郯廬斷裂帶安徽段中小地震震源機(jī)制及現(xiàn)代應(yīng)力場特征①

倪紅玉，劉澤民，何 康

（1．安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2．蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，安徽 蒙城 233500）

0 引言

郯廬斷裂帶斜貫中國東部，總體走向NNE，綿延上千公里［1］，是一條規(guī)模巨大的活動斷裂帶［2］。從1957年的航磁資料確認(rèn)其存在以來的50多年里，對郯廬斷裂帶的研究受到了廣泛的關(guān)注和高度的重視。本文研究的郯廬帶安徽段，北起宿遷，向南經(jīng)泗洪、五河、嘉山（明光）、肥東、廬江、太湖、宿松和黃梅，止于湖北廣濟(jì)附近，范圍在34°～30°N之間。該段及兩側(cè)的鄰近區(qū)域歷史上曾發(fā)生過多次中強(qiáng)以上地震；現(xiàn)代也曾發(fā)生過1979年安徽固鎮(zhèn)MS5．0地震、2011年安慶MS4．8地震和2012年高郵、寶應(yīng)交界MS4．9地震。

地殼構(gòu)造應(yīng)力場是地球動力學(xué)研究的核心問題之一，研究地殼構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)及其時空分布特征，特別是應(yīng)力變化的信息，是探討地震成因、分析發(fā)震條件的重要有效途徑之一。在地震學(xué)研究中，震源機(jī)制解是研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最基礎(chǔ)的資料和常用的方法。基于震源機(jī)制反演郯廬帶安徽段現(xiàn)代應(yīng)力場的研究較少，僅文獻(xiàn)［3－5］有所涉及，其研究范圍較大，部分資料的時間較早，僅得到了郯廬帶安徽段及鄰近地區(qū)應(yīng)力場的總體特征，尚未針對應(yīng)力場在時間變化上的研究。

隨著數(shù)字地震臺網(wǎng)的廣泛應(yīng)用及時間的推移，積累的數(shù)字地震資料越來越多。本文利用1970年以來239次中小地震記錄資料系統(tǒng)計算郯廬帶安徽段及鄰區(qū)震源機(jī)制解，根據(jù)劉東旺等［5］的分段方法，將郯廬帶安徽段分為北、南兩個亞段，采用力軸張量計算法［6］反演研究區(qū)及二亞段的平均應(yīng)力場，并在時間上滑動，試圖分析郯廬帶安徽段應(yīng)力場方位時空變化特征及其與周邊中強(qiáng)地震的關(guān)系［7］，為該區(qū)震情跟蹤工作提供有益的幫助。

1 震源機(jī)制解資料

1976年以來安徽地震臺網(wǎng)觀測報告和模擬波形較完整；自2000年開始安徽無線傳輸?shù)卣疬b測數(shù)字化臺網(wǎng)投入運行，地震監(jiān)測能力大大提高；自2007年5月開始安徽“十五”數(shù)字化地震臺網(wǎng)開始記錄，地震臺站數(shù)量也有一定的增長，共有24個測震臺站。根據(jù)安徽臺網(wǎng)不同時段波形資料的運行情況，系統(tǒng)整理了郯廬帶安徽段及鄰近地區(qū)1970－1975年ML≥4．0地震和1976－1999年ML≥3．0地震的觀測報告和模擬波形，2000年－2007年5月ML≥2．7地震和2007年6月－2012年的ML≥2．3地震的數(shù)字化地震波資料。

