盈江地区构造应力场和断层识别的联合迭代式反演研究＊

2022-08-23朱良玉航王文青柴旭超姬东姣

地震学报 2022年4期

冯兵朱良玉惠航王文青柴旭超姬东姣

1）中国西安 710054 中国地震局第二监测中心

2）中国西安 710068 陕西省地震局

引言

地震是地球内部应力极限失衡的一种能量释放过程.从某种意义上讲，在没有造成人员伤亡和重大经济损失的情况下，地震也是人类探测和认识地球内部结构的一种有益活动.对于震源区的构造应力场，目前最有效的手段是根据相应的极限约束条件通过大量发震断层的震源机制解进行判断和确定.比较常用和流行的应力场反演方法包括Michael （1984）的应力分量线性归一法、Gephart和Forsyth （1984）提出的非线性网格搜索法、Jacques （2002）提出的剪应力滑移分量法等，并由Lund和Slunga （1999）、Hardebeck和Michael （2006）等进行了修改和扩展.但这些方法都均无法判断震源机制解固有的断层和节点平面.传统的应力计算方法通常需要搜集一些额外的资料信息，例如地质地形资料证据和震源聚类资料的分析等进行佐证，但当缺失这些数据资料时，断层和节点平面又不确定，反演的结果往往会出现一定的偏差.本文将采用一种由Vavryčuk 等（2013）改编自Michael （1984）的应力反演方法.该方法与前者的最大区别在于其采用的是迭代式的应力反演，通过迭代式可以比较正确地识别断层平面，因此反演出的地区构造应力场也就更加稳健和可靠.本研究将其应用于盈江地区，是想通过这种迭代式的应力反演得到更准确的构造应力场及地震的发震断层.盈江地处滇西南，位于德宏傣族景颇族自治州的北部区域，西与缅甸接壤，东与川滇菱形地块相临.该区域地质地形结构复杂，地震频发.季建清等（2000）认为盈江区域南北展布是印度大陆与欧亚大陆两大陆块碰撞发生顺时针旋转90°产生的结果.自2008年以来，该区域中强地震活动剧烈，超过MS5.0的地震就有6次，其中2008年3次，2011年1次，2014年2次，给国家和人民生命财产带来巨大威胁.

从地形位置来看，盈江处于横断山脉的西南缘，位于三江褶皱带的腾冲区块内（黄小龙等，2015）.区域内发育有苏典断裂、大盈江断裂、昔马—盘龙山断裂等，其中断裂活动性最强的区域位于苏典断裂附近.自2008年开始，大量的研究人员对该区域进行了分析研究，例如：房立华等（2011）分别利用单纯形法和双差定位法对2011年3月10日的MS5.8主震及余震进行重定位，并分析了余震分布的结构特点；赵小艳等（2012）采用CAP方法反演了2011年3月10日MS5.8地震的震源机制解，并结合余震及烈度分布等确定了相关的发震断层；罗艳等（2011）采用Michael （1984）的线性最小二乘法反演了该区域的构造应力场；张丽娜等（2016）采用CAP方法反演了2014年5月盈江两次地震的震源机制解，并对发震断层进行了相应的分析.为了进一步对盈江区域构造应力场的变化及断裂性质进行详细的研究，本文采用联合迭代的构造应力场反演方法反演了盈江区域的构造应力场，以期为该区域的地壳结构变化及性质提供必备的参考资料.

1 区域构造背景

盈江区域处于欧亚板块与印度板块的交接处，区域内发育有多条活跃的断裂带，断裂带结构复杂，但都以一定的规律分布，主要以NS向断裂和ENE向弧形断裂为主，具体的断裂分布如图1所示.该区域的主要活动断裂为：

图1 盈江区域地震序列震源机制解空间分布图F1：怒江断裂；F2：龙陵—瑞丽断裂；F3：瓦德龙断裂；F4：大盈江断裂；F5：昔马—盘龙山断裂；F6：苏典断裂；F7：槟榔断裂；F8：猴桥—中和断裂；F9：固东—腾冲断裂图中A−E区分别代表2008年3月21日、8月21日及9月3日盈江地震序列、2011年3月10日盈江地震序列和2011年8月9日腾冲地震序列的震源机制解分区Fig. 1 Spatial distribution of focal mechanism solutions of earthquake sequences in Yingjiang regionF1：Nujiang fault；F2：Longling-Ruili fault；F3：Wadelon fault；F4：Dayingjiang fault；F5：Xima-Panlongshan fault；F6：Sudian fault；F7：Binglang fault；F8：Houqiao-Zhonghe fault；F9：Gudong-Tengchong fault.A−E in the figure represent the focal mechanism solution partition of Yingjiang earthquake sequences on 21 March 2008，21 August 2008，3 September 2008，10 March 2011 and Tengchong earthquake sequence on 9August 2011，respectively

