美國中東部和加拿大東南部的板內(nèi)地震、區(qū)域應(yīng)力和斷層力學(xué)

Owen Hurd　Mark D.Zoback

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美國中東部和加拿大東南部的板內(nèi)地震、區(qū)域應(yīng)力和斷層力學(xué)

Owen HurdMark D.Zoback

摘要應(yīng)用75個高質(zhì)量的單個地震震源斷層面機制和10種形式應(yīng)力反演，研究了美國中東部和加拿大東南部區(qū)域應(yīng)力方向的一致性、該區(qū)域相對應(yīng)力幅值的變化及使用摩擦斷裂理論研究優(yōu)選方向節(jié)平面上滑動的協(xié)調(diào)。為了映射研究區(qū)域的斷裂類型和相對應(yīng)力大小，我們利用高質(zhì)量的震源斷層面機制來計算AΦ參數(shù)(根據(jù)Angelier，1979；Simpson，1997)，范圍從0(均勻的水平延伸有SV?SHmax=Shmin)到1.5(走滑斷層有SHmax>SV>Shmin)到3(均勻水平壓縮有SHmax=Shmin>SV)。我們發(fā)現(xiàn)從美國中南部(走滑震源機制占主導(dǎo))朝向美國東北部和加拿大東南部(逆沖震源機制占主導(dǎo))的水平應(yīng)力相對于垂直應(yīng)力變得越來越壓縮。以類似于M.L.Zoback(1992a)研究采用的較小數(shù)據(jù)集的方式，我們利用莫爾—庫侖準(zhǔn)則來計算斷層面理論上的最佳取向(對應(yīng)于不同的摩擦系數(shù)μ)和震源機制節(jié)平面之間的方向差異，假設(shè)脆性地殼內(nèi)的孔壓是靜水壓力。對于我們研究中使用的75個震源斷層面機制，優(yōu)選的(更好擬合)節(jié)平面偏離理論上的最優(yōu)節(jié)平面μ=0.6在走向和傾角上平均只有7°。由于這種細(xì)微的差別可能代表應(yīng)力場的小變化(或震源斷層面機制中的不確定性)，我們認(rèn)為該研究區(qū)域內(nèi)幾乎所有地震以與局部應(yīng)力場中已有斷層上的剪切破裂相兼容的方式滑動。

關(guān)鍵詞板內(nèi)地震活動地殼應(yīng)力美國中東部震源機制斷層力學(xué)

0引言

大量的地震活動遍布在全球板塊內(nèi)部，常常發(fā)生在像早已存在的斷層帶這樣的構(gòu)造結(jié)構(gòu)上，有時與衰退裂谷和古縫合帶有關(guān)聯(lián)(例如，Sykes，1978)。北美洲板內(nèi)地震活動經(jīng)常與預(yù)先存在的斷層相關(guān)，這些斷層的優(yōu)選方向在當(dāng)前的應(yīng)力場內(nèi)重新激活(例如，Zoback，1992a；Zoback and Zoback，1981)。美國中東部和加拿大東南部的應(yīng)力場在數(shù)百千米的橫向尺度上是非常一致的，且一般特點是水平壓縮性的NE—SW向最大水平應(yīng)力(例如，Sbar and Sykes，1973；Zoback and Zoback，1980，1991)，被認(rèn)為是來自向洋脊推力那樣的浮力驅(qū)動力(見Zoback and Zoback，2007的綜述)或來自大地水準(zhǔn)面擾動和地幔熱異常(Davies，1999)。

