緬甸弧強震對川滇地區主要斷裂的應力影響*

臧 陽，韓顏顏，孟令媛

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.中國地震臺網中心，北京 100045)

0 引言

緬甸弧俯沖帶是印度板塊與緬甸塊體相互作用的地區，緬甸弧的形成以及周邊兩大板塊間的運動和動力學模式歷來是地學工作者的研究熱點。Meade(2007)通過塊體模型模擬了印度與亞洲碰撞區的運動模式，認為印度板塊在NNE向運動的同時，呈現自西向東的俯沖；Liu和Bird(2008)利用大地測量結果、斷層滑動速率和區域構造應力場建立了青藏高原東南部的運動與動力模式；張浪平等(2013)以地震活動參數為基礎數據，準定量地給出了緬甸弧區域板塊間接觸的三維幾何形態。前人的研究結果表明：印度板塊向緬甸塊體東側強烈擠壓俯沖作用導致了中源地震的頻發，而東側縫合帶即實皆斷裂的水平走滑運動則是緬甸弧大部分淺源強震發生的主要原因(Maurinetal，2010；Hurukawa，Maung，2011)。

印度板塊與緬甸塊體的相互作用不僅在緬甸弧俯沖帶附近表現出劇烈的強震活動，其對我國川滇地區的構造環境和強震活動同樣有著深遠的影響。川滇地區位于印度板塊向緬甸塊體俯沖的前緣，是印度板塊東向擠壓作用直接影響的地區，同時受到青藏高原物質東向擠出作用的共同影響，構造上表現為一系列近似平行于緬甸弧的斷裂，如鮮水河斷裂、紅河斷裂等(蘇有錦，秦嘉政，2001)。胡家富等(2008)聯合地震活動與速度結構分析認為：印度板塊從94°E附近開始俯沖，且縫合于實皆斷裂，并且給出了印度板塊向東俯沖的動力學模型，指出我國滇西附近地區是板塊俯沖作用直接影響的區域。地震活動性方面，由于川滇地區的地形、地貌和地質構造格局均受到印度板塊俯沖作用的影響和控制，因此2個區域的地震活動存在密切的相關性，劉建中(1992)認為川滇地區地震活躍期的開始與結束較緬甸弧附近地區相應的地震活躍期滯后，滯后時間為2～3年。

研究緬甸弧地區強震對川滇地區主要斷裂的應力加載作用對于深入理解緬甸弧強震觸發機制及其對川滇地區的應力影響具有重要意義。該研究現階段仍以同震靜態庫侖應力觸發為主要手段(孟令媛等，2015)，缺少對震后累積應力作用的系統研究。本文在前人研究的基礎上，選取Burgers體構建粘彈性介質模型，分別研究緬甸弧俯沖帶附近中、淺源強震在川滇地區主要斷裂產生的同震及震后累積庫侖應力，嘗試通過緬甸弧地區震源機制解特征給出該地區中源地震可能的發震機制，并通過分析累積庫侖應力計算結果，系統地描述緬甸弧地區強震對川滇地區的應力影響。

1 方法、數據及模型參數選取

1.1 計算方法

本文考慮緬甸弧地區強震應力觸發作用對川滇地區的影響，建立粘彈性應力觸發模型，該模型考慮到了上地幔物質對地震能量的運移作用。由于存在粘彈性松弛效應，這種應力傳遞作用存在時間上的延遲，可以適用于研究幾百年尺度的長期應力累積影響(徐晶等，2013；孟令媛等，2016)。

地震的發生主要是由脆性巖石破裂后的摩擦運動造成的，假設地球介質為半無限空間，且空間內各向同性，若已知斷層位錯的幾何參數和錯動大小，可求得斷層面上庫侖破裂應力變化為：

ΔCFS=Δτ+f(Δσn+Δp)

(1)

式中：Δτ為剪切應力變化；Δσn為正應力變化；f為斷層面介質摩擦系數；Δp為孔隙壓力變化，調節著斷層面上的有效正應力。Δp造成的摩擦系數的減少可用f′=f(1-B)表示，其中B為Skemptons系數，取值范圍為0～1。當巖石應力改變遠遠快于巖石中Δp的擴散時，Δp可以通過B值在式(1)中得到體現，且轉換為：

ΔCFS=Δτ+f′Δσn

(2)

