南北朝·大地變遷的動力

馮銳

[摘要] ?地下應(yīng)力場是地殼形變、巖體破壞、地震發(fā)生的直接力源，巖體的穩(wěn)定性問題十分重要。通過國際合作已經(jīng)完成了全球GPS速度場和地應(yīng)力圖的更新，有了動力源的板塊就不再是一堆僵化構(gòu)造體，它們運(yùn)動的活力和內(nèi)部的應(yīng)力狀況被第一次揭示出來。本文介紹了地應(yīng)力原地測量的方法，應(yīng)力張量結(jié)構(gòu)的劃分原則，全球和中國應(yīng)力圖的基本特征。對于地震的震源機(jī)制解，作者繪制了多種三維透視圖，便于讀者以看圖識字的方式掌握震源機(jī)制解的地質(zhì)含義。最后，以兩個實(shí)例對比了實(shí)測應(yīng)力圖和震源機(jī)制解的異同，分析了當(dāng)?shù)貏恿W(xué)的背景。

[關(guān)鍵詞] 巖體穩(wěn)定性; GPS速度場; 構(gòu)造應(yīng)力圖; 地應(yīng)力類型; 地震震源機(jī)制

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-017

0 ?引言

中國的4大石窟?敦煌的莫高窟，天水的麥積山窟，大同的云崗石窟，洛陽的龍門石窟，都是在南北朝（386—589）時期發(fā)展起來的（圖1）。

社會背景，不同尋常。

一是絲綢之路的興旺。印度佛教文化自西而東傳入，遂在河西走廊開鑿了100余處石窟供奉如來和觀世音。古人雕塑了數(shù)以萬計的普渡眾生的佛主，繪出了無數(shù)飄逸云端的仙女，達(dá)到了當(dāng)時中國藝術(shù)的最高水平。

二是天災(zāi)人禍的頂點(diǎn)。三國以來的370年間共發(fā)生戰(zhàn)爭605次，人口降到了五千年歷史的最低點(diǎn)?大約只有1600萬人！加之中國的氣候進(jìn)入了一個長達(dá)近400年的相對寒冷期，中國第一次出現(xiàn)了大規(guī)模的人口棄北南遷的動蕩。

這種形勢下，北方大鑿石窟，“億萬化身開絕嶂，三千法界作丹梯”（清 · 王度）；南方大建寺廟，“南朝四百八十寺，多少樓臺煙雨中”（唐 · 杜牧）。百姓供奉佛祖，惟求天下太平。

還好，當(dāng)時的地震活動處于平靜期，4級以下的有感地震和幾次6～7級的中強(qiáng)震僅發(fā)生在北方。本文便從石窟談起，重點(diǎn)探討構(gòu)造應(yīng)力場和地震的震源機(jī)制問題。

1 ?巖體擾動與地應(yīng)力

1.1 ?石窟與地震

還是在東晉末年的時候，甘肅的瓜州榆林窟、千佛洞和文殊山等石窟就已經(jīng)開鑿。只是366年涼州武威發(fā)生5級地震，震撼了天下大眾，促使武威天梯山窟、敦煌昌馬窟和莫高窟迅速開工，求得菩薩顯靈。416年天水發(fā)生5級地震，善男信女們立即在麥積山巒鑿石開洞，雕塑的西天佛像精彩絕倫。北魏的云崗石窟是在460年動工的，開始的規(guī)模并不大，隨著孝文帝時期的京師平成（今大同）地震活動的加劇，512年忻州原平發(fā)生7.5級大震，死亡5310人，被視為天譴的警示，讓石窟建設(shè)的規(guī)模愈發(fā)擴(kuò)展，一直延續(xù)到524年；北魏于494年遷都洛陽，龍門石窟正是在同一年動工的，布衣百姓無不慷慨解囊。

隨著遷洛南行步伐的推進(jìn)，沿線又留下了太原天龍山—昔陽石馬寺—平順金燈寺—邯鄲響堂山—高平羊頭山—鄭州鞏義的石窟。

就這樣，我國便出現(xiàn)了世界僅有的兩條巨型石窟走廊?河西走廊與山西走廊（圖2）。

歷史告誡我們：巖體并不寬恕穩(wěn)定性的破壞，地震也終將懲罰人類的肆意妄為。

首先倒霉的是麥積山。隋朝600年天水發(fā)生6級地震，唐朝734年天水東南再次發(fā)生7級地震，都強(qiáng)烈地震撼了麥積山區(qū)，當(dāng)?shù)氐牧叶雀哌_(dá)X度，4000多人死亡，麥積山中部的石窟群整體垮塌崩落，唐玄宗只得派右丞相赴現(xiàn)場祭祀山川，殘留于今天的只有東、西兩崖^[1]。

756年張掖高臺7級地震、1305年大同6.5級地震、1609年張掖—酒泉7.3級地震、1927年武威古浪8級地震，都毫不留情地襲擊和破壞了當(dāng)?shù)氐氖弑诋嫼偷袼堋Ｆ渲?932年敦煌地區(qū)的昌馬7.6級地震，更把上窖石窟的12座洞窟全部震塌，下窟石窟只有4座洞窟幸存于今……

當(dāng)然，即便沒有地震作孽，石窟的長存也是困難的。

原因在于巖體內(nèi)存在地應(yīng)力。

人家億萬年才穩(wěn)定下來的平衡態(tài)被人類擾動，不是掏洞就是挖肝，能不難受嗎？恐怕也要經(jīng)過千百年痛苦的調(diào)整才能平復(fù)往日的創(chuàng)傷。“天人合一”不能說空話，只要巖體的原生狀態(tài)遭到改變，就必須給予補(bǔ)償！任何一項(xiàng)巖土工程，如果沒有科學(xué)的加固措施是絕對不行的，無論大小，天南地北。

