基于MSATSI 的辽宁地区构造应力场特征

戴盈磊，张文静，王承伟，惠 杨

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地壳应力场是导致构造运动和构造体系形成的地应力分布状态。可有效解释板块运动、地震成因、造山带演化、断裂活动等地壳或岩石圈内部现象。目前获取构造应力场的途径主要有三种：原地应力测量、地质断层滑动擦痕数据，震源机制资料。前者可直接得到绝对应力量值，但测量深度和研究尺度有限；因时间流逝，受近地表各种复杂条件的影响，很难精确地量取断层滑动擦痕并确定其形成的地质年代；我国测震台网的数字化早已完成，高质量数据在不断积累，这使得震源机制资料成为研究区域构造应力场的主要手段。

辽宁位于中国东北地区南部，构造背景上处在总体走向呈北东向的华北断块北部，中国东部巨型断裂构造带郯庐断裂带北延带贯穿全省，是中强地震较为活跃的地区。自上世纪90年代以来，学者们对该地区的构造应力场进行了大量的研究工作[1-6]。主要采用的是原地应力测量、有限元数值模拟，和对已有震源机制解资料的P、T 轴走向、倾伏角进行统计，从而归纳出整个辽宁地区的构造应力场特征。震源机制解与构造应力场有着密切的联系，但给出震源机制解并不等于就得到了构造应力场。本次研究，拟使用应力场反演软件包MSATSI 和1971—2020 年辽宁及周边319 个震源机制解资料，采用1°×1°的网格划分，反演辽宁地区构造应力场的空间分布特征，并结合得到的应力形因子对结果进行解释。

1 数据资料

本文选取了辽宁和周边地区（118°～126°E，38°～44°N） 1971—2020 年的震源机制解资料。其中，1971 年1 月至2007 年9 月的数据从国家地震科学数据共享中心（http://data.eart hquake.cn/） 下载。因为年代较早，这部分资料并未给出各节面的滑动角。我们使用pt2ds程序[7]（采用震源机制的PT 轴的走向和倾伏角求解震源机制的其他表示形式） 求取了每个震源机制的滑动角，同时检验并剔除了2 个节面互不垂直的震源机制数据。2008 年1 月至2015年11月辽宁省内ML≥3.0 的震源机制解数据使用王岩等[8]给出的结果。2010 年 1 月至 2014 年6月研究区内2.5≤ML＜3.0 的震源机制资料来自林向东等[9]给出的结果。2016 年至2017 年辽宁地区3 次MW≥3.5 的震源机制解使用苏培臻等[10]使用CAP 方法反演得到的结果。其余2016 至2020年辽宁ML≥3.0 地震的震源机制解使用许忠淮等[11]提出的格点尝试法求取，结果如表1 所示。为保证结果的可靠性，计算每个震源机制使用的P 波初动极性符号要满足15 个及以上，且方位分布均匀，结果的矛盾比均小于0.2。

表1 使用格点尝试法得到的2016—2020 年辽宁ML3.0 及以上地震震源机制解

续表

上述震源机制解数据共计319 个，参照世界应力图[12]的划分标准（表2），对它们进行分类。各类型震源机制和辽宁及周边地区主要控制断裂的分布情况如图1-2 所示。

表2 震源机制分类依据

图1 辽宁及邻区各类型震源机制分布Fig.1 The distribution of various focal mechanisms in Liaoning and its adjacent areas

据统计，正断型和正断兼走滑型震源机制67 个，占全部数据的21.00%；走滑型震源机制144 个，占全部数据的45.14%；逆断型和逆断兼走滑型震源机制51 个，占全部数据的15.99%；不确定型（过渡型） 震源机制57 个，占全部数据的17.87%。由此可断定辽宁地区主要活动断裂以正断层和走滑断层为主[13]。

图2 辽宁及周边地区主要断裂分布Fig.2 Distribution of faults in Liaoning and its surrounding areas

2 应力场反演

本次研究使用 Martínez-Garzón 等[14]根据Hardebeck 和Michael[15]提出的区域尺度应力场反演方法SATSI（Spatial And Temporal Stress Inversion） 在 MATLAB 环境下开发的 MSATSI程序进行反演计算。SATSI 方法依照应力张量在震源机制解节面上的剪应力与断层的滑动方向最为一致的原则进行反演。在计算过程中加入一个合适的阻尼参数使相邻区域的应力张量变化最小。这样可以消除因人为划分反演区域而造成的应力偏转假象，以便更好地呈现应力场的整体特征。故而选取最优的阻尼参数至关重要，在反演过程中它可更好地控制观测值与理论值误差项和模型长度项的相对权重。图3为模型长度和数据拟合残差之间的折中曲线，其拐点出现在0.9，所以取最佳阻尼参数e=0.9。

图3 模型长度和数据拟合残差的折中曲线Fig.3 Trade-off curve between model length and data fitting misfit