式中：f′包含了孔隙流體和斷層面上介質的特性，一般取值為0.2～0.8(Kingetal，1994)，本文取值為0.7。

1.2 地震數據

本文收集了1969—2018年緬甸弧附近、緬甸弧俯沖帶及東側實皆斷裂附近地區，在全球矩心矩張量工程(Global Centroid Moment Tensor Project，簡稱GCMT，)有震源機制解記錄的所有淺源及中源地震。包括MW4.0～4.9地震24次(淺源12次，中源12次)，MW5.0～5.9地震127次(淺源72次，中源55次)，MW6.0～6.9地震17次(淺源10次，中源7次)，MW7.0～7.9地震2次(淺源0次，中源2次)，共170次(淺源94次，中源76次)地震。總體地震震級范圍為MW4.7～7.2，震源深度范圍為6～157 km(圖1)，中源地震數量從70～100 km隨震源深度的增加逐漸增多，在100～110 km深度達到峰值，隨后數量逐漸減少。其中，MW≥6.0地震信息列于表1。

表1 1969—2018年緬甸弧地區MW≥6.0地震信息

圖1 1969—2018年緬甸弧地區MW≥4.7地震震源深度分布圖Fig.1 Distribution of MW≥4.7 events along depth near Burma arc from 1969 to 2018

1.3 緬甸弧至川滇地區粘彈介質模型參數

以Crust1.0模型為基礎計算得到川滇地區上、中、下地殼的平均厚度分別為20，15和10 km。考慮地殼及上地幔介質的滯彈性，根據楊強和黨亞民(2010)利用GPS速度場估算的青藏高原地殼韌性層等效粘滯系數分布的研究，青藏高原及周邊區域脆性-韌性轉換面一般位于中地殼，等效粘滯系數范圍在中地殼為1019～1022Pa·s，在下地殼為1017～1020Pa·s，在Moho面則降至1016～1018Pa·s，該結果與劉代志(1992)、Flesch等(2005)、石耀霖和曹建玲(2008)以及張晁軍等(2008)的研究基本一致。考慮到粘滯松弛存在短期和長期效應，采用Burgers體模型，取楊強和黨亞民(2010)研究結果中各層粘滯系數范圍的低值賦值為η1，高值賦值為η2，并結合Crust1.0的速度和密度模型，最終建立研究區簡化分層模型，如表2所示。

表2 研究區介質模型參數

本文以鄧起東(2007)匯總的中國活動構造數據作為基礎，將川滇地區共51條主要斷裂、129個斷層段、2 112個斷層離散點作為接收斷層模型，使用Wang等(2006)的PSGRN/PSCMP程序，計算格林函數以及水平分層粘彈性介質中同震和震后庫侖應力。由于川滇地區強震多為淺源地震，本文主要考慮緬甸弧強震對川滇地區主要活動斷裂淺部的應力影響，在計算格林函數的過程中，將觀測深度統一設置為地下10 km。

2 緬甸弧地區震源機制特征及中源地震的破裂機制

研究表明：中、深源地震的成因明顯區別于淺源地震，即隨著震源深度的增加，地下溫度和壓力不斷增加使得脆性和摩擦行為被強烈抑制，巖石表現為可抑制地震的韌性行為(David，John，1960)。中源地震的誘發機制主要是脫水或與流體相關的致脆以及塑性剪切失穩(邵同賓，嵇少丞，2015)，而其破裂機制是利用傳統巖石破裂模型計算中源地震庫侖應力的理論基礎。

緬甸弧地區震源機制解資料顯示(圖2)，沿其東側實皆斷裂主要分布著一系列淺源地震，其中實皆斷裂中段以純走滑型地震為主，與實皆斷裂右旋走滑的運動性質相符合；實皆斷裂北側和南側則分布著一系列逆沖型地震，震源機制解P軸方向整體為NE向，反映了實皆斷裂南北兩側的應力環境以NE向的擠壓為主。緬甸弧俯沖帶西側分布著一系列淺源地震，震源機制解類型較為復雜，總體上以21.5°N附近為分割線，其北側震源機制以走滑為主，南側以正斷為主，反映了該區域淺部較為復雜的應力環境(圖3)。緬甸弧地區中源地震震源機制以逆沖型為主，隨著震源深度的增加，這一特征更為明顯。