1）苏典断裂.该断裂北起于缅甸境内，南部直达盈江北缘，全长80—90 km.断裂整体呈近NS向展布.自第四纪以来，该断裂活动明显增强.沿断裂分布有多个呈串珠型的盆地（黄小龙等，2015；张艳凤等，2018）.断裂的南端受到强大的拉张作用，与大盈江断裂共同作用形成一三角凹陷区域.黄小龙等（2015）根据采集到的新近纪玄武岩样品进行测试后发现，苏典断裂自4.42 Ma至今的平均活动速率为0.34—0.48 mm/a，断裂活动异常剧烈.

2）大盈江断裂.大盈江断裂地处盈江县南端，断裂走向为ENE向.该断裂全长近150 km，北起于腾冲，西达缅甸境内.第四纪以来，断裂表现为明显的水平左旋走滑特性（张艳凤等，2018）.该断裂长期控制盈江盆地的发育，区域内断裂活动剧烈.

3）昔马—盘龙山断裂.该断裂为苏典断裂的延伸断裂，断裂走向为NE向，西起昔马盆地，东与苏典断裂南端相连.该断裂与苏典断裂的相接区域地震频发，已连续爆发了两次双震型地震.

4）腾冲断裂.腾冲断裂北起缅甸境内，全长近120 km.其周围分布有大约70座大小不一的火山口.至今火山口附近仍有大量的温泉、高温沸水区，地下岩浆活动剧烈.

2 研究方法

2.1 Michael计算方法

Michael （1984）采用断层滑动方向拟合的原理提出了利用一组震源机制解反演区域应力张量的算法，此后Hardebeck和Michael （2006）在这一算法的基础上提出了阻尼区域应力反演的方法.具体内容可参考文献（Lund，Slunga，1999；Hardebeck，Michael，2006；Martínez-Garzónet al，2014）.该方法有一个先天的不足是要知道断层的取向，但通常情况下无法正确地判断出震源机制解的发震断层，每个节面被选择的概率为50% （Michael，1987）.

2.2 联合迭代应力反演

2.2.1 联合迭代应力反演约束方法

联合迭代应力反演是在Michael方法的基础上，引进了断层的不稳定性约束，进而可以比较正确地反演出应力的真实情况.其主要过程通过迭代的方式进行，这种迭代的过程大大提高了断层的识别能力.该方法已被Vavryčuk （2014）成功应用于克里特岛和捷克共和国的波西米亚地区.在克里特岛的应用中，联合迭代式应力反演识别出了38个断层中的36个，在波西米亚地区，该方法也成功识别出了接近震源丛集的主断层面.该方法的核心是断层不稳定性的约束条件.断层不稳定性的概念是由Vavryčuk等（2013）提出的一种评估方法，即

式中，I为断层的不稳定性，τc和σc分别为最优的切应力和最优的正应力（图2中的红点），τ和σ表示任意断层面上的切应力和正应力（图2中的蓝点）.由于式（1）的计算与绝对应力无关，因此I是由摩擦系数μ、应力形因子R及主应力的方向余弦所确定.假如规定应力张量为

图2 断层不稳定性的莫尔圆定义（Vavryčuk，2014）红色圆点标出了以不稳定性为特征I＝1的主断层上的牵引力，蓝色圆点标出了以任意不稳定性为特征I的主断层上的牵引力Fig. 2 Definition of the fault instability in Mohr’s diagram （Vavryčuk，2014）The red solid circle marks the traction on the main fault characterized by instability I＝1，and the blue solid circle marks the traction on the main fault characterized by arbitrary instability

式中的正值表示压缩，则可得到

由式（1）和（3）得到

式中σ和τ的计算方法为

其中，断层的不稳性取值范围为0—1，1为最不稳定模式，最不稳定的断层面即断层剪切活动的最优剪切面，称作主断层（图2中的红点对应的断层）.

