P波極性揭示的甘東南地區構造應力場特征①

卜玉菲，張元生，萬永革，劉旭宙，高 見

（1．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 73000；2．防災科技學院，河北 三河 065201）

0 引言

目前根據地震波資料求解地殼應力場主要有兩種思路：一是直接根據震源機制反演應力場；二是根據P波初動數據求解綜合震源機制進而確定應力場方向。由于單個地震的震源機制反映的是地震前后震源區的應力變化，震源機制節面與構造應力主軸都成一定角度。當一組地震斷層面的取向比較隨機、地震分布于全區時，多個地震的震源機制解得到的平均P、B、T軸方向就能夠代表該區平均構造應力場方向，但是求解的精確程度跟震源機制分布有直接關系。在大量中小地震在震源機制不能確定的情況下這種方法不適用。根據P波初動數據求解應力場的方法不需要先得到震源機制，所以可以更充分利用小震和微震資料。

上世紀70年代李欽祖等根據Aki［1］提出的基本思路給出了利用單臺小震資料的綜合初動解研究臺站所在區域應力場的方法求得了紅山臺和沙城臺附近的區域應力場［2］。該方法是假定研究區域應力場是均勻的，將同一個臺站的初動極性根據離源角和方位角投影到每個小地震的震源球上，并在此位置標明初動極性，然后將此臺所有地震的震源移動到同一點，疊加在同一個震源球上，得到單臺小震資料的綜合初動解。按照這種方法，許忠淮根據多個臺站多個地震推斷了多個地區地震應力場的方向特征，并對這種方法采用了模擬數據進行驗證，證明了該方法的可行性。許忠淮結合先前工作結果對個別地區補充數據后重新做了分析，總結了我國大陸地震構造應力場的主要特征，編制完成中國大陸地震構造應力方向圖［3－5］。

甘東南處于青藏高原東北緣，為西秦嶺北緣斷裂和東昆侖斷裂東段之間的區域，形成多條密集且平行具有弱走滑、強逆沖性質的NWW及NEE晚更新世及全新世斷裂［6－7］。該地區長期受到印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓作用的影響，構造活動劇烈，地震活動頻繁，歷史上曾發生過多次大震［8］。2009年起甘東南地區架設了大量地震流動臺網，記錄了大量近震地震資料，為我們采用這種方法求解該地區的綜合應力場提供了很好的機會。本文利用甘東南流動臺陣和固定臺網記錄的地震波形資料，采用萬永革等［9］提出的考慮不同地震距對網格點應力場方向影響的P波綜合震源機制法求解本區應力場，得到覆蓋甘東南全區的綜合震源機制解數據，以期能為以后該區的斷層活動和地震預測研究提供基礎資料。

1 資料來源

2009年11月，中國地震局地質研究所和中國地震局蘭州地震研究所合作在甘東南地區架設了野外地震觀測流動臺陣，架設七條測線共150個流動臺站，平均臺站間距15km，到目前記錄了大量的地震波數據，為深入開展甘東南地區的地球物理研究提供了寶貴的資料（圖1）。密集的流動臺陣有較強的監測能力和的較高的定位精度，震中分布更加集中，與斷層和地震區帶分布更加密切。

本文選取2010年11月1日—2011年11月30日期間甘東南流動臺陣的波形記錄，以及甘肅地震臺網和周邊省鄰近臺站的波形數據，共150個流動臺站和79個固定臺站記錄的同時段的波形數據。震中區域范圍為 N32．164°～35．999°，E102．745°～107．079°。

圖1 研究區臺站及震中分布Fig．1 Distribution of stations and earthquakes in the research area．

2 數據處理

本研究所選用的原始波形資料是以1小時為單位的EVT格式文件，借助edias軟件挑選出3個（包含3個以上）臺站記錄到的地震進行分析，用msdp軟件進行震相識別、P波初動標記和初定位，得到包含震相到時、初動信息在內的定位結果文件。利用張元生等開發的t－D地震定位程序進行地震重新定位［10］，最終得到有初動記錄的地震2 373個，初動符號12 129個（圖1）。