故而研究地下應(yīng)力狀態(tài)，一直是地學(xué)的重大課題之一，巖土力學(xué)便是一門重要的學(xué)科。

1.2 ?地應(yīng)力場

地應(yīng)力場是巖體的初始應(yīng)力或原巖應(yīng)力，由地?zé)帷⒅亓Α鍓K運(yùn)動等所產(chǎn)生，它是造成地殼形變、工程破壞、發(fā)生地震的直接作用力。

人類對地球的興趣是在不斷改變和深化的。從早期知道了地球的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)，又明白了海底擴(kuò)張和板塊構(gòu)造，現(xiàn)今關(guān)注的是“巖石圈動力學(xué)”?為什么大地山河會這樣變化，動力何在？滄海變桑田是因?yàn)榇怪笔芰Γ€是水平擠壓的結(jié)果？只要這些最底層的問題搞不清，資源、環(huán)境的規(guī)律就無從談起。其中，全球GPS速度測量和地應(yīng)力測量便是兩項(xiàng)重大課題，前者旨在查明大陸的移動和形變，后者要查明地殼的應(yīng)力狀態(tài)、確定地應(yīng)力場的量值和方向。各國科學(xué)家合作了二三十年，現(xiàn)在才有點(diǎn)眉目。

2 ?現(xiàn)代構(gòu)造地應(yīng)力場

2.1 ?地應(yīng)力結(jié)構(gòu)的類型

2.1.1 ?地應(yīng)力量值

對地殼深部的應(yīng)力，目前還無法直接測量。只能按照巖石靜壓力的關(guān)系（梯度值約26.5 MPa/km），估算出地殼在24 km深度的靜巖壓力約為600 MPa；在400 km深度時，約為13400 MPa，剪切應(yīng)力大約在10～100 MPa^[2]；大陸地殼的抗剪強(qiáng)度至少在20 MPa以上^[3]。

地震引發(fā)的應(yīng)力突降稱之“應(yīng)力降”，可以根據(jù)地震波記錄按照一定的數(shù)學(xué)模型計算出來，6～7級地震的理論值大約為2～10 MPa，平均值約為4～6 MPa^[4]（圖3）。由震源參數(shù)推算出的構(gòu)造剪應(yīng)力值也基本在這個水平^[5]。

我們需要清醒：相對于靜態(tài)初始剪切應(yīng)力來說，地震應(yīng)力降的量值就很小了，它能提供有效信息的空間畢竟比較窄。

基于這種認(rèn)識，地球動力學(xué)的關(guān)注點(diǎn)便放在了地應(yīng)力的方向和相對變化上，而不是它的絕對數(shù)值。

當(dāng)然，巖土工程不在此例。地殼淺部500 m以內(nèi)的最大水平主應(yīng)力的實(shí)測值 10～30 MPa水平^[6]，四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室測到地下2400 m的最大地應(yīng)力是113.87 MPa^[7]，對于主應(yīng)力的方向和絕對大小不可小覷。高鐵隧道、水電站大壩、地下硐室的建設(shè)中，直接牽涉到壩基巖體、坑道圍巖、邊坡巖體的穩(wěn)定性，此外，還會存在巖爆的發(fā)生、巖石的滲透性和硐室承載力等安全性問題，自然都必須有專業(yè)評估和工程措施。

2.1.2 ?地應(yīng)力方向

應(yīng)力是物理學(xué)中的張量，含9個分量，不依賴于坐標(biāo)系。要測出巖體的原地應(yīng)力大小和方向，絕非易事。

好在天上掉下兩個餡餅！

一個餡餅是數(shù)學(xué)的?理論上可以在三維空間里任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，總存在某一種特殊狀態(tài)：只有3個獨(dú)立的應(yīng)力分量?最大p₁，中間p₂和最小量p₃（也可寫成σ₁，σ₂，σ₃），三軸相互垂直。主應(yīng)力確定后，剪切應(yīng)力的最大值和平均值即可導(dǎo)出：

最大：（σ₁-σ₃）/2

平均：（σ₁+σ₃）/2

另一個餡餅是地學(xué)的?全球范圍實(shí)測到的地應(yīng)力居然都是以水平方向?yàn)橹鞯膲簯?yīng)力，顛覆了長久以來認(rèn)定垂直方向?yàn)橹鞯牟孪搿Ｒ簿褪钦f，有一個主壓應(yīng)力的軸是大體垂直于地表的。

有了餡餅，就有了辦法！

對原地應(yīng)力（in-situ stress）的測量，曾經(jīng)試驗(yàn)了幾十年。目前公認(rèn)的較好辦法是震源機(jī)制解和水壓致裂法，其次是鉆孔（孔壁）崩落、應(yīng)力解除、斷層滑動和誘發(fā)破裂等共6種（圖4），也有一些輔助辦法，不再詳述。

美國有個叫安德森（E M Anderson，1916—2018）的學(xué)者，他在1951年對地應(yīng)力的數(shù)據(jù)處理出了個好主意：根據(jù)主應(yīng)力的取向和相對大小把地應(yīng)力的張量結(jié)構(gòu)劃分成3種類型（regime）?正斷、走滑和逆沖型，它們分別對正斷層、走滑斷層和逆斷層的位錯起著有利的作用。

辦法如下：

● 地應(yīng)力（stress）的3個主軸，有一個壓應(yīng)力被認(rèn)定是垂直地面的方向（vertical），記成S_V。另外兩個分別是水平最大和最小主壓應(yīng)力，記成S_H和S_h（圖5）。它們在地理坐標(biāo)中的具體方位，由實(shí)測而定。

● 在應(yīng)力的相對大小方面，總有S_H>S_h的關(guān)系。于是，當(dāng)S_V的大小在3個壓應(yīng)力當(dāng)中處于最大、中間和最小的位置時，應(yīng)力結(jié)構(gòu)便分別對應(yīng)著正斷型、走滑型和逆沖型（圖6，可注意綠色S_V的數(shù)值位置）。

安德森挺聰明，他的辦法簡單實(shí)用，還能夠符合地球物理和地質(zhì)學(xué)的基本原則。今天，已經(jīng)是世界各國編制地應(yīng)力圖的基本原則。