本文采用垂直向P波和SV波振幅比方法［8］和聯(lián)合利用P波、SV波和SH波的初動和振幅比求解震源機(jī)制的方法（簡稱Snoke方法）［9－11］兩種方法計算研究區(qū)的震源機(jī)制解。在采用垂直向P波和SV波振幅比方法時，平均每個地震使用了7～8個振幅比數(shù)據(jù)，其中方位角分布在270°到360°之間的地震占70%，少部分邊界地震＜270°。當(dāng)數(shù)據(jù)增、減1～2個時，其P軸方位誤差在30°左右，而方位分布＞270°時，P軸方位誤差在10°以內(nèi)，因此本文的反演結(jié)果總體可靠［12］。Snoke方法與垂直向P波和SV波振幅比方法相比，增加了SH波與P波的振幅比和SV波、SH波的初動數(shù)據(jù)，對震源機(jī)制解的約束更好。對用垂直向P波和SV波振幅比方法無法反演的地震和2009年以后的地震均采用Snoke方法反演震源機(jī)制，具體計算過程見文獻(xiàn)［13］。本文利用Snoke方法反演震源機(jī)制解時，初動數(shù)據(jù)至少6個，振幅比數(shù)據(jù)至少5個，擬合的均方根誤差均小于0．33，劉杰等［14］認(rèn)為本文的反演結(jié)果基本可靠?；趦煞N方法共計算了郯廬帶安徽段及鄰近地區(qū)自1970年以來239次2．3≤ML＜4．9地震的震源機(jī)制解，其中北亞段93次，南亞段146次。地震震中分布見圖1，其中NW向虛線是分段界限，NE向虛線是斷裂帶兩側(cè)研究區(qū)域界線。地震的時間和震級分布見表1。

圖1 郯廬斷裂帶安徽段及鄰區(qū)239次中－小地震震源機(jī)制解分布圖Fig．1 The distribution of 239focal mechanisms of moderatesmall earthquakes in the Anhui sector of Tanlu fault zone and its adjacent area

表1 1970年以來郯廬斷裂帶安徽段及鄰區(qū)中小地震震源機(jī)制解的時間和震級分布Table 1 Time and magnitude distribution of focal mechanisms of moderate－small earthquakes in the Anhui sector of Tanlu fault zone and its adjacent area from 1970

2 郯廬斷裂帶安徽段的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特征

在區(qū)域應(yīng)力場作用之下的現(xiàn)代地殼活動控制著地震的孕育發(fā)展過程和發(fā)震力學(xué)機(jī)制（即震源應(yīng)力場）。震源應(yīng)力場并不等于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場，可以通過大量地震震源應(yīng)力場的統(tǒng)計再現(xiàn)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場［15－16］。本文通過對震源機(jī)制參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計和力軸張量計算法［6］反演郯廬斷裂帶安徽段現(xiàn)代應(yīng)力場特征及分段特征。

2．1 震源力學(xué)機(jī)制推測的構(gòu)造應(yīng)力場

現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場決定了處在其中的發(fā)震斷層的性質(zhì)：當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場的P軸和T軸都是水平或接近水平（即P軸和T軸的傾角均≤45°）時，斷層以走滑為主；當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場的P軸垂直地面或接近垂直地面（即P軸傾角＞45°）時，斷層為正斷層或傾滑正斷層；當(dāng)T軸垂直于地面或接近垂直（即T軸傾角＞45°）時，斷層為逆斷層或傾滑逆斷層［17］。在分區(qū)的基礎(chǔ)上，對郯廬斷裂帶安徽段及其兩個分區(qū)北亞段和南亞段的震源機(jī)制解進(jìn)行了統(tǒng)計分析（表2）。統(tǒng)計結(jié)果表明北亞段和南亞段的斷層性質(zhì)較為接近，郯廬斷裂帶安徽段及鄰區(qū)的斷層性質(zhì)總體以走滑斷層為主（54%），逆斷層次之（26%）；正斷層最少（20%）。

表2 郯廬斷裂帶安徽段及鄰區(qū)斷層性質(zhì)及劃分結(jié)果Table 2 Division results of fault types in the Anhui sector of Tanlu fault zone and its adjacent area

圖2為按10°間隔分別統(tǒng)計得到的郯廬斷裂帶安徽段及其兩個分段北亞段和南亞段地震震源機(jī)制P、T、B軸的方位分布。結(jié)果顯示：北亞段和南亞段的P軸、T軸方位分布總體較為一致，均具有明顯的優(yōu)勢分布，B軸方位分布相對雜亂，表明郯廬斷裂帶安徽段及其鄰區(qū)地震主壓應(yīng)力軸和主張應(yīng)力軸方位大致呈近EW向和近NS向的主要分布特征，但也呈現(xiàn)不同地段、不同時段應(yīng)力軸方向存在差異的特征，與華北南部最大主應(yīng)力方向為近EW向的結(jié)果較為一致［18］。

