P波极性揭示的甘东南地区构造应力场特征①

卜玉菲，张元生，万永革，刘旭宙，高 见

（1．中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 73000；2．防灾科技学院，河北 三河 065201）

0 引言

目前根据地震波资料求解地壳应力场主要有两种思路：一是直接根据震源机制反演应力场；二是根据P波初动数据求解综合震源机制进而确定应力场方向。由于单个地震的震源机制反映的是地震前后震源区的应力变化，震源机制节面与构造应力主轴都成一定角度。当一组地震断层面的取向比较随机、地震分布于全区时，多个地震的震源机制解得到的平均P、B、T轴方向就能够代表该区平均构造应力场方向，但是求解的精确程度跟震源机制分布有直接关系。在大量中小地震在震源机制不能确定的情况下这种方法不适用。根据P波初动数据求解应力场的方法不需要先得到震源机制，所以可以更充分利用小震和微震资料。

上世纪70年代李钦祖等根据Aki［1］提出的基本思路给出了利用单台小震资料的综合初动解研究台站所在区域应力场的方法求得了红山台和沙城台附近的区域应力场［2］。该方法是假定研究区域应力场是均匀的，将同一个台站的初动极性根据离源角和方位角投影到每个小地震的震源球上，并在此位置标明初动极性，然后将此台所有地震的震源移动到同一点，叠加在同一个震源球上，得到单台小震资料的综合初动解。按照这种方法，许忠淮根据多个台站多个地震推断了多个地区地震应力场的方向特征，并对这种方法采用了模拟数据进行验证，证明了该方法的可行性。许忠淮结合先前工作结果对个别地区补充数据后重新做了分析，总结了我国大陆地震构造应力场的主要特征，编制完成中国大陆地震构造应力方向图［3－5］。

甘东南处于青藏高原东北缘，为西秦岭北缘断裂和东昆仑断裂东段之间的区域，形成多条密集且平行具有弱走滑、强逆冲性质的NWW及NEE晚更新世及全新世断裂［6－7］。该地区长期受到印度板块与欧亚板块碰撞挤压作用的影响，构造活动剧烈，地震活动频繁，历史上曾发生过多次大震［8］。2009年起甘东南地区架设了大量地震流动台网，记录了大量近震地震资料，为我们采用这种方法求解该地区的综合应力场提供了很好的机会。本文利用甘东南流动台阵和固定台网记录的地震波形资料，采用万永革等［9］提出的考虑不同地震距对网格点应力场方向影响的P波综合震源机制法求解本区应力场，得到覆盖甘东南全区的综合震源机制解数据，以期能为以后该区的断层活动和地震预测研究提供基础资料。

1 资料来源

2009年11月，中国地震局地质研究所和中国地震局兰州地震研究所合作在甘东南地区架设了野外地震观测流动台阵，架设七条测线共150个流动台站，平均台站间距15km，到目前记录了大量的地震波数据，为深入开展甘东南地区的地球物理研究提供了宝贵的资料（图1）。密集的流动台阵有较强的监测能力和的较高的定位精度，震中分布更加集中，与断层和地震区带分布更加密切。

本文选取2010年11月1日—2011年11月30日期间甘东南流动台阵的波形记录，以及甘肃地震台网和周边省邻近台站的波形数据，共150个流动台站和79个固定台站记录的同时段的波形数据。震中区域范围为 N32．164°～35．999°，E102．745°～107．079°。

图1 研究区台站及震中分布Fig．1 Distribution of stations and earthquakes in the research area．

2 数据处理

本研究所选用的原始波形资料是以1小时为单位的EVT格式文件，借助edias软件挑选出3个（包含3个以上）台站记录到的地震进行分析，用msdp软件进行震相识别、P波初动标记和初定位，得到包含震相到时、初动信息在内的定位结果文件。利用张元生等开发的t－D地震定位程序进行地震重新定位［10］，最终得到有初动记录的地震2 373个，初动符号12 129个（图1）。

重定位结果显示：地震活动沿断裂分布明显，特别是青川附近地震活动频繁（汶川地震余震），而华亭、平凉地区由于多有矿震，数据量也极为丰富。定位后震源深度主要集中在5～20km以内，所以，我们在深度上不做分辨，只考虑二维情况下的应力情况。

我们采用万永革的求解方法，将甘东南地区分为0．25°×0．25°的二维网格，依次求解了所用地震数据在平均震源深度（12km）上网格点处的应力场方向［9］。每个网格点选择周围地震在台站上观测的P波初动符号进行反演。由于每个地震距网格点的距离不同，对网格点应力方向确定的贡献也不相同，因此我们根据网格点的距离给予不同地震的P波初动不同的权重。每个地震的P波初动权重w根据下式求取：

其中D为距离衰减常数，本研究D取为25km；r为折合距离，按照下式计算：

其中，x，y分别为地震的经度和纬度；x0和y0分别为网格点的经度和纬度。由于计算的二维结果，折合距离并没有考虑深度的计算。经过此种加权后，地震距离越远权重越小，当r取为50km的时候，权重w仅为1．8%。为了增加计算速度，我们网格点只选取了r≤50km的P波初动资料。为了提高计算质量，只计算P波数据≥100的网格点。每个格点在拟合综合震源机制解的时候，我们采取1°×1°×1°的网格搜索P、B、T轴的方位。选择最小矛盾比（矛盾的P波初动符号数与总的符号数之比）对应的P、B、T轴方位为该点的综合震源机制解。