在美國中東部也能觀測到二階應(yīng)力場，其中一些可能會偏離前述的大型區(qū)域應(yīng)力場。這些應(yīng)力一般是多個局部浮力相關(guān)的過程，如泥沙負(fù)荷和末次冰消期或巖石層側(cè)向存在的非均勻性(例如，Zoback and Mooney，2003)。由這些過程產(chǎn)生的應(yīng)力也可能有助于美國中南部和加拿大東南部板內(nèi)地震活動的起始。由于地震是應(yīng)力作用于地殼內(nèi)部的直接結(jié)果，分析板內(nèi)地區(qū)的地震活動性可能會產(chǎn)生有價值的信息，它們是往往從其他來源無法獲得的應(yīng)力的當(dāng)前狀態(tài)和上地殼的物理條件(孔隙壓力、斷層摩擦)。這類信息對于確定板內(nèi)地區(qū)潛在地震危險性是必不可少的。

地震震源機制經(jīng)常被用來估計地殼內(nèi)3個主應(yīng)力[垂直應(yīng)力(SV)、最大水平應(yīng)力(SHmax)和最小水平應(yīng)力(Shmin)]的方向。震源機制的P軸定義為膨脹象限的平分線，通常被用來代表SHmax的近似方向，雖然在沒有摩擦?xí)r它可能顯著偏離真實SHmax的方向(McKenzie，1969)。與從個體的震源機制解來估計SHmax相反，常規(guī)的多個震源機制的應(yīng)力反演直接估計3個主應(yīng)力的方向并提供比個體震源機制的P軸更準(zhǔn)確的SHmax方向(Angelier，1979；Gephart and Forsyth，1984；Michael，1984)。該反演過程假定用于反演的包含各種震源機制的地殼體上有均勻的應(yīng)力場以及剪切滑移發(fā)生在最大分解剪應(yīng)力方向上(Bott，1959)。

一般而言，震源機制解可以從體波初動和極化(例如，Khattri，1973)、體波振幅比(例如，Kisslingeretal，1981)、波形模擬(例如，Nbělek，1984)或這些方法的組合來獲得。當(dāng)然個體震源機制的質(zhì)量取決于記錄臺陣的幾何形狀、地震記錄的信噪比和地球速度模型的準(zhǔn)確性，一定的約束通常會產(chǎn)生更高質(zhì)量和更可靠的解。例如，因為波形模擬使用體波振幅信息并在更廣泛的震源球范圍內(nèi)搜索解，它在破裂方向約束方面通常比單獨從P波極化創(chuàng)建的震源機制更強大(例如，Lay and Wallace，1995)。解決方案僅受制于P波極性，例如，可能有幾個明顯不同的節(jié)平面對(和滑移圖像)，它們擬合數(shù)據(jù)的結(jié)果都較好且高度依賴于記錄臺陣的幾何形狀。因此，在本研究中我們只考慮所模擬的波形約束震源機制。

我們編制來自美國中東部和加拿大東南部過去約20年來擬合較好的震源機制和常規(guī)的應(yīng)力反演。我們利用這些資料來研究區(qū)域應(yīng)力方向的一致性，繪制該地區(qū)的破裂類型和相對應(yīng)力大小，根據(jù)摩擦破裂理論探討局部應(yīng)力場中更優(yōu)方向節(jié)平面上剪切破裂的可能性，其中使用了類似于M.L.Zoback(1992a)的方法(但是他使用的數(shù)據(jù)集較小)。

1資料收集

所有單個的震源機制和震源機制反演都是根據(jù)過去約20年的出版物和地震目錄進(jìn)行的。因為每個震源機制將直接被用來計算相對應(yīng)力大小和檢查我們要分析的滑移兼容性。所以，為了保證質(zhì)量，我們只選擇由波形模擬約束的震源機制。另外，波形模擬技術(shù)提供了對斷層方向更好的約束，因為它們使用了一個覆蓋面更廣的震源球以及相對體波振幅來約束解決方案。

