基于多地震序列震源机制解的盈江区域构造应力场研究＊

冯 兵 朱良玉 姬 瑶 李 杨 李 伟

（中国地震局第二监测中心，西安 710054）

引言

地震是由地球内部岩层突然应力极限失衡所导致的。滇西地区一直以来就是地震频发的区域。滇西地处青藏高原东南，东与川菱块体相接，与印度板块的东北接壤[1]。它是检验印度板块与欧亚板块各种碰撞效应的天然实验场。季建清等[2]根据相关左旋逆冲断层的发现认为，滇西地块在两大板块碰撞后产生了近90°的地块旋转。因而，该区域的地震活动性十分复杂。

盈江地区处于滇西地块的腹内区域。发育有北东向大盈江断裂、近南北向的苏典断裂等，地震异常活跃[3]。近年来比较突出的地震就有2008年3月21日MS5.0地震（大盈江断裂）、2008年8月21日MS5.9地震（苏典—盈江断裂）、2008年9月3日MS5.0地震（苏典—盈江断裂）、2011年3月10日MS5.8地震（大盈江断裂）、2014年5月24日MS5.7地震（苏典—大盈江断裂）和2014年5月30日MS6.1地震（苏典—大盈江断裂）。此外，该地区小震不断，一直处于能量的释放过程中，给国家造成了重大的经济损失和人员伤亡。

盈江地处缅甸弧形地震带与腾冲—龙陵地震带的过渡区域[4]。大盈江断裂带是该地区一条重要的断裂，在该断裂带上曾发生多次地震[5]。自2008年开始，该地区就以震群的方式持续不断地发生地震，对此我国地震工作者采用多种手段和方法对其进行了研究。如房立华等[5]利用川滇地区三维走时表和三维速度模型对2011年3月10日MS5.8地震进行了重定位，并利用双差定位法对其余震进行了重定位；黄小龙等[6]利用地震烈度调查等对2014年5月发生的两次地震进行了研究，发现两次地震的发震断层明显不同，MW5.6地震发生在以NE向左旋走滑的昔马—盘龙山断裂，MW5.8地震发生在以SN向右旋走滑的苏典断裂；杨婷等[7]认为，2014年发生的两次地震余震分布存在差异，并由此判断该两次地震为共轭地震，属于震群型的发震特点等。对于该区的构造应力场分析，前人也做了大量的研究。如罗艳等[8]采用LSIB线性最小二乘法反演了该区的构造应力场的3个主轴，结果显示最大主应力为NNE方向；赵小艳等[9]收集了该地区的震源机制解并通过聚类分析后认为，该区域的应力场为NNE—SSW向，谢富仁等[10]认为，滇西北活动构造区应力场以北北东水平挤压为特征等。但很少涉及对盈江局部地区构造应力场的研究及内在动力学演化的过程分析。本研究在前人的基础上收集到了多个时间段内的地震序列震源机制解数据及该地区大量的小震目录资料，利用发生在相同或邻近断裂的多地震序列震源机制解对相关断裂区域进行了构造应力场反演。反演可得到该区域的构造应力场分布情况及特点，进而探测到断裂内部结构的变化，可有效地判断断裂带应力强烈的区域，为划定地震危险区及判断断裂带走向变化提供一定的参考。

1 数据资料及研究方法

1.1 数据资料

本次收集的震源机制解数据资料来源于徐彦[11]和哈佛大学GCMT（全球矩心矩张量解）网（http://www.globalcmt.org/）。其中2008年3月21日地震序列的震源机制解数据为17个；2008年8月21日地震序列的震源机制解为36个；2008年9月3日地震序列的震源机制解为48个；2011年3月10日地震序列的震源机制解为61个。GCMT收集到2014年盈江MS5.6和MS6.1两个震源机制解。地震序列震源机制解是通过全波形拟合的方法计算得出的ML≥3.0的震源机制解。同时，本研究还收集到国家地震科学数据中心（National Earthquake Data Center）关于盈江地区的地震目录共1 003个，震级为0.1≤MS≤4.0，时间为2016年1月1日—2020年2月29日的数据资料，以期从最新的地震分布范围分析断裂带的活动性变化。

