基于震源机制分析中国东北地区现今构造动力学背景

冯兵 胡亚轩 柴旭超 李杨 靳源 刘伟 宋亮 王闯 王文青

[摘要]  通过收集1957—2022年以来日本东北至中国东北地区的不同深度的地震震源机制解，采用联合迭代应力反演的方法，计算俯冲带构造应力场及中国东北地区构造应力场状态。研究结果显示：日本海沟浅部区域不仅受到太平洋板块的俯冲挤压，也与北美板块的推挤作用有关；中国东北区域的深源地震与海沟俯冲带的长期作用存在密切的联系。长白山火山区的形成与俯冲带的逆冲存在巨大的联系，俯冲带的地震活动间接控制着东北亚火山区的形成与活动。辽宁营口地区主压应力轴分布于NEE-SWW方向，主张应力轴分布于NNW-SSE方向。结合火山区及周边浅源地震震源机制的结果，认为东北火山区现今构造应力场延续了东北区域应力的整体结构，主压应力轴呈NEE-SWW向，主张应力轴呈NNW-SSE向。

[关键词] 震源机制解; 长白山火山区; 板块俯冲; 构造应力场; 动力学

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-058

0  引言

太平洋板块以北西方向俯冲至日本岛下，引发了日本海沟许多7级以上板内地震的发生。板块以30°左右的倾角，约80～90 mm/a的速度向欧亚板块俯冲^[1]，从东到西依次经日本岛弧东部海域—日本列岛—日本海—长白山—松辽盆地，以一个复杂的海沟—岛弧—弧后系统作用于中国大陆东北部（图1）。自晚中生代以来太平洋板块不断地向西俯冲，中国东北地区岩石圈经历过多次挤压和拉张的演化过程，引发了不同时期的地震及火山活动，生成了一系列裂谷带、盆地、火山带等。中国东北地区新构造变形及板内运动明显地受到地幔上隆/火山活动与裂谷盆地扩张等弧后活动的强烈影响。现今板块运动的构造决定了区域应力场的变化及地震发生的时空分布特征，也对火山活动产生了影响。而板块俯冲方向、速度和角度也随着时间发生了较大的变化，俯冲带倾角的大小影响着俯冲带速度的大小^[1]。太平洋板块俯冲延伸至中国东北长白山区域附近650～700 km的深度，形成了一系列的俯冲带深震群，俯冲带控制着中国东北地区的深源强震^[2-3]。中国东北深震与板块的俯冲、火山活动、浅震的发生等有着密不可分的关系。对1999年以来火山观测站记录到的火山地震活动研究发现，在西北太平洋5.0级以上中深源地震发生前后，均有火山地震活动发生变化^[4]。2011年日本3 · 11（M9.0）大震后中国东北松辽盆地和大兴安岭地区发生多次地震^[5-7]。

图中日本地區震源分布来源于NIED（2022年1月—2023年2月）及部分搜集到的东北亚深源地震目录（ISC）

Source distribution in Japan in the figure is from NIED （2022-01—2023-02） and part of the deep-source earthquake catalog collected in Northeast Asia

对中国东北深震震源机制及应力状态等的深入研究具有重要的地球动力学机制探讨意义。具体而言，通过地震震源机制解可求取不同区域应力场变化时空特征，而科学地认识日本海沟俯冲带的应力场变化及中国板块应力转换的过程，探讨海沟俯冲带的具体分布情况，同时分析日本海沟俯冲带与中国东北的贝尼奥夫带（Benioff）地下构造的相互作用，更宏观地认识板块运动特征与应力状态。本文通过收集1957—2022年以来日本东北至中国东北地区的不同深度的地震震源机制解，采用联合迭代应力反演方法，计算俯冲带构造应力场及中国东北地区应力场时空变化特征。通过区域应力分布及其变化、区域地震活动的可能孕震环境与发震机理、地震可能造成的应力迁移，以及震源破裂的物理机制等的分析研究，认识中国东北地区地震、火山活动与板块俯冲的关系，火山活动与深震的关系等。

1  数据与方法

1.1  震源机制解数据

本研究所用震源数据来源于多个研究成果及机构^[5-7]。其中深震目录时间介于1957—2022年，共搜集到震源深度大于150 km的震源机制解127个，研究将这127个深震震源机制按100～350 km、350～500 km、500～700 km的深度划分为3个区，分区反演了各区的构造应力场（图2）。浅震目录有2个：一个是东北地区地震震源机制解目录，时间介于2008—2021年，共计66个；同时为了更好的对研究区域进行分析，本文搜集到辽宁地区含京津冀周边地区震源机制解402个。

