度将直接反映地震断层的破裂深度(Perfettinietal.，2018)。进而，该共轭断裂系统可能延伸到了莫霍面边缘，从而表明该断层系统有可能在早期形成于深部韧性环境，近90°交叉可能是韧性变形的直接结果。

图 8 余震分布剖面图Fig. 8 Aftershocks distributions along two profiles，AA′ and BB′.a 剖面AA′； b 剖面BB′。红色沙滩球显示4次MW≥6.4地震的震源机制； 灰点为余震位置。图中震源机制球为剖面后方的半球在该剖面上的投影

4.2 共轭断层间的应力触发分析

共轭系统在现今形变过程中往往表现为非同期发生破裂的特征。以2019年菲律宾地震序列为例，2条断层相继发生破裂并持续2个月之久。基于库仑应力破裂准则，可以模拟地震间的应力触发作用。Li等(2020a)根据库仑应力分析认为前序地震引起的静应力变化的累积触发了后续地震； Zhao等(2021)通过库仑应力分析指出第1次与第4次地震破裂的NW向左旋走滑断裂处于应力加载状态，第2次和第3次地震破裂的NE向右旋走滑断裂处于应力释放状态，说明NW向断裂未来发生地震活动的可能性较大。本研究在此基础上依托Okada弹性半空间位错理论(Okada，1992)，根据F1和F2的断层几何参数，以单位滑动(1m)的理论模型为例，理论上模拟了共轭断层间的应力触发作用。计算中，将部分介质参数设定为： 杨氏模量8×1010N/m2，泊松比0.25，拉梅常量3.23×1010N/m2，等效摩擦系数0.6。

模拟结果表明，若以F1为输入断层，则在交叉处F1和F2同时产生显著的应力卸载作用(图9a)，反之亦然(图9b)。输入断层上产生的有效触发应力作用比与之共轭的接收断层更强，这表明共轭系统中的2条断层分支对区域应力场的卸载作用是等效的。同时，当一支发生破裂时，会对另一支的远场产生一定的应力触发作用，这与之前的研究结论相类似(Lietal.，2020a)。Childs等(2019)在研究爱尔兰近海Porcupine盆地的共轭正断裂时也认为一条断层的传播受到另一断层的阻碍且该断层调节了沿走向区域的应变，该结论与本文的应力分析结果一致。

图 9 共轭断层系统间的库仑应力分析Fig. 9 Coulomb stress analysis of a set of conjugate faults.a F1断层上的滑动在F1和F2断层面上的库仑应力模拟； b F2断层上的滑动在F1和F2断层面上的库仑应力模拟

4.3 共轭断裂的几何展布特征探讨

在相同的岩石物性条件下，共轭系统的2支在统一区域应力场下应具有同样的破裂机会，并共同释放系统周边的弹性能。但断层的物性结构以及断层周边的力学条件很有可能存在显著差异，如断层摩擦系数、孔隙压力等因素可能会导致共轭系统的一支早于另一支发生破裂，并率先改变区域应力场状态，最终致使另一支的形变幅度与规模等与之显著不同。在漫长的地质演化中，地震破裂强度的差异性会进而影响断层面的粗糙程度，从而使2支的发育速率最终存在显著差别。这可能是上述青藏高原中南部共轭系统2支的震间形变存在显著差异的诱因之一。

5 结论

本研究以2019年10—12月菲律宾4次MW≥6.4地震序列为例，精细研究了此过程的地表形变以及共轭断层系统的几何特征，探讨了近正交断层系统形成时可能的力学环境，得到如下结论：

(1)利用Sentinel-1与ALOS-2卫星数据的InSAR同震干涉图获取了断层的最优几何参数，结果显示该地震序列破裂了NE-SW向右旋走滑断裂与NW-SE向左旋走滑断裂，其走向、倾向与滑动角分别为48.8°、74.5°、-174.1°与318.2°、68.9°、9.6°，2条断裂的地表交线呈正交特征，但其滑动矢量间的最小空间旋转角为29.28°，在地震学意义上并不完全共轭。

(2)根据GPS速度场与全球应力数据进行了联合解译，发现该共轭系统的角平分线方向与区域压应力方位基本一致，并与菲律宾板块斜向俯冲的角度存在差异。

(3)2019年菲律宾地震序列10—12月余震的震源深度多集中在31km以浅，此深度为当地的莫霍面深度，发震断层可能延伸到了莫霍面边缘，指示断层可能早期形成于韧性力学环境。共轭断裂间的应力触发作用等效，断层滑动对交叉处附近的一定范围具有应力卸载作用，且形成的触发应力的影响对自身较与之共轭的断层更为显著。

(4)共轭断层系统的现今展布形态大多呈“L”型，并且2支通常发育不平衡，这很有可能与2支断层之间显著的物性差异有关。

致谢审稿专家为本文提出了宝贵建议； 本研究采用的Sentinel-1数据免费下载自阿拉斯加卫星设施(ASF)(3)https： ∥search.asf.alaska.edu/。； ALOS-2数据由日本宇航局(JAXA)通过RA6课题(3159)提供； 文中大部分图件使用GMT 5.4.5(Wesseletal.，2013)绘制完成。在此一并表示感谢！