重定位結果顯示：地震活動沿斷裂分布明顯，特別是青川附近地震活動頻繁（汶川地震余震），而華亭、平涼地區由于多有礦震，數據量也極為豐富。定位后震源深度主要集中在5～20km以內，所以，我們在深度上不做分辨，只考慮二維情況下的應力情況。

我們采用萬永革的求解方法，將甘東南地區分為0．25°×0．25°的二維網格，依次求解了所用地震數據在平均震源深度（12km）上網格點處的應力場方向［9］。每個網格點選擇周圍地震在臺站上觀測的P波初動符號進行反演。由于每個地震距網格點的距離不同，對網格點應力方向確定的貢獻也不相同，因此我們根據網格點的距離給予不同地震的P波初動不同的權重。每個地震的P波初動權重w根據下式求取：

其中D為距離衰減常數，本研究D取為25km；r為折合距離，按照下式計算：

其中，x，y分別為地震的經度和緯度；x0和y0分別為網格點的經度和緯度。由于計算的二維結果，折合距離并沒有考慮深度的計算。經過此種加權后，地震距離越遠權重越小，當r取為50km的時候，權重w僅為1．8%。為了增加計算速度，我們網格點只選取了r≤50km的P波初動資料。為了提高計算質量，只計算P波數據≥100的網格點。每個格點在擬合綜合震源機制解的時候，我們采取1°×1°×1°的網格搜索P、B、T軸的方位。選擇最小矛盾比（矛盾的P波初動符號數與總的符號數之比）對應的P、B、T軸方位為該點的綜合震源機制解。

3 結果

我們對研究區進行空間掃描求解綜合震源機制，假定應力相對大小為0．5，根據選擇條件，共反演了261個小區域的應力場（圖2），最優解個數控制在一個或者兩個，矛盾比最大不超過0．41。

圖2 應力場反演結果Fig．2 Mapview of stress field inversion．

圖2所給結果覆蓋了整個甘東南地區，細化的分區能更好地體現出甘東南地區應力場方向的變化。

從結果看，本區主壓應力軸方向空間上有明顯的不均勻性，整體上傾角很小且方向存在順時針旋轉特性，由北部的NEE向南部逐漸偏轉為近EW向和SEE向，越往東部這種趨勢愈明顯，本區東南部主壓應力軸呈SE向。整體上主張應力軸優勢方向為近NS向，西部地區主張應力軸普遍為NNW向，東南部順時針轉換為NE向。虎牙斷裂以東文縣斷裂以南地區最大主張應力軸分布近直立，優勢方向為NS－NNE向，與周邊最大主張應力軸方向上是連續變化的，傾角表現出明顯的區域不一致性，最大主壓應力軸方向和傾角一致性強。與研究區他處相比較，此處有計算所用數據量大、反演結果的最小矛盾比大的特點。禮縣—羅家堡斷裂、隴縣—寶雞斷裂和西秦嶺北緣斷裂交匯區最大主壓應力軸傾角較大近直立，方向和傾角不一致性明顯，最大主張應力軸表現穩定、變化連續。

4 結論和討論

甘東南地區屬于青藏高原東北緣的東南部，地質構造和地球物理特征復雜。前人通過GPS觀測［11－13］，震源 機 制［14－16］，各 向 異 性［17－19］等 對 青 藏 高原東北緣應力場和動力環境曾有過研究，取得了一系列重要成果。以上研究普遍認為，青藏高原東北緣主壓應力軸存在順時針偏轉，由北側的NE向逐步轉變為中部的EW向和南側的SEE向。這與我們的結果一致，表明了我們處理方法的正確性，另外由于我們資料相當豐富，可以給出更多該區應力場的細部特征，主要闡述如下：

（1）全區應力場主要受NEE向至SEE向壓應力控制，最大主壓應力軸表現出旋轉特性。本區水平作用明顯，最大主壓應力軸普遍傾角較小，主張應力軸傾角近水平，在此作用下，更有利于發生走滑錯動，并且表現出一定的逆沖性質。

