应用综合震源机制解法对辽宁及邻区现今构造应力场的初步分析

戴盈磊,万永革,梁永朵,王承伟,惠 杨

(1.辽宁省地震局,辽宁 沈阳 110031;2.防灾科技学院,河北 三河 065201;3.东华理工大学,江西 南昌 330013)

0 引言

构造应力场是导致构造体系形成和运动的地应力分布状态,在解释板块运动、地震成因、造山带演化等地壳或岩石圈内部构造现象方面具有重要的科学意义,是地球动力学、地震学,地质学等相关领域的一项重要研究内容。

辽宁及附近相邻地区位于中国东北地区南部,总体呈NE走向的华北断块区,构造背景较复杂。近30年来,这一地区的构造应力场研究逐渐受到学者们的关注。姚立珣等[1]利用中强地震震源机制资料和区域小震平均解,给出了东北地区地壳应力场的分布。由于资料有限,研究范围较大,导致所得结果并不十分精确。张先泽等[2]根据地震资料、地应力测量数据、有限元数值模拟计算结果,对辽宁地区构造应力场进行了研究。使用资料主要集中在下辽河盆地地区,故而所得结论的有效覆盖范围较小。李平等[3]对辽宁及周边地区的构造应力场进行了有限元三维数值模拟并探讨其基本特征。张萍等[4-5]在对收集和计算得到的震源机制解进行统计分析的基础上,研究了沈阳周边和辽宁地区的构造应力场特征。然而辽宁及邻区的地震活动具有明显的空间分布不均匀性,而直接依靠统计震源机制的P、T轴来估计应力主轴方向的前提是,样本数量足够大,且空间分布均匀。因此,上述依靠统计分析少数震源机制P、T轴分布情况来对辽宁及邻区构造应力场进行的研究具有一定程度的局限性。

随着辽宁测震台网的数字化和不断完善,数年间,积累了丰富的地震观测数据,为从P波初动极性数据入手研究辽宁及邻近地区的精细构造应力场提供了有利条件。本次研究我们使用2008年12月至2018年5月辽宁测震台网记录到的大量天然地震P波初动极性数据,充分考虑不同震中距数据的权重,进行反演计算。首次给出并分析辽宁及周边地区的精细构造应力场。所得结果对今后研究本区的地震孕育及其动力学过程,地震危险性分析,具有一定的参考意义。

1 辽宁及邻区地质构造环境

本研究区域主要包括辽宁、吉林、内蒙古,河北的部分地区,以及渤海北部和黄海部分地区(118°42′～25°54′E,38°36′～43°36′N)。该地区位于我国华北北部,其中郯庐断裂带北段贯穿研究区南部,在历史上曾有多次强震发生,是我国地震重点监防区之一[6]。根据辽宁省地质矿产局[7]的调查结果,研究区主要包含2个一级构造单元,7个二级构造单元和若干个三级构造单元(表1、图1),总体形态呈NE走向的条块状。

表1 研究区主要地质构造分区Table 1 Main geological structure zoning in the study area

图1 研究区主要地质构造分区Fig.1 Main geological structure zoning in the study area

2 研究方法

使用万永革等[8]提出的有效利用大量不能单独确定震源机制的小震P波初动极性数据来约束区域构造应力场的方法。在对研究区进行精细网格划分的同时,充分考虑不同震中距P波极性数据的权重,使计算结果具有较高的精细程度和可靠性。该方法又可称为“综合震源机制解法”,被许多学者在研究工作中使用[9-11]。

结合辽宁及邻区的实际范围和预期研究精度,我们把整个研究区划分成0.25°×0.25°的网格,选取每个网格点周围台站观测到的地震P波初动极性数据计算该网格点的应力场,进而得到整个辽宁及邻区的构造应力场。因每个地震到网格点的震中距不同,会导致对计算网格应力场的约束程度不同。为此,我们对P波初动极性数据按照震中距的差异赋予相应的权重。不同地震数据的权重记为W,参考Shen等[12]通过大地测量数据求解应变的方法计算:

W=e-r2/D2

(1)

式中:W为数据权重;D为距离衰减常数;r为折合距离按式(2)计算[12]。D的取值会对数据权重造成直接影响。我们权衡考虑以下两个方面:(1)对各网格点的应力场计算给予适当的平滑;(2)当某些网格点周围地震观测数据较少时,借助附近网格点的数据对该点的计算施加约束,以便合理地给出整个研究区域的构造应力场。故而,将D取值为50 km。

(2)