補(bǔ)充一句：不少情況的實(shí)測S_V軸并不完全垂直于地面，即S_H軸和S_h軸的空間取向并不完全在水平面上，而是存在一個不小的仰角。有可能，這種高角度狀態(tài)屬于一種斜滑錯斷（oblique fault）。學(xué)術(shù)界目前還沒有一個很好的定義，只是在應(yīng)力圖上另加標(biāo)注? “暫未定”（undetermined）。

另外，應(yīng)力結(jié)構(gòu)的正斷型和逆斷型也僅僅指主要的分量，實(shí)際情況中會包含一定成分的走滑分量。換句話說，正斷型實(shí)際上是“正斷+正走滑”。

2.2 ?地殼運(yùn)動和應(yīng)力圖

自20世紀(jì)80年代，在利用GPS技術(shù)查明了全球各板塊的運(yùn)動方向和幅度之后（圖7），地學(xué)界所取得的最重要的成果莫過于編制出世界應(yīng)力圖（World Stress Map，簡寫WSM）（圖8）。那是包括中國在內(nèi)的各國學(xué)者共同努力的成果，第一版發(fā)表于1992年。隨后在2005年、2008年和2016年陸續(xù)發(fā)表了更新的版本。這兩份圖不僅實(shí)用價值很高，而且更促使地學(xué)研究進(jìn)入“地球動力學(xué)”的新階段，它們的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)也不為過。

從板塊運(yùn)動的速度場看（圖7），中國大陸所受到的印度板塊的擠壓不是那么簡單的，它的背后存在非洲、歐洲甚至大西洋裂谷東側(cè)的整體運(yùn)動；中國東側(cè)受到的太平洋板塊的推擠也不是單一的，東南部（包括印支半島和南海）還存在澳洲板塊運(yùn)動的混合影響。這意味著，在分析中國大陸地震活動時候，鄰區(qū)的地震強(qiáng)活動需要注意，眼界需要擴(kuò)大。

地殼40 km均值的世界應(yīng)力場（圖8）揭示出了下述基本特征^[3]：

● 地殼的大部分地區(qū)存在一致的、統(tǒng)一的應(yīng)力場，其水平主壓應(yīng)力方向于板塊的絕對運(yùn)動速度方向（圖7）基本一致；大部分地殼都處于壓性狀態(tài)，且最大主應(yīng)力是水平方向的。區(qū)域性的變化緩慢而量小；

● 地形高的地區(qū)，如青藏高原、美洲西側(cè)的科迪勒拉-安第斯山區(qū)，最大主壓應(yīng)力軸是直立的張應(yīng)力區(qū)，即以正斷層活動類型為主；

● 大陸應(yīng)力場的力源主要有二：洋脊擴(kuò)展的推力，大陸碰撞的擠壓力。

中國大陸的地應(yīng)力圖于1994年完成編制，2003年定稿（圖9），至今沒有發(fā)布新版。其基本特征如下^[8-9]：

● 我國地應(yīng)力場劃分成中國東部和西部2個一級應(yīng)力區(qū)；4個二級應(yīng)力區(qū)?東北-華北，華南，新疆，青藏高原。繼而再劃分出三級和四級應(yīng)力區(qū)；

● 中國東部的力源是太平洋板塊和菲律賓板塊作用，主體特征為北東東-南西西方向；西部是印度板塊向北碰撞歐亞大陸，近南北-北北東方向的擠壓；南部存在印度－澳洲板塊北東向和菲律賓板塊北西向的聯(lián)合作用；

● 斷層帶及其附近的主壓應(yīng)力值比較小，而遠(yuǎn)離斷層其應(yīng)力值增加；

● 青藏高原內(nèi)部大致以昆侖山為界，南部和西南部處于正斷型應(yīng)力狀態(tài)^[10]；東南部主應(yīng)力方向有顯著轉(zhuǎn)動^[11]，可能源于喜馬拉雅山弧和緬甸山弧的弧后擴(kuò)張影響。

有關(guān)各區(qū)域情況的細(xì)致分析，建議閱讀相應(yīng)的學(xué)術(shù)論文。

3 ?震源機(jī)制解

3.1 ?看圖識字

震源機(jī)制解在確定構(gòu)造應(yīng)力場上起著重要作用，它既能反映出地殼深部的應(yīng)力變化狀況，又是認(rèn)識地震破裂過程的一個不可或缺的信息。但凡涉及地震機(jī)制、動力過程、發(fā)震構(gòu)造一類的問題，它總是那個閃光的亮點(diǎn)。盡管，信息有限且不唯一。

利用它有困難嗎？有。

問題在于它不是直接測量到的物理量，而是一個抽象的數(shù)學(xué)模型的解，三維空間的。

提交出來的產(chǎn)品是一個在二維空間里的投影圖形，國外稱它“沙灘球”（beach ball），國內(nèi)俗稱“西瓜皮”?能玩也能吃。欲理解機(jī)制解的含義，不建議馬上陷入數(shù)學(xué)公式的抽象推導(dǎo)，倒是需要有一個“看圖識字”的感性認(rèn)識過程。

我們要向地質(zhì)學(xué)家學(xué)習(xí)，他們在野外遇到的問題顯然是更加復(fù)雜和實(shí)際。欲把現(xiàn)場觀測和測量到現(xiàn)象定量化，他們有很多聰明的辦法，比如對斷層參數(shù)的定義（圖10）：

● 雙腳橫跨斷層線，右腳站在斷層上盤?面對的方向就是斷層走向，右手就是斷層傾向；

● 走向與正北方向的夾角即方位角；斷層面與水平面的夾角即傾角；

● 走滑斷裂分兩種情況。站在斷層一側(cè)，看到對側(cè)物體向左手位移了?左旋滑動；向右手位移了?右旋滑動；

● 上盤巖體相對下盤向下錯動了，叫正斷層（normal）；反之叫逆斷層（reverse 或者叫逆沖thrust）。

這些定義都要用到下述的震源機(jī)制解當(dāng)中，不再解釋。總之，看圖識字是認(rèn)識客觀事物的第一步，特別是理解那些抽象的數(shù)學(xué)模型至關(guān)重要。