为了详细的了解本次收集到的地震序列震源机制解的发生频率，本文给出了4次震群的M-t分布（图1）。图1a为 2008年 3月 21日的M-t图、图1b为2008年8月21日的M-t图、图1c为2008年9月3日的M-t图、图1d为2011年3月10日的M-t图。

1.2 研究区构造背景

本次收集到的4次地震序列震源机制解数据共162个震源机制解均为发生于苏典断裂与大盈江断裂之间的地震。震源机制解序列空间分布如图2所示。根据前人的相关文献资料，本研究还给出了盈江区域内的9条断裂，具体分布如图2所示。为了对研究区域很好的进行研究，现简要介绍一下该地区的主要断裂。

图1 盈江地区4次地震序列震源机制解（MW≥3.0）持续时间与震级关系图（M-t图）Fig.1 Relationship between duration and magnitude of four focal mechanism solutions （MW≥3.0） in Yingjiang area（M-t diagram）

苏典断裂：通过相关地形影像资料可以看出，苏典断裂北起于缅甸境内，经腊马河、苏典、黄草坝、勐典直插盈江盆地北西一端。断裂总长80—90 km，其中中国段大约为50 km，缅甸段约为40 km。该断裂整体显示为NS走向分布，局部受到向西的倾斜作用力。断裂自第四纪以来新的活动明显加强[6]。苏典断裂的最南端与大盈江接近的部位受到强烈的拉张作用，导致盈江盆地的西北侧发育了一个形似三角形的凹陷区域（图2）。沿着断裂形成和发育了多个串珠型的第四纪盆地，其中苏典盆地和陇中盆地呈现狭长的条状沿断裂发育[12]。通过断裂采集的新近纪玄武岩样品测年，表明至少从上新世早期开始苏典断裂就已经开始活跃起来了，苏典断裂自4.42 Ma至今的平均活动速率约为（0.34—0.48） mm/a[6]。

昔马—盘龙山断裂：该断裂为苏典断裂的衍生断裂，从某种程度上可以认为，苏典断裂控制着该断裂的发育过程。该断裂南起昔马盆地东缘端，以NE走向发育到苏典断裂左侧，断裂长度为40 km左右，该断裂中段显示有一段断层凹槽。据黄小龙等[6]调查表明，昔马—盘龙山断裂晚第四纪以来具有明显的左旋走滑。

大盈江断裂：从图2可以看出，大盈江断裂东起固东—腾冲断裂南端，沿盈江盆地一直发育到缅甸境内。全长150 km，总体走向为ENE向，倾向为NW向，倾角约为70°。新生代以来，该断裂一直控制盈江等盆地的构造发育。该断层显示为左旋走滑的特征[12]。

龙陵—瑞丽断裂：从地形构造分布图2可以看出，龙陵—瑞丽断裂位于腾冲断裂的西端，它起始于缅甸，南部经过龙陵、瑞丽等区。东与怒江断裂重叠，该断裂的南端呈现巨大的弧形状分布，地质构造复杂。在断裂的北东向上曾发生过1976年龙陵7.6级和7.4级双地震活动[13]。

1.3 研究方法

地壳中的应力受构造负荷过程以及大地震应力变化的影响。地壳应力是地震的直接驱动力。利用震源机制解进行构造应力场反演是目前研究某一地区震源附近应力场方向的主要手段和方法。本研究将采用基于MATLAB运行环境下的MSATSI程序包进行应力场反演。MSATSI程序包是基于原始的SATSI程序源代码发展并完善产生的[14]。反演技术是基于确定一组震源机制最适合的单一应力张量的标准方法[15]。

该方法最小化了每个断层面的滑动矢量和分解后的剪切应力矢量，可用如下公式（1）给出：

向量m是应力张量的模型向量成分，向量d是由k个震源机制解的3·k个单位滑动向量分量组成的数据向量集：

图2 地震序列震源机制解及相应区域的P轴、T轴赤平投影分布图Fig.2 Sequence of focal mechanism solutions and stereographic projection distribution of P-axis and T-axis in corresponding areas