圖2 郯廬斷裂帶安徽段及其分段的P、T軸方位分布Fig．2 Azimuth distribution of P axis and T axis of the Anhui sector of Tanlu fault zone and its two sub－sectors

為了考察郯廬斷裂帶安徽段及其鄰區(qū)的受力情況，根據(jù)傾角β大小，將其作用力劃分為：水平力（β＜10°）、近水平力（10°≤β≤30°）、斜向力（31°≤β≤60°）、近垂直力（61°≤β≤80°）垂直力（β＞80°）5種類型。表3為對P、T軸傾角的統(tǒng)計結(jié)果，βP≤30°占55%；βP≤60°占91%；βT≤30°占55%；βP≤60°占88%。平均P軸傾角為βP＝27°±18°；平均T軸傾角為βT＝29°±20°。表明該斷裂帶現(xiàn)今承受的作用力以近水平力和斜向力為主，但仍有9%的P軸傾角和11%的T軸傾角＞60°，說明存在一定的近垂向作用力。

2．2 平均應(yīng)力張量反演結(jié)果

力軸張量計算法的基本點是，許多地震的震源機(jī)制解近似相同時能給出合理的結(jié)果，同時不必考慮震源機(jī)制解兩個節(jié)面中哪個是實際發(fā)震斷層面。從圖2可以看出，郯廬斷裂帶安徽段及其鄰區(qū)震源機(jī)制參數(shù)中P、T軸的方位角和傾角有明顯的優(yōu)勢分布，適合采用力軸張量計算法反演平均應(yīng)力場。本文計算平均應(yīng)力場的做法是，首先基于震源機(jī)制解資料，得到相應(yīng)應(yīng)力張量在地理坐標(biāo)系下的表達(dá)式，并對所有震源機(jī)制解的應(yīng)力張量求平均，得到平均應(yīng)力張量，然后求解平均應(yīng)力張量的的本征值和本征向量，本征向量即為平均構(gòu)造應(yīng)力場的3個主軸。劉澤民等［19］利用東大別地區(qū)的震源機(jī)制解資料比較了不同相似程度和不同起算震級資料得到的主軸方向，認(rèn)為該方法計算結(jié)果非常穩(wěn)定，主軸方位角的誤差小于5°，傾角的誤差小于10°。

表3 郯廬斷裂帶安徽段及鄰區(qū)P、T軸傾角的統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistic results of obliquity of P axis and T axis in the Anhui sector of Tanlu fault zone and its adjacent area

本文基于郯廬斷裂帶安徽段239次地震震源機(jī)制解資料，其中北亞段93次，南亞段146次，通過研制的計算區(qū)域平均應(yīng)力張量的計算程序［19］，給出研究區(qū)平均應(yīng)力場的計算結(jié)果（圖3、表4）。結(jié)果表明郯廬斷裂帶安徽段及其分段北亞段和南亞段的最大主應(yīng)力軸（σ1）方位均呈現(xiàn)近東西向（260°～269°）、近水平（4°～8°），且南亞段方位比北亞段順時針偏轉(zhuǎn)約9°；中等主應(yīng)力軸（σ2）方位角分別為142°、110°和143°，傾角為76°～86°，近直立；最小主應(yīng)力軸（σ3）方位均呈現(xiàn)近南北向（356°～1°），近水平（2°～11°），顯示郯廬斷裂帶安徽段及其鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場為近EW向的水平擠壓和近NS向的水平拉張作用，與震源機(jī)制參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果一致。

圖3 震源機(jī)制解P、T軸和主應(yīng)力軸σ1、σ2、σ3在下半球吳爾夫網(wǎng)上的投影（空心圓、空心三角形分別表示P軸、T軸，實心圓、實心正方形和實心三角形分別表示主應(yīng)力軸σ1、σ2、σ3）Fig．3 Projection of P，T，σ1，σ2，σ3axes on Wulff net of lower hemisphere（hollow circle and hollow triangle for P，T axes，solid circle，solid square and solid triangle forσ1，σ2，σ3axes respectively）

表4 郯廬斷裂帶安徽段及其二分段的應(yīng)力場反演結(jié)果Table 4 Results of stress field inversion of the Anhui sector of Tanlu fault zone and its two sub－sectors