只有把感性概念建立起來，后面的事情才好辦。

3.1.1 ?啟步

20世紀(jì)初，日本人在記錄圖上最早注意到：地震激發(fā)出來的波動跟爆炸不一樣：

爆炸激發(fā)的縱波（P）初動方向全部是向上、向外的，震源是單純的膨脹點(diǎn)源。地震波不同?有的地方向上、向外，有的相反，整體上呈四象限分布（圖11），這是由地震震源的剪切位錯所致。

1925年美國拜爾利（Perry Byerly，1897—1978）建議：既然P波初動有上有下，何不把震源設(shè)想成一個非常小的均勻球體（不管半徑大小），把地面觀測到的P波初動分布沿著射線路徑、原樣不變地返回到震源球面上。震源也就出現(xiàn)了四象限分布?初動符號指向球心的、推擠別人地盤的、搞擴(kuò)張的為膨脹區(qū)；初動符號向外逃脫的、挨別人擠壓的、受欺負(fù)的為壓縮區(qū)。這就構(gòu)成了震源剪切位錯模型（圖12）。

拜爾利的辦法物理概念清晰、簡單易行，也是個聰明人。至今仍然是世界最廣泛使用的方法。

當(dāng)然，具體實(shí)施起來還要解決幾個技術(shù)問題：地球表面是圓球狀的、震源有一定深度、地震射線是彎曲狀的、三維問題不好表達(dá)等……既然科學(xué)思路已經(jīng)有了，技術(shù)問題總是好辦的?不外乎折算、校正、延拓、投影……統(tǒng)統(tǒng)小菜一碟！

這里的力學(xué)關(guān)系是什么呢？

數(shù)學(xué)物理和實(shí)驗(yàn)學(xué)家也已解決：只要有一對壓應(yīng)力P（位于膨脹區(qū)）和一對張應(yīng)力T（位于壓縮區(qū)），它們和斷層平面的夾角是45°，就能產(chǎn)生斷層面的剪切位錯和四象限的P 波分布圖樣。故而震源球面上就會出現(xiàn)3個平面：斷層面（即剪切位錯面），分割膨脹區(qū)和壓縮區(qū)之間的輔助平面（與斷層面垂直），由P軸和T軸組成的滑動平面。3個已知量便能解出3個未知量：

● 斷層方位

● 斷層傾角

● 位錯的滑動角

注意：這個解僅僅是方向和角度，不含震源位錯量的大小、應(yīng)力水平的量值。

3.1.2 ?地應(yīng)力與震源機(jī)制解

理論上講，主壓應(yīng)力P和主張應(yīng)力T只是被地震釋放掉的應(yīng)力?地震前后的應(yīng)力“變化量”，并不是震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場的初始應(yīng)力（或原巖應(yīng)力）。也就是說，壓力P軸（pressure）和張力T軸（tension）的空間取向，僅僅是構(gòu)造應(yīng)力減去流體靜壓應(yīng)力影響之后的主應(yīng)力軸，還不是構(gòu)造應(yīng)力場的最大p₁和最小p₃的軸向。

震源機(jī)制解是假定地震發(fā)生在新產(chǎn)生的斷層面的，周圍是均勻的、各向同性的介質(zhì)。如果地震發(fā)生在已有的斷層或破碎帶，那么所得斷層面的取向就會隨著山脈或構(gòu)造的走向而發(fā)生變化。也就是說，在同樣的大區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，由于發(fā)震斷層的產(chǎn)狀、斷層面凹凸體分布和水飽和度的不同，每次地震的機(jī)制解都會有差異。而且破碎越嚴(yán)重，同一區(qū)域里的機(jī)制解就越混亂。

震源球面上有彼此垂直的兩個截平面（圖12）。今天看這個順眼，就選為斷層面（另一個就作為“輔助面”）；明天又看另一個順眼了，也成，兩個截平面的角色對調(diào)。因?yàn)槎叨寄墚a(chǎn)生完全相同的P波初動分布圖樣。學(xué)術(shù)文章里，應(yīng)該把非唯一性的兩個解同時列出。

由此明白，必需有多個解的平均值才會更符合構(gòu)造應(yīng)力場的環(huán)境背景，才有望同實(shí)測到的S_H軸和S_h軸相互驗(yàn)證（圖13）。

3.2 ?逆沖斷裂的機(jī)制解

斷層面方位角φ、傾角δ、位錯的滑動角λ是需求解的3個量，已經(jīng)標(biāo)在圖14上。

看圖的時候注意一條：震源球的白色區(qū)永遠(yuǎn)表示膨脹區(qū)，國內(nèi)國外海枯石爛，總是白色，誰都不能變。

黑色區(qū)域永遠(yuǎn)是壓縮區(qū)。為方便讀者，不同作者可以按自己興趣，改用紅橙黃綠涂抹以示區(qū)別。四象限分布的分界由斷層面X和輔助平面Y 分開。

為了簡化，會引進(jìn)“極點(diǎn)”概念。極點(diǎn)就是對地球的赤道面擁有南極和北極概念的推廣，南北極互為對蹠點(diǎn)（antipodes），兩點(diǎn)連線的軸會與該平面內(nèi)的任意一點(diǎn)垂直，故而兩個極點(diǎn)與該平面是唯一對應(yīng)的。

于是，圖中一旦標(biāo)注了極點(diǎn)，就不用再畫它的平面和截線了。圖14中的Ω_X和Ω_Y分別是斷層平面X和輔助平面Y的極點(diǎn)，滑動平面的極點(diǎn)標(biāo)成B，即中性軸或稱零軸（null，不用N標(biāo)注是為了避免與表示方向的N混淆）。P、T、B軸都不是方向單一的矢量，都存在兩個互為相反的方向。