（2）本區從西到東應力場存在明顯的橫向不均勻性，這可能由于青藏高原塊體向北東方向運動遇到鄂爾多斯塊體的阻擋，越往東受到的擠壓越明顯，而華南地塊向東南方向運動，所以物質向東南方向擠出。從圖2（a）能看出在本區越往東部主壓應力軸方向順時針偏轉越明顯（圖3）。GPS觀測數據也證實青藏高原東北緣越往東滑動速率越快［20］。

圖3 本區應力場反映的構造運動示意圖Fig．3 Chart of tectonic movement in the research area from stress field inversion．

（3）虎牙斷裂以東文縣斷裂以南地區最大主張應力軸傾角近直立，不一致性明顯。但是最大主張應力軸方向與全區優勢方向保持一致，最大主壓應力軸受大環境控制，變化連續。本區矛盾比普遍大于0．35，在整個研究區屬于高值區。特別是104度以西，地震數目較少，地震相對也較小（圖1），因此這部分應力場主要源于其他地區的地震，因此主要為地殼應力場平滑的結果，從主壓應力方向連續也說明了這一點。這里的主壓應力軸較陡的現象還需要結合其他資料進行進一步解釋。

（4）禮縣－羅家堡斷裂、隴縣－寶雞斷裂和西秦嶺北緣斷裂交匯區最大主壓應力軸不一致性明顯，此處處于鄂爾多斯地塊西南緣，是不同走向的斷裂交匯區。結果似乎表明了主壓應力向北東的應力環境受到較硬的鄂爾多斯塊體的阻擋致使該地區物質沿著西秦嶺斷裂方向向東流動，導致此處主張應力方向向東，從而鄂爾多斯地塊西南部向東旋轉導致這里的物質有拉張分量（GPS也明顯表現為這種運動），致使該地區主壓應力軸較陡。

甘東南流動臺陣在本區覆蓋密度大，故對綜合震源機制解的約束較好。結果中綜合震源機制解表現出較好的連續性，也表明反演結果可靠性較高。跟前人研究相比，本次研究使用大量的P波初動數據，資料豐富，對模型的約束性較好。摩擦系數與應力相對大小均對P波綜合輻射花樣具有影響，但是并不能靠P波初動符號完全確定這兩個參數，所以我們研究中假定應力相對大小為0．5［21］。甘東南地區處于三大板塊交匯的區域，區內構造復雜，本文首次給出了遍布全區0．25°×0．25°的應力場分布，這對于分析甘東南地區的地質環境和構造運動具有一定的參考價值。區域內有不一致明顯的區域，可能的原因可以進行進一步探討。

甘東南地區是青藏高原東北緣的重要組成部分，是青藏塊體向北東向推擠的前緣，過去由于資料的缺少，對本區地殼應力場的研究比較籠統，本文得到的本區應力場細化的分區計算結果能夠為分析青藏高原板塊的推擠對東北邊界造成的動力環境提供更為詳細的基礎資料，也為本區構造活動和地震預測提供動力學背景參考。

［1］ Aki K．Earthquake Generating Stress in Japan for the Years 1961to 1963Obtained by Smoothing First Motion Patterns［J］．Bull．Earthq．Res．Inst．，1966，44：447－471．

［2］ 李欽祖，王澤皋，賈云年，等．由單臺小地震資料所得兩個區域的應力場［J］．地球物理學報，1973，16：49－61．

LI Chin－tsu，WANG Tse－kao，CHIA Yun－nian，et al．Stress Field Obtained for Two Regions from Weak Earthquake Data Recorded at a Single Seismic Station［J］．Acta Geophysica Sinica，1973，16：49－61．

［3］ 許忠淮，劉玉芬，張郢珍．京津唐張地區地震應力場的方向特征［J］．地震學報，1979，1（2）：121－132．

XU Zhong－huai，LIU Yuv－fen，ZHANG Ying－zhen．On the Characteristic of Direction of the Earthquake Stress Field A－round the Beijing Area［J］．Acta Seismological Sinica，1979，1（2）：121－132．