2.2.2 联合迭代应力反演计算步骤

联合迭代应力反演计算的主要步骤为： ① 采用Michael的方法，不考虑相关约束和断层面取向信息，反演得到主应力轴和应力形因子R；② 用反演得到的主应力轴和应力形因子估计所有震源机制解的节面不稳定性，找到最不稳定的节面，可认为其为最优发震断层面；③将第一次迭代过程中的最优发震断层面用在第二次迭代的Michael方法中，持续这种迭代，通过3—4次迭代即可收敛.为保证反演结果的可靠性，本文设置了相关的反演约束条件，随机选择断层的初始应力反演次数设置为10次，估计解精度的随机噪声实现数设置为100次，迭代次数设置为6次，关于参数设置的详细内容可参考Vavryčuk （2014）.

3 数据资料的收集与整理

本研究收集到云南盈江区域5组地震序列共185个震源机制解数据（徐彦，2013）.其中：2008年3月21日、8月21日及9月3日地震序列的震源机制解分别为17个，36个和48个；2011年3月10日和8月9日地震序列的震源机制解分别为61个和23个；同时还收集到盈江地区2014年5月24日和5月30日双震型地震的震源机制解（来源于GCMT）.研究中以发震时间的先后对5组地震序列的震源机制解进行了分区，震源机制解的空间位置分布如图1所示.对于收集到的5组地震序列震源机制解，采用联合迭代的应力反演方法，可反演出局部对应区域的构造应力场，同时可得到最优的发震断层的断层节面.在反演结果中也给出了相应的P轴、T轴分布，用以检验结果的可靠性.

4 构造应力反演结果及分析

本文采用联合迭代的应力反演方法对5组地震序列的震源机制解进行了构造应力场反演，反演结果如图3，4及表1所示.由图3中的莫尔圆图可以看出，反演识别出的不稳定断层均处于莫尔库仑破裂准则的有效区域，证明了反演理论模型结果的可靠性.反演结果显示：

表1 构造应力场应力主轴反演结果Table 1 Inversion results of stress principal axis of tectonic stress field

2008年3月21日盈江地震序列震源机制解的P轴呈现NE-SW向展布，T轴呈现SENW向分布.最大主应力轴σ1的走向为44°，倾角为3°，表明该区域的最大主应力轴呈现近水平的NE向；中间主应力轴σ2的走向为258°，倾角为86°；最小主应力轴σ3的走向为135°，倾角为2°，表明最小主应力轴为近水平的SE向.R值为0.78，表明最大主压应力轴比较稳定，中间主应力轴表现为张轴的特性.

2008月8月21日盈江地震序列震源机制解的P轴、T轴与2008年3月21日的地震序列的P轴、T轴分布基本一致，P轴仍以NE-SW向分布，T轴仍以SE-NW向分布.σ1的最优解走向为215°，倾角为33°，表明该区域的最大主应力轴以SSW向呈33°的角度倾伏向下；σ2的最优解走向为40°，倾角为57°；σ3的最优解走向为306°，倾角为2°，说明最小主应力轴的方向为WNW近水平分布.由图3的莫尔圆及应力形因子R值为0.40可以看出，中间主应力轴表现为压性性质的特点.

图3 A—E区（a—e）5组地震序列震源机制解联合迭代反演的应力场结果左侧为地震序列震源机制解反演的断层摩尔圆分布，右侧为主轴方向及P，T轴Fig. 3 Stress field results of joint iterative inversion for focal mechanism solutions of five seismic sequences in areas A−E （a−e）The left side is the fault Mohr’s circle distribution inversed by focal mechanism solutions of seismi sequences， and the right side is the main axis direction and P，T axis

2008年9月3日盈江地震序列震源机制解的P轴、T轴与2008年3月21日的地震序列震源机制解的P轴、T轴方位基本一致.σ1的最优解走向为34°，倾角为3°，说明最大主压应力轴以NNE向近水平分布，由图1可以看出，它延续了2008年3月21日地震序列破裂的结果；σ2的最优解走向为212°，倾角为87°；σ3的最优解走向为304°，倾角近似为0°，反映出最小主应力轴是以WNW水平的角度分布.由莫尔圆图及R值为0.75反映出，中间主应力轴的张轴特性更明显.

2011年3月10日盈江地震序列震源机制解的P轴、T轴与2008年3月21日及2008年9月3日的地震序列相比，P轴的走向更偏向北，T轴的走向更偏向于东，这反映出苏典断裂不同阶断的张轴、压轴性质是不同的.反演的σ1的最优解走向为193°，倾角为15°，说明最大主压应力轴以SSW方向为主，倾伏角度变大；σ2的最优解走向为333°，倾角为70°；σ3的最优解走向为99°，倾角为12°，反映了最小主应力轴为ESE向为主，倾伏角度与2008年3月21日、2008年9月3日的地震序列相比变大.R值为0.57，反映出该区域的中间主应力轴比较稳定.