再簡化一步：利用四象限具有對稱特點(diǎn)，沿著水平面切上一刀：只畫下半球面足矣。于是，圖14里的男孩可以俯視黑白區(qū)域的分布，女孩可以在B軸方向上側(cè)視下半球面的圖樣。

最后一步，如何表達(dá)？

地球儀就是三維立體圖，直觀但不方便。數(shù)學(xué)家給出了高招?可以把球面上的三維圖樣投影到平面上，稱之“球極投影”或“極射赤面投影” （stereographic projection）。辦法如下：

取水平面在震源球的極點(diǎn)Z為核心，同震源球面上的所有圖形點(diǎn)一一連線，它們在水平面上的交點(diǎn)即為投影點(diǎn)（圖15），于是便得到了震源球面的二維俯視圖?西瓜皮。小女孩看到的側(cè)視圖，也有意義，只是不便于表現(xiàn)出走向和滑動角，較少采用。

球極投影是一種非常方便的把三維圖樣轉(zhuǎn)變成二維圖樣的技術(shù)途徑，有一種地圖就是這么畫出來的，晶體結(jié)構(gòu)、蛋白結(jié)構(gòu)、雷達(dá)監(jiān)測都有應(yīng)用，數(shù)學(xué)上可以使用一個叫做烏爾夫網(wǎng) （Wulff net）的模板來實(shí)施。

3.3 ?正斷裂的機(jī)制解

斷層面正斷裂的解，可以參照前節(jié)內(nèi)容來理解：方向相反，黑白區(qū)相反（圖16）。

斷層面一旦被選定，該圓弧兩個端點(diǎn)（圓弧與最外圈大圓的二交點(diǎn)）的連線便是走向線，垂直于走向線并正對著該圓弧凸起的方向便是斷層傾向。傾角δ位置已標(biāo)在圖中，傾角越大、斷層面越直立，弧線越平直、越靠近圓中心。

極致情況，西瓜皮只有黑白兩瓣?直立斷層的垂直位錯，白區(qū)膨脹，向下；黑區(qū)挨擠，向上。

3.4 ?逆滑斷裂的機(jī)制解

逆滑（逆錯動為主，含有走滑分量）或正滑（正錯動為主，含有走滑分量）的位錯破裂是很常見的，西瓜皮圖樣的最大特征是出現(xiàn)了四象限圖樣。可以理解為對前述的逆錯動和正錯動圖樣的小改造：

黑色區(qū)域仍然居中，就是逆滑（圖17）；白色區(qū)域依然居中，就是正滑。對斷層走向、傾向的判斷辦法，仍然不變。

圓弧看不清，就看極點(diǎn)P、T、B的位置。對滑動角的判斷，請注意圖中所標(biāo)注的位置。

其實(shí)，非地震專業(yè)的人員不必拘泥于機(jī)制解的3個角度的具體數(shù)值。看圖識字的目的，是為了在第一時間、下意識地、準(zhǔn)確地抓住圖形想說的話（圖18）?區(qū)分正、逆、走滑斷層，大體的方位和傾向，以及走滑錯動的左右旋。定性地掌握西瓜皮的圖形特征，與搞清那些數(shù)值沒有實(shí)質(zhì)的區(qū)別。

吃西瓜，有口訣：

● 白區(qū)居中：清清白白，堂堂正正?正斷；

● 黑區(qū)居中：黑燈瞎火，倒行逆施?逆斷；

● 黑白交錯：左右逢源，滑頭滑腦?走滑；

● 弧線有兩端，走個直線?走向；

● 站在走向線，側(cè)看弧線?傾向。

對于常見的幾種震源機(jī)制解的圖形和地質(zhì)含義，可以比照圖19來理解。想再深入一步的，建議閱讀地震學(xué)教程或相應(yīng)的專業(yè)文章^[12-14] 。

4 ?應(yīng)用實(shí)例

4.1 ?京津冀地區(qū)

對比震源機(jī)制解和構(gòu)造應(yīng)力場是很有意思的。

圖20是個實(shí)例，地震震源機(jī)制解是王曉山等^[15]對2187 個中小地震做的3種分類，地應(yīng)力場是2016版全球應(yīng)力圖WSM在同一地區(qū)的截圖分布。

可以看出：雖然處于統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場控制之下，但局部構(gòu)造條件的影響仍很大，中小地震的震源機(jī)制解相當(dāng)雜亂，并沒有形成單一類型的叢集分布。只是在經(jīng)過1° × 1°的網(wǎng)格均值化處理后，才揭示出了主壓應(yīng)力軸在NEE-EW向（圖20藍(lán)色大箭頭），而NNW-SSE向則是主張應(yīng)力的方位（圖20紅色大箭頭），同實(shí)測到的構(gòu)造應(yīng)力場基本一致。

是什么因素造成震源機(jī)制的解出現(xiàn)如此大的差異分布呢？

估計有兩個因素：

其一是京津冀地區(qū)的地殼構(gòu)造本就存在北東和北西兩大體系，北西向的斷裂系是晚期的、現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動的產(chǎn)物，北東向是古老的穩(wěn)定構(gòu)造的背景；在NEE-EW向主壓應(yīng)力背景場的作用下，兩種斷裂系的斷層都有條件發(fā)生錯動。

其二是渤海及鄰區(qū)存在上地幔的涌起，它必然造成張性應(yīng)力作用的顯著，比如會達(dá)到主壓應(yīng)力的2～8 倍^[16]，因此在渤海灣區(qū)和靠近大同火山地區(qū)，正斷裂和高傾角的斜滑（oblique fault）事件便很突出。

深入地分析和歸并這些問題，將會很有意義。

4.2 ?河西走廊

魏晉南北朝時期的河西走廊，是個三少一旺盛的地方?人煙少、戰(zhàn)火少、地震少，香火旺盛。

于是，河西走廊100余處的石窟、壁畫、雕塑、佛事活動經(jīng)年不輟。估計，唐僧627年路過這里的時候應(yīng)該比較順利，西游記里說他換公文、住寺院、進(jìn)山洞，都是發(fā)生在過火焰山之前。