研究區(qū)域包括美國中東部(西部邊界大致對應(yīng)著105°W經(jīng)線)和加拿大東南部?？偣簿幹屏?2個單獨的震源機制和10個應(yīng)力反演(據(jù)Mazzotti and Townend，2010)(分別為附錄A和B)。在這52個新震源機制中，24個為逆沖斷層，25個為走滑斷層，3個為正斷斷層機制。所有震源機制的震級都大于MW=3.1，最大震級為MW=5.2。加拿大地震的震源深度范圍為2～25km，平均深度為14.1km；而美國東南部地震的震源深度范圍為2～18km，平均深度為8km。我們也包括了由Zoback(1992a)在他的研究區(qū)域內(nèi)分析過的震源機制中的23個(附錄C)。對于不能獲得準(zhǔn)確經(jīng)緯度位置參數(shù)的數(shù)據(jù)點的情況，則根據(jù)原始數(shù)據(jù)來估計震源位置。

2確定應(yīng)力方向和相對應(yīng)力大小

2.1應(yīng)力方向

本文分析的第一個目標(biāo)是根據(jù)從新編制的單個震源機制和常規(guī)應(yīng)力反演的P軸推斷來調(diào)查整個研究地區(qū)最大水平主應(yīng)力方向的一致性。圖1說明了覆蓋在2008年版世界應(yīng)力圖(WSM)數(shù)據(jù)庫(Heidbachetal，2008)上的新數(shù)據(jù)點，該數(shù)據(jù)庫與Zoback(1992a，b)使用過的數(shù)據(jù)庫基本相同。一般情況下，從新震源機制(顯示為帶藍(lán)條的黑白震源機制)推斷的SHmax方向以及應(yīng)力反演(顯示為帶深綠條的深綠圓)與美國中東部和加拿大東南部大部分地區(qū)顯示的總體NE—SW走向的SHmax方向一致。此外，新數(shù)據(jù)點與預(yù)先存在的數(shù)據(jù)局部一致性，常常顯示區(qū)域應(yīng)力方向的輕微變化。

也就是說，與大致均勻的SHmax取向相反，幾個震源機制及應(yīng)力反演似乎顯示局部變化的SHmax取向。例如，弗吉尼亞州中部的應(yīng)力反演得出SHmax的取向為90°，這是一個從正西方向的應(yīng)力指標(biāo)順時針大約旋轉(zhuǎn)45°(圖1)。同樣地，伊利諾伊州南部的沃巴什山谷地震帶內(nèi)的6個新的個體震源機制平均P軸方向為77°，這與區(qū)域SHmax方向相對一致，但不同于肯塔基州西部當(dāng)?shù)氐腅—W走向的SHmax取向和阿肯色州東北部新馬德里地震帶內(nèi)的震源機制反演。沙勒沃伊地震帶內(nèi)5個新數(shù)據(jù)點中的4個和圣勞倫斯地震帶內(nèi)的兩個新震源機制也顯示與從附近的鉆孔伸張測量推斷的區(qū)域趨勢有顯著的順時針SHmax旋轉(zhuǎn)。

2.2相對應(yīng)力大小

第二個目標(biāo)是估計震源深度處3個主應(yīng)力的相對大小。首先，我們從世界應(yīng)力圖數(shù)據(jù)庫中的各個應(yīng)力測量值來估計每個地震附近的局部SHmax取向。不考慮地震類型，通過從世界應(yīng)力圖數(shù)據(jù)庫中最近3個數(shù)據(jù)點的平均SHmax方向來推斷此值。如果該平均值的標(biāo)準(zhǔn)差大于25°，那么就使用兩個最近的“A”級的應(yīng)力測量的平均值。所有52個地震，最近的兩個“A”級的應(yīng)力測量值通常來自于鉆孔伸張或水壓致裂。其次，為了約束剩余的主應(yīng)力Shmin和SV的方向，我們假定3個主應(yīng)力相互垂直且走向為水平和垂直方向(Zoback and Zoback，1980)?？纱_認(rèn)在Mazzotti和Townend(2010)的圖2中看出在開展過震源機制反演的全部10個地區(qū)有一個主應(yīng)力是近乎垂直的。