图4 5组地震序列构造应力场反演的应力形因子R的分布（左）及主应力轴方向（右）Fig. 4 Stress shape factor R distribution （left）and principal stress axis direction （right）of tectonic stress field inversion results for five earthquake sequences（a）2008-13-21；（b）2008-08-21；（c）2008-09-03；（d）2011-03-10；（e）2011-08-09

2011年8月9日腾冲地震序列震源机制解的P轴以NNE向为主，T轴以ESE向为主，这与滇西南地区的整体应力场分布一致（谢富仁等，2001）；该区域应力反演的σ1的最优解走向为195°，倾角为1°，反映了最大主应力轴为SSW向水平分布；σ2的最优解走向为294°，倾角为83°；σ3的最优解走向为105°，倾角为7°，反映了该区域的最小主应力轴为近水平ESE向.

5 应力反演识别的断层

对于震源机制解反演构造应力场，一直存在一个问题，即无法正确判断哪一节面是实际发震断层面.尽管随机选择一个断层节面的参数进行应力场反演，所得结果很稳健，但仍然会对结果造成一定的偏差.本文基于迭代的应力反演方法，通过在迭代过程中识别出最不稳定的断层节面进行应力场反演，同时可得到最不稳定的一组断层节面参数，从而可有效地避免由于断层面选择不正确所带来的偏差.通过图3中的莫尔圆图可以看出，本次研究识别出的断层不稳定性均在不稳定破裂的有效区域内，这反映出该方法可以通过断层的不稳定性评估进而选择出最优的发震断层面.在图5中，迭代应力反演首先根据断层的不稳定性约束识别出了双节面中最优断层节面，图5第二列，同时采用平均值的计算方法给出了两组主发震断层，通过两组主发震断层节面的数量多少给出了集中主发震断层面，图5第三列，具体细节可参考Vavryčuk 等（2013）.为了与应力场反演结果进行照，本研究也给出了对应主断层节面的P轴与T轴分布，图5第四列所示.

从图5及表2可以看出，迭代应力反演识别出了2008年3月21日地震序列震源机制解的两组主断层节面的走向、倾角、滑动角，分别为250°，89°，4°和199°，86°，−178°，由图5a的Ⅱ和Ⅲ可以看出这两组断层节面丛中，断层节面走向为250°，倾角为89°，滑动角为4°的断层为集中主发震断层；由图5b及表2可以得到2008年8月21日地震序列震源机制解的两组主断层节面的走向、倾角、滑动角分别为241°，77°，−31°和12°，73°，−151°，由图5b的Ⅱ和Ⅲ可以看出断层的两组节面丛中，断层节面走向为12°，倾角为73°，滑动角为−151°的断层为集中主发震断层面；由图5c及表2可以看出2008年9月3日地震序列震源机制解的两组主断层节面的走向、倾角、滑动角分别为187°，89°，−177°和60°，88°，−3°，由图5c的Ⅱ和Ⅲ可以得到断层的集中发震断层节面的走向为187°，倾角为89°，滑动角为−177°.由图5d及表2可以看出2011年3月10日地震序列震源机制解的两组主断层节面的走向、倾角、滑动角分别为158°，88°，161°和223°，72°，−7°，由图5d的Ⅱ和Ⅲ可以得到该区域的集中断层发震节面的走向为158°，倾角为88°，滑动角为161°；由图5e及表2可以看出2011年8月9日地震序列震源机制解的两组主断层节面的走向、倾角、滑动角为164°，85°，176°和225°，84°，3°，由图5e的Ⅱ和Ⅲ可以看出该区域的集中主发震断层节面的走向为164°，倾角为85°，滑动角为176°.

图5 5组地震序列震源机制解应力反演识别出的主断层节面图Ⅰ ：地震序列震源机制解的双节面下半球投影图；Ⅱ ：最优断层节面下半球投影；Ⅲ ：两组震源丛最优发震断层的主断层节面；Ⅳ ：主断层节面的P，T轴Fig. 5 Nodal map of main fault identified by stress inversion of focal mechanism solutions of five groups of earthquake sequencesⅠ ：Double-nodal lower hemispherical projection of focal mechanism solutions of the earthquake sequence；Ⅱ ：Lower hemispherical projection of optimal fault nodal plane；Ⅲ ：Optimal occurrence of the main fault nodal plane for the two sets of focal clusters；Ⅳ ：The P and T axis of the main fault nodal plane（a）2008-03-21；（b）2008-08-21；（c）2008-09-03；（d）2011-03-10；（e）2011-08-09