3 结果

我们对研究区进行空间扫描求解综合震源机制，假定应力相对大小为0．5，根据选择条件，共反演了261个小区域的应力场（图2），最优解个数控制在一个或者两个，矛盾比最大不超过0．41。

图2 应力场反演结果Fig．2 Mapview of stress field inversion．

图2所给结果覆盖了整个甘东南地区，细化的分区能更好地体现出甘东南地区应力场方向的变化。

从结果看，本区主压应力轴方向空间上有明显的不均匀性，整体上倾角很小且方向存在顺时针旋转特性，由北部的NEE向南部逐渐偏转为近EW向和SEE向，越往东部这种趋势愈明显，本区东南部主压应力轴呈SE向。整体上主张应力轴优势方向为近NS向，西部地区主张应力轴普遍为NNW向，东南部顺时针转换为NE向。虎牙断裂以东文县断裂以南地区最大主张应力轴分布近直立，优势方向为NS－NNE向，与周边最大主张应力轴方向上是连续变化的，倾角表现出明显的区域不一致性，最大主压应力轴方向和倾角一致性强。与研究区他处相比较，此处有计算所用数据量大、反演结果的最小矛盾比大的特点。礼县—罗家堡断裂、陇县—宝鸡断裂和西秦岭北缘断裂交汇区最大主压应力轴倾角较大近直立，方向和倾角不一致性明显，最大主张应力轴表现稳定、变化连续。

4 结论和讨论

甘东南地区属于青藏高原东北缘的东南部，地质构造和地球物理特征复杂。前人通过GPS观测［11－13］，震源 机 制［14－16］，各 向 异 性［17－19］等 对 青 藏 高原东北缘应力场和动力环境曾有过研究，取得了一系列重要成果。以上研究普遍认为，青藏高原东北缘主压应力轴存在顺时针偏转，由北侧的NE向逐步转变为中部的EW向和南侧的SEE向。这与我们的结果一致，表明了我们处理方法的正确性，另外由于我们资料相当丰富，可以给出更多该区应力场的细部特征，主要阐述如下：

（1）全区应力场主要受NEE向至SEE向压应力控制，最大主压应力轴表现出旋转特性。本区水平作用明显，最大主压应力轴普遍倾角较小，主张应力轴倾角近水平，在此作用下，更有利于发生走滑错动，并且表现出一定的逆冲性质。

（2）本区从西到东应力场存在明显的横向不均匀性，这可能由于青藏高原块体向北东方向运动遇到鄂尔多斯块体的阻挡，越往东受到的挤压越明显，而华南地块向东南方向运动，所以物质向东南方向挤出。从图2（a）能看出在本区越往东部主压应力轴方向顺时针偏转越明显（图3）。GPS观测数据也证实青藏高原东北缘越往东滑动速率越快［20］。

图3 本区应力场反映的构造运动示意图Fig．3 Chart of tectonic movement in the research area from stress field inversion．

（3）虎牙断裂以东文县断裂以南地区最大主张应力轴倾角近直立，不一致性明显。但是最大主张应力轴方向与全区优势方向保持一致，最大主压应力轴受大环境控制，变化连续。本区矛盾比普遍大于0．35，在整个研究区属于高值区。特别是104度以西，地震数目较少，地震相对也较小（图1），因此这部分应力场主要源于其他地区的地震，因此主要为地壳应力场平滑的结果，从主压应力方向连续也说明了这一点。这里的主压应力轴较陡的现象还需要结合其他资料进行进一步解释。

（4）礼县－罗家堡断裂、陇县－宝鸡断裂和西秦岭北缘断裂交汇区最大主压应力轴不一致性明显，此处处于鄂尔多斯地块西南缘，是不同走向的断裂交汇区。结果似乎表明了主压应力向北东的应力环境受到较硬的鄂尔多斯块体的阻挡致使该地区物质沿着西秦岭断裂方向向东流动，导致此处主张应力方向向东，从而鄂尔多斯地块西南部向东旋转导致这里的物质有拉张分量（GPS也明显表现为这种运动），致使该地区主压应力轴较陡。

甘东南流动台阵在本区覆盖密度大，故对综合震源机制解的约束较好。结果中综合震源机制解表现出较好的连续性，也表明反演结果可靠性较高。跟前人研究相比，本次研究使用大量的P波初动数据，资料丰富，对模型的约束性较好。摩擦系数与应力相对大小均对P波综合辐射花样具有影响，但是并不能靠P波初动符号完全确定这两个参数，所以我们研究中假定应力相对大小为0．5［21］。甘东南地区处于三大板块交汇的区域，区内构造复杂，本文首次给出了遍布全区0．25°×0．25°的应力场分布，这对于分析甘东南地区的地质环境和构造运动具有一定的参考价值。区域内有不一致明显的区域，可能的原因可以进行进一步探讨。

甘东南地区是青藏高原东北缘的重要组成部分，是青藏块体向北东向推挤的前缘，过去由于资料的缺少，对本区地壳应力场的研究比较笼统，本文得到的本区应力场细化的分区计算结果能够为分析青藏高原板块的推挤对东北边界造成的动力环境提供更为详细的基础资料，也为本区构造活动和地震预测提供动力学背景参考。

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