在應(yīng)力方向的約束下，計算3個主應(yīng)力的相對大小。在計算之前，使用Zoback(1992b)的規(guī)則來區(qū)分每個震源機制是逆沖走滑還是正斷。對于SV，我們假設(shè)了一個25MPa/km的區(qū)域巖石靜態(tài)梯度，這對應(yīng)著一個密度為2 500kg/m3的覆蓋層。雖然巖石的密度隨深度增加，且更高梯度(27～28MPa/km)可能更適合更深的地震，但我們?nèi)匀徊捎?5MPa/km梯度，因為本研究中檢查的絕大部分地震都發(fā)生在上地殼內(nèi)。更重要的是，由于僅計算主應(yīng)力的相對大小，改變覆蓋層梯度不會影響計算結(jié)果。然后，使用兩個物理約束來求解剩余的主應(yīng)力。首先，關(guān)系式：

(1)

圖1　美國中東部和加拿大東南部的應(yīng)力指示(原圖為彩色圖——譯注)。地圖包含覆蓋在2008年世界應(yīng)力圖上的52個新編制的震源機制(帶藍(lán)條的黑白震源機制球)、10個應(yīng)力反演(帶深綠色的深綠色圓)和23個來自Zoback(1992a)的震源機制(灰色震源球)。震源機制球和應(yīng)力反演上的條段分別代表SHmax的近似和估計取向

(根據(jù)Angelier，1979)，式中S1，S2和S3代表按大小遞減依次排序的3個主應(yīng)力。把約束放在節(jié)平面上的滑動向量的潛在方向上。如果節(jié)平面上的滑動在幾何形狀上與局部應(yīng)力場一致，那么對于給定的斷層機制Φ必須在0～1之間。根據(jù)Gephart(1985)的技術(shù)，使用下列關(guān)系式從震源機制的2個節(jié)平面和3個主應(yīng)力來計算Φ：

(2)

式中βij對應(yīng)著一個與主應(yīng)力和震源機制坐標(biāo)系有關(guān)的角度余弦的矩陣。

根據(jù)Jaeger和Cook(1979)對相對應(yīng)力大小的第二個物理約束是：

(3)

式中，PP是孔隙水壓，μ是斷層摩擦系數(shù)。對于給定的PP和μ值，應(yīng)力差不能超過引起脆性地殼中已存在的優(yōu)選方向斷層上剪切破裂所需的應(yīng)力。下節(jié)將使用摩擦斷裂理論、合理的PP和μ值并利用此約束來評估震源機制的每個斷層面上剪切滑動的一致性。

由于Φ提供了相對最大(S1)和最小(S3)主應(yīng)力的S2的大小量值，它可以用于映射研究區(qū)內(nèi)的相對應(yīng)力大小及斷裂方式。根據(jù)Simpson(1997)，我們使用每一個震源機制的Φ值和斷層機制來計算AΦ參數(shù)，根據(jù)斷層類型，它測量的相對應(yīng)力大小為從0～3。該關(guān)系式如下：

(4)

式中，Φ在(2)式中計算，n=0，1和2分別對應(yīng)著正斷、走滑和逆沖類型。

圖2　研究區(qū)域AΦ參數(shù)的空間變化(原圖為彩色圖——譯注)。相對于垂直應(yīng)力從美國中南部到美國東北部和加拿大東南部，水平應(yīng)力逐漸壓縮(AΦ變得較大值)。參數(shù)值是使用雙線性插值方案插值，且線性外推到地圖的邊界。背景地震活動來自美國地質(zhì)勘探局/國家地震信息中心1973～2010年地震目錄

總共確定了85個AΦ數(shù)據(jù)點，其中52個來自本研究中的震源機制，10個來自本研究中的應(yīng)力反演，23個來自Zoback(1992a)的震源機制。圖2顯示了這些結(jié)果的空間分布。實際上，AΦ值取0表示均勻的水平擴張(SV?SHmax=Shmin)，取1.5代表走滑斷裂(SHmax>SV>Shmin)，取3代表均勻的水平壓縮(SHmax=Shmin?SV)。結(jié)果表明，兩個水平主壓應(yīng)力逐步增加。