式中:x0、y0、z0,分别为网格点的经度、纬度和深度;x、y、z分别为地震的经度、纬度和深度。

3 数据资料

辽宁测震台网由众多数字测震台站组成,且比较均匀地分布于全省境内,平均台间距70 km[13]。本次研究我们使用从辽宁测震台网及邻省接入的数据共享台站2008年11月24日至2018年5月20日的正式观测报告中提取并筛选,6 245个天然地震的28 698个P波初动极性数据来进行计算。用到的观测台站,地震和研究区内主要断裂分布情况如图2所示。

F1.伊林哈别尔尕—西拉木伦断裂;F2.赤峰—开原断裂;F3.张家口—北票断裂;F4.普兰店断裂;F5.北黄海中部凹陷北侧断裂;F6.嫩江—青龙河断裂;F7.中三家子断裂;F8.青龙—滦县断裂;F9.朝阳—北票断裂;F10.医巫闾山西侧断裂;F11.石山—杏山断裂;F12.松辽盆地东缘断裂;F13.依兰—伊通断裂;F14.敦化—密山断裂;F15.三源浦—样子哨断裂;F16.浑江—湾沟断裂;F17.鸭绿江断裂(西支);F18.鸭绿江断裂(东支);F19.清川江断裂;F20.安西断裂;F21.台安断裂;F22.大洼断裂;F23.营潍断裂辽东湾段(西支);F24.辽中断裂;F25.二界沟断裂;F26.营口—佟二堡断裂;F27.营潍断裂辽东湾段(东支);F28.太子河断裂;F29.金州断裂;F30.大和尚山山前断裂;F31.塔子岭—翁泉沟断裂;F32.析木城—胡家岭断裂;F33.皮口断裂;F34.浑河断裂;F35.庄河断裂;F36.鸡冠山—青堆子断裂;F37.赫家堡子—辛家窑断裂;F38.石城子—马道岭断裂;F39.毛甸子断裂;F40.太平哨断裂;F41.中十凹西北侧断裂;F42.烟筒山—黑石断裂;F43.伊通—辉南断裂;F44.辽源—东丰断裂;F45.柳河断裂;F46.海城河断裂;F47.南江断裂;F48.昌城—云山断裂;F49.扎鲁特旗断裂;F50.碧流河断裂;F51.女儿河断裂图2 地震震中、台站及断裂分布图Fig.2 The distribution of earthquake epicenters,stations,and faults

我们对使用的观测数据进行了统计,具体情况见表2所列和图3所示。从统计结果可以明显看出3级以下地震占到94%以上,而这些小震的震源机制解是很难准确得到的,同时为了充分利用好这些观测资料,我们选择使用研究区大量小震P波极性数据来求取辽宁及邻近地区的构造应力场,这样做是非常具有优势的。

图3 地震分布柱状图Fig.3 The histogram of earthquake distribution

表2 地震震级分布统计表(2008-11-24—2018-05-20,ML>0)Table 2 Statistical table of earthquake magnitude distribution (2008-11-24—2018-05-20,ML>0)

4 权重的确定和速度模型的选取

经过对原始数据的整理,发现所用观测资料的平均震源深度为6.91 km。因此,把网格点深度,即式(2)中z0取6.91 km,也就是说最后得到的是平均地下6.91 km处的构造应力场结果。由式(1)和式(2)可知,当与离网格点折合距离为41.65 km时,所用地震的P波初动极性数据权重是49.96%;折合距离为75.8 km时,数据的权重是10.04%,而当折合距离为100 km时,数据的权重仅有1.83%。因此,我们只考虑距每个网格点折合距离小于100 km的数据。为了保证构造应力场反演的质量,我们只选择研究区内P波初动极性数据≥100的网格点进行计算。

因为希望得到研究区内与所用地震初至P波极性数据形成最佳拟合效果的综合震源机制解,并对它们的P、T轴分布方位特征做进一步探讨。我们采用1°×1°×1°的网格,对P、B、T轴方位进行搜索,每一次搜索在考虑权重的同时给出综合震源机制模型的矛盾比(与模型不相符的P波初动极性符号数和总符号数之比),选取矛盾比最小的结果,其P、B、T轴方位即代表该网格点的主应力方位。当所用的P波初动极性数据足够多,并具有良好的方位覆盖及离源角约束时,就可以得到比较理想的综合震源机制解。

为使最终结果更加可靠,在确定P波初动极性数据的离源角时,我们考虑辽宁及周边不同地区的地壳介质构造特点,在查阅相关资料并进行试错对比的基础上,分别选用不同的速度模型进行计算。其中,辽宁大部分地区使用卢造勋等[14]提出的速度模型;吉林西南部地区使用吴微微等[15]提到的模型B;内蒙古东部地区使用赵艳红等[16]提出的速度模型;河北东部地区使用王夫运等[17]所提出的速度模型(表3)。

