鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)震源機制和應力場特征研究

包金哲 王樹波 郝美仙 韓曉明 張 暉 尹戰(zhàn)軍 楊彥明

（中國呼和浩特010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

0 引言

鄂爾多斯東北緣地區(qū)（38.5°—42.0°N，109.5°—116.0°E）即晉冀蒙交界地區(qū)，該區(qū)域地質(zhì)條件復雜，地震多發(fā)，如1976 年4 月6 日內(nèi)蒙古和林格爾MS6.3、1996 年5 月3 日內(nèi)蒙古包頭西郊地區(qū)MS6.4、1998 年1 月10 日河北張北MS6.2 地震。該區(qū)域的地震活動引起了一些研究者的關注（王化宇等，2006；高立新等，2012；武敏捷等，2014）。

利用地震震源機制研究地球構造應力場是相對科學可靠的，但研究結果僅給出應力的方向，據(jù)此不能判斷應力的大小。一些研究者利用此方法對鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)進行研究，盛書中（2015）利用P 波初動方法獲得震源機制解，認為河套斷陷帶、岱海斷陷帶、山西斷陷帶區(qū)域的震源機制以正斷為主。震源機制解節(jié)面走向與斷裂走向一致，與鄂爾多斯塊體現(xiàn)今的拉張狀態(tài)一致；郭祥云等（2017）利用P 波初動和振幅比反演的HASH 方法獲得震源機制解，認為塊體北緣地區(qū)最大水平主應力優(yōu)勢方位為NE 向；李祥（2016）研究認為，鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)震源機制以正斷層為主，主要節(jié)面走向大體呈NE 和NNE，與控制斷陷帶邊界斷裂走向一致，山西斷陷帶與張家口—渤海地震帶交匯處的懷安、陽原、陽高等盆地震源機制以走滑為主，兼有少量正斷型，延懷盆地主要以正斷為主。

本文利用FOCMEC 方法計算得到研究區(qū)域的震源機制解，利用阻尼區(qū)域應力場反演MSATSI 方法（Martínez-Garzón et al，2014）反演得到研究區(qū)域的應力場，并初步分析了鄂爾多斯塊體東北緣區(qū)域應力場特征。

1 研究區(qū)域構造背景

鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)地質(zhì)構造復雜，主要有2 大斷陷帶，即北部河套斷陷帶和東部山西斷陷帶，2 大斷陷帶之間有岱海斷陷帶。二級塊體主要包括鄂爾多斯塊體東北部、華北塊體西北部。河套斷陷帶位于鄂爾多斯塊體北部，東界為和林格爾斷裂，西界為狼山山前斷裂，南界為鄂爾多斯塊體北緣斷裂，北界為陰山（色爾騰、烏拉山、大青山）山前斷裂，總體走向EW 向（鄧起東等，1985；范俊喜等，2003）。河套斷陷帶是研究區(qū)域最大斷陷帶，由呼包、白彥花、臨河等3 個次級盆地組成。山西斷陷帶位于鄂爾多斯塊體東部，由十幾個大小不等的NE 向、NEE 向的地塹或半地塹式右行排列組成，總體走向NNE 向，在平面上呈“S”形。研究區(qū)東南部的口泉斷裂、六棱山北麓斷裂、五臺山北麓斷裂等總體走向NE 向。岱海斷陷帶、蠻汗山山前斷裂帶、鞍子山山前斷裂帶和岱海—黃旗海南緣斷裂帶，總體走向NEE 向（國家地震局《鄂爾多斯周緣活動斷裂系》課題組，1988）。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)構造Fig.1 Geological structure of the study region

2 震源機制解

收集整理了鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)2008 年1 月至2018 年4 月共144 條ML≥2.5天然地震數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)蒙古自治區(qū)地震監(jiān)測中心、國家測震臺網(wǎng)中心提供。

利用垂直向SV 波與P 波的振幅比，并結合臺站的初動測定震源機制的方法，在模擬地震觀測時期應用較廣泛（Kisslinger et al，1981；梁尚鴻等，1984）。Snoke 等（1984）提出了利用P波、SV波、SH 波的初動和振幅比聯(lián)合求解震源機制的方法，并提供了計算程序（FOCMEC程序）。雙力偶震源遠場P 波、SV 波、SH 波在震源坐標系r-θ-φ 的位移表達式為

其中，ρ 為巖石密度；vP、vS分別為P 波、S 波速度；r 為發(fā)生位移的點到震源的距離；t 為時間；為雙力偶中1 個力偶強度隨時間的微熵。FOCMEC 計算程序所用參量為3 個初動（P、SV、SH）和3 個振幅比（SV/P、SH/P、SV/SH），這樣每個臺站記錄所用的獨立分量就從傳統(tǒng)的1 個P 波初動增加到5 個（振幅比僅有2 個獨立分量）。通過比較理論計算和實際觀測所得P、SV、SH 波的初動符號和振幅比矛盾數(shù)最小的方式得到震源機制解，提高了反演結果的精度。