3區(qū)域應(yīng)力場中的滑移相容性

本文分析新編制數(shù)據(jù)集的最后一個目標(biāo)是根據(jù)莫爾—庫侖破裂準(zhǔn)則來評估每個節(jié)平面在取向上與局部應(yīng)力場中剪切破裂預(yù)期的方向的接近程度。我們假設(shè)脆性地殼中的PP是靜水壓狀態(tài)(據(jù)Zoback and Townend，2001)，μ與Byerlee(1978)測定的實驗值一致，他發(fā)現(xiàn)各種各樣的巖石類型在很大范圍的圍壓下表現(xiàn)出摩擦系數(shù)在0.6～1之間。然而，為了包含一些板內(nèi)斷層可能有異常低的摩擦強度這種可能性，我們評估了理論上預(yù)測的μ值低至0.2的斷層滑動的連續(xù)性。因此，對于給定的應(yīng)力方向和Φ，μ和PP值，我們確定這兩個節(jié)面中哪一個對剪切破裂來說是更優(yōu)取向。換句話說，我們的目標(biāo)是確定每一對節(jié)平面中哪個震源機制節(jié)平面最接近破裂的理論預(yù)期方向，在確定過程中，我們假定靜水壓PP和μ與Byerlee(1978)從實驗室推導(dǎo)出的摩擦值一致。

利用網(wǎng)格搜索法來查找局部應(yīng)力場中最優(yōu)取向的節(jié)平面。盡管應(yīng)用了傾角必須在0～90°范圍內(nèi)的約束，但對于每組震源機制解，兩個面上的走向同時變化不同于觀測到的走向高達(dá)±45°。兩個節(jié)面的走向也各不同于觀測值高達(dá)±45°。每一次走向和傾角的迭代，均假定靜水壓Pp來計算適合觀測滑動的μ值。圖3所示為其中一次所分析地震的μ值分布圖。實心圓代表的斷層面(左)和輔助節(jié)平面(右)的方向，根據(jù)哪個節(jié)平面最符合摩擦系數(shù)在0.6～0.8之間的莫爾-庫侖破裂假設(shè)來確定這兩個節(jié)平面。測試在當(dāng)前應(yīng)力場中不可能發(fā)生摩擦滑動的節(jié)平面配置并用陰影區(qū)表示。在圖3所示的示例中，優(yōu)選節(jié)面對摩擦系數(shù)為0.6～0.8之間基本上是完美取向。輔助節(jié)平面的傾角必須旋轉(zhuǎn)約15～20°來與實驗室推導(dǎo)的摩擦值一致。

圖3　單個震源機制的斷層摩擦(μ)分布圖的示例(原圖為彩色圖——譯注)。實心圓代表兩個節(jié)平面的方向。彩色代表局部應(yīng)力場中有對應(yīng)走向和傾角的節(jié)面上引起剪切破裂所需的μ值。檢驗在當(dāng)前應(yīng)力場中不可能發(fā)生摩擦滑動的節(jié)平面配置并用陰影區(qū)表示。平面1是優(yōu)選節(jié)平面，因為μ=0.6時它更接近理論上預(yù)期的方向。地震位置：德克薩斯州西北部，日期：2010年10月2日，震中位置：35.49°N，102.65°W；震源深度：13km；震源機制：走滑；SHmax方向：N109°E

圖4(a)顯示本研究中所考慮的全部75個地震的震源機制當(dāng)μ=0.6時優(yōu)選節(jié)平面方向與最近的理論預(yù)期節(jié)平面方向之間的走向和傾角差異的直方圖。結(jié)果表明，μ=0.6時整體上優(yōu)選節(jié)平面的方向與預(yù)期方向完全一致。走向和傾角中的平均失配僅約為7°，它完全在與應(yīng)力方向和節(jié)平面測定相關(guān)的不確定性的范圍之內(nèi)。圖4(b)顯示了所有地震的共軛節(jié)平面的方向差異，它們擬合更差。最后，圖5顯示了假定摩擦系數(shù)為0.2，0.6和0.8時給定走向和傾角的優(yōu)選節(jié)平面與理論上理想節(jié)平面之間的失配。注意，摩擦系數(shù)0.6與更高或更低摩擦系數(shù)相比與觀測值更一致。