唐朝中后期的天災(zāi)人禍相繼發(fā)生：734年的天水地震、756年張掖7級地震先后破壞了麥積山和馬蹄寺的石窟佛雕^[17]，755年安史之亂后的百余年唐蕃戰(zhàn)爭中，河西走廊已變成“春風(fēng)不度玉門關(guān)”的戰(zhàn)場！

明朝1609年張掖—酒泉再次發(fā)生7.3級地震，軍民死者800多人，河水?dāng)嗔鲾?shù)日，余震延續(xù)了七八年^[18]。這個時候能與長河落日相伴的，恐怕只有羌笛聲中的大漠孤煙了。

今天，河西走廊是地學(xué)研究的重點(diǎn)地區(qū)^[19]，驚喜地發(fā)現(xiàn)了第四紀(jì)2.59—0.012 Ma（百萬年）的構(gòu)造應(yīng)力場在早期和晚期存在時間上的變化。根據(jù)斷面擦痕、滑動階步、斷層位錯量的數(shù)據(jù)，確定了斷裂滑動矢量，反演出了構(gòu)造應(yīng)力場?早期是北北東向的擠壓、北西向的逆斷為主，晚期的主壓應(yīng)力已經(jīng)發(fā)生了順時針的旋轉(zhuǎn)，北東東向?yàn)橹鳌⒆呋\(yùn)動增大。這就致使當(dāng)?shù)氐谋蔽髯呦虻哪鏀嗔迅子诔霈F(xiàn)錯動。

圖21綜合了不同作者對該地區(qū)的研究結(jié)果，8次強(qiáng)地震的Ⅷ度以上烈度區(qū)的分布取自文獻(xiàn)[17-18，20-24]，5次強(qiáng)震的震源機(jī)制解取自文獻(xiàn)[25-29]。等震線長軸的北西向延伸和震源機(jī)制解的左旋逆滑特點(diǎn)都很明顯，反映出河西走廊的南北兩側(cè)的斷裂帶控制了應(yīng)力場的調(diào)整，阿拉善地塊對青藏高原的推擠起到了重要的阻礙作用。

南北朝的百余座石窟，今朝已黯淡無幾。除外界因素外，可能還與選址不當(dāng)有關(guān)。

這里的絕大部分的石窟都是在砂巖或砂礫巖地層的陡壁處，容易開鑿且外立面恢弘。問題是，河西走廊的陡巖峭壁往往是斷層的滑動面，或者是斷裂系的牽動面（山西石窟走廊位于裂谷構(gòu)造系里，情況相似）。地震大多發(fā)生在第四紀(jì)盆地邊緣的祁連山斷裂帶和龍首山斷裂帶，都具有高角度的逆斷性質(zhì)^[30]。14個實(shí)測地應(yīng)力張量中有13個都是逆斷型^[19]，5個震源機(jī)制解中有4個都顯示了逆沖左旋走滑的性質(zhì)（圖21）。

這意味著，該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的垂直分量S_V肯定是最小的，應(yīng)力張量的結(jié)構(gòu)屬于S_H>S_h>S_V類型（圖6）。從巖土工程上講，在這樣的巖體內(nèi)開鑿硐室比較安全，不容易發(fā)生落頂事故，只要硐室的跨度不大也不會出現(xiàn)側(cè)壁的垮塌。

但是，一旦發(fā)生了地震?逆沖型的斷裂錯動，石窟群的整個立面就容易發(fā)生整體性的坍塌滑落，734年天水麥積山地震和1932年昌馬地震，對當(dāng)?shù)厥咴斐傻拇輾詾?zāi)難便是證據(jù)。張掖—酒泉地區(qū)也是多地震的，古文獻(xiàn)里雖然對文殊山、馬蹄山和童子寺石窟的震災(zāi)少有記載，估計也好不了多少。

有幸逃脫了厄運(yùn)的是莫高窟和瓜州窟的石窟群，它們處于阿爾金斷裂的西側(cè)?基本上沒有地震活動的地區(qū)。這條北東向的左旋走滑大斷裂，幾乎正交地阻斷了河西走廊北西向斷裂帶的延伸。在這地方實(shí)測到地應(yīng)力張量是唯一的走滑類型，測點(diǎn)位于昌馬和石包城之間（圖21）。

當(dāng)然，莫高窟的結(jié)構(gòu)也起到了一定的保護(hù)性作用，如外側(cè)有窟檐保護(hù)了洞口，內(nèi)有中心柱做支撐，硐室的頂部縮小，各硐室的進(jìn)深小、跨度小、背屏式或佛龕式的雕塑較多，都降低了對地應(yīng)力場原生狀態(tài)的擾動（圖22）。

全球GPS速度場圖和應(yīng)力圖完成后，更高精度的實(shí)時監(jiān)測，日顯迫切。大方向固然清楚，具體道路還在摸索。恐怕，當(dāng)年的唐僧也是這樣走的，

迎來日出送走晚霞，

踏平坎坷又出發(fā)。

敢問路在何方，

路在腳下，路在腳下……

??致謝

全球GPS的速度場圖和應(yīng)力圖是兩份重要的資料，劉珠妹根據(jù)國外資料進(jìn)行了專業(yè)處理和繪制，難度不小，使我們得以看到高精度的最新成果，謹(jǐn)表誠摯的謝意。

參考文獻(xiàn)

?