红点代表σ₁（最大主压应力轴）散点分布，绿点代表σ₂（中间主应力轴）散点分布，蓝点代表σ₃（最小主张应力轴）散点分布

The red dot represents theσ₁（maximum principal compressive stress axis） scatter， the green represents theσ₂（middle principal stress axis） scatter， and the blue represents theσ₃（minimum principal stress axis） scatter

1.2  研究方法

本研究采用联合迭代应力反演计算区域应力场。该方法是在Michael方法^[8-9]的基础上，引入断层的不稳定性约束条件，它的主要过程是通过迭代的方式进行应力场计算，这种迭代的过程能提高断层的识别能力。该方法已被Vavry?uk^[10]成功应用于克里特岛和捷克共和国的波西米亚地区进行研究。联合迭代应力反演的过程主要有3点： ① 采用Michael方法，在不考虑约束条件和断层面取向的信息下，反演得到主应力轴和应力形因子R； ② 用反演得到的主应力轴和应力形因子R确定所有震源机制解节面的不稳定性，然后找到最不稳定的节面即判定其为发震断层面； ③ 将第一次迭代过程中的发震断层面用在第二次迭代的Michael方法中，持续这种迭代通过3～4次就可收敛，从而可反演得到较为准确的应力场结果^[11-12]。

2  结果与分析

分析应力场结果（表1，图2和图3）可看出，最大主压应力轴整体呈现NWW-SEE向，与板块俯冲的方向基本一致，但走向仍然出现了轻微的改变，从反演结果可看出，σ₁（最大主压应力轴）走向随深度的增大出现了由NWW-SEE向西偏转再恢复的结果。出现这种情况可能与日本海沟浅部区域不仅受到太平洋板块的俯冲挤压，也受到北美板块的推挤有关，在100～350 km与350～500 km的俯冲变化中，应力轴受到太平洋板块与北美板块的俯冲与推挤，从而迫使σ₁走向出现向西偏转。但到了500～700 km的深度，由于北美板块的斜插与消亡，此时受到的作用主要来源于太平洋板块的俯冲，因而σ₁方向出现了恢复。俯冲带的σ₁主應力轴的倾伏角变化不大，基本在30°～40°左右，这与板块俯冲的角度几乎一致。最小主张应力轴（σ₃）的方位角也出现了从50.90°→69.24°→63.99°偏移又恢复的情况，这与σ₁走向出现情况分析的原因一致。其倾伏角变化较大，在350～500 km，甚至出现了倾伏角55.59°，这也反映了北美板块的俯冲迫使应力轴的张性性质向下倾伏。R值反映了张应力轴、压应力轴、中间应力轴在空间位置的稳定状态^[13-14]。如表1所示，不同深度的R值都比较大，这反映出压应力轴相对稳定，张应力轴和中间应力轴在压应力轴近似垂直的平面内呈拉张状态。

反演的应力轴结果在水平投影中，红色代表最大主压应力轴，绿色代表中间应力轴，蓝色代表最小主张应力轴

In the horizontal projection of the inverted stress axis results， red represents the maximum principal compressive stress axis， green represents the intermediate stress axis， and blue represents the minimum principal stress axis

由图3可看出，长白山火山区位于东北深震集中发生区的西南部，500～700 km的最大主压应力轴几乎与海岸线垂直分布，如果俯冲带继续延伸，则可到达长白山深部，但由于长白山火山区已形成岩浆柱，很难形成规模地震，到目前为止，已有许多研究人员及机构对长白山的地壳和地幔进行了研究，长白山火山下地壳、地幔显示低震速及高导电率可能反映了岩浆柱^[15-17]。地震层析成像显示，在长白山火山下方的壳幔转换带存在明显的连续性高速异常区，这一现象被解释为俯冲于欧亚板块下方的太平洋板块滞留区^[18-19]。王振宇等^[20]利用重力资料分析研究显示，长白山地区的岩石圈较为柔软，长白山的隆升动力源主要来自于地幔物质的上涌。胡亚轩等^[21]利用大地测量资料分析认为中国东北的深震并未结束，这些深震的影响仍将对壳幔岩浆及地壳形变产生一定的作用。为了探究俯冲带地震与浅源地震的关系，特别是沿火山区NE向一线的渤海辽东历史上多次发生大型地震（如1975年海城7.3级地震，1976年唐山7.8级地震）的区域。