4討論

4.1美國中東部的應(yīng)力場

與以前的觀測結(jié)果一致，新編制的震源機制和應(yīng)力反演表明美國中東部和加拿大東南部地區(qū)存在高度一致的NE—SW方向的SHmax(圖1)。這種大規(guī)模的均勻應(yīng)力場通常被認(rèn)為是如洋脊推擠和巖石層中的內(nèi)部密度非均質(zhì)性類的浮力驅(qū)動力(Zoback and Zoback，2007)或來自大地水準(zhǔn)面擾動和地幔熱異常(Davies，1999)。弗吉尼亞州中部、沙勒沃伊、圣勞倫斯和新馬德里地震帶都包含從不同于總趨勢的SHmax的局部旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。注意，在這些地震帶內(nèi)的應(yīng)力旋轉(zhuǎn)經(jīng)常由無數(shù)發(fā)生在各種深度不同斷層上的各個震源機制應(yīng)力指標(biāo)所支持。

幾十年來，觀測了很多這些二級應(yīng)力方向，且產(chǎn)生這種地震活動的物理過程可能包括來自于冰川消退或沉積層荷載和下地殼非均質(zhì)性產(chǎn)生的浮力驅(qū)動力。Baird等(2010)在使用三維數(shù)值模擬技術(shù)來預(yù)測沙勒沃伊地震帶內(nèi)地震活動的空間位置中，說明了對古斷裂帶詳細(xì)構(gòu)造認(rèn)識的重要性和已有結(jié)構(gòu)上如何滑動可能會修改局部應(yīng)力、地震活動分布和斷層類型(參見Mazzotti and Townend，2010)。

4.2相對應(yīng)力大小和破裂類型

AΦ參數(shù)用于映射研究區(qū)內(nèi)相對應(yīng)力大小和破裂類型。我們的結(jié)果顯示了從加拿大東南部和美國東北部以逆沖斷裂機制為主移向以走滑斷裂機制為主的美國中南部之間的明顯對比(圖1和2)。換句話說，從美國中南部向美國東北部和加拿大東南部的過程中水平應(yīng)力相對于垂直應(yīng)力壓應(yīng)力逐步增加。討論產(chǎn)生這些相對主應(yīng)力對比的一個機制是與一個大規(guī)模更新世冰蓋卸載有關(guān)的應(yīng)力的疊加(例如，Clark，1982；James，1991；James and Bent，1994；Steinetal，1979；Wu and Hasegawa，1996；Wu and John-ston，2000；Wu and Mazzotti，2007)。這些模型通常假設(shè)成應(yīng)用于具有彈性或粘性巖石層屬性的層狀地球模型的圓盤狀荷載，且一般定量匹配相對應(yīng)力大小對比。然而，正如Zoback(1992a)所指出的，冰川回跳模型往往與加拿大東南部和美國東部之間相對應(yīng)力對比的觀測值不一致，且當(dāng)疊加到背景應(yīng)力場上時由于在孕震深度產(chǎn)生的應(yīng)力擾動太小以致無法解釋觀測到的應(yīng)力變化。Zoback和Mooney(2003)探討了這種可能性，即美國東北部和加拿大東南部的相對高壓縮可能與地幔巖石層中相對高密度關(guān)聯(lián)的負(fù)浮力的影響有關(guān)，這種負(fù)浮力“下拉”地殼從而增加壓縮。