[1]雷中生，袁道陽，葛偉鵬，等. 734年天水7級地震考證與發(fā)震構(gòu)造分析[J]. 地震地質(zhì)，2007，29（1）：51-62 ???Lei Z S，Yuan D Y，Ge W P，et al. Textual research on the Tianshui M7 earthquake in 734 AD and analysis of its causative structure[J]. Seismology and Geology，2007，29（1）：51-62

[2]周少輝，蔣海昆，曲均浩，等. 應(yīng)力降研究進(jìn)展綜述[J]. 中國地震，2018，34（4）：591-605 ???Zhou S H，Jiang H K，Qu J H，et al. A review on research of foreshocks[J]. Earthquake Research in China，2018，34（4）：591-605

[3]李方全，陳群策，李宏. 原地應(yīng)力測量在地球科學(xué)研究中的重要意義[M]//謝富仁，陳群策，崔效鋒，等. 中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境研究. 北京：地質(zhì)出版社，2003：180-191 ???Li F Q，Chen Q C，Li H. Significance of in-situ stress survey in earth science research[M]//Xie F R，Chen Q C，Cui X F，et al. Crustal stress in China. Beijing：Geology Press，2003：180-191

[4]江寧波，吳微微，左洪. 震源應(yīng)力降的國內(nèi)外研究進(jìn)展綜述[J]. 地震研究，2024，47（2）：163-177 ???Jiang N B，Wu W W，Zuo H. Review of international research progress in source stress drop[J]. Journal of Seismological Research，2024，47（2）：163-177

[5]陳培善，成瑾，白彤霞. 根據(jù)構(gòu)造環(huán)境剪應(yīng)力值水平區(qū)分地震和核爆炸[J]. 地震學(xué)報，2001，23（3）：246-249 ???Chen P S，Cheng J，Bai T X. Discrimination between nuclear explosions and earthquakes based on consideration of tectonic ambient shear stress values[J]. Acta Seismologica Sinica，2001，23（3）：246-249

[6]謝富仁，崔效鋒，趙建濤，等. 中國大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)[J]. 地球物理學(xué)報，2004，47（4）：654-662 ???Xie F R，Cui X F，Zhao J T，et al. Regional division of the recent tectonic stress field in China and adjacent areas[J]. Chinese Journal of Geophysics，2004，47（4）：654-662

[7]中國新聞周刊. 在2400米厚的巖層下，捕捉人類看不見的“幽靈”[EB/OL]. （2024-03-07）[2024-03-18]. https：//news.ifeng.com/c/8XkS8q0zsbS ???China Newsweek. Capturing “ghosts” that humans cannot see beneath 2400 meters of rock layers[EB/OL]. （2024-03-07）[2024-03-18]. https：//news.ifeng.com/c/8XkS8q0zsbS

[8]丁建民，梁國平，高建理，等. 中國地殼應(yīng)力圖簡述[J]. 地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集，1996：85-94 ???Ding J M，Liang G P，Gao J L，et al. Briefing on recent crustal stress map of China[J]. Bulletin of the Institute of Crustal Dynamics，1996：85-94

[9]謝富仁，陳群策，崔效鋒，等. 中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境研究[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2003 ???Xie F R，Chen Q C，Cui X F，et al. Crustal stress in China[M]. Beijing：Geology Press，2003

[10]許忠淮. 東亞地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力圖的編制[J]. 地震學(xué)報，2001，23（5）：492-501 ???Xu Z H. A present-day tectonic stress map for eastern Asia region[J]. Acta Seismologica Sinica，2001，23（5）：492-501

[11]萬永革，盛書中. 中國現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場[J]. 世界地震譯叢，2011（3）：18-29 ???Wan Y G，Sheng S Z. Contemporary tectonic stress field in China[J]. Translated World Seismology，2011（3）：18-29

[12]許忠淮，李世愚. 地震學(xué)百科知識（二）?震源物理（上）[J]. 國際地震動態(tài)，2013，43（2）：23-31 ???Xu Z H，Li S Y. Some Some encyclopedic knowledge on seismology （II）：Earthquake source physics （part one）[J]. Recent Developments in World Seismology，2013，43（2）：23-31

[13]陳運(yùn)泰，劉瑞豐. 用P波初動資料確定地震震源機(jī)制教程（二）[J]. 地震地磁觀測與研究，2021，42（4）：1-13 ???Chen Y T，Liu R F. The use of the first P motion data for earthquake focal mechanism determination of：A tutorial （2）[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2021，42（4）：1-13

[14]趙仲和，牟磊育. 關(guān)于在震源機(jī)制解的沙灘球表示中包括滑動矢量的建議[J]. 國際地震動態(tài)，2018，48（1）：11-16 ???Zhao Z H，Mu L Y. A suggestion of including slip vectors in the beachball presentation of a focal mechanism[J]. Recent Developments in World Seismology，2018，48（1）：11-16

[15]王曉山，馮向東，趙英萍. 京津冀地區(qū)地殼應(yīng)力場特征[J]. 地震研究，2020，43（4）：610-619 ???Wang X S，F(xiàn)eng X D，Zhao Y P. Characteristics of crustal stress field in Beijing-Tianjin-Hebei region[J]. Journal of Seismological Research，2020，43（4）：610-619

[16]劉峽，馬瑾，傅容珊，等. 華北地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動動力學(xué)初步研究[J]. 地球物理學(xué)報，2010，53（6）：1418-1427 ???Liu X，Ma J，F(xiàn)u R S，et al. Primary study on the dynamics of the present-day crustal motion in North China region[J]. Chinese Journal of Geophysics，2010，53（6）：1418-1427

[17]雷中生， 袁道陽， 鄭文俊， 等. 756年張掖—酒泉地震考[J]. 西北地震學(xué)報， 2012， 34（1）： 72-77 ???Lei Z S， Yuan D Y， Zheng W J， et al. Textural research of Zhangye–Jiuquan earthquake in 756 A. D.[J]. Northwestern Seismological Journal， 2012， 34（1）： 72-77

[18]劉興旺，雷中生，袁道陽，等. 1609年甘肅紅崖堡7?級地震考證[J]. 西北地震學(xué)報，2011，33（2）：143-148 ???Liu X W，Lei Z S，Yuan D Y，et al. Textual research on the Hongyapu M7.25 earthquake in 1609[J]. Northwestern Seismological Journal，2011，33（2）：143-148

