基于构造应力场识别震源机制解节面中发震断层面——以盈江地区为例

盛书中, 陈桂华, 徐锡伟, 万永革, 李红星,宫猛, 王向腾, 张雄, 张潇

1 东华理工大学地球物理与测控技术学院， 南昌 330013 2 中国地震局地质研究所， 北京 100029 3 应急管理部国家自然灾害防治研究院, 北京 100085 4 防灾科技学院， 河北三河 065201

0 引言

云南盈江地区位于中缅边境，地处欧亚板块与印度板块碰撞带，断裂构造发育，中强震活跃，因而备受研究者关注.研究者围绕盈江地区断裂构造、中强震发震构造、震源机制解和地震重定位等开展了一系列研究工作(安晓文等，2009；黄小龙等，2015)，且对于历次中强震发震构造研究大体上获得了共识(徐彦等，2012；房立华等，2011；赵小艳等，2012；赵旭等，2014；Xu et al.，2015，2020；杨婷等，2016)，因此，为本研究尝试利用应力场识别震源机制解节面中发震断层面提供了良好的研究基础.

本研究将在反演每个地震震源处应力场的基础上，计算该地震震源机制解两个节面的不稳定系数，将不稳定系数高的节面视为发震断层面，最后对盈江地区5次中强震及小震断层面识别结果进行深入分析和讨论，为后续震源机制解节面中发震断层面识别以及发震构造研究等工作提供参考.

1 方法和数据

(1)

上式中，τc和σc为最易滑动断层面上的剪切应力和有效正应力，对应图1中左侧点示意的断层面；τ和σ为待求断层面上的剪切应力和有效正应力，对应图1中右侧点示意的断层面.上式中I值和应力的绝对大小无关，仅取决于摩擦系数μ、应力比R和断层面法向n在应力主轴坐标系中的方向余弦，因此，进一步假设三个主应力大小为(以压为正)：

σ1=1,σ2=1-2R,σ3=-1,

(2)

式中的R为应力比，其定义式为

(3)

根据库仑剪切破裂准则，可以得到最优方位断层面上的剪切应力τc和有效正应力σc为

(4)

因此，式(1)可以进一步简化为

(5)

式中

(6)

(7)

图1 断层不稳定系数定义的莫尔圆示意图 图中左侧点和右侧点示意最不稳定断层和待求断层.Fig.1 The definition of the fault instability in the Mohr′s diagram The left and right dot mark the most unstable fault and the fault to be calculated.

本研究中盈江地区为：24.5°N—25.2°N，97.6°E—98.2°E.从Xu等(2020)的研究中获得自2008年3月21日—2014年11月19日的震源机制解262个，其空间分布情况见图2，所用地震MW范围为：3.03～5.82，震源深度主要分布在20 km以内.参考Zoback(1992)的分类方法，震源机制解类型为：正断层型15个，正断走滑型10个，走滑型189个，逆冲兼走滑型6个，逆冲型6个，过渡型36个，可见，盈江地区地震以走滑型地震为主.

2 计算结果及分析

图2 本研究所用震源机制解空间分布图 图中断层资料参考徐彦等(2012)和黄小龙等(2015).Fig.2 The spatial distribution of focal mechanism used in this study Fault in theFigure refer to Xu et al. (2012) and Huang et al. (2015).

表1 中强震参数及其节面上的不稳定系数计算结果表Table 1 The parameter of the moderate earthquakes and the fault instability of their nodal plane

图3 每个地震震源处最大主应力走向(a)和摩擦系数(b)分布(a) 左上角插图为所有地震震源处应力场反演结果图，(a)右下角插图为最大主压应力轴倾角统计图.Fig.3 Distribution of maximum principal stress direction(a) and fault friction (b) at each earthquake hypocenter The illustration in the upper left corner of(a) shows the inversion results of stress field at each hypocenter, and the illustration in the lower right corner of(a) shows the dip angle statistical diagram of the maximum compressive principal stress.

图4 基于应力场识别出的断层面走向分布图(a) 断层面走向及断层不稳定系数图，插图为发震断层面走向统计图，箭头对示意最大主压应力轴方位. (b) 断层面走向及震源深度图，插图为断层面倾角分布统计图.Fig.4 Distribution of fault orientation based on stress field identification(a) The fault orientation and fault instability diagram, and the illustration is the statistical graph of the orientation of the seismic fault plane, the arrow pair indicate the orientation of the maximum compressive principal stress. (b) Fault orientation and focal depth diagram, and the illustration is a statistical diagram of dip angle of fault plane.