圖2 緬甸弧地區MW≥5.0(a)、MW≥6.0(b)地震震源機制解

圖3 緬甸弧地區MW≥5.0地震震源機制解隨震源深度和緯度分布

值得關注的現象是，緬甸弧地區中源地震震源機制解B軸方向沿緯度具有一定的分布規律，北側B軸在水平面上投影方向以NWW-SEE方向為主，南側轉為SWW-NEE方向。假設緬甸弧板塊俯沖方向垂直于俯沖帶邊界，且整體自西向東俯沖，單元俯沖板片俯沖方向在水平面上的投影見圖4a。由圖可見，緬甸弧俯沖邊界整體呈半圓弧狀，向東側彎曲，在24°N以北區域(圖4a中粉色區域)，板塊整體俯沖方向為NW-SE向，在23°N以南區域(圖4a中藍色區域)為SW-NE向，23～24°N區域(圖4a中綠色區域)為近W-E向。由于俯沖邊界的弧形彎曲，致使相鄰單元板片俯沖方向出現多處相交，以23°～24°N區域最為顯著。假設俯沖到70～160 km以下的板片仍為脆性巖石結構，隨著俯沖深度的增加，俯沖方向所在延長線相交，意味著相鄰單元板片之間在垂直于俯沖方向上的相互擠壓作用力逐漸增強，最終可能導致脆性板片內部形成以俯沖方向為走向的逆沖型破裂，理論上逆沖地震震源機制解B軸方向或斷層面走向應與俯沖方向一致。

出現上述破裂機制的可能性隨著俯沖深度的增加不斷增大，以位于緬甸弧俯沖帶上震源深度≥100 km的所有MW≥5.0地震為樣本，對斷裂面走向進行分區域統計。如圖4b所示，在24°N以北區域，地震破裂面走向以SE向為主，在23°N以南區域則以SW向為主導，在23～24°N區域則多為近EW方向。該統計結果表明：斷層面走向與俯沖方向存在高度一致性，支持上述關于俯沖帶中源地震破裂機制的假設，這些中源地震仍為脆性板片內部巖石的擠壓破裂，在計算庫侖應力時可沿用常規淺源地震的計算方法。

圖4 緬甸弧俯沖帶邊界及單元板片俯沖方向在水平面的投影(a)和不同緯度范圍中源地震斷裂面走向比例分布圖(b)

另外，在震源稍淺的區域還發育有P軸方向與俯沖方向一致的逆沖型地震，傾角一般較小，這些地震與發生在俯沖帶的大多數淺源地震類似，可能是由上馱板塊與下伏板片之間摩擦運動所導致，如2011年3月11日日本MW9.0地震(李圣強等，2013)以及2015年4月25日尼泊爾MW7.8地震(劉靜等，2015)，主震震源機制解均表現出相似的特征，盡管2次地震分別為洋-陸碰撞和陸-陸碰撞模式形成的大型逆沖型地震，但二者的震源機制解均揭示了俯沖板片克服上馱板塊一側的擠壓力導致地震發生的物理機制。

3 庫侖應力計算結果及分析

通過理論模型實驗考察不同類型單次強震對川滇地區主要斷裂的影響。實驗需要建立理論地震模型，計算川滇地區主要斷裂的同震庫侖應力大小。計算時，地震震級統一取為MW7.0，破裂尺寸及位移距離根據Wells和Coppersmith(1994)研究中的經驗公式，在已知矩震級和震源機制解的前提下進行換算，破裂方式均假設為雙側均勻破裂。

根據前文對緬甸弧地區強震震源機制解特征以及推測的中源地震發震機制的分析，首先考察典型中源強震對川滇地區的影響，震源模型經緯度、深度以及震源機制解均參考真實發生在緬甸弧的MW≥6.0地震。測試的中源地震模型分別為：B軸沿俯沖方向的逆沖型地震，P軸沿俯沖方向的逆沖型地震其參數見表3。同震庫侖應力計算結果如圖5a，b所示，2次中源地震對川滇地區的應力加載作用量級均較小，最大僅為0.001～0.01 bar，其中1號地震模型應力加載區主要集中在小滇西地區(圖5a)，2號地震模型集中在滇西南地區(圖5b)，由于中源地震模型具有較深的震源深度，因此對川滇地區的應力加載作用十分有限。

實皆斷裂運動性質較明確，區域構造環境相對簡單，其上發生的淺源強震震源機制較為穩定，且與川滇地區距離最近。選取發生在實皆斷裂中段的右旋走滑型淺源地震以及實皆斷裂北段逆沖型淺源地震(表3)作為地震模型，計算得到川滇地區同震庫侖應力如圖5c，d所示。由于震源深度的差異，且與川滇地區距離更近，3，4號地震模型對川滇地區的應力加載作用明顯較中源地震強，最高值達0.01～0.1 bar，其中3號地震模型對云南西部地區存在明顯加載作用，庫侖應力最高值位于小滇西附近(圖5c)，4號地震模型對小滇西大部分區域則為應力卸載，但對滇東北地區至鮮水河斷裂帶均有較顯著的應力加載作用，且明顯強于3號地震模型(圖5d)。