［4］ Xu Z H，Wang S Y，Huang Y R，et al．Tectonic Stress Field of China Inferred from a Large Number of Small Earthquakes［J］．J Geophys Res，1992，97（B8）：11827－11877．

［5］ 許忠淮，汪素云，黃雨蕊，等．由大量地震的資料推斷我國大陸構造應力場［J］．地球物理學報，1989，32（6）：636－647．

XU Zhong－huai，WANG Su－yun，HUANG Yu－rui，et al．The Tectonic Stress Field of Chinese Continent Deduced from a Great Number of Earthquakes［J］．Acta Geophysica Sinica，1989，32（6）：636－647．

［6］ 袁道陽，張培震，劉百篪，等．青藏高原東北緣晚第四紀活動構造的幾何圖像與構造轉換［J］．地質學報，2004，78（2）：270－278．

YUAN Dao－yang，ZHANG Pei－zhen，LIU Bai－chi，et al．Geometrical Imagery and Tectonic Transformation of Late Quaternary Active Tectonics in Northeastern Margin of Qinghai－Xizang Plateau［J］．Acta Geologica Sinica，2004，78（2）：270－278．

［7］ 鄧起東，張培震，冉永康，等．中國活動構造基本特征［J］．中國科學（D輯），2002，32（12）：1020－1031．

DENG Qi－dong，ZHANG Pei－zhen，RAN Yong－kang，et al．Basic Characteristics of Active Tectonics of China［J］．Science in China（Ser D），2002，32（12）：1020－1031．

［8］ 劉小鳳，梅秀蘋，馮建剛，等．青藏高原北部地區地震基本活動狀態定量評價［J］．西北地震學報，2011，33（2）：130－136．

LIU Xiao－feng，MEI Xiu－ping，FENG Jiang－gang，et al．Quantitative Estimating Basic State of Seismicity in Northern Region of Qinghai－Xizang Plateau［J］．Northwestern Seismological Journal，2011，33（2）：130－136．

［9］ 萬永革，吳逸民，盛書中，等．P波極性數據所揭示的臺灣地區三維應力結構的初步結果［J］．地球物理學報，2011，54（11）：281－218．

WAN Yong－ge，WU Yih－min，SHENG Shu－zhong，et al．Preliminary Result of Taiwan 3－D Stress Field from P Wave Polarity Data［J］．Chinese J．Geophysics，2011，54（11）：2810－2818．

［10］ 惠少興，張元生，李順成．t－D地震定位方法研究［J］．西北地震學報，2012，34（1）：10－13．

HUI Shao－xing，ZHANG Yuan－sheng，LI Shun－cheng．Study ont－DEarthquake Location Method［J］．Northwestern Seismological Journal，2012，34（1）：10－13．

［11］ 沈正康，王敏，甘衛軍，等．中國大陸現今構造應變率場及其動力學成因研究［J］．地學前緣，2003，10（特刊）：93－100．

SHEN Zheng－kang，WANG Min，GAN Wei－jun，et al．Contemporary Tectonic Strain Rate Field of Chinese Continent and Its Geodynamic Implication［J］．Earth Science Frontiers，2003，10（Suppl）：93－100．

［12］ 江在森，馬宗晉，張希，等，GPS初步結果揭示的中國大陸水平應變場與構造變形［J］．地球物理學報，2003，16（3）：352－358．

JIANG Zai－sen，MA Zong－jin，ZHANG Xi，et al．Horizontal Strain Field and Tectonic Deformation of China Mainland Revealed by Preliminary GPS Result［J］．Chinese J．Geophysics，2003，16（3）：352－358．

［13］ 江在森，馬宗晉，張希，等．青藏塊體東北緣水平應變場與構造變形分析［J］．地震地質，2001，23（3）：337－345．

JIANG Zai－sen，MA Zong－jin，ZHANG Xi，et al．Analysis of Recent Horizontal Crustal Strain Field and Tectonic Deformation in the Northeast Margin of Qinghai－Tibet Block［J］．Seismology and geology，2001，23（3）：337－345．