2.1 盈江地区5次中强震发震断层面

2008年3月21日发生的MS5.0地震断层面识别结果为其NEE向节面(图4)，该节面走向与震中附近的大盈江断裂西南段走向基本一致，该结果与先前通过地震序列重定位和震源机制解研究获得的认识是一致的(徐彦等，2012).该NEE向节面的倾角为65°，该倾角与先前研究认为的大盈江断裂西南段倾角45°～75°是相符的(安晓文等，2009).

2008年8月21日发生的MS5.9地震断层面识别结果为其近NS向节面(图4)，该节面走向与震中附近的近NS向苏典断裂走向基本一致.秦刘冰等(2014)基于测定质心震中与起始震中的差异测定了该次地震破裂方向，判断该次地震为向南的单侧破裂，该结果与地震序列展布相一致(徐彦等，2012)，因此，可以判断本研究识别出的发震断层面为近NS向节面是可靠的.

2011年3月10日发生的MS5.9地震断层面识别结果为其近NEE向节面(图4)，相应的倾角为75°.研究人员对该次地震发震构造开展了一系列研究，基于震源机制解、地震序列定位结果、地震烈度等震线分布、地表形变带和区域构造活动特征等研究认为该次地震发震构造为大盈江断裂(付虹等，2011；赵小艳等，2012；张彦琪等，2014)，该研究结果和本研究识别出的发震断层面是一致的；且本研究所得倾角在先前研究给出的大盈江断裂西南段倾角45°～75°的范围内(安晓文等，2009).

2014年5月23日发生的MS5.9地震断层面识别结果为其近NEE向节面，2014年5月30日发生的MS6.1地震断层面识别结果为其近NS向节面(图4).赵旭等(2014)基于震源机制解和有限断层模型研究，研究结果表明5月30日发生的MS6.1地震发生在一条走向为近NS向的断层上.黄小龙等(2015)为确定2014年地震序列的发震构造，对地震区开展了地震烈度调查、活动构造遥感解译、地质构造及构造地貌野外调查、震源机制解及余震分布资料分析等研究工作，研究结果表明：两次地震发震断层明显不同，5月23日地震发震断层为NE走向左旋走滑的昔马—盘龙山断裂，5月30日地震发震断层为近NS向右旋走滑的苏典断裂，该结果与本研究识别出的断层面走向是一致的.黄小龙等(2015)认为5月30日地震发震断层为近NS向苏典断裂，而本研究中该次地震震中位置与苏典断裂距离较远，因此，本研究推测该次地震的发震断层应该和苏典断裂无关，可能是与苏典断裂平行的断裂发震，上述差异产生的原因可能是两个研究中所用的断层资料和地震参数存在差异，导致了上述发震断层判定上的差异.综合上述分析，本研究认为5月23日地震发震断层为NE走向的昔马—盘龙山断裂；5月30日地震发震断层为其震源机制解中近NS向节面，可能为与苏典断裂平行的断裂发震.

2.2 盈江地区区域地震发震断层

盈江地区断层倾角主要分布在60°以上(图4b)，前文震源机制解类型统计结果表明该地区震源机制解主要为走滑型，可见，盈江地区地震以高倾角走滑型地震为主.基于应力场识别出的盈江地区发震断层走向优势方位集中在近NS向和NEE向(图4a)，总体上呈共轭分布，共轭断层走向夹角约为60°.由图3a可见，盈江地区最大和最小主压应力轴近水平，中间主应力轴近似直立，该地区地壳应力场类型为走滑型.由上述应力场和断层信息可见，盈江地区的发震断层及其应力状态符合安德森断层形成力学理论，即中间主应力轴近似直立时，最大主压应力轴与断层成30°～45°角(Anderson，1951；Marshak and Mitra, 1988)，这在一定程度上反映了本研究识别出的发震断层面是可靠的.

本研究断层识别结果表明2011年盈江地震序列存在共轭型发震(见图4)，即在2011年盈江地震区断层识别结果显示一部分发震断层走向与大盈江断裂走向一致，呈NE向展布；其余发震断层走向呈SSE向，该结果与先前研究结果较为一致(付虹等，2011；房立华等，2011；Lei et al.，2012；赵小艳等，2013；张彦琪等，2014；张广伟，2016).付虹等(2011)研究发现2011年3月的主震前所有的小震活动主要沿北东向分布，主震发生后，随即在北西向出现小震活动，地震活动呈现共轭条带分布，该观点与张彦琪等(2014)的认识是一致的.赵小艳等(2013)对2011年3月盈江地震序列进行精定位，精定位结果表明该地震余震呈共轭条带分布：一部分沿大盈江断裂呈NE向分布，另一部分沿垂直于大盈江断裂的隐伏错断呈SSE向分布，该结果与张广伟(2016)重定位研究结果相似.