表3 地震模型震源參數

圖5 1號(a)，2號(b)，3號(c)和4號(d)地震模型對川滇地區主要斷裂同震庫侖應力計算結果

考慮1969—2018年緬甸弧地區MW≥6.0的9次中源地震對川滇地區的影響，從1969年10月17日第1次中源地震開始(表1)，以每一次中源地震的發震時刻作為時間切片計算該時刻在川滇地區累積的庫侖應力，終止時間為2018年12月31日。如圖6所示，1988年8月6日MW7.2地震由于震級大且震源深度相對較淺(92 km)，震后造成川滇地區應力出現大幅變化，最大累積庫侖應力達0.01～0.1 bar，位于小滇西—滇西北附近地區(圖6c)。該地震發生后，緬甸弧地區陸續發生多次MW≥6.0中源強震，但由于震級均小于MW7.0，單次地震影響有限(參考1，2號模型地震計算結果)，隨著時間的推移，川滇地區累積庫侖應力整體呈現減小趨勢。截至2018年底，最大累積庫侖應力僅在小滇西和滇西北局部地區達到0.001～0.01 bar，其余地區均小于0.001 bar(圖6d～j)。因此，僅當在緬甸弧地區發生的中源地震的震級較強(MW≥7.0)，且震源深度較淺(<100 km時)，才可能在川滇地區產生一定程度的應力加載，一般情況下，緬甸弧地區中源強震的發生在川滇地區累積的庫侖應力量級不會超過0.01 bar。

圖6 緬甸弧地區中源強震對川滇地區主要斷裂累積庫侖應力時間進程(以9次中源地震發生后第1天及2018年12月31日作為時間切片)

圖7為1969—2018年緬甸弧地區淺源地震在川滇地區累積的庫侖應力計算結果，計算方法同中源地震。盡管緬甸弧地區淺源地震震級整體低于中源地震(表1)，但由于距離優勢，對川滇地區的影響明顯強于中源地震。1992年6月15日一次MW6.3地震就能夠造成小滇西地區累計庫侖應力的明顯增強(圖7d)，隨后1994年5月29日MW6.5地震的發生，使小滇西地區最大累積庫侖應力達到0.01～0.1 bar(圖7e)。此后緬甸弧地區發生的淺源地震震級均≤MW6.8，但與中源地震結果相反，淺源地震所造成的累積庫侖應力在不斷增強，截至2018年12月31日，盡管最大累積庫侖應力始終未能超過0.1 bar，但小滇西大范圍地區庫侖應力大小達到0.01～0.1 bar。

圖7 緬甸弧地區淺源強震對川滇地區主要斷裂累積庫侖應力時間進程(以9次淺源地震發生后第1天及2018年12月31日作為時間切片)

圖8為1969—2018年緬甸弧地區19次MW≥6.0地震在川滇地區的累積庫侖應力，由于中源地震的影響較小，截至2018年12月31日與單純考慮淺源強震的結果基本一致，說明從應力觸發的角度來看，緬甸弧地區強震對川滇地區主要斷裂的應力加載作用以淺源地震占主導，中源地震除震級≥MW7.0，且震源深度較淺等特殊情況外，在川滇地區所造成的庫侖應力變化一般可忽略不計。

圖8 1969—2018年緬甸弧地區所有MW≥6.0強震對川滇地區主要斷裂累積庫侖應力計算結果(截至2018年12月31日)

4 緬甸弧中源地震與川滇地區強震統計關系

根據中國地震臺網中心全球7級強震目錄，1900—2000年緬甸弧俯沖帶共發生5次MS≥7.0地震，統計川滇地區在后續1年以及1～2年內發生的所有MS≥6.0地震，發現這些地震的震中位置在空間上形成明顯分界：震后1年內地震分布在滇西南—小滇西—川滇藏交界附近，距緬甸弧相對較近；而震后1～2年地震分布在龍門山斷裂—川滇交界中部—滇南附近地區，距緬甸弧相對較遠(圖9)。緬甸弧地區中源強震的發生，對川滇地區的地震活動性似乎存在一定影響，且隨時間的推移影響的距離逐漸增大，因此，從地震活動性的統計學角度來看，緬甸弧中源地震與川滇地區強震在時空上具有明顯相關性。另外，川滇地區在緬甸弧地區中源強震后1年內發生的MS≥6.0地震的空間位置，與圖5a，b中累積庫侖應力超過0.001 bar的區域具有一定的一致性，可能反映了中源地震的應力影響在其中發揮著一定的作用。