［14］ 許忠淮，汪素云，高阿甲．地震活動反應的青藏高原東北地區現代構造運動特征［J］．地震學報，2000，22（5）：472－481．

XU Zhong－huai，WANG Su－yun，GAO A－jia．Present－day Tectonic Movement in the Northeastern Margin of the Qinghai－Xizang （Tibetan）Plateau as Revealed by Earthquake Activity［J］．Acta Seismological Sinica，2000，22（5）：472－481．

［15］ Yongge WAN．Contemporary Tectonic Stress Field in China［J］．Earthq．Sci．，2010，23：377－386．

［16］ 徐紀人，趙志新，石川有三．中國大陸地殼應力場與構造運動區域特征研究［J］．地球物理學報，2008，51（3）：770－781．

XU Ji－ren，ZHAO Zhi－xin，Ishikawa Yuzo．Regional Characteristics of Crustal Stress Field and Tectonic Motions in and Around Chinese Mainland［J］．Chinese J．Geophysics，2008，51（3）：770－781．

［17］ 常利君，王椿鏞，丁志峰，等．青藏高原東北緣上地幔各向異性研究［J］．地球物理學報，2008，51（2）：431－437．

CHANG Li－jun，WANG Chun－yong，DING Zhi－feng，et al．Seismic Anisotropy of Upper Mantle in the Northeastern Margin of the Tibetan Plateau［J］．Chinese J．Geophysics，2008，51（2）：431－437．

［18］ 張輝，高原，石玉濤，等．基于地殼介質各向異性分析青藏高原東北緣構造應力特征［J］．地球物理學報，2012，55（1）：95－104．

ZHANG Hui，GAO Yuan，SHI Yu－tao，et al．Tectonic Stress Analysis Based on the Crustal Seismic Anisotropy in the Northeastern Margin of Tibetan plateau［J］．Chinese J．Geophysics，2012，55（1）：95－104．

［19］ 張輝，王熠熙，馮建剛．甘東南地區地殼介質各向異性特征［J］．西北地震學報，2011，32（2）：112－116．

ZHANG Hui，WANG Yi－xi，FENG Jian－gang．Seismic Anisotropy in the Crust in Southeastern Area of Gansu Province［J］．Northwestern Seismological Journal，2011，32（2）：112－116．

［20］ 張培震，王琪，馬宗晉．中國大陸現今構造運動的GPS速度場和活動地塊［J］．地學前緣，2002，9（2）：430－441．

ZHANG Pei－zhen，WANG Qi，MA Zong－jin．GPS Velocity Field and Active Crustal Blocks of Contemporary Tectonic Deformation in Continental China［J］．Earth Science Frontiers，2002，9（2）：430－441．

［21］ 萬永革，盛書中，許雅儒，等．不同應力狀態和摩擦系數對綜合P波輻射花樣影響的模擬研究［J］．地球物理學報，2011，54（4）：994－1001．

WAN Yong－ge，SHENG Shu－zhong，HSU Ya－ju，et al．Effect of Stress Ratio and Friction Coefficient on Composite P Wave Radiation Patterns［J］．Chinese J．Geophysics，2011，54（4）：994－1001．

［22］ 葛偉鵬，袁道陽，張元生，等．三維地殼結構數據庫設計及模型構建——以青藏高原東北緣地震層析成像數據為例［J］．西北地震學報，2011，33（1）：26－32．

GE Wei－peng，YUAN Dao－yang，ZHANG Yuan－sheng，et al．Database Design and Modeling of 3DCrustal Structure：Based on the Seismic Tomographic Data in the Northeast Margin of Tibetan Plateau［J］．Northwestern Seismological Journal，2011，33（1）：26－32．

［23］ 周民都，王椿鏞，曾融生．青藏高原東北緣地殼上地幔速度結構的地震層析成像研究［J］．西北地震學報，2012，34（3）：224－233．

ZHOU Min－du， WANG Chun－rong，ZENG Rong－sheng．Seismic Tomography of the Velocity Structure of the Crust and Upper Mantle in Northeastern Margin of the Qinghai－Tibet Plateau［J］．Northwestern Seismological Journal，2012，34（3）：224－233．