Baird等(2010)指出相對于現(xiàn)代區(qū)域應(yīng)力場，加拿大東南部的活動斷層可能與古裂谷構(gòu)造的方向有關(guān)。例如，加拿大東南部的許多地震帶都沿著已存在的NW—SE走向構(gòu)造分布，比如渥太華地塹和薩格奈地塹垂直于SHmax方向由此很可能通過逆沖斷層來復(fù)活。相反，美國中東部的走滑斷層可能是由NE—SW總體走向的古裂谷構(gòu)造產(chǎn)生的，這使得這些構(gòu)造以走滑方式復(fù)活更為有利。

圖4　表示所有75個震源機制解優(yōu)選節(jié)平面(a)和共軛節(jié)平面(b)之間走向和傾角失配及理論上最佳取向(μ=0.6)節(jié)平面的直方圖。大多數(shù)優(yōu)選節(jié)面的走向和傾角在理論上最佳定向斷裂面的8°范圍內(nèi)。注意優(yōu)選和共軛節(jié)平面直方圖之間的頻率尺度不同

本研究中用于檢查相對應(yīng)力大小和斷裂方式的分析可以擴展到可獲得約束好和分布好的震源機制的一個相對較小集合(20～40)的其他大陸地區(qū)。西歐、中國、中亞和南美洲西北部都是地震活動廣泛的地區(qū)，因此可能是類似研究最為可行的候選地區(qū)。AΦ參數(shù)尤其可能有助于闡明各種斷裂類型在結(jié)構(gòu)上與構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)之間的空間變遷。

4.3滑動兼容性和斷層摩擦

對于全部75個地震的每個節(jié)平面對，我們根據(jù)它位于符合μ=0.6的莫爾—庫侖破裂的最近節(jié)平面附近來選擇其中一個節(jié)面作為局部應(yīng)力場中剪切破裂的擇優(yōu)取向。絕大多數(shù)這些優(yōu)選節(jié)平面與μ=0.6的破裂斷層面在走向和傾角的差別都小于7°(圖4a)，因此我們認(rèn)為這些節(jié)平面與局部應(yīng)力場中的剪切破裂普遍兼容。我們借助與一個不變的應(yīng)力張量有關(guān)的一個旋轉(zhuǎn)節(jié)面對來解釋結(jié)果，雖然我們假定3個主應(yīng)力位于垂直和水平面內(nèi)，分析相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)與固定節(jié)面有關(guān)的應(yīng)力張量。不管什么參考系，優(yōu)選節(jié)面只需要小擾動就能成為局部應(yīng)力場中剪切破裂的最佳方向。我們根據(jù)幾方面的證據(jù)在0.6～0.8之間考慮我們分析的摩擦系數(shù)(μ)。第一，Byerlee(1978)從實驗上證明了各種各樣巖石類型在一定圍壓范圍內(nèi)μ一般在0.6和1之間取值，盡管它可能在泥質(zhì)巖中更低，但與這里研究的地震不相關(guān)。第二，延伸至上地殼內(nèi)深約9km的原地應(yīng)力測量結(jié)果與使用0.6≤μ≤1.0的庫侖摩擦破裂理論預(yù)測的應(yīng)力大小常常一致(例如，在Townend and Zoback，2000的圖1中)。第三，Sibson和Xie(1998)以及Collettini和Sibson(2001)使用庫侖破壞準(zhǔn)則證實，活動逆沖斷層和正斷層的傾角范圍與假定0.6≤μ≤0.85和主應(yīng)力位于水平和垂直斷層面內(nèi)的斷層復(fù)活一致。雖然他們的研究只考慮產(chǎn)生中大地震(M>5.5)的斷層面，這些地震明顯大于本項研究中研究的大多數(shù)地震，但他們的研究結(jié)果支持我們給地殼中的發(fā)震斷層指定與實驗室一致的摩擦系數(shù)。

圖5　優(yōu)選節(jié)平面與以μ=0.2，μ=0.6和μ=0.8破裂的最近節(jié)平面之間在走向和傾角的失配。摩擦系數(shù)取0.6比更高或更低摩擦值更符合觀測資料