表3 各分区地壳速度模型Table 3 The crustal velocity model of each region

5 应力场计算结果及分析

应用上文所述的数据和方法,我们对研究区进行空间扫描,得到了整个辽宁及邻区内各网格点的最优综合震源机制解结果。每个网格点的P波初动极性数据个数、矛盾比、P、T轴空间分布情况如图4、图5(图中编号所对应的断裂名称与图2相同)所示。为保证结果具有较高的可靠性,我们只保留了加权后网格内P波初动极性数据≥100的计算结果。同时,为有效避免因网格点地震数量较少,致使计算过度依赖附近其他网格点数据约束的情况发生,我们从结果中剔除了平均权重小于0.2的网格点。

(Ⅰ吉黑褶皱系;Ⅰ1 张广才岭优地槽褶皱带;Ⅰ2 松辽坳陷;Ⅱ 中朝准地台;Ⅱ1 内蒙地轴;Ⅱ2 燕山台褶带;Ⅱ3 华北断坳;Ⅱ4 胶辽台隆;Ⅱ5 北黄海断坳)图4 P轴方位和矛盾比分布图Fig.4 The distribution of the azimuth of P axis and the contradictory ratio

反演共得到了535个网格点的应力场,每个网格点最优解个数不超过2个,最大矛盾比0.416 3。从整体上看,所得结果覆盖了研究区的绝大部分区域,包括辽宁全省和部分周边邻省地区。从图5可以看出,所得结果的矛盾比主要集中在0.2～0.4之间,其中,辽宁中北部、东南部和辽东半岛地区矛盾比相对较高,与这些地区处在地质构造单元分区边界或断裂交汇处等因素有关,也在一定程度上体现出其构造背景的复杂性。根据图5所示,各网格点P波初动极性数据都很充足,为反演结果的质量提供了保证。结合研究区地震活动性特点,辽宁东南部地震活动较周边地区更加频繁,P波初动极性数据也明显相对多出1～2个数量级。

(Ⅰ吉黑褶皱系;Ⅰ1 张广才岭优地槽褶皱带;Ⅰ2 松辽坳陷;Ⅱ 中朝准地台;Ⅱ1 内蒙地轴;Ⅱ2 燕山台褶带;Ⅱ3 华北断坳;Ⅱ4 胶辽台隆;Ⅱ5 北黄海断坳)图5 T轴方位和各网格点P波极性数据数分布图Fig.5 The distribution of the azimuth of T axis and the number of P wave polarity data used in each grid

我们参考Zoback[18]对震源机制解进行分类的原则。把所得每个网格点的综合震源机制解分成6类,以便研究其应力状态与活动断裂和地质构造的关系,具体分类情况见表4所列,其在研究区内的空间分布情况如图6所示。

图6 综合震源机制解空间分布图Fig 6 Spatial distribution of composite focal mechanism

表4 震源机制解类型划分Table 4 Classification of focal mechanism solutions

根据反演得到的P轴方位、T轴方位,结合研究区大地构造分区,断裂分布以及综合震源机制解的分类和分布情况,我们对P波极性数据所揭示的辽宁及邻区构造应力场计算结果,按照从北向南、自西向东的顺序进行分析。

5.1 吉黑褶皱系应力场计算结果分析

吉黑褶皱系向南以赤峰—开原断裂为界与中朝准地台相邻。包含松辽坳陷和张广才岭优地槽褶皱带2个二级大地构造单元。松辽坳陷是一个范围广泛的盆地,研究区仅包括了其南部边缘地区。从图4、图5,可以看出该构造单元内绝大多数网格点P轴方位为NNE向,倾伏角较小;T轴方位以NNW向和近NS向为主,倾伏角相比P轴略小,体现出拉张的应力状态。这与松辽坳陷处在上地壳软流圈上隆地带有关,上地壳软流圈上隆,地壳被拉张减薄以及软流圈活动减弱基底下沉形成松辽盆地[19],T轴走向与断陷盆地边缘垂直。松辽坳陷内的综合震源机制解节面走向与北部的依林哈别尔尕—西拉木伦断裂,西部的嫩江—青龙河断裂走向十分接近,但几乎都是无法确定型,一方面说明所用的震源机制分类方法区分度有限;另一方面说明这里地处吉黑褶皱系与南部的中朝准地台、西部的内蒙—大兴安岭地槽褶皱系3个一级大地构造单元的交界地带,实际的构造应力场情况比较复杂。