[19]謝富仁，舒塞兵，張世民，等. 祁連山—河西走廊斷裂系第四紀(jì)構(gòu)造應(yīng)力場研究[M]//謝富仁，陳群策，崔效鋒，等. 中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境研究. 北京：地質(zhì)出版社，2003：77-85 ???Xie F R，Shu S B，Zhang S M，et al. Research on quaternary tectonic stress fields of Qilian mountain-Hexi corridor fault system[M]//Xie F R，Chen Q C，Cui X F，et al. Crustal stress in China. Beijing：Geology Press，2003：77-85

[20]楊天錫，劉百篪，姚俊儀，等. 1927年5月23日古浪8級地震烈度分布及地震特征[J]. 東北地震研究，1991，7（1）：59-67 ???Yang T X，Liu B C，Yao J Y，et al. Intensity distribution and seismic characteristics of Gulang earthquake with M=8 on May 23，1927[J]. Northeastern Seismological Research，1991，7（1）：59-67

[21]時振梁，環(huán)文林，姚國干，等. 1932年昌馬地震破裂帶及其形成原因的初步探討[J]. 地球物理學(xué)報，1974，17（4）：272-287 ???Shi Z L，Huan W L，Yao G G，et al. On the fracture zones of Changma earthquake of 1932 and their causes[J]. Acta Geophysica Sinica，1974，17（4）：272-287

[22]曹娜，雷中生，袁道陽，等. 公元180年甘肅表氏地震考[J]. 地震學(xué)報，2010，32（6）：744-753 ???Cao N，Lei Z S，Yuan D Y，et al. Textural criticism on the Biaoshi，Gansu，earthquake in 180 AD[J]. Acta Seismologica Sinica，2010，32（6）：744-753

[23]董治平，陳玉華，王平，等. 1954年山丹7.3級地震災(zāi)害[J]. 中國地震，2007，23（2）：157-165 ???Dong Z P，Chen Y H，Wang P，et al. Investigation on the Shandan MS7.3 earthquake damages in 1954[J]. Earthquake Research in China，2007，23（2）：157-165

[24]潘章容，周揚(yáng)，苗在鵬，等. 2022年1月8日青海門源6.9級地震儀器烈度與宏觀烈度對比分析[J]. 高原地震，2023，35（3）：8-15 ???Pan Z R，Zhou Y，Miao Z P，et al. Comparative analysis on instrument intensaity and macroscopic survey intensity of the Menyuan M6.9 earthquake on January，8，2022[J]. Plateau Earthquake Research，2023，35（3）：8-15

[25]姚文珣，汪進(jìn). 甘肅及鄰近地區(qū)的地殼應(yīng)力場[J]. 西北地震學(xué)報，1990，12（3）：44-49 ???Yao W X，Wang J. Crustal stress field in and around Gansu region[J]. Northwestern Seismological Journal，1990，12（3）：44-49

[26]尹欣欣，趙林林，楊立明，等. 青海門源MS6.4地震震源機(jī)制解與震源深度研究[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2018，38（6）：624-628，638 ???Yin X X，Zhao L L，Yang L M，et al. Research on focal mechanism and south depth of Menyuan，Qinghai MS6.4 earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2018，38（6）：624-628，638

[27]許英才，郭祥云，馮麗麗. 2022年1月8日青海門源MS6.9地震序列重定位和震源機(jī)制解研究[J]. 地震學(xué)報，2022，44（2）：195-210 ???Xu Y C，Guo X Y，F(xiàn)eng L L. Relocation and focal mechanism solutions of the MS6.9 Menyuan earthquake sequence on January 8，2022 in Qinghai Province[J]. Acta Seismologica Sinica，2022，44（2）：195-210

[28]韓立波. 2022年青海門源MS6.9地震震源機(jī)制解[J]. 地震科學(xué)進(jìn)展，2022，52（2）：49-54 ???Han L B. Focal mechanism of 2022 Menyuan MS6.9 earthquake in Qinghai Province[J]. Progress in Earthquake Sciences，2022，52（2）：49-54

[29]萬永革，沈正康，曾躍華，等. 青藏高原東北部的庫侖應(yīng)力積累演化對大地震發(fā)生的影響[J]. 地震學(xué)報，2007，29（2）：115-129 ???Wan Y G，Shen Z K，Zeng Y H，et al. Evolution of cumulative coulomb failure stress in northeastern Qinghai-Xizang （Tibetan） plateau and its effect on large earthquake occurrence[J]. Acta Seismologica Sinica，2007，29（2）：115-129

[30]鄭文俊，張竹琪，張培震，等. 1954年山丹7?級地震的孕震構(gòu)造和發(fā)震機(jī)制探討[J]. 地球物理學(xué)報，2013，56（3）：916-928 ???Zheng W J，Zhang Z Q，Zhang P Z，et al. Seismogenic structure and mechanism of the 1954 M7? Shandan earthquake，Gansu Province，Western China[J]. Chinese Journal of Geophysics，2013，56（3）：916-928

North-Southern Dynasties： Crustal stress fields

Feng Rui^*

China Earthquake Networks Center， Beijing 100045， China

[Abstract] ?Stability problems in rock stress fields were highlighted. It is a direct source of force for crustal deformation， rock destruction， and earthquake occurrence. Through large-scale international cooperation， the global GPS velocity field and world stress map were updated. Plates with the soul of a power source are no longer a bunch of rigid tectonics， and for the first time the dynamism of their movements and internal stresses are revealed. This paper describes the methods of in-situ measurement of stress， the principles of division of stress tensor regimes， and the basic features of stress maps. In response to the earthquake focal mechanism， the author has drawn a variety of 3D perspective drawings， so that readers can easily grasp the geologic meaning of the earthquake focal mechanism in a way that is easy to read and understand by looking at the drawings. Finally， the background of the local dynamics is analyzed with two examples comparing the similarities and differences between the measured stress maps and the earthquake focal mechanism.

[Keywords] rock stability; global GPS velocity field; tectonic stress map; stress regime; focal mechanism