研究又搜集到辽宁地区的震源机制解数据402个，反演了该区域的浅部整体构造应力场，所用震源机制解分布如图4所示，应力反演结果σ₁走向为88.22°，倾伏角为87.15°；σ₂走向为247.55°，倾伏角为2.67°；σ₃走向为337.60°，倾伏角为1.00°。可以看出，营口地区现今构造应力场的主压应力轴水平投影主要分布于NEE-SWW方向，主张应力轴水平投影主要分布于NNW-SSE方向。主压应力轴倾伏角较大，主张应力轴倾伏角较小，反映出营口地区现今的应力场方向仍以水平方向展布。长白山火山区正好沿着构造应力场展布的方向分布，因而从某种意义上讲，营口地区地震的活动间接的也在影响着火山区地壳结构。R值为0.45，这反映出营口地区浅部应力场各轴在空间分布相对较稳定。

根据上述研究结果，东北的深震和长白山火山的形成可能存在一定的联系，这些超深地震的发生使太平洋板块俯冲释放的流体可能成为长白山火山岩浆的动力源泉（图3）；盛俭等^[22]通过热力学耦合的数值模型模拟了海洋板块俯冲的动力学过程，研究分析认为板块深部脱水量和部分熔融量可以影响岩浆系统的岩浆容量，是影响长白山火山活动的主要因素，这与本研究结果一致。另外，还发现东北深震的构造应力场与浅部的构造应力场存在巨大的差异（图3～图5）：深震的主压应力为NWW-SEE，而浅部的主压应力却为NEE-SWW向，与其他研究人员的发现^[23-25]相符合；分析认为东北地区的浅部地壳作用力主要受欧亚板块的运动控制，但其深部却受到了太平洋板块的强烈俯冲与推挤，正是在这两股不同甚至相反的作用力控制下，才形成了长白山地区火山独特的地形地貌。

3  结论

（1）日本海沟浅部区域不仅受到太平洋板块的俯冲挤压，也受到北美板块的推挤，中国东北区域的深源地震与海沟俯冲带的长期作用存在密切的联系。

（2）俯冲带应力场方向以NWW-SEE向为主，长白山火山区的形成与俯冲带的逆冲存在巨大的联系，俯冲带的地震活动间接控制着东北亚火山区的形成与活动。

（3）辽宁营口地区主压应力轴分布于NEE-SWW方向，主张应力轴分布于NNW-SSE方向。结合火山区及周边浅源地震震源机制的结果，认为东北火山区现今构造应力场延续了东北区域应力的整体结构，主压应力轴呈NEE-SWW向，主张应力轴呈NNW-SSE向，这与俯冲带深震的构造应力场完全不同，这也说明长白山火山区是在两股不同甚至相反的作用力控制下产生和形成的。

  致谢

ISC国际地震中心，NIED F-net宽频带地震台网中心矩张量解，国家地震数据共享中心为本文提供了相关地震研究资料，在此一并表示感谢。

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Analysis of present tectonic dynamic background in Northeast China based on focal mechanism

Feng Bing， Hu Yaxuan， Chai Xuchao^*， Li Yang， Jin Yuan， Liu Wei， Song Liang， Wang Chuang， Wang Wenqing

The Second Monitoring and Application Center， CEA， Shaanxi Xian 710054， China

[Abstract]  By collecting focal mechanism solutions of earthquakes at different depths from Northeast Japan to Northeast China during 1957 to 2022， the joint iterative stress inversion method is used to calculate the tectonic stress field in the subduction zone and the tectonic stress field state in Northeast China. The results show that the shallow area of the Japan trench is not only affected by the subduction and extrusion of the Pacific plate， but also related to the extrusion of the North American plate. The deep source earthquakes in Northeast China are closely related to the long-term action of the trench subduction zone. The formation of the Changbaishan volcanic area has a great relationship with the thrust of the subduction zone. The seismicity of the subduction zone indirectly controls the formation and activity of the volcanic area in Northeast Asia. The principal compressive stress axis distributes in the NEE-SWW direction in the Yingkou area of Liaoning， while the principal tensile stress axis distributes in the NNW-SSE direction. Based on the results of the focal mechanism of shallow earthquakes in the volcanic area and its surrounding areas， it is believed that the current tectonic stress field in the northeastern volcanic area continues the overall structure of stress in the northeastern region， with the principal compressive stress axis in the NEE-SWW direction and the principal tensile stress axis in the NNW-SSE direction.

[Keywords] focal mechanism; Changbaishan volcanic area; plate subduction; tectonic stress field; dynamics