张广才岭优地槽褶皱带内断裂构造发育,NNE向断裂在西侧呈带发育。由图4、图5可知,P轴走向呈无规律性,倾伏角较小;T轴方位主要为NNW向,T轴倾伏角小于P轴倾伏角,接近于水平,体现了拉张的应力状态。这与依兰—伊通断裂拉张式盆地发育一致。综合震源机制解主要为正断型,其性质及节面走向与主要断裂性质和走向相吻合[20]。此外,在依兰—伊通断裂东西两侧,P、T轴走向,综合震源机制解类型明显不同,这也很好地反映出在2个二级大地构造单元分区交界处的局部构造应力场特征。

5.2 中朝准地台应力场计算结果分析

本次研究的大部分地区都位于中朝准地台东北部,包括:内蒙地轴、燕山台皱带、华北断坳、胶辽台隆、北黄海断坳等5个二级大地构造单元。内蒙地轴为一个近EW向的轴状长期隆起地带,以缓慢上升运动为主,呈近NEE—NW向长椭圆形穹窿状展布。由图4和图5可知,P轴走向主要为NNE—NEE向,倾伏角较小;T轴走向相对复杂一些,局部倾伏角略大于P轴,体现出内蒙地轴北缘在一定程度上受到来自松辽盆地扩张的挤压。综合震源机制节面与主要断裂走向比较接近。在构造分区邻界处有无法确定型、正断型,还有零星逆断型和逆走滑型,表现出中三家子断裂和张家口—北票断裂(凌源—北票段)的挤压逆断层性质[21],反映了因为内蒙地轴长期持续上升[22],这里正好处在升降运动的过渡地带,构造应力场比较复杂。

燕山台褶带向西延入河北境内,仅有东面的一部分位于辽宁西部地区。覆盖层大部分褶皱,主要断裂呈现NE、NNE向发育的特点。从图4,图5的应力场计算结果来看,P轴走向以NNE、NE向为主,倾伏角较小;T轴走向以近NS向为主,倾伏角接近水平。综合震源机制类型以正断型为主,局部有无法确定型和正走滑型,节面走向与主要控制断裂走向大体一致。

NE向的断裂及断块运动控制着华北断坳内部的差异及发展,在辽宁境内仅包含下辽河断陷1个三级构造单元。下辽河断陷位于辽河中、下游地区,属于大陆裂谷型断陷盆地,郯庐断裂带北段在断陷盆地内展布。由图4、图5可见,在华北断坳内。P轴走向从西到东由NNE过渡到NEE向,在渤海海域局部有NW向和近EW向分布这与陈晓利等[23]的研究结果一致,且倾伏角较小;T轴走向以NNW向为主,在辽东湾西南部渤海海域内有零星NW西和NE向分布,倾伏角接近水平。T轴倾伏角小于P轴倾伏角,体现出渤海湾—下辽河盆地是上地幔软流层上隆形成[19],且处于拉张的应力状态,这与许才军等[24]通过GPS数据反演应变率揭示出郯庐断裂带渤海段以拉张为主的结果相吻合。华北断坳P、T轴空间分布特征与之前一些学者的研究结果较为一致[4,25-28]。我们发现在辽东湾西部P轴走向呈NNW向,与其余NE走向的P轴分界处正是一条从辽东半岛的普兰店横跨辽东湾至辽西绥中一带的NW向地球物理异常带,它将渤海和辽东湾分为南、北两大部分,两部分的构造活动特征存在明显差异[29]。图6中,华北断坳综合震源机制以正断型,正走滑型和走滑型为主,辽东湾南部渤海海域有无法确定型,反映出这里是一个深部构造的转折地带[30],也是地壳应变面膨胀变化率正、负值过渡带[31]构造应力场复杂。此外,综合震源机制解节面走向与主要断裂走向较为一致,综合震源机制解较好地体现了郯庐断裂带北段在下辽河—辽东湾北部的张扭性正断层性质[21]。