在苏典断裂北部，有一条近南北向条带状分布的震源机制解，本研究识别出该条带状地震丛的发震断层面走向均为NS向(图4)，总体上展现出的发震构造走向与近NS苏典断裂一致.本研究识别出断层走向线位置为震中，即震源在地表的投影，其与苏典断裂的距离约为4 km左右(图4b)，这些地震的深度大体在10 km左右；苏典断裂倾向西，倾角50°～85°，可见，这些地震大体位于苏典断裂上.因此，本研究推断这些线状分布发震断层是苏典断裂的活动.本研究连续稳定地识别出苏典断裂上地震的发震断层面，一定程度上反映本研究识别的发震断层可靠性较高.

3 讨论

大盈江断裂附近发震断层面识别结果显示：一部分发震断层走向与大盈江断裂呈斜交，可能是其共轭断层发震，这与研究显示大盈江断裂存在共轭发震是相符的(付虹等，2011；房立华等，2011；Lei et al.，2012；赵小艳等，2013；张彦琪等，2014；张广伟，2016)；另一部分发震断层展布与大盈江断裂一致.与大盈江断裂展布方向一致的发震断层识别结果给出的发震断层走向约250°，这一走向与大盈江断裂西南段走向50°～80°呈反方向(安晓文等，2009；张彦琪等，2014)，产生这一现象的原因可能是大盈江断裂倾角较陡，在震源机制解反演中受到的约束相对较差引起的.

先前有关研究盈江地区发震构造研究结果，多数与本研究对盈江地区5次中强震发震断层面判定结果一致，但也有个别研究存在差异，如关于2014年5月30日盈江地震发震断层面的判断就存在差异 (王清东，2015；Xu et al., 2015).2014年5月23日和30日盈江地区发生了MS5.9和MS6.1双震，地震发生后受到地球物理学者的普遍关注，并就其发震构造开展了一系列研究工作.基于双差重定位后震中分布，王清东(2015) 推断在震源区可能存在一条与大盈江断裂平行的隐伏断裂为5月30日MS6.1盈江地震的发震构造.杨婷等(2016)对该次盈江地震序列进行了双差定位，基于重定位后震中分布，推测5月30日MS6.1盈江地震发生在距离卡场—大竹寨断裂只有4.5 km的次级断裂上；且该次地震震中分布有别于其他走滑型地震的细长线性分布，该次地震震中分布宽度相对较宽，反映该次地震为共轭破裂，可见本次地震较为复杂.黄小龙等(2015) 在综合地震烈度等震线分布、余震分布、震源机制解、震源深度关系及遥感解译和实地调查结果的基础上，判定盈江MS6.1地震的发震断层为近NS向苏典断裂，该研究所用资料种类多且有详实的地质调查，因此，本研究认为该研究对发震断层面走向的判断较为可靠.本研究中，苏典断裂位置参考徐彦等(2012)，图4显示2014年5月30日MS6.1盈江地震震中离苏典断裂距离较远，表明该次地震发生在苏典断裂上的可能性较小.赵旭等(2014)基于震源机制解和有限断层模型研究，判定5月30日MS6.1地震发震断层为近NS向的断层.综合上述结果，本研究认为5月30日地震发震断层为其震源机制解中近NS向节面，可能为与苏典断裂平行的断裂发震.2014年5月30日MS6.1盈江地震发震断层面判定差异可能是该双震序列的余震空间分布较为复杂引起的，特别是该次地震可能还存在共轭破裂，因此，基于定位结果判定共轭型中强震发震构造可能会遇到困难，本研究基于应力场准确判断其发震构造，一定程度上反映了基于应力场判定震源机制解节面中发震断层面方法在某些情况下具有一定的优势.