表2 迭代应力反演识别出的最优主断层节面Table 2 Optimal main fault nodal plane identified by iterative stress inversion

6 讨论与结论

6.1 讨论与分析

研究给出了盈江及其相关区域的构造应力场，反演结果显示盈江地区整体主压应力以北北东向为主，主张应力以南东东向为主.这与前人研究滇西南地区的构造应力场所得结果基本一致（谢富仁等，2001；罗艳等，2011；赵小艳等，2012；邓菲，刘杰，2014；郭祥云等，2014；胡晓辉，2020）.但本文研究的内容主要是小尺度的大盈江断裂—苏典断裂区域，可更加细致地反映局部地区的应力场变化情况.从图1可以看出，除了2011年8月9日的腾冲地震序列外，其余4次地震序列及随后2014年发生的两次地震序列均发生于苏典断裂及其临近的大盈江断裂区域，由其震源机制解可以得到，地震的发生均是以走滑性的断层为主.Harris （1998）认为通常一次地震后，地震断裂上永久位移产生的小变形可以改变邻近区域地震发生的可能性，而相关断裂带的应力变化会对断裂其它位置的应力产生明显的改变.孙尧等（2014）认为苏典断裂是该区域的控震断裂，并通过库仑应力的分析认为一次大地震为后一大地震的发生积累了应力触发的能量，这说明该地区的应力变化存在一个传递的过程.由表1及图1可得到，沿苏典断裂发生的2008年8月21日、2008年9月3日、2011年3月10日地震序列震源机制解的主压力应轴走向随着断裂走向由南向北延伸角度逐渐向北偏移，这反映出苏典断裂内部剧烈变化的应力主要来自川滇地块的WSW向挤压；2008年3月21日地震序列位于盈江的西南部，其主压应力走向与苏典断裂上的地震序列相比，走向更偏向于东，造成这种情况的原因可能是苏典断裂的分支昔马—盘龙山断裂的推挤与大盈江断裂的东西向拉伸.由2011年8月9日腾冲地震序列震源机制解的反演结果可以看出，川滇地块对盈江区域的挤压受到了龙陵—瑞丽断裂的阻挡，因而其局部应力闭锁产生了走滑型的地震，这也说明了该区域应力结构的复杂性.

以往在研究地震的构造应力场时，发震断层的识别一直比较模糊（Gephart，Forsyth，1984；Michael，1984；Jacques，2002；万永革，2012），因为震源机制解存在两个断层节面.而本研究在应力反演的过程中，以迭代应力反演的方法通过识别断层的不稳定性来判断发震断层的最优节面，从而对最优断层的识别起到了很好的约束作用.由图5b−5e可看出，沿苏典断裂由北向南的方向，集中主发震断层面走向存在由NNE向到NS向，再到NNW向的一个变化过程，这反映出苏典断裂的北中部区域的控震断层面主要受到来自于川滇地块的挤压作用，而其南部除了受到来自川滇地块的挤压，也受到了大盈江断裂的横向拉伸控制.由图5集中主发震断层走向为ENE向可看出集中主发震断层在苏典断裂的南端明显向东偏转，这说明大盈江断裂对苏典断裂南部区域的横向控制作用更为明显.这为后期该区域地震研究及地壳动力学变迁提供了有价值的参考.对于腾冲地震序列震源机制解反演出的集中主发震断层，由图5d及表2可看出，断层走向呈现出近NS垂直的方向，与龙陵—瑞丽断裂的走向分布近乎一致，这也说明沿龙陵—瑞丽断裂走向的方向，是该地区今后地震的主发震区域.同时，本研究在联合迭代应力反演的过程中，也识别出了5组地震序列区域的断层滑动的最优摩擦系数，分别为2008年3月21日地震序列（A区）0.80，2008年8月21日地震序列（B区）0.65，2008年9月3日地震序列（C区）0.75，2011年3月10地震序列（D区）0.45，2011年8月9日地震序列（E区）0.55.可以看出沿苏典断裂分布的区域中部的摩擦系数比南北区域的大，这可能是苏典断裂的分支昔马—盘龙山断裂造成的.而处于苏典断裂西南部的区域显示出较高的摩擦系数，可能是大盈江断裂对其影响的结果.这为该地区今后研究断层的滑动摩擦提供了一定的参考资料.