其中Ski表示第k个震源机制解的单位滑动矢量的分量。数据核矩阵G是每个震源机制的法向向量组成部分。最后通过最小二乘逆运算反演出最终的结果：

最终的结果是由Michael在1984年通过高斯消元法解决的[15]。该方法可以反演出相应区域的最大主应力轴（σ1）、中间主应力轴（σ2）、最小主应力轴（σ3）的走向和倾伏角以及一个反映主应力轴的不确定度R值。R值的计算关系式为：R=（σ2-σ3）/（σ3-σ1）。反演也会给出相应网区的P轴、T轴赤平投影分布图（图3），用以检验反演结果的可靠性。

2 研究结果与分析

对于本次研究的4组地震序列震源机制解，其发生的空间分布存在明显的相互联系。从图1可以看出，2008年3月21日第一组地震序列发生于苏典断裂的西南与大盈江断裂的西北区域。紧接着2008年8月21日第二组地震序列发生于苏典断裂的北段区域，随后的2008年9月3日地震序列与2011年3月10日的地震序列沿着苏典断裂向南端依次发生。这说明几组地震序列彼此之间可能存在着应力触发的相互作用。为了从宏观上对该4次地震序列的发生过程以及应力场变化进行详细的研究分析，本次研究设置了应力场反演的相关约束条件，以使结果更为可靠合理。对于每个网格点的地震最少个数设置为16，正确选择断层面的比例设置为0.5，重采样个数设置为2 000，置信度设置为95%。4组地震序列震源机制解反演结果由表1、图3给出。具体反演结果显示：2008年3月21日第一组地震序列震源机制解的最大主应力轴走向为39.90°，倾伏角为7.10°。说明该区域的最大主应力轴呈NNE—NE向展布，压轴面近于水平。最小主应力轴的走向为130.20°，倾伏角为2.40°，张应力轴呈SE向，张轴也显示为近水平。

图3 各区构造应力场反演结果示意图及相应的R值柱状分布图Fig.3 Schematic diagram of inversion results of tectonic stress field in each area and corresponding R value columnar distribution map

表1 各分区构造应力反演结果Table 1 Inversion results of tectonic stress in each subarea

R值的最优解为0.58，说明该区的最大主压应力轴与最小主张应力轴分辨明显，张性与压性特质表现剧烈，平面投影分布如图3a。2008年8月21日第2组地震序列震源机制解的σ1轴走向最优解为35.30°，倾伏角为14.40°。说明该区域的压应力轴呈NNE—NE向，压轴倾伏角度较小，近于水平分布。σ3轴的走向最优解为-54.80°，倾伏角为 0.30°，最大主张应力轴呈NWW，张轴无倾伏，与水平面平行。R值的最优解为0.16，由图3b可以看出，压轴趋于中间轴性质。该区的压轴性质不稳定，可能是由于处于昔马—盘龙山断裂与苏典断裂之间的缘故。2008年9月3日第3组地震序列震源机制解的最大主压应力轴走向为-143.60°，倾伏角为3.80°，压应力轴呈NNE—NE向，压轴倾伏角度较小。最小主应力轴的走向为126.40°，倾伏角为0.40°，说明最大主张应力轴呈ESE向，R值的最优解为0.62及由图3c可以看出，该区域的张轴性质与压轴性质分辨明显，但与苏典断裂北段及中段相比，主压应力轴明显向北方向偏转，发生这种现象可能是与大盈江断裂形成的三角凹陷挤压有关。2011年3月10日第4组地震序列震源机制解的σ1轴走向最优解为15.00°，倾伏角为7.20°，反映出该区压应力轴呈NNE向分布，倾伏角相较前面几组，倾伏角度变化不大。σ3轴的走向最优解为-76.70°，倾伏角为13.50°，说明该区的最大主张应力轴呈NWW—NW走向。张轴与压轴出现明显的偏转，出现这种情况的可能原因是该区域不仅受到来自苏典断裂的挤压，同时也受到昔马—盘龙山断裂的垂向挤压。该区R值的最优解为0.38，说明该区的压轴的性质仍趋于中间轴性质。具体平面投影分布如图3d所示。