本研究对研究程度较高的5次中强震发震断层面判定结果进行了详细的对比分析，说明了基于应力场识别震源机制解节面中实际发震断层面方法的可靠性.此外，还有大量小震的断层面判定结果由于受当前对小震发震构造研究程度的限制，缺乏其他研究结果作为参照，未能一一进行比对和核实，但从以下三个方面来看，所得结果是可靠的.首先，研究区总体断层面识别结果显示出盈江地区发震断层走向优势分布为近NS向和NEE向，呈现出共轭发震，共轭断层走向夹角约为60°，研究区最大主压应力方向为NNE向，可见，该共轭断层走向与区域最大主压应力方向关系符合安德森断层理论.其次，2011年3月10日MS5.9盈江地震的有关研究结果认为该次地震存在共轭破裂活动(付虹等，2011；赵小艳等，2012；张彦琪等，2014)，其中一支沿大盈江断裂呈NE向分布，另一支沿垂直于大盈江断裂的隐伏错断呈SSE向分布；本研究对该次地震序列发震断层面的识别结果也显示出共轭发震的特点(图4)，该现象一定程度上说明本研究结果是合理的.最后，在苏典断裂北部，本研究识别出一条南北向连续展布的发震断层，考虑到苏典断裂倾向西以及震中位置与地表断层线间距离、苏典断裂倾角和这些地震的震源深度，大体上可以判断该发震断层为苏典断裂，该结果也一定程度上说明了本方法识别发震断层的可靠性.综上，大量的小震发震断层面识别结果虽未能一一核实，但从上述分析可见其识别结果具有较高的可靠性.

对于共轭型地震序列，发震断层面的准确判定还需要进一步深入研究.从表1中5次中强震两个节面上的不稳定系数来看，事件1、2和4两个节面上的不稳定系数差异较大，一定程度上反映结果较为稳定和可靠；事件3和5两个节面上的不稳定系数均非常高且差异小，表明两个节面均不稳定，即存在共轭破裂的可能，其中事件3与相关研究表明其地震序列的共轭发震现象相符(付虹等，2011；房立华等，2011；Lei et al.，2012；张广伟，2016).此外，大量小震发震断层面识别结果的宏观分析表明发震断层面识别结果具有较高的可信度，但是具体到每一个确切的地震事件时，我们难以确定其断层面识别结果是否准确.两个相邻小地震的发震断层面识别结果存在差异，这是由于共轭断层发震引起的，还是本方法识别能力所限，或是由于其他因素引起的，这还有待于进一步研究.我们将进一步深入研究本方法对各类型地震的普适性，以及研究结果的稳定性、可靠性及其影响因素.

本研究5次中强震发震断层面判定结果中4次为已有断裂的发震，一定程度上反映中强震的发生，大体上可以归结为已有主要断层的活动.从总体发震断层面走向统计结果和盈江地区发震断层走向的空间分布可见，小震的发震既可能是已有主要断裂的活动，又可能为与主震断裂共轭的微小构造发震，反映小震的发生相对于较大地震在发震断层及其空间位置上具有一定的随机性.那么是否存在某一震级阈值，大于该阈值震级的地震都能找到其对应的发震断裂，还有待于进一步深入研究和开展更多的震例研究，这将是我们下一步的研究工作.

基于构造应力场判定震源机制解节面中实际发震断层面方法具有明确的物理意义，为快速准确地确定中小地震发震断层提供了新方法.当前构造应力场研究大体上获得了全球应力状态(谢富仁等，2004；杨树新，2013；Heidbach et al., 2016)，为该方法用于快速准确地判定发震构造提供了基础，因此，该方法可以为地震应急、震后趋势判定和分析、应力触发、应力场等工作和研究提供基础数据和新的支撑.

4 结论

本研究将基于构造应力场判定震源机制解节面中发震断层面方法应用于云南盈江地区，对该地区发生在2008年3月21日—2014年11月19日间的5次中强震序列发震断层面进行识别，获得以下结论：(1) 2008年3月21日和2011年3月10日地震的发震断层为震源机制解中NEE向节面，对应震中附近的大盈江断裂；2008年8月21日地震的发震断层为震源机制解中NS向节面，对应震中附近的近NS向苏典断裂；2014年5月23日地震断层面识别结果为其近NEE向节面，其发震断层可能为昔马—盘龙山断裂；2014年5月30日地震断层面识别结果为其近NS向节面，推测其发震断层可能是与苏典断裂平行的断裂，上述5次中强震发震断层面判定结果和已有研究结果相一致.(2) 盈江地区总体断层面识别结果显示盈江地区发震断层走向优势分布为近NS向和NEE向，呈现出共轭发震，共轭断层走向夹角约为60°，研究区应力场的最大主压应力方向为NNE向；断层总体走向和最大主压应力轴走向符合安德森断层理论.(3) 本研究表明基于应力场识别震源机制解中实际发震断层面方法物理意义明确，实际应用结果合理可靠，为发震构造判定提供了新的方法.