本次研究以1°×1°的网格将辽宁及周边地区 （118°～126°E，38°～44°N） 划分为 48 个应力单元。为了使尽可能多的网格得到应力场反演结果，我们将每个网格最少存在的震源机制解数目参数设置为1。由于反演目标函数的求解至少需要4 个震源机制数据，对于数据较少的网格点MSATSI 程序采用的阻尼最小二乘反演会进行平滑处理，即利用邻近网格点及其周边一定范围内的震源机制解数据进行应力张量平滑约束。因为是随机选取一个节面进行反演计算，所以重采样的迭代次数对于解的不确定性评价比较重要。重采样次数太少，会使评估结果的统计意义降低，重采样次数过多，会导致计算量增大。于是，我们在95%的置信度水平下，对全部数据进行2000 次抽样估计。

经过计算可得到最优状态下3 个应力主轴方向及应力形因子R[16]：

其中，σ1、σ2、σ3分别表示最大、中间，和最小主压应力；R 是应力形因子，用来表征相对应力大小。其意义是：当R 值接近于1.0时，最小主压应力 （σ）3与中间主应力（σ）2表现为一致的张应力状态，即中间主应力也呈现出拉张成分，处于双轴拉张的应力状态，两轴无法区分；当R 值接近0.5 时，最大主压应力轴和最小主压应力轴均确定；当R 值接近于0 时，表示主压应力（σ）1，与中间主应力（σ）2表现出一致的压应力状态，处于双轴压缩状态，两轴无法区分[17]。

采用上述的反演方法和所设定的参数，以及震源机制解资料，进行应力场反演，共得到29 个网格的应力场最优方向和不确定范围如图4、表3 所示。可以明显看到整个辽宁地区最大主压应力轴（σ）1的最优解集中分布在N（64°～106°） E，以NEE 向为主，在与邻省交界的局部有EW 向分布。中间应力轴（σ）2的不确定范围较大，倾伏角较陡。最小主压应力轴（σ）3的最优解在辽西地区和辽宁东北部地区呈现近NS 向分布，在省内其他地区以NNW 向为主。有21 个网格的应力形因子R 大于0.5，占全部所得结果的72.41%。说明辽宁地区整体上处于拉张的应力状态。除去与邻省交界的网格，14号网格的R 值最小，为0.21，该网格处在2 个二级地质构造分区[18]的过渡地带，局部构造应力场比较复杂，不均匀性明显，此处反演得到的是一个平均结果[19]。反演结果中有21 个网格的应力场类型是走滑型，亦占到整体的72.41%，这与万波等[20]辽宁地区NE—NNE 向断层为右旋走滑，NW 向断层为左旋走滑，几乎所有地震都是以走滑型断层作为发震构造的论断相一致。有5 个逆断型网格，3 个在辽宁省内。其中9号网格、体现出朝阳—北票断裂中段和北段为逆断层的活动性质[13]。21、22 号网格的逆断型应力场反演结果与对应位置的庄河断裂、红旗营子断裂，鸡冠山—青堆子断裂的正断层性质[13]并不一致。1999 年岫岩MS5.4 级地震就发生在17 与22 号网格邻界部位。王凤琴和王久明[21]在研究这一区域的地质构造和地震活动性时认为在岫岩满族自治县的其他区域有控制中、小地震活动的其他断裂发育，且分布零散，与已有断裂的关系并不明显。从图1 中也可看到21、22 号网格对应位置有逆断型和过渡型震源机制分布。经分析，我们认为在辽宁东南部地区局部可能有隐伏逆断层展布。16 号和25 号2 个网格的应力场属于过渡型，它们邻近海陆交界和省界边缘，正是构造变化明显和受观测台站分布不均匀限制所导致。

表3 1°×1°网格划分反演得到的应力场参数

图4 应力场反演结果Fig.4 Results of stress field inversion

3 结论

为了对结果进行更好的约束，本次研究根据搜集整理和求取到的1971—2020 年辽宁及周边地区共319 个震源机制解资料，使用MSATSI 程序反演得到辽宁地区 1°×1°精细程度的构造应力场分布特征。其中，最大主压应力轴（σ1） 的最优解优势分布以NEE 向为主，最小主压应力轴（σ3） 的最优解优势分布以NNW向为主。辽宁地区的构造应力场主要呈现出走滑特点，局部有逆断型分布，且整体上处在拉张的应力状态。这与之前一些学者使用剪切波分裂、有限元数值模拟等方法的研究结果较为一致[22-25]。从区域地质构造背景上看，辽宁位于中国东北地区南部、亚欧板块东部、西太平洋板块通过日本海沟对其形成NWW 向的高速俯冲是促使一系列NE—NNE 向隆起和坳陷形成及地震发生的主要动力来源，并导致上地幔软流圈物质上涌[26]，使浅部地壳呈现NW—NNW 向的拉张分量。本文采用的应力场反演方法非常适合辽宁地区地震活动空间分布明显不均匀的特点，也证明使用中小地震的震源机制进行构造应力场反演的可行性，同时对结果的解释和分析可以为今后辽宁地区的构造活动研究等工作提供参考。

致谢：本文图件采用GMT 软件绘制，求取震源机制用到的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。