Gudmundsson等(2010)證明了主要斷裂帶內(nèi)尤其是損傷帶和斷層核內(nèi)變化的物理特性可能影響到局部應(yīng)力的方向和大小，這隨后可能會影響斷裂的擴展行為。我們的分析直接檢查無論是否存在局部應(yīng)力擾動、異常的斷層摩擦，或升高的孔隙水壓都需要用來解釋在相對統(tǒng)一的區(qū)域應(yīng)力場的板內(nèi)斷層上觀測到的滑動。具體地說，我們考慮了摩擦系數(shù)低至0.2和高至0.8時震源機制節(jié)平面的滑動兼容性。結(jié)果表明，絕大多數(shù)節(jié)平面上的滑動與實驗室假設(shè)脆性地殼內(nèi)流體靜孔壓推導(dǎo)的摩擦系數(shù)相一致。

我們流體靜孔壓的假設(shè)是基于上地殼內(nèi)持續(xù)深達(dá)12km的流體靜孔壓的廣泛觀測(見Townend and Zoback，2000中的表1)和上地殼內(nèi)流體靜孔壓和強度有限應(yīng)力模型中觀察到的巖石層變形率的一致性(Zoback and Townend，2001)。雖然我們承認(rèn)斷層可能是流體流動和升高孔隙壓力的管道，但我們的研究結(jié)果表明，就區(qū)域應(yīng)力場而言，一般是沒有理由借助于升高PP來解釋板內(nèi)地震的發(fā)生。我們滑動兼容性的結(jié)果與Zoback(1992a)分析的一致，并與脆性地殼一般處于區(qū)域板塊驅(qū)動力(Zobacketal，2002)和與巖石層密度變化相關(guān)的局部擾動(Zoback and Mooney，2003)造成的摩擦破裂平衡狀態(tài)的假說一致。

5結(jié)論

(1)包括來自美國中東部和加拿大東南部75個地震的震源機制和10種形式應(yīng)力反演的新近編制的應(yīng)力數(shù)據(jù)表明，大部分北美洲板塊存在高度一致、壓縮、NE—SW方向的最大水平應(yīng)力。新資料與許多先前存在的各種應(yīng)力指標(biāo)的應(yīng)力測量一致。

(2)使用每個地震位置的震源機制節(jié)平面和應(yīng)力張量計算出的AΦ參數(shù)，我們調(diào)查了研究區(qū)域相對應(yīng)力的大小和斷層類型的變化。從美國中南部以走滑斷層為主到美國東北部和加拿大東南部以逆沖斷層為主有一個顯著的過度，這反映了相對于垂直應(yīng)力從北美洲中部向東北部移動過程中水平應(yīng)力日益壓縮(高AΦ值)。

(3)采用莫爾-庫侖破裂準(zhǔn)則并假設(shè)靜水孔隙壓力，我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)優(yōu)選震源機制節(jié)平面與局部應(yīng)力場中剪切破裂的最佳方向平面(μ=0.6)在方向上一致。這表明，優(yōu)選節(jié)面上的剪切破裂一般不需要降低斷層摩擦或提高孔隙水壓。

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謝輝(1982—)，女，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)碩士研究生，主要從事地震分析及相關(guān)研究，E-mail：327552767@qq.com。

譯 者 簡 介

Owen Hurd，Mark D.Zoback.2012.Intraplate earthquakes，regional stress and fault mechanics in the Central and Eastern U.S.and Southeastern Canada，Tectonophysics.581∶182-192.doi∶10.1016/j.tecto.2012.04.002

謝輝，李青梅 譯.2016.美國中東部和加拿大東南部的板內(nèi)地震、區(qū)域應(yīng)力和斷層力學(xué).世界地震譯叢.47(2)∶130-146.doi∶10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201602004

寧夏回族自治區(qū)地震局謝輝，李青梅譯；河北省地震局孫麗娜校

河北省地震局金學(xué)申復(fù)校