青藏高原西部及邻区构造应力场反演和断层滑动趋势分析

2022-07-05解朝娣相传芳刘本玉

大地测量与地球动力学 2022年7期

杨颖解朝娣徐彦相传芳刘本玉

1 云南大学地球科学学院，昆明市东外环南路，650091 2 昭通市防震减灾局渔洞地震监测站，云南省昭通市枫园路19号，657000

地震是构造应力累积到一定程度的释放，因此构造应力场可为研究孕震背景、地壳变形、断层活化等地学问题提供依据[1]。青藏高原西部及邻区地质背景复杂、活动断裂分布广泛、构造活动强烈[2]。在板块运动过程中，印度板块对青藏高原西部及邻区的挤压和碰撞使得该区域的应力场各具特点[3]，对该地区构造应力场进行反演对地质灾害预测和地震活动性评估有特殊意义[3-7]。

本文使用中强地震震源机制解对青藏高原西部及邻区进行构造应力场反演，获取研究区3个主应力轴方向及应力形状比φ值，并对研究区构造应力场的时空特征进行初步分析。在此基础上，对新疆重点地区进行断层滑动趋势研究，探索该地区的应力状态和相关断层的活动情况。

1 研究方法

本文采用震源机制解数据和FMSI方法反演研究区域构造应力场[8-9]。首先对模型进行网格搜索，然后基于获取到的震源机制解数据计算断层产状和滑移方向，由此得到最佳拟合区域的应力张量。该方法基于2个假设：1)应力张量在研究区域内是均匀分布的；2)断层的滑移在剪切应力方向上[8-9]。

假设有两组直角坐标系[10](图1)，其中σ1、σ2、σ3为主应力轴，S为断层面，x′1为S面的法线，x′2和x′3在S面上，x′2垂直于滑动方向，x′3与滑动方向一致。基于上述假设可知，垂直于断层面滑移方向的平面(S面)存在零剪应力，可表示为：

σ′12=0=σ1β11β21+σ2β12β22+σ3β13β23

(1)

式中，βij为连接S面上坐标轴i与主应力轴j之间的夹角余弦。利用x′1和x′2之间的正交关系可得：

0=β11β21+β12β22+β13β23

(2)

结合式(1)和式(2)可得：

(3)

图1 主应力直角坐标系与断层面Fig.1 Principal stress cartesian coordinate system and fault plane

应力是一个具有6个独立参数的二阶张量，反演应力张量时，只需确定最佳拟合的4个参数来代表应力张量即可。将这4个参数描述为3个主应力方向σ1、σ2、σ3和主应力的相对大小R(即应力形因子)，其中σ1≥σ2≥σ3[8-9]，R介于0～1之间，决定着研究区域的应力状态。应力形状比φ与应力形因子R的关系式[8,11-12]为R=1-φ，R或φ均可用于描述反演结果的质量。

FMSI方法中，反演误差会随应力场的复杂程度发生变化，微小扰动会给反演结果带来很大的不确定性。原始FMSI方法在求取应力张量最优解的过程中，有可能会选择错误的断层面，进而使良好的应力模型分布发生扭曲，造成反演结果出现误差[8]。因此，在反演应力场的过程中，断层面的不确定性会影响整个反演结果的准确性。

为获取更加精确的反演结果，本文采用随机抽样、采样优化的蒙特卡洛方法[13]来分析反演的不确定性。反演过程中对断层面进行随机搭配，减少不确定性造成的误差，并确定震源机制解在反演过程中的误差范围。在反演过程中，采用Hardebeck等[14]提出的方法，在时间-空间上进行阻尼分析，选取恰当的阻尼因子作为反演约束，从而减少时间和空间分区产生的影响。

2 震源机制解数据

本文使用青藏高原西部及邻区(65°～95°E，15°～55°N)1976-01-01～2015-12-31期间1 225个MW≥3.5地震的GCMT震源机制解数据(图2)。按相关研究提出的标准[7]，基于震源机制解的P、B、T轴倾角大小，将其划分为不同类型，具体结果见表1。

从表1和图2可以看出，青藏高原西部及邻区地震的震源机制解主要为走滑型和逆冲型，而青藏高原内部以走滑型为主，板块边界以逆冲型为主，少量的正断型地震分布在青藏高原内部。

图2 青藏高原西部及邻区震源机制解类型与空间分布Fig.2 Types and spatial distribution of focal mechanism solutions used western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

表1 震源机制解类型划分结果

3 反演结果

将青藏高原西部及邻区划分为2°×2°网格，得到150个区块，使用FMSI方法反演该地区的应力场。图3为应力场反演拟合残差-阻尼因子-模型长度的折中曲线，由图可见，阻尼因子越大，拟合残差越小，模型长度越长；当阻尼因子介于3～4之间时，拟合残差和模型长度恰好匹配，因此本文选取3作为反演过程中的阻尼因子。

图3 应力场反演拟合残差-阻尼因子-模型长度的折中曲线Fig.3 Trade-off curve between data fitting misfit、damping parameter and model length in the stress field inversion model

为了确保反演过程中使用的震源机制解数据稳定可靠，需要保证每个网格至少含有3个震源机制解。本文采用随机抽样的方法进行FMSI反演，但不同的采样次数会对反演结果造成不同的影响，采样次数太少会使结果的可信度降低，采样次数过多则会增加时间运算成本。由于反演应力场中一般需要68%～95%的信噪区间[15]，本文进行1 000次反演，统计标准方差和信噪区间的分析结果，设置95%信噪区间以保证能够提取到足够的地震数据。图4和5为青藏高原西部及邻区应力场的反演结果。