3 郯廬斷裂帶安徽段現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場隨時間的變化

采用10年的震源機(jī)制解資料累積，1年滑動的方式，利用力軸張量計算法得到郯廬斷裂帶安徽段及其分段北亞段和南亞段最大主壓應(yīng)力軸σ1的方位角隨時間的變化曲線（圖4），標(biāo)注地震為距研究區(qū)100km范圍內(nèi)的破壞性地震。可以看出，郯廬斷裂帶安徽段及其分區(qū)北亞段和南亞段最大主壓應(yīng)力軸σ1的方位角的總體趨勢較為一致，均呈現(xiàn)出1998年前后由順時針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折至逆時針偏轉(zhuǎn)。北亞段最大主壓應(yīng)力軸方位角從1988～1993年持續(xù)順時針偏轉(zhuǎn)，由247°偏轉(zhuǎn)至270°，偏轉(zhuǎn)幅度遠(yuǎn)大于反演誤差，1994年開始轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折回升后發(fā)生1995年蒼山MS5．2地震，并且同期南亞段最大主壓應(yīng)力軸方位角偏轉(zhuǎn)幅度較小。周翠英等［20］的研究結(jié)果表明：1995年蒼山MS5．2地震前震區(qū)附近P軸方位角1985年以前基本維持在70°左右，1986年開始P軸方位從70°猛增到100°左右，直到發(fā)震，與本文結(jié)果基本一致。1998年左右安徽段包括北亞段和南亞段均轉(zhuǎn)折為逆時針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)幅度相當(dāng)，逆時針偏轉(zhuǎn)期間南亞段發(fā)生了2005年九江－瑞昌MS5．7和2011年安慶MS4．8地震，北亞段發(fā)生了2012年高郵、寶應(yīng)交界MS4．9地震。

圖4 最大主壓應(yīng)力軸σ1的方位角隨時間變化曲線Fig．4 Variation curves of azimuth of maximum principal stressaxisσ1

4 討論與結(jié)論

本文采用垂直向P波和SV波振幅比和聯(lián)合利用P波、SV波和SH波的初動和振幅比兩種計算震源機(jī)制解的方法，在郯廬斷裂帶安徽段及鄰近地區(qū)獲得了比前人豐富得多的中小地震的震源機(jī)制解，這為分析郯廬斷裂帶安徽段及其分段的構(gòu)造應(yīng)力場特征奠定了堅實的基礎(chǔ)。

通過對震源機(jī)制參數(shù)統(tǒng)計表明，郯廬斷裂帶安徽段及鄰區(qū)的斷層性質(zhì)總體以走滑斷層為主（54%）、逆斷層次之（26%）、正斷層最少（20%），震源機(jī)制解的P、T軸的方位角和傾角具有明顯的優(yōu)勢分布，表現(xiàn)為近EW向的水平擠壓和近NS向的水平拉張作用，與華北南部最大主應(yīng)力方向為近EW向的結(jié)果較為一致［18］。

基于大量的震源機(jī)制解資料，采用力軸張量計算法反演了郯廬斷裂帶安徽段及其分區(qū)北亞段和南亞段的平均構(gòu)造應(yīng)力場。反演結(jié)果與震源機(jī)制參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果一致，也與劉東旺等［5］采用系統(tǒng)聚類法得到的結(jié)果一致，均顯示該地區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場表現(xiàn)為近EW向的水平擠壓和近NS向的水平拉張作用。

分析郯廬斷裂帶安徽段及鄰區(qū)的最大主壓應(yīng)力軸σ1的方位角隨時間變化曲線，結(jié)果表明北亞段和南亞段最大主壓應(yīng)力軸σ1的方位角的總體趨勢較為一致，均呈現(xiàn)出1998年前后由順時針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折至逆時針偏轉(zhuǎn)。北亞段最大主壓應(yīng)力軸方位角從1988～1993年持續(xù)順時針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)幅度達(dá)23°，1994年開始轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折回升后發(fā)生1995年蒼山MS5．2地震，與周翠英等［20］利用小震綜合節(jié)面解得到的蒼山地震前P軸方位的變化趨勢一致。

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