3 研究结论与分析

本次研究是在前人研究的基础上，通过相关的地震序列震源机制解对盈江地区进行了构造应力场反演。通过应力反演揭示了苏典断裂及大盈江断裂区域的地震动力学变化及级联触发作用，Vidale[16]曾归纳了3种震群活动的发震原理，即级联触发模型、断层慢滑模型、流体入侵模型。级联模型的发震机理与主震触发余震的机理相同。盈江地区6次地震序列的发生很可能就是这种模式的触发机理。Harris[17]认为地震断层位移产生永久性的“静态”应力变化可改变附近断层上地震发生的可能性。而本研究的结果很好的说明了这一点。通过对结果的分析，可得到如下结论：

图4 应力集中触发示意图Fig.4 Schematic diagram of stress concentration triggering

（1）盈江地区发生的大部分地震均为走滑型地震，2008年3月21日—2014年5月30日，该区域共发生了6次比较大的震群，震群的分布几乎都是沿着苏典断裂垂向分布，从地震发生的时间序列上来看，6次震群分别发生于2008年、2011年和2014年，时间间隔都为3年，说明该6次震群的发生可能存在密切的关系，空间位置分布如图5所示。为了更好的理解这种震群序列发生的过程，本文试图从应力变化模型的角度去解释这种结果。2008年3月21日的震群发生于苏典断裂南端及大盈江北端的区域，如图4中的A区所示，当该区应力能量释放后，由应力的相互作用关系可知，首先应力作用增大的区域就是受到腾冲块体挤压的B区，即苏典断裂的北端，因此，2008年8月21日震群发生于苏典断裂北段，当8月21日的震群能量释放后，由于应力的相互作用，B区应力的释放使苏典断裂的中部应力增大，如图4中的C区，由此发生相应的2008年9月3日的震群活动。当C区能量释放后，D区的应力作用被触发，由此发生的2011年3月10日的震群活动也验证了这一过程，当D区能量释放后，由于中部的应力作用没有释放完全，因此，相应的E区能量被释放。由此发生了2014年的双耦共轭地震震群。因而应力触发的模型很好的解释了6次震群之间的相互作用。由图1可以看出，前4次震群发生的时间序列M-t图也存在一定的同步性。这更进一步说明了6次震群活动存在一定的相互联系性。

图5 盈江地区2016年1月1日—2020年2月29日震级-时间序列关系图（M-t图）Fig.5 Magnitude-time series diagram of Yingjiang area from January 1，2016 to February 29，2020 （M-t diagram）

图6 2016 年 1 月 1 日—2020 年 2 月 29 日地震空间分布图Fig.6 Spatial distribution map of earthquakes from January 1，2016 to February 29，2020

（2）本次研究反演的结果显示，该区域总的主压应力轴方向为NNE—SSW向。与前人的研究结果大体一致[3,8-9,18-19]。但昔马—盘龙山断裂对局部地区的构造应力场具有明显的控制作用（图5），因而该区域可能会存在由其孕育出的地震。

（3）为了了解最新的地震活动性，本文还搜集到2016—2020年盈江地区共1 003个地震目录，并绘出了相应的M-t分布图（图4）及地震空间区域分布图（图6）。由图5可以看出，2016—2020年，地震活动性的强度是逐渐增大的，尤其是2020年前后，地震的最高震级甚至达到4级，高震级地震发生的概率增大。由图6可以看出，目前苏典断裂的活动性仍然很强，图中给出了沿苏典断裂区域的应力场分布方向（图中箭头方向）。由图中地震空间分布图可以看出，地震发生频率最高的区域位于昔马—盘龙山断裂北端及苏典断裂西端，而昔马—盘龙山到大盈江区域之间的地震活动性却不是很明显，因而该区域有可能处于应力闭锁状态进而发生更大的地震，因此，对该地区加强防范至关重要。

致谢

哈佛大学GCMT（全球矩心矩张量解）（http://www.globalcmt.org/）为本文提供了相关的震源机制解数据，国家地震科学数据中心（National Earthquake Data Center）为本文提供了相关的地震目录数据，在此一并表示感谢。