胶辽台隆的北部处在辽宁省境内,NNE、NW和近NS走向的断裂活动比较强烈,破坏性地震多发生在这些构造的交汇部位。NE—NNE向断裂属于继承性断裂,规模大、延伸连续性好、切割深,对区域地质构造格局及其演化具有控制作用;NW向断裂多属于新生破裂,规模小、多呈平行状或雁行状、断续展布、切割浅,其规模通常同与其交汇的NE—NNE向断裂有一定的相关性[32]。其中,NE—NNE向断裂为右旋走滑,NW向断裂为左旋走滑。金州断裂、海城河断裂、鸭绿江断裂是胶辽台隆内危险性最高的地震构造。在图4和图5中、P轴走向以NE—NEE向为主,倾伏角很小;T轴走向以NNW向为主,在胶辽台隆东部呈近NS走向,在丹东市以东地区T轴走向不规律,推断是因为国境线处,反演结果受到观测台站的方位约束较弱所致。相比而言,所得胶辽台隆T轴倾伏角更小,体现出胶辽台隆长期持续上升[22]处于拉张的应力状态。辽东半岛地区具有很强的地震活动性,因此,在金州断裂和海城河断裂交汇处附近,是整个研究区P波初动极性数据量最大、矛盾比相对较高的地区。胶辽台隆的应力场计算结果与之前学者们的研究成果比较接近[1,4-5,25-27]。由图6可知,综合震源机制解类型以正断型和正走滑型为主,体现出金州断裂、太子河断裂、鸭绿江断裂等主要控制构造的正断层性质[21]。在胶辽台隆东端有无法确定型分布,此处离国境线较近,受观测台站的方位约束较弱。所得综合震源机制解节面走向与主要断裂走向拟合较好。

6 结论与讨论

根据2008年11月24日至2018年5月20日辽宁及邻区内6 245个天然地震的28 698个P波初动极性数据,计算得到辽宁及附近相邻地区0.25°×0.25°的精细构造应力场结果。反演得到的P轴方位以NE、NEE向为主,T轴方位以NW、NNW向为主,局部有近NS向分布,与太龄雪等[33]对辽宁地区剪切波分裂特征的研究结果比较接近,T轴倾伏角整体上小于P轴倾伏角且接近水平,反映出研究区整体上处在拉张的应力状态。从地球动力学背景来看,辽宁及邻区地理上位于中国东北地区南部,亚欧板块东部,长期受太平洋板块NWW向的俯冲影响,这里形成了一系列NE—NNE向的隆起和坳陷并有地震的发生,同时上地幔软流圈物质上隆使浅部地壳呈现NW—NNW向的扩张分量。

本次研究,我们直接使用了从辽宁台网正式观测报告中提取的最近10年内定位误差为1类,2类和3类的天然地震P波初动极性资料,没有对其做进一步的精确定位处理。这是考虑到如果重新定位,有一些不足4个台站记录的地震事件就会被剔除掉,以致计算时所用的P波初动极性数据大量减少,反倒削弱了该研究方法可充分利用大量不能单独确定震源机制解小震资料的这一优势。所得结果反映的是这10年间辽宁及邻区构造应力场的平均状态,并未对1975年海城7.3级地震前后的构造应力场情况进行对比和分析。但我们给出的胶辽台隆对应海城震区的计算结果与邓起东等[34]通过震后水平形变计算得到的应力场具有很高的一致性。2011年3月11日,日本本州岛以东海域发生MW9.0特大地震,但这对本文的求解和研究难免不会造成影响。谭成轩等[35]对关键构造部位进行原位绝对应力测量和GPS测量的结果显示,这次地震对我国东北地区的张性效应调整周期为26个月,且东北地区震后调整期结束的主压应力优势方位为NEE向。这与我们的研究结果相同。丰成君等[36]的研究认为,日本9.0级地震未改变我国东北地区区域现今构造应力场分布特征。以上两点在很大程度上可以证明,本文给出的精细结果反映的是辽宁及邻区现今构造应力场的固有特征。

本文的结果也与之前一些学者的研究成果比较一致[1,4-5,25-28],只在局部略有不同。这是因为,与之前学者们[1-2,4-5]针对辽宁或部分地区的构造应力场研究相比,我们使用的数据量更大、研究单位尺度更小、在计算过程中充分考虑了不同震中距数据的权重,更能揭示局部和重点地区的地质构造背景。全部535个综合震源机制解中,无法确定型数量高于总数的一半,它们大多分布在地震活动性较弱地区或大地构造分区的交界部位。前者在反演计算时可能受到周边网格点数据的平滑和约束;后者在一定程度上体现出在这些升降运动的过渡地带,构造应力场的不均匀性和复杂性。综合震源机制解的节面走向与研究区内断裂走向比较吻合,很好地呈现出主要构造的活动性质。

综上所述,本研究首次给出覆盖辽宁及相邻地区的精细构造应力场结果,对于研究辽宁地区的地质构造活动、地震孕育过程等工作,提供了参考。

本文图件采用GMT软件绘制,P波初动极性数据来自辽宁省地震台正式观测报告,断层数据来自辽宁省地震应急服务中心地震应急基础数据库,在此一并表示衷心感谢。