由图4可见，青藏高原西部及邻区最大主压应力轴σ1呈NNE-SSW向，最小主压应力轴σ3呈NWW-SEE向，最大主压应力轴σ1倾角约为5°～9°，说明该地区的构造应力场以水平运动为主。结合表1和图5可知，新疆西部的φ值约为0.15，R值约为0.85，说明该地区应力场以水平挤压应力为主；青藏高原内部φ值约为0.43，R值约为0.57，说明该区域应力场以水平剪切应力为主；青藏高原板块边缘φ值约为0.36，R值约为0.64，说明青藏高原板块边缘构造应力场以水平挤压应力为主。

图4 青藏高原西部及邻区应力场Fig.4 Stress field of western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

图5 青藏高原西部及邻区2°×2°的φ值反演结果Fig.5 Results of φ value inversion on 2°×2° grid of the Tibetan plateau and its adjacent areas

4 断层滑动趋势分析

4.1 新疆皮山地区

新疆皮山(74°～80°E，35°～40°N)位于青藏高原西北缘，该地区地震活动频繁，发育有多条断裂，断裂以南为青藏高原，以北为塔里木盆地，其中2001年西昆仑断裂带上曾发生过8.1级大地震。该断裂特有的地质环境为揭示青藏高原陆-陆碰撞过程提供了地球动力学依据。

基于新疆皮山1976-01-01～2015-12-31期间61个MW≥3.5地震的震源机制解进行区域应力场反演(图6和7)，结果表明，φ值范围为0.01～0.44，R值范围为0.56～0.99，此处取R值为0.88。

图6 新疆皮山主应力轴倾角结果Fig.6 Dip of the principal stress axis results in the Pishan, Xinjiang

图7 新疆皮山应力场反演结果Fig.7 Stress field inversion results in the Pishan, Xinjiang

由图7可见，具有较强滑动趋势的断层走向为60°～120°或240°～300°，倾角为20°～60°。结合图6可知，σ1轴近水平，σ2轴和σ3轴倾角大小分布不均匀，这是该地区复杂的发震类型所致。

4.2 新疆于田地区

新疆于田(76°～85°E，31°～38°N)位于青藏高原北部，该区域构造运动复杂，伴生有阿尔金断裂带。该断裂带地震活动频繁，是我国最活跃的走滑断裂之一。

基于新疆于田1976-01-01～2015-12-31期间65个MW≥3.5地震的震源机制解进行区域应力场反演(图8和9)，结果表明，φ值范围为0.52～0.92，R值范围为0.08～0.48，此处取R值为0.38。

图8 新疆于田主应力轴倾角结果Fig.8 Dip of the principal stress axis results in the Yutian, Xinjiang

图9 新疆于田应力场反演结果Fig.9 Stress field inversion results in the Yutian, Xinjiang

由图9可见，具有较强滑动趋势的断层走向为0°～90°或180°～240°，倾角为40°～70°。结合图8可知，σ1轴和σ3轴近水平，σ2轴近直立。

分析新疆皮山和于田地区的应力场反演结果可知，大多数断层具有较大的滑动趋势，易于破裂，易滑动的断裂走向任意，不同情况下的倾角范围不一样。断层失稳不仅与应力扰动相关，还与断层的物理性质及背景地震活动率相关。为增强断层滑动趋势分析的可靠性，需要从断层滑动速率、稳定性及破裂性等方面来论证断层失稳。刘代芹等[16]研究了天山地震带附近主要断层的滑动速率发现，西昆仑断裂带走滑速率为10.2±2.81 mm/a，阿尔金断裂带走滑速率为7.6±1.4 mm/a，具备发生地震的可能；李莹甄等[17]通过研究新疆地区地震破裂特征，得到西昆仑断裂带及阿尔金断裂带处在破裂强度大、应力状态较强区域的结论；吴传勇等[18]研究了新疆皮山地区的发震情况，认为西昆仑断裂带的破裂风险性值得关注。

5 讨论

本文利用Global CMT提供的震源机制解数据，反演得到青藏高原西部及邻区构造应力场，考虑到数据本身误差的不确定性可能会对计算结果产生影响，本文对结果进行了进一步的误差分析。选用同一时段同一研究区域的国际地震中心共计1 671个震源机制解数据再次进行应力场反演计算(图10和11)，并将结果与使用Global CMT震源机制解数据得到的反演结果进行对比分析。

图10 青藏高原西部及邻区应力场Fig.10 Stress field of western part of the Tibetan plateau and its adjacent areas

图11 青藏高原西部及邻区2°×2°的φ值反演结果Fig.11 Results of φ value inversion on 2°×2° grid of the Tibetan plateau and its adjacent areas

由图10可见，青藏高原西部及邻区最大主压应力轴σ1呈NNE-SSW向，最小主压应力轴σ3呈NWW-SEE向。结合图4可知，使用国际地震中心提供的震源机制解数据得到的区域φ值大小分布及构造应力场方向和用Global CMT震源机制解数据反演的结果基本一致，表明不同震源机制解数据对该地区应力场反演结果的影响较小。为了解不同机构收录的震源机制解之间的差异，Helffrich[19]比较了Global CMT、USGS和ERI三个机构收录数据的可靠性和不确定性，结果表明，Global CMT震源机制解数据的完整性是最好的，同时也验证了Global CMT震源机制解数据的可靠性和稳定性。