圖9 1900—2018年緬甸弧附近MS≥7.0中源地震與后續2年內川滇地區MS≥6.0地震統計關系Fig.9 Statistical relationship between intermediateMS≥7.0 earthquakes near Burma arc and theMS≥6.0 earthquakes in the Sichuan-Yunnan region occurred within the subsequent 2 years from 1900 to 2018

5 結論及討論

本文收集了1969—2018年緬甸弧附近地區共170次(淺源94次、中源76次)地震的震源機制解，通過分析這些地震的空間位置及震源機制解特征，得到以下結論：

(1)緬甸弧東側實皆斷裂中段，地震震源機制以右旋走滑型為主，與斷裂運動性質相符，實皆斷裂南北兩側多發逆沖型地震，主壓應力方向為近NE向。

(2)緬甸弧中部多為發生在俯沖板片上的逆沖型中源地震，震源深度較深時，震源機制解B軸方向與單元板片俯沖方向一致，可能是相鄰單元板片之間相互擠壓導致的脆性破裂；震源深度較淺時，部分地震P軸方向與俯沖方向一致，且傾角較小，可能反映了下伏板片與上馱板塊之間的摩擦運動。

(3)緬甸弧西側淺源地震震源機制解以走滑及正斷型為主，總體上以21.5°N附近為分割線，其北側走滑型占主導，南側正斷型占主導，反映了該區淺部較為復雜的應力環境。

在對緬甸弧地區中源地震發震機制進行合理假設的基礎上，通過建立緬甸弧至川滇地區粘彈性介質模型，以川滇地區51條主要斷裂、129個斷層段、2 112個斷層離散點作為接收斷層模型，分別計算了單次地震模型，緬甸弧地區中源、淺源及19次MW≥6.0地震對川滇地區的累積庫侖應力，根據計算結果得到以下結論：

(1)緬甸弧地區單次中源地震對川滇地區應力加載作用主要集中在小滇西及滇西南地區，MW7.0地震引起的最大同震庫侖應力范圍為0.001～0.01 bar。

(2)實皆斷裂單次淺源地震對川滇地區的應力加載作用主要集中在小滇西及滇西北地區，MW7.0地震引起的最大同震庫侖應力范圍為0.01～0.1 bar。

(3)緬甸弧地區中源地震對川滇地區累積庫侖應力影響較小，僅當地震震級較強(MW≥7.0)，且震源深度較淺(<100 km)時，才可能產生一定應力加載作用，一般情況下，中源地震在川滇地區的累積庫侖應力不超過0.01 bar。

(4)緬甸弧地區淺源地震在川滇地區累積的庫侖應力明顯強于中源地震，從應力觸發角度來看，緬甸弧地區強震對川滇地區的應力加載作用以淺源地震占主導，中源地震一般可忽略不計。

(5)截至2018年12月31日，1969—2018年緬甸弧地區所有MW≥6.0地震對川滇地區的最大累積庫侖應力小于0.1 bar，應力加載作用最強的區域集中在小滇西—滇西北附近地區。

盡管緬甸弧地區中源強震在統計上對后續川滇地區地震活動具有某種程度的影響，但正如前面所提到的，其對川滇地區的應力加載作用非常有限，一般不會超過0.01 bar。根據以往研究，當庫侖應力超過0.1 bar時，才會對斷裂具有明顯的加載作用，引發強震(Stein，Lisowski，1983)，而即使考慮1969—2018年所有淺源和中源地震的影響，對川滇地區的累積庫侖應力最大值依然小于0.1 bar。因此，緬甸弧地區中源強震的應力加載作用，可能是后續在川滇地區地震活動的影響因素之一，當同時滿足較高的背景應力等其他因素時才會導致地震的最終發生。另外，中源地震的發生可能反應了更大尺度上印度板塊向歐亞板塊推擠作用的增強，這可能是促進川滇地區后續強震活動的一個重要因素。對比緬甸弧地區中源、淺源強震對川滇地區的應力影響，表明淺源地震要顯著強于中源地震，因此在關注緬甸弧地區中源地震對川滇地區影響的同時，還應對淺源強震給予足夠的重視。