利用FOCMEC 程序獲得研究區(qū)域2008 年1 月至2018 年4 月共計144 條ML≥2.5地震震源機制解，參考判斷震源機制類型的國際標準（Zoback，1992），根據(jù)震源機制解3 個應力軸（P、T、B）的不同傾角（pl）進行劃分，得到震源機制解的6 種類型：正斷類型（NF）、正走滑類型（NS）、走滑類型（SS）、逆走滑類型（TS）、逆正斷類型（TF）、不確定類型（U）。震源機制解類型見表1。

表1 震源機制解類型Table 1 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism

表2 為研究區(qū)域地震震源機制的6 種類型。由表2 可見，正斷類型占37.5%，正走滑類型占13.9%，走滑類型占28.8%，逆正斷類型占8.3%，逆走滑類型占4.9%，不確定類型占6.9%。結果表明，鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)震源機制以正斷和走滑為主。震源機制解空間分布見圖2。

表2 研究區(qū)內(nèi)震源機制解分類Table 2 Classification of focal mechanism solutions in the research area

圖2 震源機制解空間分布Fig.2 Spatial distribution of focal mechanism solutions

3 應力場研究結果

3.1 阻尼系數(shù)的確定

在應力場反演中，Hardebeck 等（2006）研究認為，通過增加阻尼約束，能夠更好地優(yōu)化結果。因此，利用MSATSI 軟件，設定一系列阻尼值（圖3），得到應力場反演模型長度和數(shù)據(jù)擬合誤差曲線，通過反復比對調(diào)試，找到誤差曲線的拐點，即為最佳阻尼系數(shù)。由圖3 可以看出，折中曲線在e ≈1.2 附近，這意味著低于該相對權重值時，提高模型復雜程度對反演誤差的改善幾乎沒有作用，而提高相對權重值時，隨著模型的簡化，反演誤差會急劇增加。因此，在反演過程中選擇相對權重系數(shù)e ≈ 1.2。

圖3 模型長度—數(shù)據(jù)擬合誤差Fig.3 Model length-data fitting residual curve

3.2 鄂爾多斯塊體東北緣區(qū)域應力場

利用MSATSI 方法（Martínez-Garzón et al，2014）反演得到研究區(qū)域的應力場，應力場反演結果見圖4。由圖4 可知，P 軸整體方位NE 向，T 軸整體方位NW 向，中間應力軸方位NE 向，由圖4 還可知，P 軸與斷層節(jié)面走向方向一致，尤其在山西斷陷帶東北部地區(qū)，存在較一致的NE 向。該地區(qū)位于和林爾斷裂以東，孫莊子烏龍溝斷裂以西，內(nèi)部主要斷裂有天鎮(zhèn)—陽高盆地北緣斷裂、口泉斷裂、六棱山北麓斷裂、恒山北麓斷裂等。此外，T 軸方位與斷層節(jié)面走向垂直，一致性較好。綜上所述可得鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)震源機制解主要是正斷、走滑類型，最大主應力方向為NE 向。青藏高原塊體在NE—NEE 向擠壓作用及太平洋板塊在W 向的俯沖作用（鄧起東等，1999，2014），造成鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)主要應力方向為NE 向，此方向與斷層節(jié)面整體走向的NE 向一致（圖1）。

圖4 應力場反演結果圓圈反映各個反演格點的3 個應力軸伍爾夫投影情況；紅色線（P 軸）表示最小主應力軸；綠色表示中間主應力軸；藍色線（T 軸）表示最大主應力軸Fig.4 Stress field inversion results

將研究區(qū)域劃分成1°×1°的網(wǎng)格進行反演，使用MSATSI 算法獲得20 個格點的應力參數(shù)，應力張量是一個對稱的二階張量，但在斷層面上的剪應力方向只依賴4 個變量，即3 個主應力軸方向和1 個應力值R。R 值為描述主應力相對大小的物理量，是所求應力主軸方向可靠性的一種參考值，其值為0—1，計算公式為

其中，σ1為最大主應力；σ2為中間主應力；σ3為最小主應力。當R 值大于0.5 且接近于1時，所求研究區(qū)域內(nèi)最大主壓應力軸方向可信度較高，而最大主張應力軸方向可信度較低；當R 值小于0.5 時，最大主張應力軸方向可信度較高，而最大主壓應力軸方向可信度較低。圖5 為應力場反演結果。由圖5 可見，在20 個R 值的網(wǎng)格參考值中，R 值圖標整體以藍色的居多，局部有紅色的，說明應力場整體以張性為主，局部地區(qū)存在壓性。達拉特旗以北、達爾汗茂明聯(lián)合旗以南地區(qū)存在壓性。

圖5 相對應力R 值空間分布Fig.5 Spatial distribution of relative stress R-value

4 結論

利用FOCMEC 方法計算出2008 年1 月—2018 年4 月鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)共144 條ML≥2.5 地震震源機制解，將研究區(qū)劃分為1°×1°的地殼應力場，利用MSATSI 算法，反演獲得研究區(qū)應力場等特征：①鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)應力狀態(tài)以拉張為主，研究區(qū)最大水平主應力方向為NE 向；②山西斷陷帶區(qū)域以正斷類型為主，存在較一致的NE 向應力狀態(tài)。